Ім'я файлу: Теплові явища.docx
Розширення: docx
Розмір: 307кб.
Дата: 26.04.2023
скачати
Пов'язані файли:
1789167.rtf
БЛАНК_МIС_КОГО_ГОЛОВИ_-_новий_правил_ний.doc
ibm i2 analyst's notebook.docx
Курсова робота Теплообмінник.docx
Розширення: docx
Розмір: 307кб.
Дата: 26.04.2023
скачати
Пов'язані файли:
1789167.rtf
БЛАНК_МIС_КОГО_ГОЛОВИ_-_новий_правил_ний.doc
ibm i2 analyst's notebook.docx
Курсова робота Теплообмінник.docx
Теплові явища — це фізичні явища, які відбуваються при нагріванні й охолодженні фізичних тіл (танення снігу, кипіння води, туман, плавлення, конденсація, теплове розширення).
Температу́ра — фізична величина, яка описує стан термодинамічної системи.
Температурні шкали
Для однозначного визначення температури різними методами й на основі зміни різних властивостей термометричних тіл, термометри необхідно градуювати. Для цього використовуються температурні шкали. В основі температурних шкал — особливі реперні точки, яким присвоюється певне значення температури. Історично склалися різні температурні шкали, що використовують різні реперні точки, які пов'язані з певними фізичними явищами, що відбуваються за певних температур.
В Міжнародній системі одиниць (SI) одиниця вимірювання термодинамічної температури належить до семи основних одиниць і виражається у кельвінах. До одиниць SI, які мають спеціальну назву, належить градус Цельсія для вимірювання температури за шкалою Цельсія. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичну прив'язку до важливих характеристик води — температури танення льоду (0 °C) і температури кипіння (100 °C). Це зручно, оскільки більшість кліматичних процесів, процесів у живій природі, тощо пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус Цельсія тотожна зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 році нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль незмінної реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює 100 °C, а близька до 99,975 °С.
У Міжнародній системі одиниць (SI) для вимірювання температури застосовується шкала Кельвіна і символ � (за цієї умови знак градусу ° відсутній). Широкий вжиток також мають системи Цельсія і Фаренгейта.
ТЕМПЕРАТУРА ТІЛА
Температура тіла — комплексний показник теплового стану організму тварин і людини. Підтримання температури тіла у певних межах — одна з найважливіших умов нормальної життєдіяльності організму.
У пойкілотермних тварин, до яких належать безхребетні, риби, земноводні, плазуни, температура тіла близька до температури навколишнього середовища. Гомойотермні тварини — птахи і ссавці — у процесі еволюції набули здатності підтримувати постійну температуру тіла при коливаннях температури навколишнього середовища. У гомойотермному організмі умовно розрізняють дві температурні зони — оболонку і ядро. Оболонку становлять поверхово розташовані структури і тканини — шкіра, сполучна тканина, ядро — кров, внутрішні органи і системи. Температура ядра вища, ніж температура оболонки, і відносно стабільна: різниця температур внутрішніх органів становить кілька десятих градуса, причому найвищу температуру має печінка (близько 38 °С). Температура інших внутрішніх органів, у т.ч. мозку, близька до температури крові в аорті, що визначає середню температуру ядра. Температура оболонки нижча температури ядра на 5–10 °С і неоднакова на різних ділянках тіла, що пов’язано з розходженням їх кровопостачання, товщиною підшкірного жирового шару тощо. Температура поверхні тіла істотно залежить від температури навколишнього середовища. При короткочасному нагріванні тіла (напр. у фінській сауні при температурі повітря 80–100 °С) температура шкіри кінцівок, що в нормі становить близько 30 °С, може підвищуватися до 45–48 °С, а при охолодженні — знижуватися до 5–10°С. Наявність в організмі зон із різною температурою не дозволяє однозначно визначити температуру тіла. Для її характеристики часто користуються поняттям середньозваженої температури, яку обчислюють як середню температуру всіх ділянок тіла. Більш точно температуру тіла може характеризуватися температурною схемою — розподілом температури по поверхні тіла або в його ядрі. Використовується також характеристика Т.т. градієнтом температури, що зображується вектором, спрямованим убік найбільшого значення температури, причому величина вектора відповідає зміні температури, що припадає на одиницю довжини. Зображення температурної схеми тіла у вигляді ізотерм і значень градієнта взаємно доповнюють один одного: чим ближче розташовані ізотерми, тим більший градієнт температур мають ділянки тіла. Нормальна температура тіла людини, вимірювана у прямій кишці, близька до 37 °С. Температура, вимірювана під язиком, менша на 0,2–0,3 °С, у паховій западині — на 0,3–0,4 °С. У більшості людей добре виражені добові коливання температури тіла у діапазоні 0,1–0,6 °С. Найвища температура тіла відзначається у другій половині дня, найнижча — вночі. Відзначають і сезонні коливання температури тіла: улітку вона на 0,1–0,3 °С вища, ніж узимку. У жінок виражений також місячний ритм зміни Т.т.: при овуляції вона підвищується на 0,6–0,8 °С. Підвищення Т.т. відзначається при інтенсивній роботі м’язів, значних емоційних переживаннях. Інтервал між нормальною й верхньою летальною температурою внутрішніх органів становить близько 6 °С.
Теплообмін: теплоутворення та тепловіддача.
Теплообмін – це процес обміну тепловою енергію між організмом і середовищем, який включае два процеси: теплоутворення і тепловіддачу (оскільки температура довкілля значно коливається, то змінюється кількість тепла, яке йому віддає організм).
Теплоутворення забезпечують:
| Внутрішні органи найбільше в них печінка, товста кишка | реакції окиснення (розщеплення жирів і вуглеводів), що перебігають із виділенням теплової енергі – джерело теплової енергії |
| Скелетна мусулатура | постачальник тіла при інтенсивній роботі, найменше тепла продукується в холодніших частинах тіла (кистях рук і стопах ніг) |
| Кров | Має високу теплоємність, основний переносник тепла в організмі людини (нагрівається в «гарячих» органах і переносить тепло до менш розігрітих) |
Тепловіддачу забезпечують:
| Шкіра | теплопроведення – тепловіддача при фізичному контакті конвекція – віддача тепла через повітря; тепловипромінювання – випромінює тепло у вигляді інфрачервоних променів, причому що більше крові надходить до шкіри, то більше тепла віддається (у тепловізорі більш розігріті ділянки червоні, менш – зелені)  випаровування – тепловтрати в поверхні тіла в процесі перетворення води поту в пару |
| Легені | нагрівання видихуваного повітря (додатково пара видаляється під час частого дихання у спекотну погоду) випаровування води з поверхні альвеол |
| Нирки | утворення та виділения нагрітої сечі |
Упродовж життя ми часто спостерігаємо явища і процеси, пов’язані з передаванням теплоти, обміном тепловою енергією. Вони відбуваються по-різному: завдяки безпосередньому контакту більш нагрітих тіл з менш нагрітими, внаслідок змішування рідких та газоподібних тіл, отримання теплової енергії під час згоряння палива тощо. З багатовікового досвіду пізнання світу людство усвідомило закономірності перебігу теплових явищ і процесів, узагальнивши їх у вигляді понять, законів, теорій теплоти.
Для визначення теплового стану тіл людина спочатку послуговувалась своїми відчуттями, вживаючи такі слова, як холодне, гаряче, тепле. Наприклад, ми кажемо холодний лід, гарячий пісок, тепла вода тощо. Проте оцінити його таким чином можна лише приблизно і не завжди однозначно. На підтвердження цього виконаємо такий дослід.
Зануримо на декілька хвилин одну руку в гарячу воду, другу – в холодну. Після цього зануримо обидві руки в посудину з водою кімнатної температури і спробуємо за своїми відчуттями встановити, яка в ній вода – холодна чи гаряча? На диво, ми це не зможемо зробити, оскільки рука, яка була в гарячій воді, відчуватиме холод , і навпаки, рука, яка була в холодній воді, відчуватиме тепло. Отже, маємо протиріччя: насправді температура води в цій посудині однакова.
Таким чином, ми пересвідчились, що за власним відчуттям людина не завжди може одночасно визначити тепловий стан тіла. Для цього їй треба знайти кількісну міру – фізичну величину, за якою можна об’єктивно встановити , яке з тіл і на скільки тепліше чи холодніше за інше. Тому для характеристики теплового стану тіла використовують поняття температури.
У природі плин теплових процесів відбувається за законами, пов’язаними з теплообміном. Тіла з вищою температурою віддають теплоту менш нагрітим, охолоджуючись при цьому; менш нагріті тіла отримують теплоту, і їх температура підвищується. Під час такого обміну температури тіл із часом вирівнюються. За звичайних умов не може бути, щоб під час теплообміну теплота самочинно переходила від тіла, що має нижчу температуру, до тіла, температура якого вища.
Теплові процеси в тілі людини
Процес теплоутворення відбувається переважно хімічним шляхом, коли у результаті безперервного розщеплення речовин в організмі утворюється велика кількість тепла. Найбільше тепла в організмі людини виробляють органи з напруженим обміном речовин. Це, насамперед печінка, температура якої становить 37,8 - 38°С, та скелетні м’язи,що мають температуру 37-37,2°С
Проте у здорової людини температура тіла відносно стала і тримається у межах +36,5…+36,9 °С (у прямій кишці дещо вища - +37,2…+37,5°С).
Отже, життєвою ємністю легенів називають найбільшу кількість повітря, яку можна видихнути після найбільшого вдиху. Вона залежить від віку, статі, розвитку дихальних м’язів, які особливо розвинені у людини, що займається різними видами спорту. Життєва ємність легенів – один з основних показників фізичного розвитку людини. Її показники коливаються від 3,5 л до 4,8 л у чоловіків і від 3,0 до 0,5 л у жінок. У фізично тренованих осіб життєва ємність легенів може досягати 6,0-7,0 л. Життєву ємність легенів визначають за допомогою спеціального приладу-спірометра. Протягом доби температура може змінюватись на 0,5..0,7 °С: вдень вона трохи вища, ніж уночі.
Температури, що є критичними для людського організму (при нормальному тиску й відносній вологості):
Нормальна температура для більшості людей - від 36,3 до 37°С;
Критична температура, що супроводжується втратою свідомості - вище 42°С;
Смертельна температура - вище 43°С;
Температура, що приводить до вповільнення процесів мозку - нижче 34°С;
Критична температура, яка супроводжується втратою свідомості - нижче 30°С;
Смертельна температура, при якій виникає фібриляція серця, припиняється кровообіг - нижче 27°С.
За звичайних умов довкілля в спокійному стані в людини майже 70% тепла утворюється за рахунок печінки і 30% - за рахунок скелетних м’язів і внутрішніх органів. Під час фізичного навантаження , навпаки, 70% тепла утворюється завдяки працюючим м’язам, а решта – завдяки печінці й іншим внутрішнім органам.
Організм віддає теплову енергію за допомогою теплових процесів – тепловипромінювання, конвекції, теплопровідності та випаровування.
Наприклад, у стані фізичного спокою при температурі 20°С випромінювання тепла становить 70%, конвекція та випаровування – по 15% від загальної втрати тепла організмом. У стані значного фізичного напруження тепловіддача зростає за рахунок випаровування: воно становить 75% від загальної втрати тепла, на випромінювання та конвекцію відповідно припадає 10 і 15%. Випаровування води через шкіру називається потовиділенням.
Врівноваженість процесів утворення і віддачі тепла в організмі називається терморегуляцією.
Коли температура довкілля знижується, кровоносні судини звужуються, до шкіри надходить менше крові і тепловіддача зменшується. За підвищення температури кровоносні судини розширюються, ними тече більше крові, завдяки чому організм віддає більше тепла. Розширення і звуження судин шкіри кожен з нас спостерігає особисто. Коли нам гаряче, шкіра червоніє, і навпаки, коли холодно, вона блідніє.
