Меню Закрыть

Что такое охлаждение в физике: Нагревание и охлаждение тел :: Класс!ная физика

Содержание

Нагревание и охлаждение тел :: Класс!ная физика

НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛ

При нагревании тело получает тепло, а при охлаждении отдает его.

Количество теплоты, полученное телом при нагревании, можно рассчитать по формуле:


где с — удельная теплоемкость вещества,
m — масса вещества,

…….. — разность конечной и начальной температур.

Эта же формула годится для расчета количества теплоты, выделившейся при охлаждении тела.

Удельная теплоемкость вещества — это физическая величина, показывающая количество теплоты, которое нужно передать 1 кг этого вещества для нагревания его на 1 °С.
Единица измерения удельной теплоемкости в системе СИ:
[ с ] = 1 Дж/(кг°С).

При охлаждении тела до прежней температуры выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на нагревание этого тела.

…………………..


ИНТЕРЕСНО ?

1. Почему в водоемах летом вода на достаточной глубине плохо прогревается?

Нагревание воды солнечными лучами происходит сверху. Однако вода обладает плохой теплопроводностью.

2. Почему зимой на глубине у дна водоема сохраняется температура +4 градуса по Цельсию?


Первое – лёд не тонет.
Второе – вода, охладившаяся до +4 градусов по Цельсию, обладает наибольшей плотностью, поэтому опускается на дно.
Третье — плохая теплопроводность воды не может привести к выравниванию температуры по всей глубине.


Нагревание пузырька плотничьего уровня.

С помощью этого прибора плотники выставляют горизонтальный уровень при строительных работах.

Если прибор лежит на горизонтальной поверхности, то пузырек воздуха, имеющийся в стеклянной трубке, заполненной водой, будет располагаться ровно по центру. При наклоне уровня пузырек сместится к одному из концов трубки.

Устали? — Отдыхаем!

Количество теплоты: нагревание, охлаждение, плавление, кристаллизация, парообразование, конденсация, горение. Термодинамическая система

Тестирование онлайн

  • Количество теплоты. Основные понятия

  • Количество теплоты

Термодинамика

Раздел молекулярной физики, который изучает передачу энергии, закономерности превращения одних видов энергии в другие. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике не учитывается внутреннее строение веществ и микропараметры.

Термодинамическая система

Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры.

Количество теплоты

Это энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.

В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.

Нагревание и охлаждение

Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле

Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость — известная, уже вычисленная для всех веществ величина, значение смотреть в физических таблицах.

Теплоемкость вещества С — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.

Плавление и кристаллизация

Плавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.

Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле

Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Парообразование (испарение или кипение) и конденсация

Парообразование — это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.

Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Горение

Количество теплоты, которое выделяется при сгорании вещества

Удельная теплота сгорания известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса. Алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующим в теплообмене, равна нулю:

Q1+Q2+…+Qn=0

Физики впервые охладили молекулы до температуры 220 нанокельвин

Hyungmok Son, et al. / Nature, 2020

Группа физиков из США охладила молекулы натрий-литий до температуры 220 нанокельвин за счет столкновений с ультрахолодными атомами натрия. Работа опубликована в журнале Nature.

Испарительное охлаждение используется как для понижения температуры нашего тела, когда мы потеем, так и для охлаждения помещений и приборов. Природа этого феномена заключается в том, что горячие частицы охлаждаемой системы сталкиваются с частицами охладителя, передавая им свой импульс, а последние, в свою очередь, покидают систему. 

В атомной физике испарительное охлаждение применяется для снижения энергии колебаний ансамбля атомов. Технология использует электромагнитное поле для улавливания атомов в оптическую ловушку. С течением времени атомы сталкиваются друг с другом и некоторые из них становятся подвижнее, чем другие. Такие высокоэнергетичные атомы покидают ловушку, понижая тем самым энергию всей системы и снижая температуру оставшихся атомов.

Охлажденные квантовые системы могут быть использованы в качестве симулятора различных систем физики конденсированного состояния или ядерной физики. Однако у отдельных атомов слишком мало степеней свободы, что ограничивает возможности симулятора. За последние 15 лет был сделан серьезный прогресс в охлаждении более сложных объектов, таких как молекулы, но, к сожалению, достигнутые температуры ограничивались до сих пор десятками милликельвинов.

Физики из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета под руководством профессора Алана Джемисона (Alan Jamison) впервые сумели охладить ансамбль молекул за счет испарительного охлаждения до температуры 220 нанокельвин. Для этого ученые поместили 30 тысяч молекул NaLi и 100 тысяч атомов натрия в оптическую ловушку, в которой частицы удерживались электромагнитным полем.

Экспериментальная установка.

Hyungmok Son, et al. / Nature (2020)

Через некоторое время молекулы и атом начинали термализоваться за счет столкновений друг с другом. После первого естественного этапа столкновения часть атомов натрия покинула ловушку, понизив температуру молекул до 2.2 микрокельвина. 

Термализация молекул и атомов.

Hyungmok Son, et al. / Nature (2020)

Затем физики повторно сталкивали молекулы и атомы, что приводило к дополнительному охлаждению молекул. Преднамеренные столкновения производились за счет модуляции поля в ловушке: удерживающий потенциал для молекул глубже, чем для атомов, что позволяет эффективно производить испарительное охлаждение молекул. За два цикла температура молекул достигла рекордной отметки в 220 нанокельвин.

Число молекл в оптической ловушке, и их температура. За два цикла столкновений температура опускается до сотни нанокельвин.

Hyungmok Son, et al. / Nature (2020)

Ученые утверждают, что коллизионные свойства смеси атомов натрия и молекул натрий-литий имеют большие перспективы для охлаждения и других систем из легких молекул. Недавно мы писали о том, как физикам удалось охладить частицу, состоящую из 100 миллионов атомов, с помощью оптического пинцета, а в 2018 году ученые впервые получили охлажденный конденсат фотонов.

Михаил Перельштейн

Удельная теплоемкость вещества — формулы, определение, обозначение

Нагревание и охлаждение

Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.

Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.

Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.

  • Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.

Виу-виу-виу! Внимание!

Обнаружено новое непонятное слово — теплопередача.
Минуточку, давайте закончим с количеством теплоты.

В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:

Нагревание

Q = cm(tконечная — tначальная)

Охлаждение

Q = cm(tначальная — tконечная)

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

m — масса [кг]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.

А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.

Виды теплопередачи

  • Теплопередача — это физический процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому.

Здесь все совсем несложно, их всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.

Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.

Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.

Конвекция

Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.

Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.


Излучение

Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.

Если мы греемся у камина, то получаем тепло конвекцией или излучением?🤔

Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.

Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета

Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:

Нагревание

Q = cm(tконечная — tначальная)

Охлаждение

Q = cm(tначальная — tконечная)

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

m — масса [кг]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.

С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:

Удельная теплоемкость вещества

c= Q/m(tконечная — tначальная)

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

m — масса [кг]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:

Удельная теплоемкость вещества

c= C/m

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]

m — масса [кг]

Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела

Q = C(tконечная — tначальная)

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

m — масса [кг]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

Таблица удельных теплоемкостей

Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.

Газы

C, Дж/(кг·К)

Азот N2

1051

Аммиак Nh4

2244

Аргон Ar

523

Ацетилен C2h3

1683

Водород h3

14270

Воздух

1005

Гелий He

5296

Кислород O2

913

Криптон Kr

251

Ксенон Xe

159

Метан Ch5

2483

Неон Ne

1038

Оксид азота N2O

913

Оксид азота NO

976

Оксид серы SO2

625

Оксид углерода CO

1043

Пропан C3H8

1863

Сероводород h3S

1026

Углекислый газ CO2

837

Хлор Cl

520

Этан C2H6

1729

Этилен C2h5

1528

Металлы и сплавы

C, Дж/(кг·К)

Алюминий Al

897

Бронза алюминиевая

420

Бронза оловянистая

380

Вольфрам W

134

Дюралюминий

880

Железо Fe

452

Золото Au

129

Константан

410

Латунь

378

Манганин

420

Медь Cu

383

Никель Ni

443

Нихром

460

Олово Sn

228

Платина Pt

133

Ртуть Hg

139

Свинец Pb

128

Серебро Ag

235

Сталь стержневая арматурная

482

Сталь углеродистая

468

Сталь хромистая

460

Титан Ti

520

Уран U

116

Цинк Zn

385

Чугун белый

540

Чугун серый

470

Жидкости

Cp, Дж/(кг·К)

Азотная кислота (100%-ная) Nh4

1720

Бензин

2090

Вода

4182

Вода морская

3936

Водный раствор хлорида натрия (25%-ный)

3300

Глицерин

2430

Керосин

2085…2220

Масло подсолнечное рафинированное

1775

Молоко

3906

Нефть

2100

Парафин жидкий (при 50С)

3000

Серная кислота (100%-ная) h3SO4

1380

Скипидар

1800

Спирт метиловый (метанол)

2470

Спирт этиловый (этанол)

2470

Топливо дизельное (солярка)

2010

Задача

Какое твердое вещество массой 2 кг можно нагреть на 10 ˚C, сообщив ему количество теплоты, равное 7560 Дж?

Решение:

Используем формулу для нахождения удельной теплоемкости вещества:

c= Q/m(tконечная — tначальная)

Подставим значения из условия задачи:

c= 7560/2*10 = 7560/20 = 378 Дж/кг*˚C

Смотрим в таблицу удельных теплоемкостей для металлов и находим нужное значение.

Металлы и сплавы

C, Дж/(кг·К)

Алюминий Al

897

Бронза алюминиевая

420

Бронза оловянистая

380

Вольфрам W

134

Дюралюминий

880

Железо Fe

452

Золото Au

129

Константан

410

Латунь

378

Манганин

420

Медь Cu

383

Никель Ni

443

Нихром

460

Олово Sn

228

Платина Pt

133

Ртуть Hg

139

Свинец Pb

128

Серебро Ag

235

Сталь стержневая арматурная

482

Сталь углеродистая

468

Сталь хромистая

460

Титан Ti

520

Уран U

116

Цинк Zn

385

Чугун белый

540

Чугун серый

470

Ответ: латунь

Опыт 5.4. Адиабатическое охлаждение. Образование тумана — Молекулярная физика. Начало

Наглядно – интересно – просто – понятно! Данный курс представляет собой серию физических опытов и экспериментов по теории колебаний и основам молекулярной физики. Демонстрацию физических явлений проводит легендарная личность, незаурядный преподаватель, доцент кафедры общей физики НИЯУ МИФИ — Валериан Иванович Гервидс, который доступно и наглядно объясняет основные принципы и законы общей физики. Зачем учить этот курс? • Физика – наука экспериментальная. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать или прочитать! • Именно эксперименты позволяют продемонстрировать и легко понять и простые, и сложные аспекты, которые традиционно преподаются в виде теоретического материала и математических моделей • Курс поможет Вам научиться использовать: o эксперимент как способ постановки вопроса, o эксперимент как инструмент изучения физического явления o эксперимент как форму ответа на вопрос • Очень часто достаточно «простые» физические вопросы имеют неожиданные ответы, которые зависят от конкретных условий проведения эксперимента. Демонстрация таких опытов и объяснение полученных в них результатов могут оказаться чрезвычайно интересными • Вы сможете увидеть применение изучаемых физических явлений в жизни, в технике и в быту • Изучая этот курс, вы восполните нехватку времени на экспериментальную, «живую» физику, которая ощущается в обычном учебном процесс Чему учит этот курс? • Пониманию широкого круга как простых, так и сложных физических явлений и процессов по тематике соответствующих разделов • Применению физических закономерностей для анализа различных физических явлений и процессов • Навыкам использования эксперимента • Базовым знаниям по физике будущих инженеров и специалистов в различных областях деятельности. Для кого этот курс? • Для тех, кто изучает физику, и хочет прояснить для себя различные вопросы (в школе, в вузе) • Для тех, кто преподает физику (в школе, в вузе) • Для тех, кто использует физику в своем рабочем процессе (инженеры, программисты и т.д.) • Для тех, кому это просто интересно

Виды охлаждения компьютера и правильная установка

Как поменять вентилятор

Все подвижные части в компьютере или любой другой технике выходят из строя. Где-то отвалится лопасть, где-то будет гудеть подшипник, в некоторых случаях замена кулера чисто косметическая, например, хочется сделать подсветку или создать особый дизайн за счет необычных лопастей.

Как вытащить вентилятор из компьютера

Перед заменой нужно избавится от старого кулера. Обычный корпусный вентилятор крепится на четырех винтах, в некоторых случаях это могут быть быстросъемные зажимы или специальные антивибрационные силиконовые винтики. Открутите крепления или отцепите быстросъемы.

Между корпусом и вентилятором должна быть антивибрационная прокладка из силикона или резины, а также пылевой фильтр. Аккуратно снимите их – при долгой эксплуатации прокладки могут хорошо прилипнуть к корпусу, если они потрескались или уже успели рассыпаться, то их нужно заменить.

Лучше использовать антивибрационную прокладку, а не силиконовые винтики, она работает гораздо лучше и продлит время эксплуатации кулера. Если он надежно прижат к корпусу, то его вибрации не будут расшатывать ось. Силиконовые винтики не гасят вибрацию, а просто препятствуют ее передачи на корпус.

Один из вариантов исполнения антивибрационной резинки.

Отключить штекер питания от материнской платы тоже очень просто, достаточно немного потянуть за провод, защелки нет. Вариантов подключения может быть несколько – некоторые кулеры включаются в материнку, некоторые по MOLEX разъему напрямую к блоку питания. Отсоединить MOLEX очень легко, там тоже нет никаких защелок.

Как поставить кулер на корпус

При установке вентилятора главное соблюдать направление воздуха. Обычно на корпусах забор идет спереди, а сзади выдув. Если вы установите неправильно, то эффективность охлаждения снизится в разы.

Чтобы установить вентилятор на корпус, прикрутите его болтами в соответствующие отверстия или используйте силиконовые прижимы. Ничего тут сложно нет, все отверстия стандартизированы, нужно только выбрать вентилятор подходящего диаметра.

Стандартными для корпуса считаются кулеры 120 мм на переднюю сторону, а сзади используются 80 мм или 90 мм. Игровые корпуса обычно комплектуются вентиляторами 120 мм со всех сторон. Особые дизайнерские модели могут иметь оригинальную систему продува.

Обычно к таким корпусам идет комплект установленного охлаждения или хотя бы инструкция.

Как подключить кулер к материнской плате

После того, как вы прикрутили на свое место кулер, его нужно подключить. На материнской плате есть разные разъемы, обычно это 3 PIN и 4 PIN. Если у вас вентилятор на 3 контакта, то его можно подключить к 3 PIN разъему и 4 PIN разъему, а вот если вы подключите 4 PIN кулер к 3 PIN разъему, то не сможете использовать для него систему регулировки через утилиту.

Как регулировать скорость кулеров

Для этого есть отдельные приспособления – плата-концентратор или реобас.

Плата-концентратор позволит вам подключить много кулеров на один выход материнской платы. Минус в том, что она не имеет выносного регулятора, также вы не сможете задавать команду каждому отдельному вентилятору, а только всем вместе.

Реобас механический не имеет таких недостатков, вы можете регулировать каждый отдельный кулер так как вам захочется, но придется иметь постоянно открытый датчик температур, а это не очень удобно. Такая модель, как на фото не имеет своего экрана, что ограничивает его возможности.

Реобас электронный имеет экран и выводит всю необходимую информацию на него, через сенсорную панель вы легко сможете отрегулировать скорость вращения вентиляторов.

На самом деле, реобас – скорее элемент декора и практического применения у него нет. Современные платы сами регулируют скорость вращения всех вентиляторов в зависимости от температуры на модулях корпуса. Но если вы захотите установить один из них, то ставятся они в отверстие под 3,5” устройства, а это чаще всего DVD-ROM. Учтите, что на современных игровых корпусах очень часто такого отверстия просто нет.

Физики из МФТИ разработали систему охлаждения для процессоров будущего

Российские исследователи нашли решение проблемы перегрева активных компонентов оптоэлектронных микропроцессоров, сообщает в понедельник пресс-служба МФТИ. «Такие процессоры буду работать в десятки раз быстрее современных»,- говорится в пресс-релизе. Производительность многоядерных процессоров сегодня определяется не столько скоростью работы каждого ядра, сколько скорость обмена данными между ними.

Между тем, электрические медные соединения в микропроцессорах ограничены по пропускной способности, что уже не позволяет наращивать производительность: так, двукратное увеличение количества ядер не даёт двукратного роста вычислительной мощности. Поэтому ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как  IBM, Oracle, Intel и HP сейчас постепенно переходят от электроники к фотонике, в которой информация  передаётся потоками фотонов, а не электронов.

Кроме того, возможны гибридные системы. Так, в оптоэлектронном микропроцессоре вычисления внутри каждого ядра будут вестись за счёт электронов, а информацию между ядрами будут практически мгновенно передавать фотонные компоненты.  Однако из-за дифракции фотонные компоненты нельзя так же легко уменьшать, как электронные. Эту проблему ученые решают переходом от объемных электромагнитных волн к плазмон-поляритонам, электромагнитным волнам, способным распространяться вдоль поверхности металлов. Но, так же как протекание тока через резистор вызывает выделение тепла, так и фотонные компоненты разогреваются при прохождении поверхностной электромагнитной волны (см. рис. 1).

Плотность тепловой мощности потерь с единицы поверхности плазмонного волновода составляет 10 кВт/см2, что в два раза превышает плотность излучения у поверхности Солнца.

Рис.1 Распределение температуры в активном плазмонном волноводе на оптоэлектронном чипе с охлаждением © Пресс-служба МФТИ

Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, нашли способ решения этой проблемы.

Они показали, что использование различных термоинтерфейсов — слоев теплопроводящих материалов, находящихся между чипом и системой охлаждения и обеспечивающих беспрепятственный отвода тепла — позволит эффективно охлаждать высокопроизводительные оптоэлектронные чипы. По результатам компьютерного моделирования Федянин и Вишневый сделали вывод: если оптоэлектронный чип с активными плазмонными волноводами разместить в воздухе, то его температура повысится на несколько сотен градусов Цельсия, что приведет к неработоспособности устройства. Многослойные термоинтерфейсы нано- и микрометровой толщины в сочетании с простыми системами охлаждения способны уменьшить температуру чипа с нескольких сотен до приблизительно 10 градусов Цельсия, выше температуры окружающей среды. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5-100», а его результаты опубликованы в журнале ACS Photonics.

Закон охлаждения — Видео по физике от Brightstorm

Закон охлаждения Ньютона гласит, что горячий объект будет передавать свое тепло более холодному объекту быстрее в зависимости от того, насколько холоден этот объект. С математической точки зрения, это говорит о том, что скорость изменения горячего объекта пропорциональна разнице температур между ним и окружающей средой.

Закон охлаждения иногда его называют законом охлаждения Ньютона, потому что он был впервые описан Ньютоном и идентифицирован Ньютоном, и в основном это говорит о том, что скорость охлаждения объекта пропорциональна разнице температур между объектом и его окружением и это должно иметь большой смысл.

Если я возьму банку содовой и поставлю в холодильник, она остынет с определенной скоростью, если я положу ее в морозильную камеру, она будет охлаждаться гораздо быстрее, хорошо, мы можем показать это здесь, в основном говоря, что скорость охлаждения пропорциональна разнице температур между охлаждаемым объектом и окружающей средой, и есть пара других вещей, причина, по которой мы говорим пропорционально, заключается в том, что она будет зависеть от таких вещей, как проводимость окружающей среды, другими словами мы помещаем его в воду или рядом с твердым веществом, например медью, которое имеет высокую проводимость, что увеличивает скорость охлаждения, или воздух, который имеет более низкую скорость охлаждения, если вы поместите эту банку с содой в ледяную воду, она будет охладиться намного быстрее, чем если бы я поместил его в морозильную камеру, окруженную воздухом, из-за проводимости, но независимо от этих других переменных мы всегда можем предположить, что скорость охлаждения будет пропорциональна расстоянию в разных Разница в температуре между тем, что охлаждается, и окружающей средой вокруг, которая его охлаждает.

Нагрев и охлаждение — физика нарраитве

Проводимость в твердых телах: частицы не меняют соседей

Давайте сначала подумаем о проводимости твердых тел. Здесь каждая частица вибрирует, но в долгосрочной перспективе никуда не денется. Это верно для каждой частицы, поэтому каждая частица имеет фиксированных соседей.В твердых телах возможна только теплопроводность. Нагрейте один конец твердого тела, и вы получите сильную вибрацию на одном конце, а не на другом. Вибрации передаются от частицы к частице, постепенно нагревая весь твердый объект.

Это хороший пример того, что происходит с электрическими изоляторами или неметаллами. Но металлы, которые могут проводить электричество, также оказываются лучшими проводниками тепла, чем неметаллы. Почему это?

Все дело в электрической проводимости.Хотя атомы фиксированы, они разделяют часть своих электронов, и они могут свободно перемещаться внутри металла. Эти электроны могут вылетать из горячего конца, имея в своем кинетическом запасе значительную энергию. Эта энергия делится с атомами на более холодном конце, поэтому эти атомы нагреваются быстрее, чем если бы единственным механизмом была передача колебаний от атома к атому, как в электрических изоляторах.

В целом, в твердых телах колебания в одном куске материала передаются следующему, но при этом ни один из атомов не должен перемещаться от одного куска к другому.

Проводимость и конвекция в жидкостях и газах, испарение

Для жидкостей и газов картина более сложная. Теперь частицы могут менять своих соседей, но это все еще тот случай, когда большее движение частицы в одном фрагменте может привести к большему движению частицы в следующем, без массового движения частиц. Однако такая передача движения в жидкостях и газах не очень эффективна. Вот почему воздух — такой хороший изолятор. В вашей одежде есть воздушные карманы, которые согревают вас.

Там, где частицы расположены ближе друг к другу, как в воде, проводимость лучше именно потому, что случайным движениям частиц в одном объеме легче влиять на случайные движения частиц в следующем. Но проводимость в воде все же не намного лучше, чем в воздухе. Мы полагаемся на это при разработке гидрокостюмов для дайвинга, которые удерживают изолирующий слой воды рядом с кожей.

Иногда происходит массовое движение частиц, поэтому движутся целые объемы частиц жидкости, забирая при этом энергию из своего теплового хранилища.Это называется конвекцией, и поток таких объемов приводит к конвекционным потокам.

Поскольку конвекция основана на плавании и опускании таких объемов жидкости, подробное обсуждение конвекции находится в теме SPT: Motion.

Не все частицы в жидкостях и газах движутся с одинаковой скоростью. Если вы наберете немного воды в стакане, некоторые частицы будут двигаться быстрее, чем другие, и, следовательно, вносят больший, чем средний вклад, в тепловой запас этой воды. Случайные столкновения между частицами приводят к непрерывному перераспределению энергии по мере того, как частицы ускоряются или замедляются.Если выборочно удалить эти более быстрые частицы, жидкость остынет. Для жидкостей этот процесс называется испарением.

Испарение происходит из жидкости при всех температурах, поскольку частицы выходят из тела жидкости. Наиболее быстро движущиеся частицы (с наибольшей долей энергии в тепловом аккумуляторе) — это те, у которых есть наибольшие шансы ускользнуть. Когда самые быстро движущиеся частицы убегают, средняя скорость остальных частиц обязательно падает (удалите самые быстрые частицы, и средняя скорость оставшихся должна упасть).Таким образом, средняя энергия, приходящаяся на одну частицу жидкости, падает, как и температура. Это понижение температуры — это то, что сохраняет прохладу, когда с кожи испаряется пот.

The Physics of Keeping Cool

Это определение кажется таким неясным, но на самом деле это хороший способ выразить его.

Снова на лед. Лед остывает не только при контакте. Что ж, это происходит до тех пор, пока температура плавления не достигает 0 ° C (32 ° F).Чтобы вода совершила фазовый переход из твердого состояния в жидкое, ей требуется еще больше энергии. Откуда эта энергия? Ага. Это исходит из окрестностей.

Люди создают кегератор

Что такое кегератор? Это ПРОСТО как холодильник, за исключением того, что вы кладете туда бочонок пива. Да, и вы добавляете кран на верхнюю часть или дверь, чтобы вы могли получать холодное пиво, даже не открывая дверцу холодильника. Классно, не правда ли? Вы можете подумать, что я шучу насчет кегератора, но это не так.Охлаждение напитков (и пива) холодным требовалось как при охлаждении льдом, так и в холодильниках.

А как работает холодильник? Все дело в том, чтобы сжать газ и позволить ему превратиться в жидкость, а затем снова испариться в газ. Это может показаться безумием, но вот демонстрация, которую вы можете сделать самостоятельно, чтобы понять, насколько это круто. Все, что вам нужно, это резинка.

Возьмите резинку и прикоснитесь ею к губам, чтобы почувствовать температуру браслета (губы более чувствительны, чем пальцы).Теперь протяните резиновую ленту как можно дальше, не разрывая ее, и снова прикоснитесь к губам (быстро). Вы должны почувствовать, что резинка теперь горячее, чем была. Затем просто подержите его в растянутом положении на короткое время, чтобы он мог остыть до комнатной температуры. Наконец, дайте резинке сжаться до первоначального размера и снова почувствуйте это. Угадай, что? Это холоднее комнатной температуры. Вот то же самое на видео.

В вашем кондиционере и холодильнике не используются резинки.Вместо этого есть газ (называемый хладагентом). Этот газ сжимается и при этом нагревается. Если вы когда-либо накачивали велосипедную шину, вы могли заметить, что она нагревается — здесь та же идея. Поскольку этот горячий сжатый газ горячее окружающего воздуха, он передает (посредством теплопроводности) энергию воздуху и снижает его температуру. Это также заставляет газ конденсироваться в жидкость.

Следующий шаг — взять эту жидкость и позволить ей расшириться в газ. Этот фазовый переход и расширение в газ требует энергии.Конечно, энергия исходит из окружающей среды. Это охлаждающая часть кондиционера или холодильника. Затем газ возвращается в компрессор, и цикл продолжается. Да, я упустил некоторые детали, но это основная идея.

Внутри морозильной камеры может быть очень холодно.

Изображение: Rhett Allain

Я ничего не сказал о геотермальном охлаждении. Это в основном просто охлаждение за счет теплопроводности, и вы хотите установить тепловой контакт с предметами под землей. Иногда температура земли ниже, чем температура воздуха, и ее можно использовать для охлаждения.Да, есть и другие способы охлаждения. Возможно, в будущем у нас появятся холодильники на магнитной основе.

Последняя мысль: почему намного легче повысить температуру чего-либо, чем понизить температуру? Возможно, это будет следующий пост в блоге.

Формула закона охлаждения Ньютона

Сэр Исаак Ньютон создал формулу для расчета температуры объекта, когда он теряет тепло. Тепло перемещается от объекта к его окружению. Скорость изменения температуры пропорциональна разнице температур между объектом и его окружением.Формулу можно использовать для определения температуры в данный момент времени. Единицей измерения температуры в системе СИ является Кельвин (K), но обычно градусы Цельсия ().

T (t) = T с + (T 0 — T с ) e (-kt)

T (t) = температура объекта в определенное время (Кельвин, К)

t = время ( с )

T с = температура окружающей среды (Кельвин, К)

T 0 = начальная температура объекта (Кельвин, К)

k = константа охлаждения, специфическая для объекта ( 1 / с )

Закон охлаждения Ньютона Вопросы по формуле:

1) Кастрюля с супом начинается с температуры 373.0 К, а температура окружающей среды составляет 293,0 К. Если постоянная охлаждения составляет к = 0,00150 1 / с , какой будет температура кастрюли с супом через 20,0 минут?

Ответ: Суп остывает 20,0 минут, то есть:

т = 1200 с

Температуру супа по истечении заданного времени можно определить по формуле:

T (t) = T с + (T 0 — T с ) e (-kt)

T (1200 с ) = 293.0 K + (373,0 K-293,0 K) e (- (0,001500 1 / с ) (1200 с))

T (1200 с ) = 293,0 K + (373,0 K-293,0 K) e (-1,800)

T (1200 с ) = 293,0 K + (373,0 K-293,0 K) (0,1653)

T (1200 с ) = 293,0 К + (80,0 К) (0,1653)

T (1200 с ) = 293,0 К + 13,224 К

T (1200 с ) ≈ 306,224 K

Через 20 минут температура супа 306.224 К.

2) Стальной стержень нагревают в кузнице до температуры 1280,0К. Затем стержень погружают в ведро с охлажденной водой с температурой 280,0 К. После 10,0 с температура железного стержня падает до 329,7 К. Какова постоянная охлаждения этого железного стержня в воде?

Ответ: Константу охлаждения можно найти, переставив формулу:

T (t) = T с + (T 0 -T с ) e (-kt)

T (t) — T с = (T 0 -T с ) e (-kt)

На следующем шаге используются свойства логарифмов.Натуральный логарифм значения связан с экспоненциальной функцией (e x ) следующим образом: если y = e x , то lny = x. Чтобы продолжить преобразование формулы, к обеим сторонам применяется натуральный логарифм:

Используя эту формулу для постоянной охлаждения k, можно найти решение:

к = 0.300 1 / с

Константа охлаждения железного стержня в воде составляет k = 0,300 1 / с .

Физика поддержания крутизны

Современные технологии охлаждения во многом определяют нашу жизнь. Охлаждение дает нам доступ к продуктам питания со всего мира, как в сезон, так и вне его; кондиционер превращает дома и автомобили в убежища от знойного лета. Это большие улучшения по сравнению с проверенным временем методом использования льда, который раньше добывался в промышленных масштабах.Пруд Fresh Pond в Кембридже, штат Массачусетс, где я часто гуляю, когда-то был ледяной шахтой.

Положить что-нибудь на лед для охлаждения — это простая физика. Поскольку энергия течет вниз от состояния с более высокой энергией к состоянию с более низкой энергией, тепло передается от теплого объекта к холодному льду, в результате чего первый становится холоднее, а второй тает. Более продвинутые методы охлаждения сложнее, потому что они требуют откачки энергии из тела, чтобы оно было холоднее, чем его окружение. Как ни парадоксально, это можно сделать, только вложив энергию, а также воспользовавшись законами термодинамики.Достаточно дешевая энергия плюс блестящие инженерные решения обрекли ледовую промышленность на гибель.

Чрезвычайно низкие температуры по-прежнему остаются важной областью открытий в физике. Именно здесь квантовая механика вступает в свои права. Отличительной чертой квантовой механики является то, что энергия поступает в дискретных единицах. Чтобы увидеть эффекты этой дискретности, вы должны сохранить небольшое количество единиц: нет качественной разницы между 1 000 002 и 1 000 003 единицами энергии, но есть от двух до трех единиц.Ультрахолодные материалы испытывают нехватку энергии, что позволяет странным законам квантовой механики творить чудеса.

Близко к абсолютному нулю многие металлы и некоторые другие вещества внезапно становятся сверхпроводниками. Электрические токи протекают через сверхпроводники плавно, без трения, так что для их поддержания требуется мало или совсем не требуется энергии. Помимо многих других приложений, этот прекрасный факт позволяет создавать мощные электромагниты, используемые в магнитно-резонансной томографии (МРТ).Точно так же жидкий гелий становится сверхтекучим при низкой температуре, способным переносить тепло без трения. Это делает его идеальным для низкотемпературных холодильников, а сверхтекучий гелий — рабочая лошадка криогеники.

Обработка информации — еще один активный рубеж физики низких температур. Тепло, выделяемое современными компьютерами, работающими от электрического тока, является основным ограничением вычислительной техники. Исследователи работают над способами передачи данных без выделения тепла, используя «сверхтоки» информационного потока.

Principles of Heating and Cooling

Понимание того, как тепло передается с улицы в ваш дом и от вашего дома к вашему телу, важно для понимания проблемы поддержания прохлады в вашем доме. Понимание процессов, которые помогают сохранять ваше тело прохладным, важно для понимания стратегий охлаждения вашего дома.

Принципы теплопередачи

Тепло передается к объектам и от них — например, к вам и вашему дому — посредством трех процессов: теплопроводности, излучения и конвекции.

Проводимость — это тепло, проходящее через твердый материал. В жаркие дни тепло попадает в ваш дом через крышу, стены и окна. Теплоотражающие крыши, изоляция и энергоэффективные окна помогут снизить теплопроводность.

Излучение — это тепло, перемещающееся в виде видимого и невидимого света. Солнечный свет — очевидный источник тепла для дома. Кроме того, низковолновое невидимое инфракрасное излучение может переносить тепло непосредственно от теплых предметов к более холодным.Благодаря инфракрасному излучению вы можете почувствовать тепло горячего элемента конфорки на плите даже через всю комнату. Старые окна позволят инфракрасному излучению, исходящему от теплых предметов снаружи, проникать в ваш дом; оттенки могут помочь заблокировать это излучение. Новые окна имеют низкоэмиссионные покрытия, которые блокируют инфракрасное излучение. Инфракрасное излучение также будет переносить тепло от стен и потолка прямо к вашему телу.

Конвекция — еще одно средство для достижения тепла от ваших стен и потолка.Горячий воздух естественным образом поднимается вверх, унося тепло от стен и заставляя его циркулировать по всему дому. Когда горячий воздух проходит мимо вашей кожи (и вы вдыхаете его), он согревает вас.

Охлаждение вашего тела

Ваше тело может охладиться посредством трех процессов: конвекции, излучения и потоотделения. Вентиляция усиливает все эти процессы. Вы также можете охладить свое тело с помощью теплопроводности — например, некоторые автокресла теперь оснащены охлаждающими элементами, — но это обычно нецелесообразно для использования в вашем доме.

Конвекция возникает, когда тепло уносится от вашего тела через движущийся воздух. Если окружающий воздух холоднее вашей кожи, воздух поглотит ваше тепло и поднимется. По мере того, как нагретый воздух поднимается вокруг вас, более прохладный воздух движется, чтобы занять его место и поглотить больше вашего тепла. Чем быстрее движется конвекционный воздух, тем прохладнее вы чувствуете.

Излучение возникает, когда тепло распространяется через пространство между вами и предметами в вашем доме. Если предметы теплее, чем вы, тепло пойдет к вам.Удаление тепла через вентиляцию снижает температуру потолка, стен и мебели. Чем прохладнее ваше окружение, тем больше тепла вы излучаете на предметы, а не наоборот.

Потоотделение может быть неудобным, и многие люди предпочли бы оставаться спокойным без него. Однако во время жаркой погоды и физических упражнений пот — это мощный охлаждающий механизм организма. Когда влага покидает поры кожи, она переносит с собой много тепла, охлаждая ваше тело.Если ветерок (вентиляция) пройдет по вашей коже, эта влага испарится быстрее, и вам станет еще прохладнее.

Закон охлаждения Ньютона — AstroCamp School


Одним из самых известных вкладов Ньютона в физику была его работа по термодинамике — исследование тепловых и энергетических потоков. Он разработал физический закон, показывающий пропорциональную зависимость между потерями тепла и разницей температур между объектом и его окружением: закон охлаждения Ньютона.Несмотря на свое название, его можно использовать, чтобы показать, как объект охлаждает или тепла в своем окружении.

Следует отметить, что тепло и температура — это две отдельные, но взаимосвязанные величины. Тепло — это измерение общей кинетической и потенциальной энергии, хранящейся в молекулах объекта, а температура — это измерение средней кинетической энергии. Тепло зависит от скорости, количества и типа молекул. Таким образом, хотя чашка кофе может иметь более высокую температуру, чем что-то вроде айсберга, айсберг состоит из такого количества молекул, что в нем больше тепла и, следовательно, больше энергии.

Тем не менее, тепло и температура взаимосвязаны. По мере того, как объект нагревается, его температура также повышается. Говоря о законе охлаждения Ньютона, его можно изменить, чтобы создать уравнение, показывающее температуру как функцию времени.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.