Разное

Почему проходит тепло по верхней части стопы: Боль в стопе — причины и лечение

21.03.1982

Содержание

Жжение в ногах

Болезненное ощущение жжения стоп различной степени тяжести, от легкой до мучительной. Может сопровождаться покалыванием, онемением конечностей. В некоторых случаях ощущения могут быть настолько болезненными, что мешают сну.

Причины

Временное жжение или воспаление ступней может вызвать излишняя нагрузка на стопы или грибковая кожная инфекция.

Часто синдром жжения ног является признаком либо воспаления фасции (слой фиброзной ткани на подошве), либо повреждения нерва (периферическая невропатия). Повреждение нерва имеет много разных причин, включая диабет, хроническое употребление алкоголя, воздействие токсинов, дефицит некоторых витаминов группы В или ВИЧ-инфекцию.

Наиболее частые причины синдрома жжения ног:

·         Злоупотребление алкоголем,

·         «Стопа атлета»,

·         Избыточная масса тела,

·         Пяточная шпора,

·         Болезнь Шарко-Мари-Тута (группа наследственных заболеваний, поражающая нервы рук и ног),

·         Химиотерапия,

·         Хроническое заболевание почек,

·         Сочетанный регионарный болевой синдром (хроническая боль из-за дисфункции нервной системы),

·         Диабетическая невропатия (повреждение нервов, вызванное диабетом),

·         Один из симптомов ВИЧ-инфекции,

·         Гипотиреоз (недостаточная активность щитовидной железы),

·         Тарзальный туннельный синдром,

·         Авитаминоз (витаминодефицитная анемия).

Когда следует обратиться к врачу?

В плановом порядке, если:

·         Синдром жжения ног беспокоит вас в течение нескольких недель, даже после применения «домашних» методов лечения;

·         Неприятные ощущения становятся более интенсивными и болезненными.

В экстренном порядке, если:

·         Ощущение жжения в ногах появилось внезапно, при этом вы подвергались воздействию какого-либо токсина,

·         У вас сахарный диабет и вы обнаружили открытую рану у себя на ноге;

·         Жжение начало распространяться вверх по ноге;

·         Вы обнаружите отсутствие чувствительности в пальцах ног или ступнях.

Жар или холод: что лучше облегчает боль в каждом конкретном случае?

И холод, и жар хорошо облегчают боль и стоят дешево или почти ничего не стоят — это знают все. Однако в каком случае применять одно средство, а в каком — другое? Эта простая справка даст ответ!

От чего лучше помогает тепло и нагревание?

Артрит. Любые застарелые боли в суставах и мышцах, потому что тепло усиливает кровоток.

Головная боль. Только если она сопровождается спазмами в области шеи — тепло расслабляет мускулы.

Растяжения мускулов и связок. Хорошо помогает от оцепенелости, однако тепловые компрессы и грелки можно применять только после того, как организм и лекарства справились с воспалением, в противном случае можно сделать хуже.

Тендиноз — хроническое ощущение оцепенелости в сухожилиях вблизи связок. Тепло хорошо с ней борется.

Вывод: жар хорош во всех случаях, когда боль или травмы застарелые и им как минимум полтора месяца. Жар увеличивает интенсивность кровотока, а это расслабляет мускулы и связки.

От чего лучше помогает холод?

Приступы подагры. Холод уменьшает боль и снижает интенсивность приступа.

Головная боль. Холодный компресс облегчает боль в верхней части головы.

Растяжения мускулов и связок. Холодный компресс хорошо облегчает боль сразу после травмы и снижает симптомы воспаления (но не лечит его!).

Тендинит — воспаление ткани сухожилия. Холод облегчает боль и помогает бороться с воспалением.

Вывод: холод хорош для любых внезапных травм и недавних ран, потому что суживает сосуды — это облегчает боль, снижает уровень воспаления и не дает образовываться синякам.

Как правильно использовать терапию жаром или холодом?

Foto: Shutterstock

Основное правило жаро- или хладотерапии: 20 минут «включено», 20 минут «выключено». Что бы вы ни прикладывали и не использовали — делайте 20-минутый перерыв после 20-минутной сессии. А прикладывать и использовать можно:

  • Пакеты со льдом: дешево и сердито. Обычно их применяют сразу после получения травмы, но можно практиковать даже через несколько дней — до тех пор, пока воспаление не сойдет на нет.
  • Ледяной массаж: заморозьте воду в одноразовом стаканчике и потом «массируйте» (поглаживайте) пораженный участок. Лучше всего работает для «точечной» терапии вроде разбитой брови, например — там, где пакет со льдом неудобен.
  • Ледяные маски: иногда продают в аптеках, но за таковую может сойти даже полотенце, смоченное в ледяной воде и положенное на лоб или поверх глаз для облегчения головной боли.
  • Влажный жар: ванна, душ, джакузи — что угодно с очень теплой, но не обжигающе горячей водой.
  • «Жаровые» повязки: опять же, может сойти даже полотенце, если полить его горячей водой и, например, обернуть вокруг шеи.
  • Грелки: их великое множество видов — используйте любую. Все, что надо знать о грелке — ее надо снять и отложить в сторону (уменьшить температуру, если возможно) если стало слишком горячо.
    Это не горчичник!

Техника безопасности

Да, лед можно использовать для облегчения жара при высокой температуре, а вот тепловые компрессы накладывать людям с пониженной чувствительностью кожи — опасно! Поэтому прежде чем прикладывать грелку, всегда спрашивайте, нет ли у человека диабета или какой-то еще болезни, которая может снижать чувствительность (дело может доходить до ожогов).

Самая частая ошибка, которую делает большинство людей — они пытаются соорудить для своей спортивной травмы «теплое гнездышко». Любые травмы «на удар» или «растяжение» надо лечить только льдом, даже если это неприятно! Нежить потянутую ногу в тепле можно строго только после того, как прошло воспаление, в противном случае вы просто задерживаете процесс заживления. Физиология, ничего личного.

Отёк Квинке

Отёк Квинке

Отёк Квинке (по имени описавшего его немецкого врача Н.I. Quincke, синонимы: ангионевротический отек, гигантская крапивница) – острое аллергическое заболевание характеризующееся возникновением массивного отека кожи, подкожной жировой клетчатки и слизистых оболочек. Чаще всего отек Квинке развивается на лице, шее и верхней части туловища, тыльной стороне кистей и стоп.

Кто болеет отеком Квинке?

Отеком Квинке может заболеть любой человек, однако наибольший риск развития этой болезни наблюдается у людей, страдающих аллергией различного типа. Молодые женщины и дети болеют отеком Квинке чаще мужчин и пожилых людей.

Каковы причины возникновения Отека Квинке?

Различают два типа отека Квинке: аллергический и псевдоаллергический.

Аллергический отек Квинке, как и другие аллергические заболевания, возникает в результате сильной аллергической реакции организма, которая развивается в ответ на проникновение в организм специфического аллергена. Аллергический отек Квинке часто сочетается с пищевой аллергией, бронхиальной астмой, крапивницей, поллинозами.

Псевдоаллергический отек Квинке (т.е. не аллергический) развивается у людей с врожденной патологией системы комплемента. Система комплимента это группа белков крови, участвующих в развитии первичных иммунных и аллергических реакций. В крови человека эти белки находятся в неактивном состоянии и активируются только в момент и в месте проникновения в организм чужеродного антигена. У больных с псевдоаллергическим отеком Квинке система комплимента способна активироваться спонтанно или в ответ на тепловые или химические раздражения (тепло, холод), приводя к развитию массивной аллергической реакции.

Каковы симптомы отека Квинке?

Типичные симптомы отека Квинке это остро возникающий отек тканей лица, тыльной стороны ладоней, шеи, тыльной стороны стоп. В области отека кожа бледная. Отек Квинке, как правило, не сопровождается зудом. Развившийся отек бесследно исчезает в течение нескольких часов или дней. Наиболее опасной формой отека Квинке является отек глотки, гортани, трахеи который наблюдается у каждого четвертого больного с отеком Квинке. У таких больных внезапно появляется беспокойство, затруднение дыхания, возможна потеря сознания.

Осмотр слизистой горла у таких больных выявляет отечность мягкого неба и небных дужек, сужение просвета зева. В случае распространения отека на гортань и трахею больной может погибнуть от удушья.

У детей отек Квинке проявляется более или менее ограниченными очагами отека кожи и слизистых оболочек.

Лечение отека Квинке

Лечение отека Квинке направлено на подавление аллергической реакции. Во всех случаях отека Квинке следует помнить об опасность поражения дыхательных путей и смерти больного от удушья. В случаях, когда у больного развиваются симптомы характерные для поражения глотки и гортани нужно немедленно вызвать скорую помощь. Больной с отеком гортани нуждается в срочной госпитализации в отделение интенсивной терапии или реанимации.

Неотложная помощь отека Квинке включает:
Внутримышечное или внутривенное введение димедрола, супрастина, кларитина или другого противогистаминного препарата. Если нет возможности ввести препарат внутримышечно нужно положить таблетку больному под язык.
Подкожное введение 0,1% раствора адреналина
Введение гормональных препаратов ( преднизодон, дексаметазон)

Профилактика отека Квинке

Профилактика отека Квинке заключается в соблюдении строгой диеты (исключение аллергенов), исключение аллергенов из окружения больного, профилактический прием антигистаминных препаратов во время цветения растений или контакта с другими аллергенами.

Когда я сижу у костра, как меня согревает его горячий воздух?

Категория: Физика Опубликовано: 26 февраля 2015 г.

Когда вы сидите у костра, большая часть тепла, которое вы получаете от огня, исходит не от горячего воздуха. Это происходит от теплового излучения.

Обычно существует три пути распространения тепла: излучение, теплопроводность и конвекция. Тепловое излучение состоит из электромагнитных волн (в основном инфракрасных волн и видимого света), излучаемых объектом из-за его температуры.Это излучение несет энергию, которая при попадании на другой объект преобразуется в тепло и поглощается. Напротив, теплопроводность включает прямое движение тепла через объект. Поскольку воздух является хорошим теплоизолятором, теплопроводность — наименее эффективный способ распространения тепла через воздух. Наконец, конвекция включает в себя массовое движение карманов с нагретой жидкостью. При конвекции карман жидкости, такой как воздух или вода, нагревается, а затем перемещается в другое место потоками жидкости.

Изображение, являющееся общественным достоянием, источник: Служба рыболовства и дикой природы США.

Тепловое излучение имеет тенденцию распространяться во всех направлениях. Точно так же тепло, передаваемое посредством теплопроводности, имеет тенденцию распространяться во всех направлениях и преимущественно течет по частям объекта с более высокой теплопроводностью. Тепло, передаваемое посредством конвекции, также обычно может распространяться в любом направлении, если в этом направлении движется ток (например, поток воздуха, создаваемый вентилятором). Однако в типичных ситуациях на Земле нагретая жидкость имеет тенденцию конвектировать вверх. Это связано с тем, что нагретые жидкости имеют тенденцию быть менее плотными, чем окружающая более холодная жидкость, и поэтому они выталкиваются вверх и в сторону, поскольку сила тяжести сильнее воздействует на более холодные и более плотные карманы жидкости.

Помня об этих основах, давайте перейдем к костру. Костер излучает тепло во всех трех режимах. Поскольку воздух является плохим проводником тепла, вы не получите много тепла от костра за счет теплопроводности, если не сунете руку в огонь. Поэтому, предполагая, что вы сидите в нескольких футах от костра, мы можем игнорировать кондуктивную теплопередачу. Тепловое излучение от огня распространяется во всех направлениях и может достигать вас. Это тепловое излучение в основном имеет форму инфракрасных волн и видимого света.Напротив, тепло костра передается посредством конвекции прямо в небо и никогда не достигает вас (т. Е. Горячий воздух поднимается вверх). Поэтому, когда вы сидите у костра, почти 100 процентов тепла, получаемого от огня, передается за счет теплового излучения. Вот почему сторона вашего тела, обращенная к огню, становится горячей, а сторона, обращенная к огню, остается холодной. Тепловое излучение — это форма света, и свет распространяется по прямым линиям. Сторона вашего тела, обращенная к огню, буквально находится в тени и не может принимать тепловое излучение.

