Как происходит теплопередача по металлической проволоке
Всем привет! Столкнулся с одной проблемкой. Вопрос как мне кажется сложный и просто его не решить, но вдруг кто-нибудь сталкивался и подскажет как поступить в моем случае.
Дело в том что мне нужно нагреть нихромовую ленту которая крепится последовательно на болтах М6 (со стороны резьбы прорезь 0,8) Лента 0,9 длинна 50 см.
При нагреве ленты происходит теплопередача на болты и пока болт не нагреется до температуры ленты, тепло по ленте дальше не пойдет, после того как болт нагрелся нагревается следующий болт итд. Получается что лента не нагревается дальше третьего болта а таких болтов 25шт.
Узнав что у титана плохая теплопроводность я сделал данные болты из титана, но как показала практика, нормальная у титана теплопередача! 8D нет, она конечно меньше чем у металла и болты остывают быстрее, но мне к сожалению это не помогло. Я уже подумал использовать теплопередачу во благо. От первого болта (которые первый нагревается) до дальнего пустил тонкую многожильную медную проволоку (предварительно скрутив несколько штук) в расчете на то что медная проволока имеет более хорошую теплопроводимость и будет забирать тепло на себя остужая при этом болт и при нагреве передавать тепло на дальний болт при этом ускоряя процесс его нагрева. Но и тут получается что проволока тепло забирает но как я понял болт все равно будет нагреваться так как нагретая проволока будет не только забирать тепло но и передавать его. Следующая мысль которая меня посетила это поставить маленький вентилятор который будет охлаждать медную проволоку которая будет охлаждать болты. Для простоты понимания это просто пластина из которой торчат болты а на болтах закреплена лента которая нагревается, т. е залить болты охлаждающей жидкостью не получится. Хотя если вариантов не будет.
используйте паронитовую, слюдяную или другую термостойкую теплоизоляцию для болтов. А охлаждение болтов только наоборот - ухудшает ситуацию.
Ув. Роман С. Спасибо за совет!
Подскажите слюдяная или термостойкая изоляция будет на самом болте для понижения теплопроводности на вторую часть болта? или как бы между лентой и болтом для минимизации передачи тепла с ленты на болт?
Роман С Просветленный (25885) Нужно исключить (уменьшить) передачу тепла на болт, т. е. максимально уменьшить передачу нихромом тепла болту, изолировать болт от тепла
Очень сложно порекомендовать решение для вырванной из контекста задачи.
Во-первых, если вам нужно прогреть НИХРОМОВУЮ ленту, то самый верный способ сделать это - пропустить через неё ток. Это обеспечит наиболее равномерный прогрев.
Во-вторых, нужно не болты остужать (что приведет к еще бОльшим потерям тепла на них, учим физику), а обеспечить минимальный термический контакт болта с лентой. При помощи шайб из материалов с меньшей теплопроводностью.
И если хотите больше идей, опишите контекст
Здравствуйте Dr. Dick.! Спасибо что присоеденились!
Для нагрева ленты я использую эл. ток. А именно лАТР 5А+транформатор, к сожалению точные параметры трансформатора я на данный момент сказать не могу. Просто не знаю какие вводные еще нужны. А про то что-бы обеспечить минимальный термический контакт болта с лентой я естественно еще не думал!
Dr. Dick Оракул (51781) так а почему тогда лента нагревается только с одной стороны? Она должна прогреваться по всей длине
8 класс
В предыдущем параграфе мы выяснили, что при опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим.
Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твёрдыми телами, жидкостью и газом.
Внесём в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесём к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Рассмотрим передачу тепла от одной части твёрдого тела к другой на следующем опыте.
Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться (рис. 5). Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.
Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и т. д.
Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.
Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмём пробирку с водой и станем нагревать её верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 6). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов.
Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твёрдых телах.
Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 7). Палец при этом долго не почувствует тепла.
Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа ещё больше, чем у жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, теплопроводность у газов ещё меньше.
Итак, теплопроводность у различных веществ различна.
Опыт, изображённый на рисунке 8, показывает, что теплопроводность у различных металлов неодинакова.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобождённое от воздуха пространство).
Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки изготавливают из пластмассы. Дома строят из брёвен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняющих помещения от охлаждения.
Вопросы:
1. Как происходит передача энергии по металлической проволоке?
2. Объясните опыт (см. рис. 8), показывающий, что теплопроводность меди больше, чем теплопроводность стали. 3. Какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность? Где их применяют? 4. Почему мех, пух, перья на теле животных и птиц, а также одежда человека защищают от холода?
Упражнения:
Упражнение № 3
1. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет озимые хлеба от вымерзания?
2. Подсчитано, что теплопроводность сосновых досок в 3,7 раза больше, чем сосновых опилок. Чем объяснить такую разницу?
3. Почему вода не замерзает под толстым слоем льда?
4. Почему выражение «шуба греет» неверно?
Задания:
Возьмите чашку с горячей водой и одновременно опустите в воду металлическую и деревянную ложки. Какая из ложек быстрее нагреется? Каким способом осуществляется теплообмен между водой и ложками? Как изменяется внутренняя энергия воды и ложек?
Как происходит теплопередача по металлической проволоке
1. Что называется теплопроводностью?
Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью.
2. Где возможна теплопередача способом теплопроводности?
Передача внутренней энергии способом теплопроводности возможна только при наличии вещества, ведь перенос энергии от одной части тела к другой осуществляют молекулы или другие частицы вещества.
3. Как происходит передача энергии по металлической проволоке?
Если нагреть один конец проволоки, то этот конец проволоки будет имеет большую температуру, а значит и большую внутреннюю энергию, чем другой.
В нагретом конце проволоки кинетическая энергия молекул (и их скорость) будет больше, чем в холодном.
В результате соударений более быстрые молекулы заставляют соседние молекулы двигаться быстрее.
В итоге, хотя само вещество не перемещается по проволоке, передается энергия, т.е. ракспространяется тепло.
4. Как на опыте показать, что теплопроводность меди больше, чем теплопроводность стали?
В опыте гвоздики, прикрепленные воском к медной проволоке, отрываются раньше, чем гвоздики от стальной проволоки.
Значит по медной проволоке тепло передается быстрее, чем по стальной проволоке.
Это означает, что теплопроводность меди выше теплопроводности стали.
5. Какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность? Где их применяют?
Различные вещества имеют разную теплопроводность.
Большую теплопроводность имеют металлы, особенно серебро и медь.
Вещества хорошо проводящие тепло используются в качестве теплообменников, например для отвода тепла от двигателей автомашин.
У жидкостей (за исключением расплавленных металлов, например, ртути) теплопроводность невелика.
У газов теплопроводность еще меньше, чем у жидкостей, так как молекулы их находятся далеко друг от друга.
Соударения молекул происходят реже, и энергия между молекулами передается медленнее.
Вещества обладающие низкой теплопроводность используется в качестве теплоизоляторов.
Например, для удержания тепла в помещениях в окнах ставят двойные стекла.
Воздушная прослойка между ними помогает сохранить тепло.
Очень малую теплопроводность имеет сильно разреженный газ, где частиц очень мало, теплопроводность также очень мала.
Так, например, вакуум практически не проводит тепло. Это явление используют в термосах.
6. Почему мех, пух, перья на теле животных и птиц, а также одежда человека защищают от холода?
Шерсть, пух, мех и другие пористые тела, в том числе и одежда человека, между своими волокнами содержат воздух.
Воздух же обладают плохой теплопроводностью.
Именно поэтому пористые вещества и тела защищают тело животных от охлаждения.
7. Как предохраняют продукты питания от нагревания?
Вещества с малой теплопроводностью применяют там, где нужно предохранить тело от нагревания.
Например, погреб обкладывают соломой, опилками, землей, которые обладают плохой теплопроводностью.
Это предохраняет продукты, находящиеся в погребе, от нагревания.
Применяют термосы, где в качестве термоизолятора используется воздух.
В холодильных камерах между двойными стенками прокладывают пористые тела (войлок, стекловату и др.).
Теплопередача - это один из способов изменения внутренней энергии тела (или системы тел), при этом внутренняя энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.
Существует 3 вида теплопередачи:
Теплообмен между двумя средами происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Теплота способна переходить только от тела с более высокой температурой к телу менее нагретому.
Теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.
Это является частным случаем закона сохранения энергии.
Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов. Низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу. Таковы защитные силы организма!
Теплопроводность - это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т.п.), который приводит к выравниванию температуры тела.
Не сопровождается переносом вещества!
Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.
Теплопроводность различных веществ разная.
Металлы обладают самой высокой теплопроводностью,
причем у разных металлов теплопроводность отличается.
Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.
При нагревании верхнего конца закрытой пальцем пробирки с воздухом внутри можно не бояться обжечь палец, т.к. теплопроводность газов очень низкая.
Интересно, что можно было бы поднести руку почти вплотную к пламени, например, газовой горелки (температура больше 1000 градусов) и не обжечь ее, если бы …
Газ, как правило, очень плохой проводник тепла, поэтому достаточно было бы лишь небольшой прослойки воздуха между рукой и пламенем. Но!
Но существует такое явление, как конвекция в газах, поэтому вблизи пламени руку сильно жжет.
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ
Знаешь ли ты, что .
Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.
Это не сказка, не фантастика!
Такой проект реально разработан и испытан!
Итальянские ученые изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Ученые обещают, что летом в ней не будет жарко, а зимой – холодно, поскольку она сшита из специальных материалов. Подобные материалы уже используются при космических полетах.
В старых пулеметах "Максим" нагревание воды предохраняло оружие от расплавления.
На кухне, поднимая посуду , наполненную горячей жидкостью, чтобы не обжечься, можно использовать только сухую тряпку. Теплопроводность воздуха намного меньше, чем у воды! А ткань структура очень рыхлая, и все прмежутки между волокнами заполнены у сухой тряпки воздухом, а у влажной - водой. Смотри, не обожгись!
Явление, о котором рассказано ниже демонстрирует свойство металлов хорошо проводить тепло.
Если изготовить сетку из проволоки, обеспечив хорошее соединение металла в местах перекрещивания проволоки, и поместить ее над газовой горелкой, то можно при включенном вентиле поджечь газ над сеткой, в то время как под сеткой он гореть не будет. А если зажечь газ под сеткой, то наверх через сетку огонь « не просочится»!
В те времена, когда еще не было электрических шахтерских лампочек, пользовались лампой Дэви.
Это была свеча, «посаженная» в металлическую клетку. И даже, если шахта наполнялась легковоспламеняющимися газами, лампа Дэви была безопасна и не вызывала взрыва - пламя не выходило за пределы лампы,благодаря металлической сетке.
... положить на лежащие рядом на столе кусок пенопласта (или дерева) и зеркало ладони, то ощущения от этих предметов будут разными: пенопласт покажется теплее, а зеркало - холоднее.
Почему?
Ведь температура окружающего воздуха одинаковая!
Стекло - хороший проводник тепла (обладает высокой теплопроводностью), и сразу начнет "отбирать" от руки тепло. Рука будет ощущать холод! Пенопласт хуже проводит тепло. Он тоже будет , нагреваясь, "отбирать" тепло у руки, но медленнее, поэтому и покажется теплее.
Оберните толстый гвоздь или металлический стержень полоской бумаги в один слой. Подержите над пламенем свечи до момента возгорания, засеките время. Объясните, почему бумага загорелась не сразу.
Используйте свои руки как термодатчики – обследуйте окружающие вас предметы. Найдите самые холодные на ощупь, сделайте вывод об их теплопроводности. По своим ощущениям составьте список веществ, обладающих разной теплопроводностью, от самой хорошей до самой плохой.
Подберите ложки из разных материалов (алюминиевую, мельхиоровую, стальную, деревянную и т.д.). Опустите их наполовину в сосуд с горячей водой. Через 1–2 мин проверьте, одинаково ли нагрелись их ручки. Проанализируйте результат.
Приготовьте три одинаковых кусочка льда, один из них заверните в фольгу, второй – в бумагу, третий– в вату и оставьте на блюдцах в комнате. Определите время полного таяния. Объясните разницу.
Приготовьте в морозилке лед. Сложите его в целлофановый пакет и оберните пуховым платком или обложите ватой. Можно дополнительно завернуть в шубу. Оставьте этот сверток на 5–7 ч,затем проверьте сохранность льда. Объясните наблюдаемое состояние. Предложите дома способ сохранения замороженных продуктов при размораживании холодильника.
ЗАДАЧИ ДЛЯ УМЕЮЩИХ ДУМАТЬ
1. Какая почва прогревается солнцем быстрее: влажная или сухая? Почему?
2. Почему толстый человек в холодной воде меньше мерзнет, чем худой?
3. Человек не чувствует прохлады на воздухе при температуре 20 градусов Цельсия, но в воде мерзнет при температуре 25 градусов Цельсия. Почему?
4. Если зимой к замерзшему стеклу( покрытому инеем) трамвая или автобуса приложить на одинаковое время палец, а другим пальцем прижать монету, то площадь оттаивания под монетой окажется больше.
Почему?
ОПЫТЫ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Разные твердые вещества по-разному проводят тепло. Лучше всего это делают металлы. Но и среди металлов есть чемпионы по теплопроводности. К ним относятся так называемые «благородные металлы» — платина, золото, серебро.
Опыт с железным гвоздем
В толстую чурку забей гвоздь и поставь ее на противень.
Снизу к этому длинному гвоздю прилепи пластилином, или воском несколько маленьких гвоздиков. Под шляпку гвоздя подставь горящую свечу.
Смотри: вот отвалился один гвоздик. другой… третий…
Строго по порядочку, по очереди.
Сначала самый близкий к огню, потом все дальше, дальше…
Значит, тепло передается по гвоздю от нагретого конца к холодному. И передается постепенно.
Опыт с деревом
Когда гвоздь остынет, выдерни его и в оставшееся отверстие вставь лучинку.
Повтори тот же опыт с ней.
Картина будет совсем другая!
Конец лучинки загорится, а гвоздики будут держаться по-прежнему. Выходит, что дерево проводит тепло гораздо хуже, чем железо.
Опыт со стеклом
Если есть у тебя подходящая по толщине стеклянная палочка или трубка, повтори опыт с ней.
Она, конечно, не горит, но тепло проводит не лучше дерева.
Опыт с ложками
Возьмите две чайные ложки: одну серебряную, другую из никелевого сплава. Прикрепите к ним каплями стеарина скрепки для бумаг. Вложите ложки в стакан, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Налейте в стакан кипяток. Ложки нагреются. У серебряной ложки стеарин расплавится, и скрепка отпадет. У другой ложки скрепка или совсем не отпадет, или отпадет позже, когда ложка нагреется сильнее.
Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Если нет серебряной ложки, возьмите такие, какие у вас есть, но только из разных металлов. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен.
Опыт с монетой
Различные вещества по-разному проводят тепло. Это хорошо видно из небольшого опыта.
Приложите к кусочку дерева монету и оберните их белой бумагой. Поднесите все это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулось места, где над бумагой находится монета. Старайтесь не дать бумаге загореться. Но бумага все же успела обуглиться, и обуглилась она вокруг монеты.
Там же, где была сама монета, остался не тронутый огнем белый кружок. Металл монеты, как хороший теплопроводный материал, отобрал на себя жар пламени и предохранил бумагу от обгорания.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОРИСТЫХ ТЕЛ
Из твердых веществ хуже всего проводит тепло керамика, пластмасса, дерево, ткань.
Вот поэтому ручки у чайников или сковородок делают из пластмассы или дерева. А если ручка металлическая, то, чтобы не обжечь пальцы, приходится пользоваться тряпкой. Она тоже плохо проводит тепло и, предохраняя руку от ожога, служит теплоизоляцией.
Опыт
Распушите небольшой комок ваты и оберните им шарик термометра.
Теперь подержите некоторое время термометр на определенном расстоянии от какого-нибудь нагревателя и заметьте, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сожмите и туго обмотайте им шарик термометра и снова поднесите к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее.
Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!
Высокие теплоизоляционные свойства вате придает воздух, заключенный между волокнами распушенной ваты (а не сама вата). Шерсть теплее, чем вата, именно потому, что ее волокнистая структура позволяет задерживать в себе еще больше воздуха.
На этом же принципе основано производство теплоизоляционных материалов для домостроения. В них делают как можно больше воздушных промежутков.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗА
Зимой вы применяете теплоизоляцию и надеваете теплое пальто или шубу. Воздух, который содержится между волокнами ваты или меха, как и всякий газ, плохой проводник тепла.
Итак, для того чтобы предохранить что-либо от холода, применяется теплоизоляция. Но и от излишнего тепла приходится принимать теплоизоляционные меры. Когда космический корабль на спуске с огромной скоростью летит в атмосфере Земли, его стенки трутся о воздух и сильно нагреваются. Для сохранения внутри корабля от высокой температуры экипажа и аппаратуры применяют теплоизоляционный, теплостойкий чехол. Он состоит из слоев плохо проводящих теплоту материалов.
Опыт 1
Уже говорилось о том, что газы плохо проводят тепло.
Возьмите алюминиевую тарелочку от детской посуды, поставьте ее на небольшой огонь и, когда она достаточно нагреется, налейте на нее половину чайной ложки воды.
Вода не испарится мгновенно, как следовало бы ожидать. Вода перекатится плоским шариком — сфероидом на самое низкое место тарелочки и замрет там на раскаленном металле. Кажется странным, что вода не превращается сразу в пар. Конечно, вода испаряется, но этот самый пар, в который превращается вода, и предохраняет большую сфероидальную каплю от раскаленного металла. Пар в данном случае оказывается отличной теплоизоляцией.
Опыт 2
Когда вы гладите белье, переверните утюг и, если он достаточно нагрет, брызните на него водой. Она сразу превратится в маленькие круглые шарики, которые быстро покатятся по утюгу.
Эти мелкие шарообразные капельки тоже не испарились мгновенно, их тоже защитила от жара утюга паровая прослойка, «паровая подушка». На этой «паровой подушке» водяные шарики и пропутешествовали по раскаленному утюгу.
Опыт 3
Возьмите несколько маленьких кусочков сухого льда, положите их на гладкую поверхность алюминиевой тарелки. Наклоняйте тарелку в разные стороны. Кусочки сухого льда будут легко скользить по гладкой поверхности. Теплая поверхность алюминиевой тарелки (ее температура отличается от температуры сухого льда по крайней мере на 100 градусов) помогает углекислому газу более бурно выделяться. Под кусочками сухого льда получаются «углекислые подушки», на них и происходит скольжение.
Источник: "Здравствуй, физика", Л. Гальперштейн; Ф.Рабиза "Опыты без приборов" и "Космос у тебя дома"
Читайте также: