Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Ciecze są złymi przewodnikami ciepła, dlaczego więc kaloryfery wypełnia się wodą lub innym płynem? Również gazy, a więc i powietrze, są izolatorami, w jaki zatem sposób ogrzewa się całe mieszkanie? Co wspólnego ma gotująca się zupa z plamami na Słońcu?

Kaloryfery grzeją nasze mieszkania, ale same w sobie nie produkują ciepła – ono powstaje w kotłowni budynku lub jest dostarczane z sieci ciepłowniczej. Jak to się jednak dzieje, że do grzejnika w pokoju zawsze dociera ciepła woda, a opuszcza go zimna, a nie na odwrót? Odpowiedzią na to jest odpowiednie wykorzystanie przez konstruktorów zjawiska konwekcji
Już potrafisz
  • opisać związek między energią wewnętrzną ciała a jego temperaturą;

  • obliczyć gęstość ciała, gdy znane są jego masa i objętość;

  • znając gęstość ciała i płynu, w którym go zanurzono, przewidzieć, czy ciało utonie, czy wypłynie;

  • opisać zmiany objętości płynu, gdy zmienia się jego temperatura.

Nauczysz się
  • opisywać zjawisko konwekcji;

  • analizować przebieg zjawiska konwekcji w różnych przykładach ze swojego otoczenia.

Podczas ogrzewania ciała zwiększają swoją objętość. W miarę wzrostu temperatury cząsteczki cieczy i gazów poruszają się coraz szybciej i w następstwie tego oddalają się od siebie – rośnie objętość cieczy i gazów.

Animacja prezentuje zjawisko rozszerzalności termicznej gazu. Na początku pojawia się tytuł „Rozszerzalność termiczna gazu”. Następnie pokazano zbiornik z gazem. Tło bardzo jasne, prawie białe. Na środku widoczny zbiornik stojący na beżowym podłożu. Zbiornik (naczynie) ma kształt walca umieszczonego na podwyższeniu na trzech nóżkach. Walec ma nieco większą średnicę niż wysokość. Wykonany jest z przezroczystego szkła. Brakuje górnej podstawy. Mniej więcej w połowie wysokości znajduje się szara pokrywa (tłok), dzięki której gaz znajdujący się w dolnej części zbiornika nie wydostaje się poza zbiornik. Gaz również jest bezbarwny. Widać osiem białych kulek, które poruszają się chaotycznie wewnątrz zbiornika. Na pokrywie umieszczono ciemnoszary, prawie czarny, odważnik. Na odważniku znajduje się biały napis „kg”. Po chwili, z prawej strony zbiornika, nico powyżej, pojawia się niebieski napis „300 K”. Następnie pod zbiornikiem umieszczony zostaje jasnoszary, prawie biały palnik. Z palnika wydostaje się jasnożółty i pomarańczowy ogień. Do palnika dołączono szary przewód, którym doprowadzany jest gaz. Po chwili niebieski napis zmienia się na „400 K” (temperatura rośnie), a pokrywa (tłok) powoli unosi się. Potem niebieski napis znów się zmienia – na „500 K”, a pokrywa ciągle unosi się do góry. W dalszej części niebieski zapis zmienia się na „600 K” i przyjmuje czerwony kolor, a pokrywa (tłok) znajduje się już w górnej części naczynia. Po prawej stronie animacji pojawia się napis: „V/T = const.” Pokrywa przestaje się poruszać (wznosić).
Polecenie 1

Przypomnij sobie definicję gęstości ciała i oceń, jak zmieni się (wzrośnie czy zmaleje) gęstość 1 kg powietrza, jeśli na skutek wzrostu temperatury jego objętość wzrośnie. Odpowiedź uzasadnij.

Jeśli poprawnie wykonałeś polecenie, to jego wynik można sformułować w postaci wniosku:
powietrze mające wyższą temperaturę ma mniejszą gęstość.

Polecenie 2

Przypomnij sobie warunek pływania ciał i odpowiedz na pytanie, jak zachowa się porcja powietrza o mniejszej gęstości zanurzona w powietrzu o większej gęstości?

Wnioski wynikające z wykonanych wyżej poleceń pozwalają stwierdzić, że powietrze o niższej temperaturze (a więc większej gęstości) opada na dno – „tonie” w powietrzu o wyższej temperaturze (mniejszej gęstości). Natomiast cieplejsze powietrze wypływa, czyli unosi się do góry, jeśli jest zanurzone w powietrzu chłodniejszym.

Zjawisko konwekcji obserwujemy wszędzie tam, gdy pomiędzy różnymi miejscami objętości substancji występuje różnica temperatur. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, dlatego rosną odległości między nimi, z czego wynika wzrost objętości i spadek gęstości. Obszar gazu lub cieczy o wyższej temperaturze i mniejszej gęstości zgodnie z prawem Archimedesa zaczyna unosić się w górę. Po drodze stykając się z obszarami chłodniejszymi, oddaje im energię.

konwekcja

– proces przenoszenia ciepła w wyniku makroskopowych ruchów materii w gazach i cieczach.

Jeśli ten ruch fragmentów gazu lub cieczy wywołany jest różnicą gęstości, to konwekcję nazywamy swobodną.

Spotyka się czasem określenie konwekcja wymuszona, kiedy ruch powietrza lub cieczy jest spowodowany dzianiem sił zewnętrznych, np. wentylatora. Tego zjawiska nie będziemy jednak omawiać w tym podręczniku.

Oto kilka przykładów konwekcji swobodnej:

Prezentowana animacja ilustruje mechanizm powstawania bryzy morskiej w dzień i w nocy.
Animacja prezentuje ruch konwekcyjny wody w czajniku. Tło białe. Na środku znajduje się czajnik z wodą. Czajnik ma klasyczny kształt (przypominający imbryk). Rurka zakończona „dziobkiem” zwrócona jest w lewą stronę. Dla ułatwienia widoczne są tylko jego kontury (szare), by można zobaczyć, co się dzieje z gotującą się w środku wodą. Na powierzchni wody widoczne niebieskie „bąbelki”, woda bulgocze. Czajnik posiada szarą pokrywkę oraz czarny uchwyt w kształcie odwróconej litery U. Woda znajdująca się w czajniku wypełnia ok. trzy czwarte jego objętości. Ma kolor jasnoniebieski. Bezpośrednio pod czajnikiem narysowano 6 czerwonych strzałek, zwróconych ku górze (prostopadle do czajnika). Strzałki nie dotykają czajnika. Na strzałkach poruszają się do góry małe białe kuleczki, w prostej linii. W czajniku, na wodzie, narysowano cztery strzałki symbolizujące ruch konwekcyjny. Mają one kształt półkolisty. Strzałki połączono w pary. Para strzałek przypomina okrąg, stąd strzałki wyglądają jak dwa okręgi ułożone obok siebie. Strzałki zewnętrzne (lewa z lewej pary oraz prawa z prawej pary) mają kolor niebieski, jedynie początek i koniec są delikatnie zabarwione na czerwono. Strzałki wewnętrzne (prawa z lewej pary oraz lewa z prawej pary) mają kolor czerwony, a ich koniec i początek zabarwiony jest na niebiesko. Strzałki zewnętrzne skierowane są do dołu, do wewnątrz. Strzałki wewnętrzne do góry, na zewnątrz. We wszystkich strzałkach poruszają się białe kuleczki. Zgodnie z kierunkiem i zwrotem określonym przez poszczególne strzałki.
Ruch konwekcyjny wody w instalacji c.o.Animacja przedstawia ruch konwekcyjny wody w instalacji centralnego ogrzewania. Tło białe. Schemat instalacji c.o. (centralnego ogrzewania) składa się z dwóch głównych części: kotła i grzejnika. Kocioł znajduje się po lewej stronie, w dolnej części animacji, natomiast grzejnik – po prawej, w górnej części animacji. Kocioł i grzejnik zostały podpisane szarymi literami: „kocioł” i „grzejnik”. Grzejnik składa się z pięciu żeberek, w kształcie długich prostokątów z wyraźnie zaokrąglonymi rogami, ułożonymi prostopadle do dolnej krawędzi animacji. Żeberka połączone są ze sobą poziomymi rurkami: na górze i na dole. Kocioł ma kształt prostokąta z zaokrąglonymi rogami. Krawędzie szare, wypełnienie białe. Wysokość dwukrotnie dłuższa niż podstawa. W kotle znajduje się 6 rurek. Rurki mają kształt prostokątów z zaokrąglonymi rogami. Ułożone są równolegle względem siebie, prawie poziomo (prawe końce rurek leżą nieco wyżej niż lewe). Pod rurkami w kotle narysowano 6 krótkich, czerwonych strzałek. Strzałki leżą równolegle względem siebie, prostopadle do dolnej krawędzi kotła. Kocioł oraz grzejnik połączone są ze sobą w taki sposób, że od rurki znajdującej się w kotle najwyżej odchodzi rurka wychodząca z kotła w górnej jego części i biegnie ku górze, następnie zmienia swój kierunek o 90 stopni w prawo i biegnie do grzejnika łącząc wszystkie 5 żeberek (w górnej części grzejnika). Od rurki znajdującej się na samym dole również biegnie rurka – najpierw w prawo, następnie pionowo do góry i później znów w prawo łącząc wszystkie 5 żeberek w dolnej części grzejnika. W rurkach oraz grzejniku znajduje się woda. Nad górną rurką łączącą kocioł z grzejnikiem napisano „gorąca woda”. Nad dolną rurą łączącą kocioł z grzejnikiem napisano „chłodna woda”. Woda ma dwa kolory: czerwony i niebieski. W górnej części kotła, w górnej rurce oraz w górnej części grzejnika woda ma kolor czerwony. W dolnej części kotła, w dolnej rurce oraz w dolnej części grzejnika rurka ma kolor niebieski. W rurkach z znajdują się białe kuleczki, które pokazują kierunek ruchu wody. Najpierw od górnej części kotła, następnie rurką doprowadzającą wodę do grzejnika, a później, w grzejniku, we wszystkich żeberkach, woda opada w dół. W dalszej kolejności woda płynie dolną rurką i wracam z powrotem do kotła, od dołu.
Polecenie 3

Po obejrzeniu powyższej animacji odpowiedz na pytania postawione we wstępie do lekcji: dlaczego kaloryfery wypełnia się płynami oraz w jaki sposób grzejniki ogrzewają mieszkanie, jeśli zarówno ciecze, jak i gazy są złymi przewodnikami ciepła?

Ciekawostka

Efekt konwekcji możemy bardzo łatwo obserwować na powierzchni gotującej się zupy w garnku. Wystarczy kilka minut, aby zauważyć, że w jednych miejscach gotująca się zupa wypływa na powierzchnię, a w innych opada. Zjawisko konwekcji powoduje przeniesienie energii z dna naczynia wyżej. Podobne zjawisko możemy zaobserwować na powierzchni Słońca. Energia wytwarzana w jego jądrze przenoszona jest na powierzchnię. Na głębokości ok. 100 000 km występuje zjawisko konwekcji: gorące obszary gazu wędrują na powierzchnię – wydostając się pod postacią tzw. granul, mają temperaturę wyższą o kilkaset stopni od otaczających obszarów. Efektem jest wysyłanie większych ilości energii z obszaru granuli. W obszarze, w którym zachodzi konwekcja, pojawiają się silne pola magnetyczne, które zakłócają ruch gorącego gazu. Powstaje wtedy obszar chłodniejszy, widoczny jako plama słoneczna.

Poszukaj w Internecie informacji na temat fotosfery słonecznej, granulacji i plam słonecznych.

* Podczas konwekcji w cieczy lub gazie tworzą się prądy konwekcyjne; jedne strugi płynu poruszają się w górę, a drugie w dół. Strugi te tworzą tak zwane komórki konwekcyjne.

Ćwiczenie 1

Podsumowanie

  • Konwekcją nazywamy zjawisko polegające na przenoszeniu ciepła przez poruszające się ogrzane warstwy lub obszary gazów bądź cieczy.

  • Konwekcja swobodna – to ruch gazu lub cieczy spowodowany przez różnice gęstości obszarów o różnej temperaturze.

  • Ze zjawiskiem konwekcji często spotykamy się na co dzień. Powietrze o wyższej temperaturze w pobliżu nagrzanego kaloryfera unosi się do góry, tam oziębia się i następnie opada.

  • Zjawisko konwekcji obserwujemy wszędzie tam, gdzie pomiędzy różnymi miejscami objętości substancji występuje różnica temperatur. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, dlatego rosną odległości między nimi, stąd wzrost objętości i spadek gęstości. Obszar gazu lub cieczy o wyższej temperaturze i mniejszej gęstości zgodnie z prawem Archimedesa zaczyna unosić się w górę. Po drodze, stykając się z obszarami chłodniejszymi, oddaje im energię.

Praca domowa
Polecenie 4.1

Wyjaśnij znaczenie potocznego określenia „ciepło idzie do góry”. W swojej wypowiedzi użyj pojęcia: rozszerzalność termiczna, gęstość, konwekcja, ruch konwekcyjny.

Polecenie 4.2

W wielu biurowcach instalowane są systemy chłodzenia wykorzystujące tzw. wodę lodową, zawierającą glikol. Woda jest chłodzona w instalacji przypominającej układ chłodniczy spotykany w lodówkach AGD i jako zimna płynie rurami umieszczonymi pod sufitem. Napisz, w jaki sposób system taki ochładza powietrze w pomieszczeniu.

Polecenie 4.3

Często słyszymy polecenie: „zamknij drzwi, bo zimno leci”. Dlaczego nie jest ono poprawne? Jak powinno brzmieć? Jak przebiega proces wymiany energii po otwarciu drzwi?

Zadanie podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 2