Вологість повітря суттєво впливає на теплообмін організму з навколишнім середовищем, має велике значення для життєдіяльності людини. За низької температури і високої вологості повітря підвищується тепловіддача і людина зазнає охолодження; при високій температурі і високій вологості повітря тепловіддача різко скорочується, що призводить до перегрівання організму, особливо при виконанні фізичної роботи. Висока температура краще переноситься, якщо вологість понижена. Найбільш сприятливою для людини є відносна вологість повітря (40-60 %).
Кількість тепла, що утворюється в організмі, змінюється залежно від характеру діяльності. Коли людина виконує фізичну роботу, тепла утворюється більше і відповідно зростає його віддача.
Теплові явища в природі і в житті людини
Навколо нас відбуваються явища, зовні дуже побічно пов'язані з механічним рухом. Це явища, які спостерігаються при зміні температури тіл або при переході їх з одного стану (наприклад, рідкого) в інше (тверде або газоподібне). Такі явища називаються тепловими. Теплові явища відіграють величезну роль в житті людей, тварин і рослин. Зміна температури на 20-30 ° С при зміні пори року змінює все навколо нас. Від температури навколишнього середовища залежить можливість життя на Землі. Люди домоглися відносної незалежності від навколишнього середовища після того як навчилися видобувати і підтримувати вогонь. Це було одним з найбільших відкриттів, зроблених на зорі розвитку людства.
Історія розвитку уявлень про природу теплових явищ - приклад того, яким складним і суперечливим шляхом осягають наукову істину.Багато філософів давнини розглядали вогонь і пов'язану з ним теплоту як одну зі стихій, яка поряд із землею, водою і повітрям утворює всі тіла. Одночасно робилися спроби пов'язати теплоту з рухом, так як було відмічено, що при зіткненні тіл або терті один об одного вони нагріваються.
Перші успіхи на шляху побудови наукової теорії теплоти відносяться до початку XVII ст. коли був винайдений термометр, і з'явилася можливість кількісного дослідження теплових процесів і властивостей макросістем.
Знову було поставлено питання про те, що ж таке теплота. Намітилися дві протилежні точки зору. Згідно з однією з них - речової теорії тепла, теплота розглядалася як особливого роду невагома "рідина", здатна перетікати з одного тіла до іншого. Ця рідина була названа теплорода. Чим більше теплорода в тілі, тим вище температура тіла.Відповідно до іншої точки зору, теплота - це вид внутрішнього руху частинок тіла. Чим швидше рухаються частинки тіла, тим вище його температура.
Таким чином, уявлення про теплові явища і властивості пов'язувалося з атомістичні вченням древніх філософів про будову речовини. В рамках таких уявлень теорію тепла спочатку називали корпускулярної, від слова "корпускула" (частка). Її дотримувалися вчені: Ньютон, Гук, Бойль, Бернуллі.
Великий внесок у розвиток нової теорії тепла зробив великий російський вчений М.В. Ломоносов. Він розглядав теплоту як обертальний рух частинок речовини. За допомогою своєї теорії він пояснив в загальному процеси плавлення, випаровування і теплопровідності, а також прийшов до висновку про існування "найбільшого або останньої ступеня холоду", коли рух частинок речовини припиняється. Завдяки роботам Ломоносова серед російських вчених було дуже мало прихильників дійсної теорії теплоти.Але все ж, незважаючи на багато переваг нової теорії теплоти, до середини XVIII ст. тимчасову перемогу здобула теорія теплорода. Це сталося після того як експериментально було доведено збереження теплоти при теплообміні. Звідси був зроблений висновок про збереження (незнищені) теплової рідини - теплорода. У речової теорії було введено поняття теплоємності тіл і побудована кількісна теорія теплопровідності. Багато терміни, введені в той час, збереглися і зараз.
В середині XIX ст. було доведено зв'язок між механічною роботою і кількістю теплоти. Подібно роботі кількість теплоти виявилося мірою зміни енергії. Нагрівання тіла пов'язано не зі збільшенням в ньому кількості особливої невагомою "рідини", а зі збільшенням його енергії. Принцип теплорода був замінений набагато більш глибоким законом збереження енергії. Було встановлено, що теплота є формою енергії.
Значний внесок у розвиток теорій теплових явищ і властивостей макросістем внесли німецький фізик Р. Клаузіус (1822-1888), англійський фізик-теоретик Дж. Максвелл, австрійський фізик Л. Больцман (1844-1906) та інші вчені. Склалося так, що природа теплових явищ пояснюється в фізиці двома способами: термодинамічний підхід і молекулярно-кінетична теорія речовини.
Термодинамічний підхід розглядає теплоту з позиції макроскопічних властивостей речовини (тиск, температура, об'єм, щільність і т.д.). Молекулярно-кінетична теорія пов'язує протікання теплових яввленій і процесів з особливостями внутрішньої будови речовини і вивчає причини, які обумовлюють тепловий рух.
Отже, розглянемо теплові явища в житті людини.
Нагрівання і охолодження, випаровування і кипіння, плавлення і затвердіння, конденсація - все це приклади теплових явищ.
Основне джерело тепла на Землі - Сонце. Але, крім того, люди використовують багато штучних джерел тепла: багаття, грубку, водяне опалення, газові та електричні нагрівачі і т.д.
Ви знаєте, що якщо в гарячий чай опустити холодну ложку, через деякий час вона нагріється. При цьому чай віддасть частину свого тепла не тільки ложці, а й навколишньому повітрю. З прикладу ясно, що тепло може передаватися від тіла, більш нагрітого до тіла менш нагрітого. Існує три способи передачі теплоти - теплопровідність, конвекція, випромінювання.
Нагрівання ложки в гарячому чаї - приклад теплопровідності. Всі метали мають гарну теплопровідність. Конвекцією передається тепло в рідинах і газах. Коли ми нагріваємо воду в каструлі або чайнику, спочатку прогріваються нижні шари води, вони стають легше і спрямовуються вгору, поступаючись місцем холодній воді. Конвекція відбувається в кімнаті, коли включено опалення. Гаряче повітря від батареї піднімається, а холодний опускається. Але ні теплопровідністю, ні конвекцією неможливо пояснити, як, наприклад, далеке від нас Сонце нагріває Землю. У цьому випадку тепло передається через безповітряний простір випромінюванням (тепловими променями). Для вимірювання температури використовується термометр. У звичайному житті користуються кімнатними або медичними термометрами. Коли говорять про температуру за Цельсієм, то мають на увазі шкалу температур, в якій 0 ° С відповідає температурі замерзання води, а 100 ° С - точка її кипіння.
У деяких країнах (США, Великобританія) використовують шкалу Фаренгейта. У ній 212 ° F відповідають 100 ° С. Переклад температури з однієї шкали в іншу не дуже простий, але в разі потреби кожен з вас зможе його виконати самостійно. Щоб перевести температуру за шкалою Цельсія в температуру за шкалою Фаренгейта, необхідно помножити температуру за Цельсієм на 9, розділити на 5 і додати 32. Щоб зробити зворотний перехід, з температури за Фаренгейтом необхідно відняти 32, помножити залишок на 5 і розділити на 9.
У фізиці і астрофізиці часто використовують ще одну шкалу - шкалу Кельвіна. У ній за 0 прийнята найнижча температура в природі (абсолютний нуль). Вона відповідає -273 ° С. Одиниця виміру в цій шкалі - Кельвін (К). Щоб перевести температуру за Цельсієм в температуру за Кельвіном, до градусам за Цельсієм треба додати 273. Наприклад, за Цельсієм 100 °, а за Кельвіном 373 К. Для зворотного перекладу треба відняти 273. Наприклад, 0 К це -273 ° С. Корисно знати, що температура на поверхні Сонця - 6000 К, а всередині - 15 000 000 К. Температура в космічному просторі далеко від зірок близька до абсолютного нуля.
У природі ми є свідками теплових явищ, але часом, не звертаємо уваги на їх сутність. Наприклад, влітку йде дощ а взимку сніг. Утворюється роса на листі. З'являється туман.
Знання про теплові явища допомагають людям конструювати обігрівачі для будинків, теплові двигуни (двигуни внутрішнього згоряння, парові турбіни, реактивні двигуни і т. Д.), Передбачати погоду, плавити метал, створювати теплоізоляційні і термостійкі матеріали, які використовуються всюди - від будівництва будинків до космічних кораблів.