Темы: костер, теплопроводность, конвекция, огонь, тепло, горячий воздух, свет, излучение, температура, тепловое излучение

Простое введение в науку о тепловой энергии

Прикоснитесь к радиатору, и он станет горячим. Окуните палец в воду из-под крана, и она станет холодной. Это и ежу понятно! Но что, если белый медведь, привыкший к морозам в Арктике, прикоснется к тому же самому? Оба могут быть горячими для белого медведя, потому что он живет в гораздо более холодных условиях, чем мы. «Горячий» и «холодный» — это относительные термины, которые мы можем использовать для сравнения ощущений вещей, когда они имеют более или менее определенный вид энергии, который мы называем теплом. Что это такое, откуда оно взялось и как движется по нашему миру? Давайте узнаем больше!

Фото: Вот это я называю теплом! Здесь вы можете увидеть температуру горячего выхлопа ракеты. во время запуска космического шаттла примерно 3300 ° C (6000 ° F). Фото любезно предоставлено НАСА в палате общин.

Что такое вообще тепло?

Тепло — это сокращенное слово «тепловая энергия».»Когда что-то горячее, в нем много тепловая энергия; когда холодно, его меньше. Но даже вещи, которые кажутся холодными (например, белые медведи и айсберги), обладают гораздо большей тепловой энергией, чем вы можете предположить.

Произведение: Более горячие предметы имеют больше тепловой энергии, чем более холодные. Это потому, что атомы или молекулы движутся быстрее в горячих предметах (красный, справа), чем в холодных предметах (синий, слева). Эта идея называется кинетическая теория.

Объекты могут накапливать тепло, потому что атомы и молекулы внутри них толкаются и натыкаются друг на друга, как люди в толпе.Эта идея называется кинетическая теория материи, потому что она описывает тепло как своего рода кинетическая энергия (энергия, которая есть у вещей, потому что они движутся), запасенная атомами и молекулами, из которых сделаны материалы. Он был разработан в 19 веке различными учеными, в том числе австрийским физиком. Людвиг Больцманн (1844–1906) и британский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Если вам интересно, вот более подробное введение в кинетическую теорию.

Кинетическая теория помогает нам понять, куда уходит энергия, когда мы что-то нагреваем.Если вы поставите кастрюлю с холодной водой на горячую плиту, молекулы в воде будут двигаться быстрее. Чем больше тепла вы подаете, тем быстрее движутся молекулы и тем дальше друг от друга они удаляются. В конце концов, они так сильно натыкаются, что ломаются друг от друга. В этот момент жидкость, которую вы нагреваете, превращается в газ: ваша вода превращается в пар и начинает испаряться.

Что происходит, когда что-то совсем не нагревается?

Теперь предположим, что мы попробуем противоположный трюк.Возьмем кувшин с водой и поставим в холодильник, чтобы она остыла. Холодильник работает, систематически удаляя тепловую энергию из пищи. Поместите воду в холодильник, и она сразу же начнет терять тепловую энергию. Чем больше тепла он теряет, тем больше кинетической энергии теряют его молекулы, тем медленнее они движутся и тем ближе подходят. Рано или поздно они подходят достаточно близко, чтобы соединиться в кристаллы; жидкость превращается в твердую; и вы попадаете с кувшином льда!

Но что, если у вас есть супер-изумительный холодильник, который продолжает охлаждать воду, поэтому она становится холоднее… и холоднее … и холоднее. Домашний морозильник, если он у вас есть, может снизить температуру до диапазона от -10 ° C до -20 ° C (от 14 ° F до -4 ° F). Но что, если вы продолжите охлаждение ниже этого значения, забирая еще больше тепловой энергии? В конце концов, вы достигнете температуры, при которой молекулы воды практически полностью перестанут двигаться, потому что у них не останется абсолютно никакой кинетической энергии. По причинам, которые мы не будем вдаваться в подробности, эта магическая температура составляет -273,15. ° C (-459,67 ° F), и мы называем это абсолютным нулем.

Фото: Лед может показаться холодным, но он намного горячее абсолютного нуля. Изображение Эриха Регера любезно предоставлено Службой охраны рыболовства и дикой природы США.

Теоретически абсолютный ноль — это самая низкая температура, которую когда-либо можно достичь. На практике практически невозможно что-либо так сильно охладить — ученые очень старались, но на самом деле так и не достигли такой низкой температуры. Когда вы приближаетесь к абсолютному нулю, происходят удивительные вещи. Некоторые материалы, например, могут потерять практически все свое сопротивление и стать удивительными проводниками электричества, называемыми сверхпроводниками. Есть отличный веб-сайт PBS, где вы можете узнать больше об абсолютном нуле и замечательных вещах, которые там происходят.

В чем разница между теплом и температурой?

Теперь, когда вы знаете об абсолютном нуле, легко понять, почему что-то вроде айсберга (которое может иметь холодную температуру около 3-4 ° C или около 40 ° F) относительно горячее. По сравнению с абсолютным нулем все в нашем повседневном мире горячо, потому что его молекулы движутся и у них есть хоть какая-то тепловая энергия.Все вокруг нас также имеет гораздо более высокую температуру, чем абсолютный ноль.

Вы можете видеть, что существует тесная связь между количеством тепловой энергии и его температурой. Так что же, тепловая энергия и температура — это одно и то же? Нет! Давайте проясним:

  • Тепло — это энергия, хранящаяся внутри чего-либо.
  • Температура — это мера того, насколько что-то горячее или холодное.

Температура объекта не говорит нам, сколько у него тепловой энергии. Легко понять, почему бы и нет, если вы подумаете об айсберге и кубике льда. Оба имеют более или менее одинаковую температуру, но поскольку айсберг имеет гораздо большую массу, чем кубик льда, он содержит на миллиарды больше молекул и гораздо больше тепловой энергии. Айсберг может содержать больше тепловой энергии, чем чашка кофе или раскаленный железный стержень. Это потому, что он больше и содержит намного больше молекул, каждая из которых обладает некоторой тепловой энергией. Кофе и железный стержень более горячие (имеют более высокую температуру), но айсберг удерживает больше тепла, потому что он больше.

Художественное произведение: айсберг намного холоднее чашки кофе, но он содержит больше тепловой энергии, потому что он намного больше.

Как мы можем измерить температуру?

Термометр измеряет температуру предмета, а не количество тепловой энергии, которое в нем содержится. Два объекта с одинаковой температурой одинаково горячие, но один может содержать намного больше тепловой энергии, чем другой. Мы можем сравнивать температуру разных объектов, используя две общие (и довольно произвольные) шкалы, называемые Цельсием (или Цельсием) и Фаренгейтом, в честь шведского астронома Андерса Цельсия (1701–1744) и немецкого физика Даниэля Фаренгейта (1686–1736).

Существует также научная шкала температур, называемая Кельвином (или абсолютной шкалой), названная в честь британского физика Уильяма Томпсона (позже лорда Кельвина, 1824–1907). Логически шкала Кельвина имеет гораздо больший смысл для ученых, потому что она идет вверх от абсолютного нуля (который также известен как 0K, без символа градуса между нулем и K). В физике вы увидите много температур по Кельвину, но вы не найдете синоптиков, которые будут указывать вам температуру таким образом. Для справки, достаточно жаркий день (20–30 ° C) соответствует примерно 290–300K: вы просто добавляете 273 к своему значению Цельсия, чтобы преобразовать его в Кельвин.

Как распространяется тепло?

Одна вещь, которую вы, вероятно, заметили в отношении тепла, — это то, что оно обычно не остается там, где вы его кладете. Горячие вещи становятся холоднее, холодные — горячее, и, если учесть достаточно времени, большинство вещей в итоге получится такая же температура. Как придешь?

Есть основной закон физики, называемый вторым законом термодинамики, и он гласит: По сути, чашки кофе всегда остывают, а мороженое всегда таяние: тепло течет от горячих предметов к холодным, а не от других наоборот.Вы никогда не увидите, чтобы кофе кипел сам по себе или мороженое становится холоднее в солнечные дни! Второй закон термодинамики: также несет ответственность за болезненные счета за топливо, которые падают через ваш почтовый ящик несколько раз в год. Короче: чем горячее вы делаете дома и чем холоднее на улице, тем больше тепла вы собираетесь терять. Чтобы уменьшить эту проблему, вам нужно понять три различные пути распространения тепла: называемые проводимостью, конвекция и излучение. Иногда вы увидите, что они упоминаются как три формы теплопередачи.

Проводимость

Анимация: Когда вы держите железный стержень в огне, тепло распространяется по металлу, проводимость (красная стрелка). Почему? Атомы на горячем конце движутся быстрее, поскольку они поглощают тепло огня. Они постепенно передают свою энергию дальше вдоль перекладины, в конечном итоге согревая все это.

Проводимость — это то, как тепло течет между двумя твердыми объектами, находящимися на разных температуры и соприкасаясь друг с другом (или между двумя частями один и тот же твердый объект, если они имеют разную температуру).Прогулка по каменный пол босиком, и он кажется холодным, потому что течет тепло быстро из вашего тела в пол за счет проводимости. Перемешайте кастрюлю супа металлической ложкой, и скоро вам придется найти вместо деревянного: тепло быстро распространяется по ложке, от горячего супа к пальцам.

Конвекция

Анимация: Как конвекция нагнетает тепло в кастрюлю. Схема нагрева, поднимающегося супа (красные стрелки) и падающего, охлаждающего супа (синие стрелки) работает как конвейер, который переносит тепло от плиты в суп (оранжевые стрелки).

Конвекция — это основной способ прохождения тепла через жидкости и газы. Ставим кастрюлю с холодной жидкостью суп на плите и включите огонь. Суп на дне сковорода, наиболее близкая к огню, быстро нагревается и становится менее плотной (легче), чем описанный выше холодный суп. Более теплый суп поднимается вверх и более холодный суп наверху падает, чтобы занять его место. Очень скоро у вас есть циркуляция тепла через сковороду, что немного похоже на невидимый конвейер тепла с подогревом, поднимающимся супом и охлаждением, падающий суп.Постепенно вся сковорода нагревается. Конвекция тоже один из способов обогрева нашего дома, когда мы включаем отопление. Воздух нагревается над обогревателями и поднимается в воздух, выталкивая холодный воздух вниз с потолка. Вскоре происходит обращение что постепенно прогревает всю комнату.

Радиация

Изображение: Инфракрасные тепловые изображения (иногда называемые термографами или термограммами) показывают, что все объекты выделяют некоторую тепловую энергию за счет излучения. На этих двух фотографиях вы можете увидеть ракету на стартовой площадке, сфотографированную обычной камерой (вверху) и инфракрасной тепловизионной камерой (внизу).Самые холодные части — фиолетовые, синие и черные; самые горячие области — красный, желтый и белый. Фото Р. Хёрта, НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт, любезно предоставлено НАСА.

Радиация — это третий основной путь распространения тепла. Проводимость переносит тепло через твердые вещества; конвекция переносит тепло через жидкости и газы; но излучение может переносить тепло через пустое пространство — даже через вакуум. Мы знаем это просто потому, что живы: почти все, что мы делаем на Земле питается солнечным излучением, направленным на нашу планету от Солнце сквозь вой пустой тьмы космоса.Но есть на Земле тоже много теплового излучения. Сядьте возле потрескивающего камина и вы почувствуете тепло, исходящее наружу и обжигающее щеки. Вы не соприкасаетесь с огнем, поэтому жара к вам не идет по теплопроводности и, если вы на улице, конвекция, вероятно, не несут много к вам тоже. Вместо этого все тепло, которое вы чувствуете распространяется излучением — по прямым линиям, со скоростью свет — переносится типом электромагнетизма, называемым инфракрасная радиация.

Почему одни вещи нагреваются дольше, чем другие?

Различные материалы могут хранить больше или меньше тепла в зависимости от их внутренней атомной или молекулярной структуры.Вода, например, может накапливать огромное количество тепла — это одна из причин, по которой мы используем ее в системах центрального отопления, — хотя для ее нагрева также требуется относительно много времени. Металлы очень хорошо пропускают тепло и быстро нагреваются, но они не так хорошо сохраняют тепло. Говорят, что вещи, которые хорошо хранят тепло (например, вода), обладают высокой удельной теплоемкостью.

Идея удельной теплоемкости помогает нам по-другому понять разницу между теплотой и температурой. Предположим, вы ставите пустую медную кастрюлю на горячую плиту определенной температуры.Медь очень хорошо проводит тепло и имеет относительно низкую удельную теплоемкость, поэтому она очень быстро нагревается и остывает (вот почему кастрюли имеют медное дно). Но если вы заполните ту же самую кастрюлю водой, она нагреется до той же температуры намного дольше. Почему? Потому что вам нужно подавать гораздо больше тепловой энергии, чтобы повысить температуру воды на такую ​​же величину. Удельная теплоемкость воды примерно в 11 раз выше, чем у меди, поэтому при одинаковой массе воды и меди требуется в 11 раз больше энергии, чтобы поднять температуру воды на такое же количество градусов.

Диаграмма: Обычные материалы имеют очень разную удельную теплоемкость. Металлы (синий цвет) имеют низкую удельную теплоемкость: они хорошо проводят тепло и плохо хранят его, поэтому на ощупь кажутся холодными. Керамические / минеральные материалы (оранжевый) имеют конденсаторы с более высокой удельной теплоемкостью: они не проводят тепло так же хорошо, как металлы, лучше сохраняют его и ощущаются немного теплее при прикосновении. Органические изоляционные материалы (зеленые), такие как дерево и кожа, очень плохо проводят тепло и хорошо хранят его, поэтому они кажутся теплыми на ощупь.Вода (желтая) с очень высокой удельной теплоемкостью относится к собственному классу.

Удельная теплоемкость может помочь вам понять, что происходит, когда вы по-разному отапливаете свой дом зимой. Воздух относительно быстро нагревается по двум причинам: во-первых, потому, что удельная теплоемкость воздуха составляет около четверти воды; во-вторых, поскольку воздух — это газ, он имеет относительно небольшую массу. Если в вашей комнате холодно и вы включаете вентилятор (конвекцию), вы обнаружите, что все нагревается очень быстро.Это потому, что вы, по сути, просто нагреваете воздух. Выключите тепловентилятор, и комната тоже довольно быстро остынет, потому что воздух сам по себе не имеет большой способности накапливать тепло.

Так как же сделать комнату по-настоящему теплой? Не забывайте, что в нем не только воздух, который нужно нагреть: есть прочная мебель, ковры, шторы и многое другое. Нагревание этих вещей занимает гораздо больше времени, потому что они твердые и намного массивнее воздуха. Чем больше у вас холодных твердых предметов в комнате, тем больше тепловой энергии вы должны подать, чтобы нагреть их до определенной температуры.Вам нужно будет нагреть их с помощью теплопроводности и излучения, а также конвекции — а это требует времени. Но поскольку твердые предметы хорошо сохраняют тепло, им также нужно время, чтобы остыть. Таким образом, если у вас есть приличная изоляция, чтобы предотвратить утечку тепла от стен, окон и т. Д., Как только ваша комната достигнет определенной температуры, она должна оставаться теплой в течение некоторого времени без необходимости добавления тепла.

Скрытое тепло

Всегда ли чем больше тепла, тем выше температура? Судя по тому, что мы говорили до сих пор, вас можно простить за то, что вы подумали, что дает больше тепла. всегда заставляет свою температуру повышаться.Обычно это правда, но не всегда.

Предположим, у вас есть кусок льда, плавающий в кастрюле с водой, и вы ставите его на горячую плиту. Если вы вставите термометра в смеси льда с водой, вы обнаружите, что он составляет около 0 ° C (32 ° F) — нормальная точка замерзания воды. Но если вы продолжите нагреваться, вы обнаружите, что температура остается неизменным, пока почти весь лед не растает, даже если вы добавляете больше все время греть. Это похоже на то, как будто смесь льда с водой принимает тепло вы даете это и где-то прячете.Как ни странно, именно это и происходит!

Произведение: Обычно вещи становятся более горячими (их температура повышается), когда вы подаете больше тепловой энергии. Этого не происходит в тех точках, когда вещи плавятся (переходят из твердого состояния в жидкое) и испаряются (превращаются от жидкости к газу). Вместо этого поставляемая вами энергия используется для изменения состояния вещества. Энергия не исчезает: она сохраняется в виде скрытого тепла.

Когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое или из жидкости в газообразное, для изменения своего состояния требуется энергия.Например, чтобы превратить твердый лед в жидкую воду, вы должны толкать молекулы воды. внутри еще дальше друг от друга и разрушить каркас (или кристаллическую структуру), удерживающий их вместе. Таким образом, пока лед тает (другими словами, во время изменения состояния с твердой воды на жидкий лед), вся тепловая энергия, которую вы поставляете, используется для разделения молекул, и ничего не остается. для повышения температуры.

Тепло, необходимое для превращения твердого тела в жидкость, называется скрытая теплота плавления.Скрытый означает скрытый и «скрытый» теплота плавления «относится к скрытому теплу, участвующему в изменении состояния вещества. от твердого до жидкого или наоборот. Точно так же нужно подавать тепло, чтобы сменить жидкость в газ, и это называется скрытой теплотой парообразования.

Скрытое тепло — это своего рода энергия, и, хотя она может казаться «скрытой», она не исчезает в воздухе. Когда жидкая вода замерзает и снова превращается в лед, снова выделяется скрытая теплота плавления. В этом можно убедиться, если систематически охлаждать воду.Начнем с того, что температура воды регулярно падает по мере того, как вы отводите тепловую энергию. Но в точке, где жидкая вода превращается в твердый лед, вы обнаружите, что вода замерзает, не становясь холоднее. Это потому, что скрытая теплота плавления теряется из жидкости, когда она затвердевает, и это предотвращает быстрое падение температуры.

Теплообмен

Сколько тепла требуется для зажигания лесного топлива? Растительный материал, такой как лесное топливо, воспламеняется при относительно низкой температуре. температуры при условии низкого содержания влаги в топливе и подвергается воздействию воздуха, так что доступно достаточное количество кислорода.Фактическая потребность в тепле для воспламенения топлива из мертвого леса варьируется от от 500 до 750 F. Многие обычные источники воспламенения обеспечат достаточно тепла, включая горящую спичку и даже тлеющая сигарета при контакте с сухим мелкодисперсным топливом.

ТЕМПЕРАТУРА ЗАЖИГАНИЯ СУХОГО ЛЕСНОГО ТОПЛИВА = 500-750 F.

Мы знаем о многих методах, с помощью которых для начала работы с лесным топливом можно использовать тепло. процесс горения; но как процесс продолжается? Огонь распространяется за счет передачи тепловой энергии тремя способами: Радиация, конвекция и Проведение.

Радиация

Радиация означает излучение энергии в виде лучей или волн. Тепло движется в пространстве в виде энергетических волн. Это тот жар, который чувствуешь, сидя перед камином или вокруг костра. Он путешествует в прямые со скоростью света. Этот это причина того, что при столкновении с огнем согревается только фасад. Зад не греется, пока человек не обернется. Земля нагревается солнцем за счет излучения. Солнечные ожоги — это факт жизни, когда люди подвергаются очень сильному воздействию солнца. длинный.Большая часть подогрева топлива перед возгоранием происходит за счет излучение тепла от огня. В качестве фронт огня приближается, количество получаемого лучистого тепла увеличивается.

Конвекция

Конвекция — это передача тепла при физическом движении горячих масс. воздуха. Как воздух нагретая, она расширяется (как и все предметы). По мере расширения он становится светлее окружающего воздуха и поднимается вверх. (Вот почему воздух под потолком отапливаемого помещения теплее, чем что возле пола.) Кулер воздух врывается с боков. это греется по очереди и тоже поднимается. Скоро над огнем образуется конвекционная колонна, которую видно по дыму, возносится в нем. Этот приток более холодного воздуха сбоку помогает подавать дополнительный кислород для процесс горения для продолжения.

Проводимость

Проводимость — это передача тепла внутри самого материала. Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла. Дерево — очень плохой проводник, поэтому очень медленно передает тепло. Это можно проиллюстрировать тем, что деревянная ручка при жарке сковорода остается достаточно холодной, чтобы ее можно было держать голыми руками. Проведение не является важным фактором распространения лесных пожаров.

Демонстрация

Зажгите свечу снова, которую мы использовали в предыдущей демонстрации. (Обратите внимание, что вы можете держать спичку, пока другой конец горит, потому что дерево не хороший дирижер тепла.) Теперь протяните руку к свече и подвиньте ее ближе, пока тепло можно почувствовать.Тепло от свечи доходит до вашей руки. радиация. Поднесите руку ближе к свече. Что происходит с рукой? Это становится теплее, потому что лучистое тепло не должно распространяться так далеко. Теперь держи положите руку на свечу и переместите ее как можно ближе. Можете ли вы держать это как закрыть как можно сбоку? Вы не можете из-за конвекционного нагрева от свечи в дополнение к лучистому теплу.

1. Три способа передачи тепла: — выберите ответ -a. проводимость, излучение, конвекция b.проводимость, конвекция, сверткаc. проводимость, ощупывание, излучение. кондукция, конвекция, остаточная 7. Температура воспламенения сухого лесного топлива находится в пределах — выберите ответ -a. 400 и 1000b. 500 и 750 F500 и 750 C1000 и 1750

13.1 Отопление как передача энергии | Тепло: передача энергии

Отопление как передача энергии

В предыдущей главе мы рассмотрели тепловые системы. Тепловая энергия объекта — это количество энергии, которое он имеет внутри, другими словами, его внутренняя энергия.В тепловой системе тепловая энергия передается от одного объекта к другому. Тепло — это передача тепловой энергии от системы к окружающей среде или от одного объекта к другому. Эта передача энергии происходит от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.

Очень важно знать, что в науке тепло и температура — это не одно и то же.

  • Тепло — это передача тепловой энергии от системы к ее окружению или от одного объекта к другому в результате разницы температур.Теплота измеряется в джоулях (Дж). Это потому, что тепло — это передача энергии.

  • Температура — это мера того, насколько горячим или холодным является вещество, которое измеряется в градусах Цельсия (° C). Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в объекте или системе. Мы используем термометр для измерения температуры объекта или вещества.

Заполните следующую таблицу, чтобы суммировать разницу между теплом и температурой

Тепло

Температура

Определение

Единица измерения

Символ для единицы

Вот заполненная таблица:

Тепло

Температура

Определение

Передача энергии от более горячего объекта к более холодному объекту или от системы к окружающей среде

Мера того, насколько горячим или холодным является вещество.Мера средней кинетической энергии частиц вещества.

Единица измерения

Джоулей

градусов Цельсия

Символ для единицы

Дж

° С

Тепло — это передача энергии.Во время передачи энергии энергия перемещается от более горячего объекта к более холодному. Это означает, что более горячий объект остынет, а более холодный — нагреется. Передача энергии будет продолжаться до тех пор, пока оба объекта не достигнут одинаковой температуры.

Существует 3 способа передачи тепловой энергии от одного объекта / вещества к другому или от системы к окружающей среде:

  1. Проводимость
  2. Конвекция
  3. Радиация

Рэп-песня, которая познакомит вас (и поможет запомнить!) Проводимости, конвекции и излучения.

Давайте рассмотрим их подробнее.

Проводимость

  • проводимость
  • проводник
  • изолятор

Предлагается ввести эту тему: спросить учащихся, что происходит с металлической чайной ложкой, когда они кладут ее в свой горячий напиток. Если возможно, кратко продемонстрируйте это в классе, даже используя стакан с горячей водой и металлический стержень.Кроме того, используйте пластиковую чайную ложку, чтобы продемонстрировать разницу, поскольку пластик является изолятором.

Вы замечали, что, когда вы кладете холодную металлическую чайную ложку в чашку горячего чая, ручка чайной ложки также через некоторое время нагревается? Вы когда-нибудь задумывались, как это тепло «переходило» от горячего чая к холодной чайной ложке и согревало ее? Это один из способов передачи энергии, который называется проводимостью , . Давайте узнаем, как это работает.

Как ручка металлической чайной ложки нагревается в чашке чая?

Когда энергия передается объекту, энергия частиц увеличивается. Это означает, что частицы обладают большей кинетической энергией, и они начинают двигаться и вибрировать быстрее. По мере того, как частицы движутся быстрее, они «натыкаются» на другие частицы и передают часть своей энергии этим соседним частицам. Таким образом, энергия передается через вещество на другой конец. Этот процесс называется проводимостью , .Частицы проводят энергию через вещество, как показано на схеме.

Продемонстрируем это практически.

Установите эту демонстрацию перед классом, когда вы начнете говорить о дирижировании.

МАТЕРИАЛЫ:

  • Горелка Бунзена
  • металлический стержень
  • Вазелин
  • канцелярские скрепки, канцелярские кнопки или английские булавки
  • две деревянные подставки или стопка книг или деревянных блоков для создания двух подставок с обеих сторон
  • 2 колышка

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. Установите устройство, как показано на схеме.
  2. Покройте стержень вазелином и поместите его между двумя стойками с колышками, чтобы он не скатился, и удерживайте его на месте. Стержень должен выходить за левую стойку, и здесь должна быть размещена горелка Бунзена, чтобы вазелин не плавился из-за излучения горелки Бунзена, а проводился вдоль металлического стержня.
  3. Прикрепите канцелярские скрепки или булавки к стержню, воткнув их в вазелин.
  4. Зажгите горелку Бунзена и нагрейте один конец стержня.
  5. Наблюдайте, как бумажные булавки или булавки одна за другой выпадают, когда энергия проходит через стержень.

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. Ваш учитель настроит демонстрацию, как показано на схеме ниже.
  2. Понаблюдайте, что происходит с булавками или скрепками, когда зажигается горелка Бунзена и тепло поступает на один конец металлического стержня.

В качестве упражнения на удлинение вы можете включить еще одно исследование, в котором вы измеряете скорость передачи энергии по металлическому стержню.Повторите эксперимент, поместив булавки с интервалом 5 см на длинный металлический стержень. Зажмите металлический стержень и нагрейте один конец над горелкой Бунзена. Используйте секундомер, чтобы отследить, сколько времени нужно, чтобы каждая канцелярская булавка упала, и запишите результаты на графике. Это можно было бы еще больше расширить, используя разные металлы и поместив все результаты на один набор осей. Градиент графиков дает скорость теплопроводности.

ВОПРОСЫ:

Что происходит со стержнем над ней, когда горит горелка Бунзена?

Энергия передается металлу стержня прямо над ним.Тепловая энергия этой части стержня увеличивается, и стержень нагревается.

Какая булавка или скрепка упала с металлического стержня первой? Ближайший или самый дальний от горелки Бунзена?

Ближайший к горелке Бунзена упал первым.

Что это говорит нам о том, как тепло проходит по стержню?

Тепло передается от наиболее горячего к более холодному концу стержня.

Давайте снова подумаем о чайной ложке в чае.Чай горячий, а металлическая ложка холодная. Когда вы кладете металлическую чайную ложку в горячий чай, часть тепловой энергии чая передается металлическим частицам. Частицы металла начинают быстрее вибрировать и сталкиваются с соседними частицами. Эти столкновения распространяют тепловую энергию вверх через чайную ложку. От этого ручка чайной ложки становится горячей.

Проводимость — это передача тепловой энергии между соприкасающимися объектами. В примере с чайной ложкой частицы чая соприкасаются с частицами металлической ложки, которые, в свою очередь, соприкасаются друг с другом, и именно так тепло передается от одного объекта к другому.

Все ли материалы проводят тепло одинаково? Давайте разберемся.

Заблуждения о температуре. Как вы думаете, почему ваш ковер зимой теплее плитки? Посмотрите это видео, чтобы узнать.

В ответ на видео в поле на полях о том, почему ваш ковер зимой теплее плитки, вы можете вернуться к этому вопросу после того, как проведете следующее расследование, а также посмотрите на пример формы для торта и торта. прямо из духовки.Вы можете вести обсуждение следующим образом:

  • Для начала спросите учащихся, почему они предпочли бы зимой стоять на ковре, а не на плитке. Они, наверное, ответят, что ковер теплее.
  • Затем спросите их, какова, по их мнению, температура каждой поверхности. Учащиеся могут сказать, что им кажется, что плитка имеет более низкую температуру, чем ковер, потому что он кажется более холодным. Это неверно, так как плитка и ковер будут иметь одинаковую температуру, поскольку они оба некоторое время находились в одной и той же среде, и поэтому будут иметь одинаковую температуру.
  • Однако, если вы снова зададите этот вопрос учащимся после проведения следующего исследования, а также после просмотра примера с тортами и тортами, они могут тогда понять, что это еще один пример разницы в проводимости.
  • А именно, плитка и ковер имеют одинаковую температуру, но плитка лучше проводит энергию и поэтому отводит тепло от ваших ног быстрее, чем ковер, из-за чего плитка становится холоднее в помещении. на самом деле они находятся при одинаковой температуре.

Это исследование покажет учащимся, что металлы проводят тепло лучше, чем неметаллы. Если возможно, посмотрите видео Veritasium, предоставленное по ссылке для посещения, перед занятием о заблуждениях, связанных с температурой, и которое демонстрирует эту деятельность. Начните с того, что попросите учащихся почувствовать блоки и спросите, какой из них холоднее. Алюминиевый блок будет холоднее.Затем спросите их, какой блок, по их мнению, растопит кубик льда быстрее всего. Как и на видео, большинство людей думают, что кубик льда на пластиковом блоке тает быстрее, так как он кажется более теплым, чем алюминиевый блок. Однако это заблуждение, и на занятиях будет продемонстрировано, что на самом деле именно алюминиевый блок заставляет кубик льда плавиться быстрее, поскольку металлы являются лучшими проводниками тепла.

AIM: Исследовать, какие материалы являются лучшими проводниками тепла.

В этом исследовании мы разместим кубик льда на пластиковом блоке и на алюминиевом блоке и будем наблюдать, какой кубик льда тает быстрее всего.

ГИПОТЕЗА: Напишите гипотезу для этого исследования. Как вы думаете, какой блок растопит кубик льда быстрее всего?

Учащиеся могут предположить, что кубик льда тает на пластике быстрее, чем на алюминиевом блоке.Если они это сделают, убедитесь, что они вернутся, чтобы отвергнуть свою гипотезу и пересмотреть ее.

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТ:

  • пластиковый блок
  • алюминиевый блок
  • кубиков льда
  • пластиковое кольцо для удержания кубика льда на блоке

Вы можете использовать любой кусок пластика и алюминия (или другого металла), который сможете найти.по возможности используйте круглое кольцо, чтобы не пролить талую воду.

МЕТОД:

Сначала почувствуйте пластиковый блок и алюминиевый блок. Опишите, что они чувствуют.

Учащиеся заметят, что пластиковый блок на ощупь теплее металлического.

  1. Поместите кубик льда на каждый блок и посмотрите, что произойдет.

НАБЛЮДЕНИЯ:

Какой кубик льда начинает таять первым и самым быстрым?

Сначала тает кубик льда на алюминиево-металлическом блоке.

Это то, что вы думали? Вернитесь к своей гипотезе.

Ответ, зависящий от учащегося. Большинство людей ошибочно считают, что кубик льда тает быстрее на пластиковом блоке, чем на металлическом.

ВЫВОДЫ:

Как вы можете сделать вывод о том, какой материал (пластик или металл) лучше всего проводит тепло?

Металл лучше проводит тепло, чем пластик, поскольку кубик льда на металле плавится первым.

Мы обсудим это в следующем абзаце о том, почему это происходит.

Так как это работает? Это связано с теплопроводностью , скоростью, с которой тепло передается от одного объекта к другому.

Когда вы изначально почувствовали блоки, вы почувствовали, что пластиковый блок теплее.Но мы заметили, что алюминиевый или металлический блок растопил кубик льда быстрее. Это потому, что металлический блок быстрее проводит тепло к кубику льда. Пластиковый блок является худшим проводником тепла, поэтому кубику льда передается меньше тепла, и он не тает так быстро.

Почему тогда алюминиевый блок холоднее пластикового?

Это связано с тем, что алюминий быстрее отводит тепло от руки, чем пластик.Поэтому алюминиевый блок кажется холоднее, а пластиковый — теплее. Когда вы касаетесь чего-либо, вы на самом деле не чувствуете температуру. Скорее вы чувствуете скорость, с которой тепло отводится от вас или к вам.

Давайте подумаем о другом примере выпечки торта. Представьте, что вы только что закончили печь торт в духовке при температуре 180 ° C.

Выпечка торта в духовке в металлической жести.

Когда вы вынимаете торт из духовки, что, скорее всего, обожжет вас больше: металлическая форма для выпечки или торт?

Скорее всего, форма для торта вызовет более серьезные ожоги.

В качестве следующего вопроса предложите учащимся поразмышлять о том, что они думают о температуре формы для торта и самой емкости. Многие люди ошибочно полагают, что олово горячее, чем торт, поскольку оно на на горячее. На самом деле они имеют одинаковую температуру, так как они оба выпекали при 180 ° C.

Вы думаете, что торт и форма имеют одинаковую температуру, когда вы вынимаете их из духовки? Почему?

Да, пирог и форма имеют одинаковую температуру, так как выпекались при 180 oC.Учащиеся могут сказать, что олово имеет более высокую температуру, чем торт, поскольку оно кажется более горячим, а металлическое олово вызовет более серьезный ожог, чем настоящий торт. Это заблуждение, и вы должны это обсудить. Как и в случае с алюминиево-пластиковым блоком, форма для выпечки и пирог имеют одинаковую температуру. Но металлическое олово проводит тепло к вашей руке быстрее, чем торт. Таким образом, металлическая банка будет более горячей на ощупь и с большей вероятностью вызовет серьезный ожог, чем торт.Когда вы касаетесь чего-либо, вы на самом деле не чувствуете температуру. Скорее вы чувствуете скорость, с которой тепло отводится от вас или к вам.

Если у вас есть возможность, посмотрите видео в поле Посетите , набрав ссылку в своем интернет-браузере, даже на мобильном телефоне. В этом видео демонстрируется пример формы для торта и торта.

То, что мы видели здесь, является еще одним примером теплопроводности.Форма будет проводить тепло к вашей руке намного быстрее, чем торт, поэтому форма обожжет вас, а торт — нет. Форма и пирог имеют одинаковую температуру.

Итак, что мы узнали? Металлы проводят тепло лучше неметаллов.

  • Существуют вещества, через которые проходит тепловая энергия, поэтому они называются проводниками .

  • Существуют вещества, которые не позволяют проводить через них тепловую энергию, поэтому они называются изоляторами .

Это ссылка на то, что мы узнали из книги «Материя и материалы» о свойствах материалов и о том, как их свойства определяют их использование. Напомните учащимся о действиях, которые они выполняли в разделе «Материя и материалы», особенно связанных с проводимостью.

Помните, что то, что материал кажется более холодным, не означает, что он имеет более низкую температуру.Возможно, он быстрее отводит тепло от вашей руки.

Теперь, когда мы знаем, что металлы являются хорошими проводниками тепла, считаете ли вы, что все металлы одинаково хорошо проводят тепло? Давайте разберемся, какие металлы являются лучшими проводниками.

Посмотрим, какой металл лучше проводит тепловую энергию. Для этого посмотрим, какой металл нагревается первым.

Убедитесь, что вы знаете, как безопасно пользоваться горелкой Бунзена.

Теперь, когда мы установили, что металлы проводят тепловую энергию лучше, чем неметаллы, учащиеся будут исследовать, какие металлы являются лучшими проводниками тепла. Это исследование требует большего количества тепла, чем предыдущее, поэтому учащиеся не должны проверять проводимость пальцами.

Потратьте несколько минут, прежде чем учащиеся начнут, демонстрируя правильную процедуру зажигания горелки Бунзена.В Интернете есть много различных обучающих видео, например, тот, который указан в поле для посещения на полях. Вот список инструкций для вашей справки:

  1. Убедитесь, что вы работаете на подходящей поверхности, например, на огнестойком коврике, и что она чистая и не загромождена.
  2. Убедитесь, что газовая трубка в хорошем состоянии и не погибнет.
  3. Надежно подсоедините к выходному отверстию для газа и убедитесь, что он не будет легко отсоединен при перемещении горелки Бунзена.
  4. Убедитесь, что воротник у основания горелки Бунзена и отверстие для воздуха закрыты.
  5. Сначала зажгите спичку, держа ее подальше от горелки Бунзена.
  6. Другой рукой включите газ и поднесите спичку к горелке Бунзена, чтобы зажечь ее.
  7. Отрегулируйте отверстие для воздуха, открыв его так, чтобы пламя стало сильнее.
  8. Отрегулируйте интенсивность пламени с помощью воротника внизу.

Вы можете попросить учащихся нарисовать плакаты, объясняющие, как зажечь горелку Бунзена, в качестве дополнительного упражнения, если вы чувствуете, что им нужна дополнительная практика и напоминания.

Помните, что штативы и металлические стержни, которые используют учащиеся, сильно нагреваются во время этого эксперимента. Обязательно дайте устройству остыть перед тем, как упаковать его.

AIM: Определить, являются ли некоторые металлы лучшими проводниками тепла, чем другие металлы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ:

Прочтите метод и внимательно посмотрите на схему исследования, чтобы определить различные требуемые переменные.

Какую переменную вы собираетесь изменить?

Тестируемый материал i.е. железо, медь, латунь или алюминий

Как мы называем переменную, которую вы собираетесь изменить?

Это будет независимая переменная

Какую переменную вы собираетесь измерять?

Время, необходимое для того, чтобы булавка упала.

Как мы называем переменную, которую вы собираетесь измерять?

Какие переменные должны оставаться неизменными?

Длина и толщина материала должны быть одинаковыми для каждого используемого материала.Расстояние канцелярской кнопки от источника тепла.

Как мы называем переменные, которые должны оставаться неизменными?

ГИПОТЕЗА:

Напишите гипотезу для этого расследования.

Ответ, зависящий от учащегося. Учащиеся могут предположить, какой металл, по их мнению, будет лучшим проводником, например, медный стержень будет лучшим проводником.

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТ:

  • Горелка Бунзена
  • Вазелин
  • Пруток из меди, железа, латуни и алюминия
  • секундомер
  • Канцелярские кнопки
  • штатив
  • картон или бумага
  • совпадений

Перечисленные здесь материалы являются рекомендациями.Вы можете использовать альтернативный аппарат, чтобы продолжить расследование. Например, для нагрева стержней можно использовать спиртовую горелку. Если у вас нет подставки для штатива, вы можете поместить металлические стержни на другую подставку, например на деревянный брусок, так чтобы их концы выступали с одной стороны, чтобы они по-прежнему доходили до горелки Бунзена. Скрепки также можно использовать вместо булавок для рисования. Тип металла не имеет значения, если у вас есть разные металлы одинаковой длины.

МЕТОД:

  1. Приклейте плоский конец канцелярской кнопки к концу каждого из металлических стержней с помощью вазелина.Постарайтесь использовать одинаковое количество вазелина для каждой канцелярской кнопки.
  2. Поместите картон на штатив.
  3. Выровняйте металлические стержни на картоне так, чтобы один конец каждого находился над горелкой Бунзена.
  4. Зажгите горелку Бунзена.
  5. С помощью секундомера измерьте, сколько времени требуется, чтобы каждый из штифтов упал.
  6. Запишите результаты в таблицу.
  7. Нарисуйте гистограмму, чтобы проиллюстрировать ваши результаты.

Картон является изолятором и препятствует передаче тепла от стержней к штативу. Потеря тепла стержнями может повлиять на результаты.

РЕЗУЛЬТАТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ:

Запишите результаты в следующую таблицу.

Марка металла

Время, необходимое для того, чтобы штифт отпал (секунды)

утюг

медь

латунь

алюминий

Теперь нарисуйте гистограмму, чтобы показать свои результаты.Не забудьте дать своему графику заголовок, чтобы описать, что он представляет.

Какая переменная должна быть на горизонтальной оси абсцисс?

Тип материала должен быть на горизонтальной оси. Это независимая переменная.

Какая переменная должна быть на вертикальной оси?

Время, необходимое для того, чтобы канцелярская булавка упала, должно относиться к вертикальной оси. Это зависимая переменная.

Как вы думаете, почему гистограмма подходит для этого расследования?

Независимая переменная / тип материала не является числовым значением, поэтому для него не требуется числовая строка.Гистограмма используется для представления нечисловых или прерывистых данных.

Независимая переменная всегда отображается по оси x, а зависимая переменная — по оси y. Обе оси должны быть помечены и показывать единицы измерения. График должен иметь заголовок.

Здесь приводится примерный набор данных с гистограммой для справки.Ваши результаты могут отличаться от представленных здесь.

Марка металла

Время, необходимое для того, чтобы штифт отпал (секунды)

утюг

60

медь

30

латунь

50

алюминий

40

АНАЛИЗ:

Какой столбец на вашем графике самый длинный?

Самым длинным стержнем должен быть утюг.

Какой столбик самый короткий?

Самым коротким стержнем должен быть медный стержень.

Запишите материалы в порядке отвода тепла от самого быстрого к самому медленному.

Ответ, зависящий от активности.

Почему плавится вазелин?

Тепло передается посредством теплопроводности через металлический стержень к вазелину, вызывая повышение его температуры, а затем изменение состояния (твердое состояние на жидкое).

Как вы думаете, почему было необходимо разместить кусок картона или бумаги на штативе под металлическими стержнями. Подсказка: подставка для штатива также сделана из металла.

Картон действует как изолятор, предотвращая передачу тепла на подставку от стержней.В рамках этого эксперимента тепло должно передаваться только к различным металлическим стержням.

Как вы думаете, почему необходимо использовать одинаковое количество вазелина на концах каждого стержня?

Это сделано для того, чтобы тест был честным, в противном случае некоторые канцелярские кнопки могут застрять лучше, чем другие, что приведет к неточным результатам.

Как вы думаете, мы могли бы провести это расследование, если бы наши стержни были разной длины? Почему?

Нет, в противном случае это было бы нечестное испытание, поскольку нагревание одних стержней придется проводить дальше, чем других, что приведет к неточным результатам.

ОЦЕНКА:

Всегда важно оценивать наши исследования, чтобы увидеть, есть ли что-то, что мы могли бы изменить или улучшить.

Есть ли что-нибудь, что пошло не так в вашем расследовании, что вы могли бы предотвратить?

Ответ, зависящий от учащегося.

Если бы вам пришлось повторить это расследование, что бы вы изменили?

Ответ, зависящий от учащегося. Примеры включают: повторение одного и того же эксперимента три раза и усреднение результатов, увеличение количества тестируемых металлов.

ВЫВОДЫ:

Напишите заключение для этого исследования о том, какой металл является лучшим проводником тепла.

Этот ответ будет зависеть от результатов их экспериментов и конкретных металлов, которые вы использовали в исследовании.

В этом разделе мы рассмотрели, как тепло проходит через металлические стержни и другие предметы. Это всего было твердых объекта. Как энергия передается через жидкости или газы? Давайте узнаем в следующем разделе.

Конвекция

  • конвекция
  • конвекционный ток

В качестве введения к этому разделу вы можете смоделировать концепцию «сидения в ванне», наполнив прямоугольную пластиковую ванну или небольшой резервуар для воды холодной водой, а затем налив горячей водой с одной стороны.Предложите учащимся почувствовать холодную сторону ванны, а затем почувствовать ее через несколько минут.

Если вам удастся достать лавовую лампу, это может стать очень увлекательным вступлением к уроку. Вы можете выключить свет и поставить лавовую лампу на стол, когда ученики войдут в класс. Затем вы можете объяснить, что собираетесь выяснить, почему капли поднимаются, а затем падают обратно в лавовую лампу. Если у вас нет лавовой лампы, вы также можете посмотреть это видео:

Представьте горшок с водой на плите.Только дно кастрюли касается плиты, но вся вода внутри кастрюли, даже вода, не касающаяся стенок, становится теплее. Как энергия передается по воде в горшке? Передача энергии происходит из-за конвекции .

Давайте выполним упражнение, которое поможет нам визуализировать, как происходит конвекция.

Цветные конвекционные токи (видео)

МАТЕРИАЛЫ:

  • Стеклянный стакан 200 мл
  • перманганат калия
  • Горелка Бунзена или спирта, штатив, проволочная сетка

Учтите, что вам нужно всего несколько гранул перманганата калия, иначе вы ничего не увидите.

Альтернативой вышеуказанным материалам является:

  1. Отрежьте горлышко прозрачной емкости 4 или 5 л.
  2. Наполните емкость на три четверти холодной водопроводной водой.
  3. Налейте цветную горячую воду (может быть окрашена пищевым красителем) в небольшую бутылку с легко снимаемой крышкой. Закройте крышку.
  4. Опустите маленькую бутылку в контейнер.
  5. После опускания осторожно откройте его, затем осторожно выньте руку из контейнера с крышкой.
  6. Обратите внимание на то, что цветная горячая вода поднимается из маленькой бутылки через холодную воду, а затем снова падает вниз, охлаждая на своем пути вверх — наблюдайте за конвекционными потоками.

ИНСТРУКЦИЯ:

Учащиеся не должны просто бросать перманганат калия в воду. Важно, чтобы они аккуратно поместили его на дно стакана с одной стороны, чтобы они могли видеть, как движутся потоки в воде.

  1. Наполовину заполните стакан холодной водопроводной водой.
  2. Осторожно нанесите небольшое количество перманганата калия на одну сторону стакана. НЕ РАЗМЕШАТЬ.
  3. Нагрейте воду с перманганатом калия непосредственно под стенкой стакана с помощью бунзеновской / спиртовой горелки и наблюдайте, что происходит.
  4. Поставьте контрольный эксперимент и поместите несколько зерен перманганата калия на дно стакана, наполненного водой.Не нагревайте этот стакан и наблюдайте, что происходит.

ВОПРОСЫ:

Что вы увидели, когда вода в нагретом стакане начала нагреваться? Нарисуйте картинку, чтобы показать то, что вы видите.

Учащиеся должны увидеть фиолетовый цвет растворенного перманганата калия, движущийся по кругу вверх через воду.

Что происходит с перманганатом калия в этом стакане?

По мере того, как перманганат калия растворяется в воде, он протаскивается через воду.

Не могли бы вы объяснить узор, который вы видели?

Теплая вода поднимается и заменяется более холодной водой.

ПРИМЕЧАНИЕ:

На данный момент учащиеся не знакомы с теорией конвективных токов, поэтому их ответы будут довольно простыми.

Сравните это со стаканом, который не был нагрет. Что вы наблюдали в этом стакане?

Перманганат калия растворяется, но не образует восходящих токов.Он будет равномерно и плотно диффундировать по дну стакана. Через долгое время он равномерно распределится по воде.

Давайте теперь объясним, что мы наблюдали в последнем упражнении. Конвекция — это передача тепловой энергии из одного места в другое за счет движения частиц газа или жидкости. Как это произошло?

При нагревании газа или жидкости вещество расширяется.Это связано с тем, что частицы в жидкостях и газах приобретают кинетическую энергию при нагревании и начинают двигаться быстрее. Поэтому они занимают больше места по мере того, как частицы отдаляются друг от друга. Это заставляет нагретую жидкость или газ двигаться вверх, а более холодную жидкость или газ — вниз. Когда теплая жидкость или газ достигают вершины, они снова охлаждаются и, следовательно, снова движутся вниз.

Затем мы говорим, что нагретая жидкость или газ менее плотны, поскольку те же частицы теперь занимают большее пространство.Мы узнаем больше о плотности в следующем году в Gr 8.

В последнем действии частицы воды приобрели кинетическую энергию и разошлись друг от друга, занимая больше места. Затем эта вода движется вверх, поскольку она менее плотная, чем холодная вода, то есть она легче, чем холодная вода. Мы могли наблюдать это, когда перманганат калия растворялся в воде и перемещался вместе с частицами воды, а затем снова перемещался вниз по мере охлаждения воды.

Это движение жидкости или газа называется конвекционным потоком , и энергия передается от одной области в жидкости или газе к другой. Взгляните на диаграмму, показывающую конвекционный ток.

Учащимся нужно быть осторожными с этим экспериментом. Т-образный картон легко зажечь свечой, и им следует быть осторожными, чтобы не обжечь пальцы при зажигании свечей.

МАТЕРИАЛЫ:

  • Картон Т-образный
  • свеча
  • скрученная бумага или шина
  • стакан
  • спичечный коробок

ИНСТРУКЦИЯ:

Вы можете капнуть немного воска на основу, а затем приклеить к нему свечу, чтобы она стояла.

  1. Зажгите свечу и поместите ее в стакан сбоку от стакана.
  2. Поместите Т-образный картон в стакан так, чтобы между дном стакана и картоном оставался небольшой зазор.
  3. Зажгите скрученный рулон бумаги и подержите его в стакане с противоположной стороны от свечи, как показано на рисунке.
  4. Посмотрите, что происходит с дымом.

ВОПРОСЫ:

Что происходит с дымом от бумаги?

Дым опускается под картон и поднимается вверх рядом со свечой.

ПРИМЕЧАНИЕ:

Некоторые частицы дыма могут двигаться вверх.

Как вы думаете, почему дым движется таким образом?

Свеча нагревает воздух над собой, что создает конвекционный поток, который втягивает более холодный воздух с другой стороны картона к свече.Это движение частиц воздуха увлекает за собой частицы дыма. Частицы дыма позволяют нам визуализировать конвекционное течение.

В последних двух действиях мы наблюдали конвекционные токи в жидкости и в газе. Конвекционные токи могут образовываться только в газах и жидкостях, поскольку эти частицы могут свободно перемещаться. Они не удерживаются в фиксированных положениях, как в твердом теле.Твердые частицы удерживаются вместе слишком плотно, чтобы они могли двигаться при нагревании. Твердые частицы будут вибрировать быстрее только при нагревании, но не сдвинутся со своих позиций.

Твердые частицы будут двигаться со своих позиций только тогда, когда они наберут достаточно кинетической энергии, чтобы произошло изменение состояния, и твердое тело расплавится и станет жидкостью.

Капли в лавовой лампе движутся вверх и вниз в лампе, сначала нагреваясь и расширяясь, а затем достигая поверхности и остывая, так что они снова опускаются вниз.

Капли в лавовой лампе движутся вверх и вниз, показывая нам конвекционные токи, поскольку лампа обеспечивает источник тепла внизу.

Как работает лавовая лампа? (видео)

Теперь, когда мы узнали о конвекции, как мы можем применить это в окружающем нас мире? Интересно узнать о концепциях и теориях в науке, но еще интереснее, когда мы узнаем, как это влияет на нашу повседневную жизнь.

Представьте, что вашему учителю дали обогреватель и кондиционер для вашего класса. Обогреватель согреет ваш класс зимой, а кондиционер сохранит прохладу летом. Вы должны помочь своему учителю решить, где каждый предмет должен быть помещен в классе. Идти по стене у потолка или у пола? Стоит ли им подойти к окну?

Это фотография кондиционера.

ИНСТРУКЦИЯ:

Разделитесь на группы по 2 или 3 человека.

Обсудите, где в классе вы бы разместили обогреватель, чтобы он мог эффективно обогревать комнату. Нарисуйте схему, поясняющую ваш выбор.

Обогреватель следует ставить возле пола. По мере того, как он нагревает воздух вокруг себя, теплый воздух поднимается и заменяется холодным.Затем прохладный воздух нагревается и поднимается. Это создает конвекционный поток, который нагревает всю комнату. На диаграмме должна быть показана восходящая циркуляция теплого воздуха.

Обсудите, где в классе вы бы установили кондиционер, чтобы он мог эффективно охлаждать комнату. Нарисуйте схему, поясняющую ваш выбор.

Кондиционер следует размещать под потолком.По мере того, как он охлаждает теплый воздух у потолка, холодный воздух движется вниз к полу и заменяется теплым воздухом снизу. Затем теплый воздух охлаждается кондиционером. Это создает конвекционный поток, который охлаждает всю комнату. На диаграмме должна быть показана нисходящая циркуляция холодного воздуха.

Попытайтесь найти специалиста по кондиционерам или отоплению, с которым вы сможете пройти собеседование.Попросите их объяснить, как лучше всего установить кондиционер и обогреватель.

Теперь мы рассмотрели, как энергия передается через различные материалы, будь то твердые тела (проводимость) или жидкости и газы (конвекция). Но что делать, если нет частиц, передающих тепловую энергию? Есть ли еще способ передачи энергии?

Радиация

  • радиация
  • матовый
  • отражать
  • абсорбировать

Вы когда-нибудь задумывались, как Солнце может согреть нас, даже если оно так далеко? Энергия передается от Солнца всему на Земле.Солнцу не обязательно касаться Земли для передачи энергии. Кроме того, между Землей и Солнцем есть пространство. Энергия Солнца способна согреть нас, даже не касаясь нас.

Этот перенос энергии называется излучением . Он отличается от проводимости или конвекции, поскольку не требует, чтобы предметы касались друг друга или движения частиц.

Радиация происходит от греческого слова , радиус , что означает луч света.

Солнце излучает тепло во всех направлениях. Энергия передается через космос на Землю

Свету требуется около 8 минут, чтобы добраться от Солнца до Земли.

Мы также можем видеть, как тепло передается радиацией здесь, на Земле, а не только между Солнцем и Землей. Продемонстрируем разницу между излучением и конвекцией с помощью свечи.

Предлагается сделать это в качестве демонстрации и разбить учащихся на небольшие группы.Затем вы можете контролировать, насколько близко они подносят руки к пламени. Обратите внимание, что тепло излучается во всех направлениях вокруг источника тепловой энергии (включая верх свечи). То, что заставляет нас чувствовать тепло вверху, — это эффект конвекционных потоков горячего воздуха, движущихся вверх. Сначала им следует подержать руки над пламенем, чтобы почувствовать тепло от конвекции. Затем они должны подержать руки рядом, чтобы почувствовать теплоотдачу от излучения. Наконец, вы также можете продемонстрировать проводимость, используя металлическую ложку и держа ее в огне.

МАТЕРИАЛЫ:

  • свеча в подсвечнике
  • металлическая ложка или металлический стержень
  • совпадений

ИНСТРУКЦИЯ:

  1. Зажгите свечу и поместите ее в подсвечник. Ваш учитель может сделать это и попросить вас подходить к демонстрации целыми группами.
  2. Сначала держите руку над свечой.
  3. Затем возьмитесь за свечу рукой.
  4. Ответьте на следующие вопросы.

ВОПРОСЫ:

Теперь мы знаем, что тепло от свечи передается воздуху вокруг нее. Они согреют. Куда уйдет этот воздух?

Частицы воздуха будут двигаться вверх.

Итак, когда вы держите руку над свечой, что вы чувствуете и почему?

Когда вы держите руку над свечой, частицы теплого воздуха передают энергию вашей руке, заставляя ее нагреваться, и вы чувствуете повышение температуры.

Но как насчет того, чтобы держать руку за свечу? Чувствуете ли вы тепло от свечи?

Это не конвекция, поскольку частицы воздуха не перемещаются вбок, когда они нагреваются от пламени.Итак, как энергия передается вашей руке, когда вы чувствуете тепло на стороне свечи?

Энергия передается излучением.

Наконец, если ваш учитель поместит металлическую ложку в пламя свечи, и вы почувствуете конец, что бы вы почувствовали через некоторое время?

Как энергия передавалась от пламени к концу ложки?

Передача энергии проводилась.

На этой фотографии показаны все три формы передачи тепла. Объясните, какой тип теплопередачи представлен каждой рукой.

Энергия передается тремя способами.

Рука справа, держащая ложку, представляет собой теплопроводность, поскольку тепло передается от пламени через металл ложки.Рука над свечой представляет собой конвекцию, поскольку тепло передается от пламени движущимися частицами воздуха, которые нагреваются и поднимаются. Рука над свечой также будет испытывать тепло от излучения, поскольку тепло распространяется во всех направлениях. Рука слева рядом со свечой представляет излучение, когда энергия передается от источника через пространство к руке.

Как мы видели в предыдущем упражнении, энергия передается от свечи к вашей руке посредством конвекции и излучения.Вы когда-нибудь стояли рядом с огромным огнем? Вы почувствуете излучаемое тепло, даже если воздух может быть очень холодным. Это потому, что энергия передается вам посредством излучения через промежутки между частицами в воздухе.

Что если вы дотронетесь до черной или белой стены? Как вы думаете, есть ли разница в том, как разные поверхности поглощают и отражают излучение ? Давайте узнаем, проведя расследование.

В этом исследовании рассматривается, как различные материалы поглощают или отражают излучение.Важно, чтобы площадь поверхности каждого материала оставалась одинаковой, чтобы результаты были надежными. Это расследование лучше всего работает в жаркий солнечный день. Постарайтесь найти самое солнечное место на территории школы, чтобы провести расследование.

Мы собираемся исследовать, какие поверхности поглощают больше всего тепла, используя темную бумагу, светлую бумагу и блестящую бумагу, такую ​​как алюминиевая фольга. Мы будем использовать температуру внутри конверта, сделанного из каждого вида бумаги, как меру количества тепла, поглощаемого бумагой.Как вы думаете, почему мы можем это сделать?

Обсудите это со своим классом, так как важно, чтобы они понимали, почему они проводят расследование. Когда бумажный конверт поглощает тепло, энергия передается воздуху внутри конвертов. Это вызовет повышение температуры, которое покажет термометр. Чем больше энергии поглощается, тем больше энергии передается внутрь и тем выше температура.Бумага, отражающая наибольшее количество энергии, покажет наименьшее повышение температуры.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ВОПРОС:

Какие поверхности будут поглощать больше всего солнечного излучения и, следовательно, быстрее всего увеличивать температуру?

ПЕРЕМЕННЫЕ

Какую переменную вы собираетесь измерять?

Температура вещества.

Как мы называем измеряемую вами переменную?

Какую переменную вы собираетесь изменить?

Как мы называем эту переменную?

Что должно быть одинаковым для всех различных материалов?

Площадь поверхности каждого вещества, подвергающегося воздействию Солнца, должна быть одинаковой (т. Е.размер конверта). Продолжительность воздействия солнечных лучей на материалы.

ГИПОТЕЗА:

Напишите гипотезу для этого расследования.

Ответ, зависящий от учащегося. Гипотеза может быть такой: «Блестящая поверхность будет поглощать меньше всего тепла, а черная / темная бумага — больше всего».’

МАТЕРИАЛЫ И АППАРАТ:

  • черная матовая бумага
  • Белая книга
  • фольга алюминиевая
  • 3 спиртовых термометра
  • секундомер или таймер
  • клей или скотч

Вы также можете расширить исследование, протестировав больше цветов, например красный и желтый, чтобы увидеть их сравнение.

МЕТОД:

  1. Сложите каждый лист бумаги и алюминиевую фольгу в виде конверта.
  2. Поместите термометр в каждый конверт и запишите начальную температуру.
  3. Положите все конверты на солнце.
  4. Проверяйте температуру по термометрам каждые 2 минуты в течение 16 минут.
  5. Запишите результаты в таблицу.
  6. Нарисуйте линейный график для каждого конверта на одном и том же наборе осей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ:

Результаты этого эксперимента зависят от размера бумажного конверта, который делают учащиеся, а также от количества солнечного света, падающего на конверты. Показания также могут время от времени колебаться в результате облачности.

Запишите результаты в следующую таблицу.

Время (минуты)

Температура в черном бумажном конверте (° C)

Температура в белом бумажном конверте (° C)

Температура в конверте из алюминиевой фольги (° C)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Нарисуйте линейный график для каждого конверта на пустом месте ниже.Не забудьте дать своему графику заголовок.

Время должно быть отложено по горизонтальной оси, а температура — по вертикальной оси. Нарисуйте три разных графика для трех разных материалов. Сравнение наклона трех графиков позволит учащимся определить, какой материал прогрелся быстрее всего. Быстрее всего прогрелась линия с самым крутым уклоном.

Температура черной бумаги должна повышаться быстрее всего, и поэтому кривая будет самой крутой.Алюминиевый конверт должен нагреваться медленнее всего и иметь самый неглубокий изгиб с белой бумагой между ними.

График должен иметь заголовок. Примером подходящего заголовка может быть «Сравнение скорости повышения температуры различных поверхностей».

АНАЛИЗ:

Что вы замечаете в формах нарисованных вами графиков? Графики прямые или кривые?

Ответ, зависящий от активности.Полученные значения будут зависеть от размера конвертов, которые делают учащиеся, а также от количества солнечного света, на которое они попали. Важно, чтобы они видели растущую тенденцию в линиях графика.

Какая линия на вашем графике самая крутая? Что это говорит нам?

График, представляющий черную бумагу, должен быть самым крутым графиком.Это означает, что температура этого конверта увеличивалась быстрее всего. Это потому, что черный матовый цвет поглощает больше всего излучения.

Сравните ваши результаты для белой бумаги и блестящей поверхности. Что это вам говорит.

Конверт из алюминиевой фольги должен показывать минимальное повышение температуры, поскольку блестящие поверхности отражают тепло.

ОЦЕНКА:

Расследование прошло гладко? Или вы бы что-нибудь изменили?

Ответ, зависящий от учащегося.Учащиеся должны обсудить качество своего метода и получили ли они ожидаемые результаты. Они могут предложить повторить эксперимент три раза и получить среднее увеличение с течением времени.

Получили ли вы какие-либо результаты, которые не соответствовали общей схеме?

Ответ, зависящий от учащегося.Некоторые учащиеся могут получить выбросы, но другие могут иметь четкие результаты с четкими закономерностями.

ВЫВОД:

Напишите заключение для вашего расследования. Не забудьте вернуться к следственному вопросу, на который мы хотели ответить.

Учащиеся должны сделать вывод, что черные поверхности поглощают больше всего излучения и, следовательно, показывают самое большое и быстрое повышение температуры, тогда как блестящие поверхности поглощают меньше всего, поскольку они больше всего отражают.

Солнечное излучение необходимо для жизни на Земле, но ультрафиолетовое излучение Солнца также может сильно повредить нашу кожу. Не забывайте надевать солнцезащитный крем и шляпу на улице и избегать попадания прямых солнечных лучей с 11:00 до 14:00.

Исследование показало, что темная оболочка показала наибольшее повышение температуры. Более светлый конверт показал меньшее повышение температуры.Конверт из блестящего материала показал наименьшее повышение температуры.

Итак, что мы узнали? Кажется, что темные цвета поглощают больше солнечного излучения, чем светлые или отражающие цвета. Итак, если вы хотите согреться в холодный день, темная одежда будет поглощать больше доступного тепла солнечного излучения, чем светлые тона.

Средняя летняя температура в Хотазеле, городе на Северном мысе, составляет около 34 ° C. Если бы вы жили в Хотазеле и вам нужно было купить новую машину, вы бы купили машину светлого или темного цвета? Объяснить, почему.

Лучшим цветом для покупки будет белый автомобиль, потому что, как показало исследование, светлые цвета поглощают меньше тепла, чем темные. Так светлый автомобиль в идеале останется самым крутым внутри.

У вас есть возможность опрыскать автомобиль, чтобы сделать поверхность более блестящей. Как вы думаете, это поможет сохранить прохладу в машине в жаркие летние месяцы? Объяснить, почему.

Да, это поможет, поскольку блестящие поверхности обладают большей отражающей способностью и поэтому больше лучистого тепла отражается, а не поглощается, сохраняя внутреннюю часть автомобиля более прохладной.

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача — физика

Теплообмен, удельная теплоемкость и теплоемкость

В предыдущем разделе мы узнали, что температура пропорциональна средней кинетической энергии атомов и молекул в веществе, и что средняя внутренняя кинетическая энергия вещества тем выше, чем выше температура вещества.

Если два объекта с разной температурой соприкасаются друг с другом, энергия передается от более горячего объекта (то есть объекта с более высокой температурой) к более холодному (с более низкой температурой) объекту, пока оба объекта не будут иметь одинаковую температуру. . При равенстве температур нетто-теплопередачи, поскольку количество тепла, передаваемого от одного объекта к другому, равно количеству возвращенного тепла. Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание увеличивает температуру, а охлаждение снижает ее.Эксперименты показывают, что тепло, передаваемое веществу или от него, зависит от трех факторов: изменения температуры вещества, массы вещества и определенных физических свойств, связанных с фазой вещества.

Уравнение теплопередачи Q равно

Q = mcΔT, Q = mcΔT,

11,7

, где м — масса вещества, а Δ T — изменение его температуры в единицах Цельсия или Кельвина. Обозначение c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ºC. Удельная теплоемкость c — это свойство вещества; его единица СИ — Дж / (кг К) или Дж / (кг ° C ° C). Изменение температуры (ΔTΔT) одинаково в кельвинах и градусах Цельсия (но не в градусах Фаренгейта). Удельная теплоемкость тесно связана с понятием теплоемкости. Теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры вещества на 1,00 ° C ° C.В форме уравнения теплоемкость C равна C = mcC = mc, где m — масса, а c — удельная теплоемкость. Обратите внимание, что теплоемкость такая же, как и удельная теплоемкость, но без какой-либо зависимости от массы. Следовательно, два объекта, состоящие из одного и того же материала, но с разной массой, будут иметь разную теплоемкость. Это связано с тем, что теплоемкость — это свойство объекта, а удельная теплоемкость — это свойство любого объекта , изготовленного из того же материала.

Значения удельной теплоемкости необходимо искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить.В таблице 11.2 приведены значения удельной теплоемкости для некоторых веществ в качестве справочной информации. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у стекла, что означает, что для повышения температуры 1 кг воды требуется в пять раз больше тепла, чем для повышения температуры 1 кг стекла тем же самым способом. количество градусов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Объясните, что эта формула работает только в том случае, если фаза вещества не меняется.Передача тепловой энергии, тепла и фазовый переход будут рассмотрены позже в этой главе.

Предупреждение о заблуждении

Единицы измерения удельной теплоемкости — Дж / (кг ° C⋅ ° C) и Дж / (кг K). Однако градусы Цельсия и Кельвина не всегда взаимозаменяемы. В формуле для удельной теплоемкости используется разница в температуре, а не абсолютная температура. Это причина того, что градусы Цельсия могут использоваться вместо Кельвина.

Вещества Удельная теплоемкость ( c )
Твердые тела Дж / (кг ⋅ ° C⋅ ° C)
Алюминий 900
Асбест 800
Бетон, гранит (средний) 840
Медь 387
Стекло 840
Золото 129
Тело человека (среднее) 3500
Лед (средний) 2090
Чугун, сталь 452
Свинец 128
Серебро 235
Дерево 1700
Жидкости
Бензол 1740
Этанол 2450
Глицерин 2410
Меркурий 139
Вода 4186
Газы (при постоянном давлении 1 атм)
Воздух (сухой) 1015
Аммиак 2190
Двуокись углерода 833
Азот 1040
Кислород 913
Пар 2020

Таблица 11.2 Удельная теплоемкость различных веществ.

Snap Lab

Изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода? Вы ответите на этот вопрос, проведя измерения для изучения различий в удельной теплоемкости.

  • Открытое пламя. Соберите все распущенные волосы и одежду перед тем, как зажечь открытое пламя. Следуйте всем инструкциям своего учителя о том, как зажечь пламя. Никогда не оставляйте открытое пламя без присмотра. Знайте расположение противопожарного оборудования в лаборатории.
  • Песок или грунт
  • Вода
  • Духовка или тепловая лампа
  • Две маленькие баночки
  • Два термометра

Инструкции

Процедура

  1. Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две небольшие банки. (Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить равные массы, используя на 50 процентов больше воды по объему.)
  2. Нагрейте оба вещества (с помощью духовки или нагревательной лампы) в течение одинакового времени.
  3. Запишите конечные температуры двух масс.
  4. Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая в течение более длительного периода времени.
  5. Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Проверка захвата

Потребовалось больше времени, чтобы нагреть воду или песок / почву до той же температуры? Какой образец остыл дольше? Что этот эксперимент говорит нам о том, как удельная теплоемкость воды по сравнению с удельной теплотой земли?

  1. Песок / почва нагревается и остывает дольше.Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость земли больше, чем у воды.
  2. Песок / почва нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у земли.
  3. Вода нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость земли больше, чем у воды.
  4. Вода нагревается и остывает дольше. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у земли.

Проводимость, конвекция и излучение

При разнице температур происходит теплопередача. Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость — это передача тепла при прямом физическом контакте. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно.Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем такие ткани, как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от нашего тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни. Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его на холоднее.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] [AL] Спросите учащихся, какая сейчас температура в классе. Спросите их, все ли предметы в комнате имеют одинаковую температуру. Как только это будет установлено, попросите их положить руку на стол или на металлический предмет. Стало холоднее? Почему? Если их стол сделан из ламината Formica, то рука будет прохладно, потому что ламинат является хорошим проводником тепла и отводит тепло от руки, создавая ощущение «холода» из-за тепла, покидающего тело.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В целом металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рис. 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией.Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold. Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4. Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области.На этой иллюстрации частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция — это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

На обиходе термин жидкость обычно означает жидкость. Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердый материал, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными.Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с другой температурой, чем снаружи в окружающей среде. Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, заставляя воздушный шар расширяться. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью — горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру своего дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичным уплотнением защищает от холодного ветра зимой. Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рисунок 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается вверх, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого котла с водой.Попав внутрь жидкости, передача тепла другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим частям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется, пока в кастрюле есть вода.

Излучение — это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие волны имеют более высокую частоту и больше энергии).

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Электромагнитные волны также часто называют электромагнитными волнами. Мы по-разному воспринимаем электромагнитные волны разной частоты. Так же, как мы можем видеть одни частоты как видимый свет, мы воспринимаем некоторые другие как тепло.

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь — она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо.Другой пример — тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение — единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими. Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный — наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый — наименее эффективный.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Попросите учащихся привести примеры теплопроводности, конвекции и излучения.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды. Для этого перетащите объект на пьедестал и затем удерживайте рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру — вы можете в режиме реального времени наблюдать, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами. Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Проверка захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

  1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть.Для изоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
  2. Вода занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
  3. Кирпич занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
  4. Вода занимает меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
Поддержка учителей
Поддержка учителей

Попросите учащихся рассмотреть различия в результатах интерактивных упражнений при использовании разных материалов.Например, спросите их, будет ли изменение температуры больше или меньше, если кирпич заменить железным блоком той же массы, что и кирпич. Попросите студентов рассмотреть одинаковые массы металлов, алюминия, золота и меди. После того, как они заявят, больше или меньше изменение температуры для каждого металла, попросите их обратиться к Таблице 11.2 и проверить, верны ли их прогнозы.

Повышение температуры … и падение — эффект стека, движение воздуха и тепловой поток

Повышается температура.Все это знают, правда? Абсолютно верно. Жара действительно поднимается. Проблема в том, что иногда люди говорят это так, будто поток тепла вызван его желанием подняться. Это не. Тепло может двигаться вверх, вниз или в сторону, в зависимости от ситуации. Законы термодинамики говорят нам, что тепло перемещается из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой. Поместите горелку на верхушку стального столба, и тепло будет распространяться вниз за счет теплопроводности. Итак, разница температур на самом деле заставляет тепло двигаться в любом заданном направлении.

Когда вы имеете дело с жидкостями, вы также должны учитывать плотность и плавучесть. Воздух — это жидкость, в которой мы живем, и в это время года мы тратим много денег, накачивая его теплом в наших домах и на работе. Когда мы нагреваем воздух, молекулы движутся быстрее, что заставляет их распространяться. Когда масса воздуха занимает больше места, она имеет меньшую плотность. Когда жидкость с более низкой плотностью погружена в жидкость с более высокой плотностью, жидкость с более низкой плотностью поднимается, а жидкость с более высокой плотностью падает.

Представьте пузырьки воздуха в воде, как показано на фотографии выше. Представьте гелиевый шар. Представьте себе воздушный шар. Теперь представьте себе объект с более высокой плотностью, погруженный в жидкость. Поднимите наковальню Хитрого Койота в воздух над его головой, и он превратится в блин.

Дело здесь в том, что в строительной науке о движении воздуха легко запутаться в тепле. Теплый воздух поднимается вверх, когда он окружен холодным из-за его меньшей плотности. Да, это из-за тепла, но плотность — главный фактор, вызывающий здесь движение.Название этого явления — стековый эффект . Два фактора влияют на то, насколько эффект стека испытывает здание:

  • Разница температур внутри и снаружи (поскольку плотность зависит от температуры)
  • Высота здания

Проблема с эффектом стека в зданиях заключается в том, что здания не являются вакуумными камерами. Они протекают. Очевидно, что дом не начнет парить в воздухе, как воздушный шар (хотя я с большой нежностью вспоминаю фильмы Диснея из моего детства, в которых были показаны такие волшебные события).Но воздух с низкой плотностью внутри дома будет подниматься и выходить в холодный, плотный зимний воздух, если ему представится такая возможность.

