Примеры теплообмена в природе и технике

1. Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. При этом воздух над сушей расширяется, после чего его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по низу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) — дует ветер. Это и есть дневной (или морской) бриз.

Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Теперь более высокое давление оказывается над сушей, и потому воздух начинает перемещаться от берега к морю. Это ночной (или береговой) бриз.

2. Тяга. Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку или печь не будет поступать воздух, то горение прекратится. Для поддержания горения часто используют естественный приток воздуха — тягу. При этом над местом горения топлива устанавливают трубу. Нагреваясь, воздух расширяется, и давление в топке и трубе становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух устремляется извне в топку, а теплый поднимается вверх по трубе. Это и есть тяга.

С увеличением высоты трубы тяга усиливается, так как, чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе.

3. Водяное отопление. Жители стран, расположенных в умеренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свои жилища в холодную погоду. В жилых помещениях наиболее благо приятной для человека считается температура 18—20 °С. Для поддержания такой температуры во многих домах применяют водяное отопление.

Нагревание воды в системах центрального отопления происходит за пределами отапливаемого помещения (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ). От нагревателя горячая вода по трубопроводам поступает в здания. Здесь (рис. 71) она по главному стояку 1 поднимается вверх, а оттуда — по трубам в отопительные приборы (радиаторы 2). По мере охлаждения в них вода возвращается вниз и снова поступает к нагревателю. Так осуществляется непрерывная циркуляция воды по всей системе. В небольших зданиях эта циркуляция возникает благодаря естественной конвекции, а в больших городских домах она происходит за счет действия специальных насосов (искусственная или принудительная конвекция).

Для предотвращения разрушения отопительной системы (в результате увеличения давления при расширении нагреваемой жидкости) главный стояк 1 снабжают расширительным баком 3.

4. Термос. Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чайник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный теплообмен, причем во всех его трех проявлениях (при конвекции, теплопроводности и излучении). Это достигается путем помещения тела в специальный сосуд — сосуд Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Сосуды Дьюара вначале применялись лишь для хранения легкоиспаряюшихся сжиженных газов (например, жидкого гелия). Впоследствии их стали применять и в бытовых целях — для сохранения при неизменной температуре помещаемых в них пищевых продуктов. Такие сосуды Дьюара стали называть термосами (рис. 72).

Устройство термоса, предназначенного для хранения жидкостей, показано на рисунке 73. Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность этих стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреждений, его помещают в картонный или металлический футляр 3. Сосуд закупоривают пробкой 2, а сверху футляра навинчивают колпачок 1.

Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стенками препятствует переносу энергии путем конвекции и теплопроводности, а блестящий слой па внутренней поверхности термоса препятствует передаче энергии излучением.

1. Почему дневной бриз дует с моря в сторону берега, а ночной бриз — с берега в сторону моря? 2. В результате чего возникает тяга? 3. Как устроена система водяного отопления? 4. Расскажите об устройстве термоса. За счет чего в нем удается уменьшить теплообмен? Почему пища в термосе все-таки охлаждается?