Сохрани тепло в пути

Физика 8 · Урок 06

Как работает термос и как сравнить охлаждение воды в двух сосудах.

1. Почему чай остывает

Чай теплее комнаты и передаёт ей тепло. Его внутренняя энергия уменьшается, поэтому температура обычно падает. Термос замедляет охлаждение, но не нагревает чай сам и не сохраняет его горячим навсегда.

Тепло может передаваться теплопроводностью через детали, конвекцией с движущимся воздухом и тепловым излучением. В открытом сосуде напиток также теряет энергию при испарении. В настоящем термосе эти процессы сочетаются.

2. Как энергия приходит через пустое пространство

Тепловое излучение — электромагнитные волны, которые тело испускает из-за своей температуры. Между телами не обязательно должно быть вещество. Поэтому солнечная энергия достигает Земли через космос.

Обычные прохладные предметы тоже излучают. При комнатной температуре это в основном невидимое инфракрасное излучение. Если та же поверхность нагревается, её тепловое излучение усиливается. Горячая вода при этом не обязана светиться.

Окружающие предметы также посылают излучение обратно. Более тёплый предмет обычно отдаёт больше, чем получает от холодного окружения. При равновесии обмен продолжается в обе стороны, но потери и поступление компенсируются.

3. Что делают чёрное покрытие и полированный металл

Излучение может поглотиться, отразиться или пройти через материал. Поглощённая энергия увеличивает внутреннюю энергию. У непрозрачной пластины прошедшая часть мала: чем больше отражается, тем меньше поглощается при том же облучении.

В опыте выбранное матовое чёрное покрытие поглощает больше, чем полированный металл. При одинаковой температуре выше температуры окружения оно также испускает больше теплового излучения. Обе пластины излучают.

Сравнивать нужно одинаковые площади, температуры и облучение. Видимый цвет не определяет поведение любого материала в инфракрасном диапазоне: состав и покрытие важны.

4. Почему одной защиты недостаточно

Теплопроводность передаёт энергию через вещество. Металлическая перемычка хорошо проводит тепло. Воздушный промежуток обычно затрудняет передачу, но воздух тоже проводит тепло.

Движущийся газ дополнительно переносит энергию конвекцией. Если воздух почти удалён из промежутка между стенками, оба способа переноса через него сильно ослабевают.

Излучение проходит и через вакуум. Поэтому нужны поверхности, которые слабо поглощают и испускают тепловое излучение. Подходящее блестящее покрытие решает эту задачу; вакуум решает другую.

5. Как устроен термос

Напиток находится во внутреннем сосуде. Наружная оболочка защищает его, а вакуумный промежуток между стенками уменьшает передачу тепла газом. Над напитком внутри остаётся воздух: это отдельное пространство.

Блестящие поверхности обращены в промежуток и уменьшают теплообмен излучением. Если заменить их хорошо излучающим матовым покрытием, такой обмен усилится даже при вакууме.

Пробка закрывает горлышко, уменьшает обмен воздухом, испарение и передачу тепла через верх. Когда снимаешь её галочку, рисунок показывает открытый термос. Внешняя крышка-чашка на разрезе не показана.

Горлышко и соединения всё же проводят тепло, а небольшой обмен излучением сохраняется. Поэтому идеальной изоляции нет.

6. Почему холодный напиток тоже сохраняется

Тепло само передаётся от более тёплого к более холодному. Чай при 80 °C в комнате 20 °C остывает. Напиток при 5 °C в той же комнате получает тепло и нагревается.

Вакуум, покрытие и пробка замедляют обмен в обоих случаях. Термос не вырабатывает холод и не меняет направление теплообмена. Перед наполнением его иногда прогревают или охлаждают водой, чтобы стенка меньше изменила температуру напитка сразу.

Открывание обычно ускоряет нагрев холодного напитка комнатным воздухом. Но испарение охлаждает поверхность, и результат зависит от влажности и движения воздуха. Опыт сравнивает устройство без расчёта точной скорости. В реальности важны объём, конструкция и частота открывания.

7. Что такое калориметр

Калориметр — прибор для изучения теплообмена. Он уменьшает нежелательную передачу тепла между водой и комнатой. Школьный калориметр часто имеет два сосуда, воздух между ними и крышку; вакуума может не быть.

Крышка, воздушная прослойка и небольшие опоры уменьшают разные потери. Термометр вводят через отверстие так, чтобы датчик был в воде, вдали от стенки и дна. Записывают достаточно устойчивое показание.

Сосуд и термометр сами получают или отдают тепло. Поэтому не вся энергия, потерянная водой, обязательно ушла в воздух. Подробный расчёт этого обмена будет в следующих темах.

8. Как сравнить графики охлаждения

По горизонтали показаны минуты, по вертикали — температура в °C. В обоих сосудах вода начинает с 60 °C, в комнате 20 °C. Это учебные данные, а прямые линии просто соединяют точки таблицы.

Через 10 минут в стакане 34 °C, в калориметре 47 °C. Вода остыла на 60 − 34 = 26 °C и 60 − 47 = 13 °C соответственно. В стакане уменьшение больше на 13 °C.

В этом примере калориметр замедлил охлаждение. Это не означает, что он всегда «вдвое лучше». Градусы описывают изменение температуры, а количество переданной теплоты измеряется в джоулях.

9. Как провести своё сравнение сосудов

С учителем подготовь стакан, калориметр, мерный цилиндр, часы и два термометра. Используй воду 45–60 °C. Поставь сосуды рядом вдали от солнца, батареи и сквозняка.

Запиши температуру комнаты, объём каждой порции и цену деления термометров. Налей одинаковые объёмы с близкими начальными температурами, установи датчики одинаково и закрой крышку калориметра.

Записывай температуру сначала и через 2, 4, 6, 8 и 10 минут от первого отсчёта. Внеси значения в пустой журнал и построй график. Сравни уменьшение температуры за одинаковое время.

Опыт сравнивает устройство сосудов целиком. По нему нельзя отдельно измерить действие только крышки или только воздушной прослойки. Собственные измерения и вывод нужны, чтобы считать работу выполненной.

10. Как учитывать точность термометра

Показание зависит от прибора, положения датчика и момента отсчёта. Цена деления — разность соседних подписанных значений, делённая на число промежутков между ними.

В принятом школьном протоколе погрешность аналогового отсчёта оценивают примерно в одно деление. Это правило данного протокола, а не свойство любого термометра. Для цифрового прибора точность берут из описания. Не добавляй цифры, которых шкала не позволяет прочитать.

Если разница результатов сравнима с погрешностью, вывод осторожный: опыт стоит повторить. Если показание неожиданно выросло, сохрани запись и проверь прибор, перемешивание и окружение. Программа предупреждает о необычных данных, но не заменяет их придуманными.

11. Почему теплица и город нагреваются

Солнечный свет проходит в теплицу и нагревает почву и растения. Стены и крыша мешают тёплому воздуху свободно уходить. Стекло также поглощает многие длины волн инфракрасного излучения и само излучает в обе стороны. Температура зависит от сочетания этих процессов.

В атмосфере парниковые газы поглощают и испускают инфракрасное излучение. Атмосфера не является стеклянной крышкой, которая останавливает конвекцию. Поэтому механизмы теплицы и атмосферного парникового эффекта нельзя полностью отождествлять.

В городе здания и покрытия накапливают солнечную энергию и позже отдают тепло. Деревья создают тень и испаряют воду, а застройка меняет движение воздуха. Важна также деятельность людей. Иллюстрация показывает эти причины, но не является картой измеренных температур.

12. Где ещё используют тепловую защиту

Вакуумный сосуд Джеймса Дьюара 1892 года помогал сохранять очень холодные вещества. Та же идея подходит для чая: уменьшить нежелательный теплообмен, какое бы направление он ни имел.

Космические аппараты защищают многослойными отражающими покрытиями. Золотистый вид некоторых связан с янтарной плёнкой и алюминиевым слоем, а не толстой золотой бронёй. Лишнее тепло отдают отдельные радиаторы, излучающие в космос.

У термоса вакуум уменьшает передачу газом, блестящие поверхности — излучением, пробка — через открытое горлышко. Чтобы оценить настоящий результат, нужно измерять температуры в одинаковых условиях.

Проверь понимание

1. Почему вакуум не останавливает тепловое излучение?

Излучение переносится электромагнитными волнами, которым не нужен воздух. Для уменьшения этого обмена в термосе используют блестящие поверхности.

2. Обычная прохладная чашка тоже излучает?

Да. При комнатной температуре её излучение в основном инфракрасное. Одновременно она получает излучение окружающих предметов.

3. Как сравнить излучение двух поверхностей?

Возьми одинаковые площади и температуры при общем окружении. Тогда различие можно связать со свойствами поверхностей.

4. Видимый чёрный цвет всегда означает сильное инфракрасное излучение?

Нет. Свойства зависят от материала, покрытия и длины волны. В уроке сравниваются конкретное матовое чёрное покрытие и полированный металл.

5. Зачем удаляют воздух между стенками термоса?

Чтобы резко уменьшить передачу тепла теплопроводностью газа и его потоками. Излучение и теплопроводность горлышка при этом остаются.

6. Что меняет плотная пробка?

Меньше воздуха обменивается с комнатой, напиток меньше испаряется, а плохо проводящая пробка уменьшает передачу тепла через верх.

7. Что будет с холодным напитком в закрытом термосе в тёплой комнате?

Он постепенно нагреется: тепло поступает из комнаты. Термос замедляет этот процесс, поэтому дольше сохраняет напиток холодным.

8. В школьном калориметре обязательно есть вакуум?

Нет. Между его сосудами часто оставляют воздушную прослойку и добавляют крышку. Уточни устройство прибора, который используешь.

9. Вода остыла с 60 до 34 °C. На сколько градусов?

60 − 34 = 26 °C. Это уменьшение температуры. Количество отданной теплоты измеряют в джоулях, и здесь оно не вычислено.

10. Почему при сравнении сосудов нужны одинаковый объём воды и близкие начальные температуры?

Иначе разница охлаждения может быть вызвана количеством воды или её начальной температурой. При одинаковых условиях лучше видно влияние устройства сосудов.

11. Вместо охлаждения термометр показал рост температуры. Что записать?

Сохрани настоящее показание. Затем проверь прибор, его положение, время и условия опыта. Не заменяй результат ожидаемым числом.

12. Почему хороший термос со временем всё равно перестаёт сохранять начальную температуру?

Небольшой теплообмен остаётся: излучение, теплопроводность пробки, горлышка и соединений. При открывании добавляется обмен воздухом и испарение.

Словарь

Тепловое излучение

Перенос энергии электромагнитными волнами вследствие температуры тела.

Поглощение

Переход энергии падающего излучения во внутреннюю энергию вещества.

Вакуум

Пространство с очень малым содержанием газа.

Калориметр

Прибор для исследования теплообмена с уменьшенным обменом с окружением.

Тепловое равновесие

Состояние без суммарного теплообмена при одинаковых температурах.

Уменьшение температуры

Начальное показание минус конечное; при охлаждении положительно.

Учителю

Запланируйте два занятия: первое — излучение и термос; второе — измерение охлаждения воды. Учебный график служит примером и не заменяет измерения ученика.

Перед опытом проверьте сосуды, крышку калориметра, устойчивость установки и диапазон термометров. Учитель готовит тёплую воду; кипяток не нужен. Сравнивайте одинаковые объёмы при близких начальных температурах в одной комнате и через одинаковые промежутки времени.

Запишите цену деления и погрешность каждого прибора. У разности двух показаний тоже есть погрешность; для осторожной оценки можно сложить их границы. При одном термометре учтите задержку между измерениями. Лучше два прибора либо повторные опыты в одинаковых условиях.

Вода сначала обменивается теплом с самим сосудом. При заметно разных начальных температурах повторите опыт с выровненными условиями: одной разницы конечных показаний недостаточно.

В модели термоса 80, 5 и 20 °C задают условия. Стрелки сравнивают способы передачи тепла и не показывают ватты, проценты или результат через определённое время.

Обсудите, почему ошибочны фразы «вакуум совсем не пропускает тепло», «холод входит внутрь» и «блестящее ничего не излучает». Формула количества теплоты и теплоёмкость будут в следующих уроках.

Вернуться к опытам