Попробуйте этот эксперимент, если вы мне не верите. В холодный день, когда в вашем доме тепло, открывайте откидную лестницу или водосточную яму на чердак. Заберитесь на чердак и прикрывайте ямку лицом. Вы почувствуете, как эффект стека выталкивает на чердак много теплого воздуха.

Итак, зимой теплый воздух с низкой плотностью внутри вашего дома хочет подняться… если может. Если в вашем доме нет протечек, теплый воздух не сможет выйти и сделать свое дело.В ограждающей конструкции здания по-прежнему существует перепад давления, но это нормально, если воздушный барьер в порядке. Положительное давление внутри дома, деваться некуда, потому что нет тропинок.

На самом деле происходит утечка в домах. Ваш приятный теплый воздух может просачиваться наружу (эксфильтрация), а холодный воздух просачиваться внутрь (инфильтрация). Из-за своей более низкой плотности теплый воздух будет выходить через верхнюю часть дома, если там есть утечки. Однако, когда вытекает кубический фут, он должен быть восполнен за счет утечки кубического фута.Когда теплый воздух выходит сверху, холодный воздух просачивается снизу. Чем герметичнее ваш дом, тем большую разницу температур вы заметите между верхом и низом помещения.

Все это происходит потому, что теплый воздух внутри вашего дома зимой менее плотный, чем холодный воздух снаружи. Летом в вашем доме густой воздух, потому что там температура ниже, особенно если вы кондиционируете свой дом. Это означает, что протечки в вашем доме приносят теплый воздух сверху и позволяют холодному воздуху выходить снизу.

Ах, теплый воздух падает! Радиаторы. Это старое выражение «жар ​​поднимается», в конце концов, не является основной истиной. Как и в случае со многими аспектами строительной науки, вы должны смотреть на полный контекст, чтобы понять, что происходит.

Дополнительная статья

Кто знал, что эффект стека может быть настолько спорным?

Статьи по теме

Что такое давление? — Что такое утечка воздуха

Крысы вам, Даниэль Бернулли! — Понимание атмосферного давления (с крутым видео!)

Проникновение происходит на поверхности, а не в объеме

Это отверстие — понимание того, что такое дверца воздуходувки для

Строительная наука 101

Фотография водяных пузырей Кристиана Хаугена с сайта flickr.com, используется по лицензии Creative Commons.

Использование зеленых крыш для уменьшения островков тепла

Зеленые крыши доказали свою эффективность в уменьшении тепловых островов. На этой странице представлен краткий обзор роли зеленых крыш в смягчении эффекта теплового острова, включая типы зеленых крыш, другие экологические и социальные преимущества и соображения рентабельности.

Зеленая крыша или сад на крыше — это растительный слой, выращиваемый на крыше. Зеленые крыши создают тень, удаляют тепло из воздуха и снижают температуру поверхности крыши и окружающего воздуха.Использование зеленых крыш в городах или других застроенных территориях с ограниченной растительностью может смягчить эффект теплового острова, особенно в дневное время. Температура зеленой крыши может быть на 30–40 ° F ниже, чем у обычной крыши, и может снизить температуру окружающей среды в городе до 5 ° F. 1,2 Кроме того, зеленые крыши могут снизить потребление энергии зданием на 0,7% по сравнению с обычными крышами, снижая пиковую потребность в электроэнергии и приводя к ежегодной экономии 0,23 доллара на квадратный фут поверхности крыши. 1,3 Эти преимущества снижения температуры и энергоэффективности являются ключевым фактором растущей популярности зеленых крыш в Соединенных Штатах. По оценкам, в 2016 году индустрия зеленых крыш в Северной Америке выросла более чем на 10% по сравнению с 2015 годом, продолжая тенденцию роста отрасли за последнее десятилетие. В том году выборка заинтересованных сторон отрасли сообщила о почти 900 проектах зеленых крыш общей площадью более четырех миллионов квадратных футов в 40 штатах США и шести провинциях Канады. 4

Виды зеленых крыш

Зеленые крыши можно устанавливать на самые разные здания, от промышленных объектов до частных домов.Зеленые крыши бывают двух типов: экстенсивные и интенсивные.

Обширные зеленые крыши Интенсивная зеленая крыша
  • Обычно более простые, с выносливыми растениями и средней глубиной роста от двух до четырех дюймов
  • Требуется наименьшее количество дополнительной структурной поддержки, так как они легкие
  • После установки требуется небольшое обслуживание
  • Обычно более сложные, например, полностью доступный парк с деревьями
  • Похоже на обычные сады или парки
  • Требуется больше структурной опоры, так как они тяжелее
  • Требуются более высокие начальные вложения
  • Требуется более интенсивное обслуживание

Оба типа зеленых крыш состоят из одних и тех же основных компонентов многослойного покрытия с рядом барьеров для предотвращения повреждения водой или корнями конструкции, дренажного слоя для облегчения отвода воды, а также растущей среды и вегетативного слоя.На рисунке Общие слои зеленой крыши (ниже) представлена ​​наиболее распространенная конструкция зеленой крыши, хотя не все показанные слои встречаются на каждой зеленой крыше.

Зеленые крыши против прохладных крыш

Холодные крыши — еще одна возможность уменьшить эффект теплового острова. Холодные крыши сделаны из материалов с высокой отражающей способностью и эмиссией, которые при пиковых температурах остаются более холодными, чем традиционные материалы. В то время как зеленые крыши часто изначально имеют более высокие затраты, чем холодные крыши, зеленые крыши обычно имеют более длительный ожидаемый срок службы. 5 Как холодные, так и зеленые крыши обеспечивают более низкие температуры поверхности и воздуха, а также снижение энергопотребления. Однако зеленые крыши предлагают дополнительные преимущества, такие как уменьшение и фильтрация ливневых стоков; поглощение загрязняющих веществ и углекислого газа; обеспечение естественной среды обитания; и в случае интенсивных зеленых крыш, служащих рекреационными зелеными насаждениями. Холодные крыши лучше всего подходят для проектов с ограниченным бюджетом и в первую очередь ориентированы на энергосбережение, тогда как зеленые крыши предпочтительнее, когда представляют интерес затраты на жизненный цикл, общественные выгоды и более широкое воздействие на окружающую среду.Оба варианта являются важными стратегиями смягчения последствий теплового острова.

Зеленые крыши Фотогалерея

Сопутствующие выгоды от зеленых крыш

Зеленые крыши и другие стратегии смягчения последствий теплового острова предлагают ряд сопутствующих преимуществ (см. Рисунок ниже). К преимуществам зеленых крыш относятся:

  • Снижение загрязнения воздуха и выбросов парниковых газов: Снижая потребность в кондиционировании воздуха, зеленые крыши могут снизить сопутствующее загрязнение воздуха и выбросы парниковых газов (ПГ) от традиционных источников энергии.Растительность также может удалять загрязнители и парниковые газы из воздуха за счет сухого осаждения и связывания и хранения углерода, соответственно.
  • Снижение энергопотребления: Зеленые крыши отводят тепло из воздуха в процессе эвапотранспирации, а также действуют как изоляторы для зданий, уменьшая энергию, необходимую для охлаждения и обогрева.
  • Улучшение здоровья и комфорта людей: Зеленые крыши за счет снижения теплопередачи через крышу здания могут улучшить комфорт в помещении и снизить вероятность теплового стресса, связанного с волнами тепла.
  • Повышение качества жизни: Зеленые крыши представляют собой эстетическую ценность и среду обитания для растений и животных. Они улучшают взаимодействие человека с природой, вводя зеленые насаждения в застроенную среду. Доказано, что такая связь с природой приносит пользу физическому и психическому здоровью и производительности человека, а также снижает кровяное давление и продолжительность госпитализации. 6
  • Улучшенное управление ливневыми водами и качество воды: Зеленые крыши могут уменьшить и замедлить сток ливневых стоков в городской среде, а также отфильтровать загрязняющие вещества от дождя.Зеленые крыши могут удерживать почти все ливневые осадки в летние месяцы с меньшим удержанием в зимние месяцы (<20%). Фактический потенциал зеленых крыш по управлению ливневыми водами зависит от сезона и режима осадков. 7

Оценка воздействия зеленых крыш на окружающую среду

Опубликованное EPA тематическое исследование Оценка воздействия зеленых крыш на окружающую среду демонстрирует преимущества зеленых крыш для окружающей среды и здоровья в Канзас-Сити, штат Миссури.В тематическом исследовании излагается воспроизводимая аналитическая структура с использованием бесплатных количественных инструментов, созданных EPA и другими организациями, которые государственные и местные лица, принимающие решения, и практики могут использовать для оценки многочисленных преимуществ зеленых крыш. Исследование показало, что более 700000 футов 2 общего покрытия зеленых крыш в Канзас-Сити, установленных в период с 1999 по 2020 год, позволит избежать выбросов 384 фунтов оксида азота, 734 фунтов диоксида серы и 269 тонн диоксида углерода в 2020 году. Эти сокращения выбросов эквивалентны денежным льготам для здоровья в размере 35 500–80 500 долларов.

Затраты на установку и содержание зеленых крыш

Ориентировочные затраты на установку и обслуживание зеленой крыши зависят от типа зеленой крыши. Например, простая обширная крыша без общественного доступа может стоить от одной десятой до одной трети стоимости строительства интенсивной зеленой крыши, предназначенной для общественного доступа. 8 Хотя первоначальные затраты на зеленые крыши могут быть выше, чем на обычные материалы, владельцы зданий могут помочь компенсировать некоторые различия в этих затратах за счет снижения затрат на электроэнергию и сборов за управление ливневыми стоками и, возможно, более длительного срока службы зеленых крыш по сравнению с с обычными кровельными материалами.Типичное обслуживание включает внесение удобрений, орошение, борьбу с сорняками и, при необходимости, пересадку. Интенсивные зеленые крыши могут потребовать технического обслуживания, превышающего то, что требуется для обширных крыш для сохранения их эстетического вида и использования для общественного доступа.

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли провели анализ стоимости жизненного цикла зеленых крыш, холодных крыш и обычных крыш. 8 Они обнаружили, что, хотя зеленые крыши более дороги, чем холодные или обычные крыши, они обеспечивают значительно более высокую относительную выгоду на квадратный фут в течение 50-летнего жизненного цикла (например.g., экономия затрат на электроэнергию, предотвращение выбросов, снижение платы за ливневую воду). По сравнению с обычными крышами, преимущества обширных зеленых крыш на 14 долларов больше на квадратный фут, в то время как холодные крыши дают преимущества на 2 доллара больше на квадратный фут по сравнению с обычными крышами.

Дополнительная информация

Более подробная информация по этой теме доступна в главе 3 документа EPA «Сокращение городских островов тепла: сборник стратегий », в котором рассматриваются следующие темы:

  • Как зеленые крыши помогают уменьшить островки тепла
  • Виды зеленых крыш
  • Преимущества и затраты зеленых крыш
  • Другие факторы, которые следует учитывать при использовании зеленых крыш
  • Инициативы по созданию зеленой крыши
  • Инструменты и ресурсы для дальнейшего изучения этой технологии

1 Управление общих служб.2011. «Преимущества и проблемы зеленых крыш в общественных и коммерческих зданиях».

2 Santamouris, M. 2014. «Охлаждение городов — обзор технологий уменьшения отражающих и зеленых крыш для борьбы с островом тепла и повышения комфорта в городской среде», Solar Energy 103: 682–703.

3 Sailor, D.J., T.B. Элли и М. Гибсон. 2011. «Изучение энергетического воздействия решений по проектированию зеленой крыши на здания — исследование моделирования зданий в четырех различных климатических условиях», Journal of Building Physics 35 (4): 372–391.

4 Зеленые крыши для здоровых городов. 2017. «Ежегодное исследование индустрии« зеленых крыш »за 2016 год: краткое изложение».

5 Город Лос-Анджелес, Департамент по вопросам окружающей среды. 2006. «Зеленые крыши — охлаждение Лос-Анджелеса (Справочник по ресурсам)». Лос Анджелес, Калифорния.

6 Битли, Т. и П. Ньюман. 2013.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *