УЧЕБНЫЕ ЗАНЯТИЯ

Л.А.АЛЕЙНИКОВА,
ГОУ СОШ № 599, СЗАО, г. Москва

Теплообмен в природе и технике

План-конспект урока обобщения и закрепления, 8-й класс

Образовательная цель урока: глубокое и прочное усвоение материала по теме «Тепловые явления», развитие навыков решения качественных задач, реализация внутрипредметных и межпредметных связей для целостного восприятия единой научной картины мира.

Пояснения к этапам

• Разминка

– Назовите тела (предметы, явления), с которыми ассоциируется понятие «тёплый».

– Дайте определение тепловых явлений. (Ответ. Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел или участков тел к менее нагретым.)

– Дайте определение теплоты. (Ответ. Это – в прямом смысле – энергия беспорядочного движения молекул и атомов, из которых состоит тело; нагретое состояние чего-либо (воздуха, помещения, предмета); тёплое время года, суток, тёплая пора. В переносном смысле: сердечность, доброта, ласка, сердечное отношение к кому-либо.)

– Дайте определение теплообмена.

– Между какими телами возможен теплообмен?

– Каким прибором измеряется температура тела (вещества)?

– Назовите виды теплообмена. (Теплопроводность, конвекция, излучение.)

• Работа с текстом

– Круговорот воздушных масс

(Текст о процессе естественной конвекции в атмосфере, бризах. – Ред.)

Вопрос. Что является результатом круговорота воздушных масс?

– Конвекция и землетрясения

Литосфера Земли состоит из отдельных плит, которые плавают на поверхности мантии. Вещество мантии подвергается колоссальному давлению литосферы и находится в особом пластическом состоянии, близком к расплавленному. Температура центральной части Земли составляет около 6000 °С, давление оценивается в 3,65 • 10¹¹ Па, а на границе ядра с нижней мантией температура 4000–5000 °С, давление 1,4 • 10¹¹ Па, т.е. температура и давление в верхней мантии гораздо ниже. При такой большой разности давлений и температур основной теплообмен внутри Земли осуществляется за счёт конвекции. Более горячая часть мантии поднимается вверх, а менее горячая опускается вниз. Конвективные потоки вызывают перемещение литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов. Там, где литосферные плиты расходятся, возникают океанические впадины. Там, где плиты сталкиваются, и одна из них наползает на другую, образуются горные массивы. При этом возникают участки с большими напряжениями – сейсмические зоны. В этих зонах и образуются очаги извержений и землетрясений.

Поскольку вещество мантии обладает высокой вязкостью, то скорость перемещения конвективных потоков невелика. Поэтому мала и скорость перемещения литосферных плит (около 2–3 см в год).

Вопрос. Что образуется в результате теплообмена в недрах Земли?

– Теплообмен организма человека с окружающей средой

Принимая пищу, человек пополняет свой организм энергией. Часть энергии выделяется. Теплоотдача организма составляет:

на дыхание и испарение воды............................... ~8%

на работу внутренних органов и систем............... ~2%;

на нагрев выдыхаемого воздуха............................. ~1%;

на испарение воды с поверхности кожи............. ~17%

на нагрев окружающего пространства................. ~30%;

на излучение........................................................... ~40%.

Как видно, организм человека главным образом теряет энергию через кожу. Одним их способов регулирования температуры тела является теплообмен за счёт конвективного охлаждения кожи: в результате циркуляции крови по капиллярным сосудам энергия отводится из внутренних органов к поверхности тела и затем в окружающую среду.

Довольно часто человек страдает от перегрева: при высокой температуре окружающей среды, напряжённой физической работе, при некоторых заболеваниях. Борьба с перегревом осуществляется в основном путём увеличения испарения. Потоотделение – важный фактор терморегуляции, поскольку благодаря испарению пота кожа охлаждается.

Существует другая проблема – чрезмерные потери энергии организмом. У животных для уменьшения потерь энергии имеются покровы из шерсти, пуха, жировой ткани – это теплоизолирующие прослойки между организмом и окружающей средой. У человека эту функцию выполняют одежда, жилище. Воздух в помещении служит теплоизолирующей прослойкой между телом и более холодной окружающей средой. Стены, крыши и пол жилища препятствуют конвективному переносу энергии из помещения на улицу.

Высокая теплоёмкость воды позволяет сохранить живыми ткани организма при кратковременном воздействии относительно высоких температур.

Вопрос. Каковы инструменты терморегуляции организма человека?

– Арктика и Антарктика

Несмотря на то, что летом Антарктика получает примерно на 7% больше солнечного тепла, чем Арктика, климат в Арктике значительно теплее, чем в Южной полярной области. Есть несколько причин, объясняющих это, на первый взгляд, странное явление. Одна из них – свободное сообщение Северного Ледовитого океана с Атлантическим на обширном пространстве между Гренландией и северной оконечностью Европы. Тёплые воды Атлантики, в том числе мощный Гольфстрим, свободно проникая под арктические льды, отдают колоссальное количество тепла Арктике, чем значительно смягчают её климат. Кроме того, вместе с пресной водой впадающих в Северный Ледовитый океан крупнейших рек Евразии и Северной Америки Арктика круглый год получает дополнительное количество тепла, которого лишена Антарктика. Но, пожалуй, одна из главных причин антарктического холода заключается в том, что существующий у Южного полюса материк является самым высоким из всех шести имеющихся на Земле. Средняя высота Антарктического континента – более 2000 м, тогда как следующая за ним по высоте Евразия имеет среднюю высоту всего около 900 м. Этот факт объясняется тем, что материковые породы Антарктиды покрывает мощный слой льда, средняя толщина которого составляет примерно 1800 м. В Центральной Арктике высота поверхности ледяных полей акватории Северного Ледовитого океана составляет считанные метры, что практически соответствует уровню моря. Только за счёт разности высот Антарктида должна быть холоднее Арктики в среднем примерно на 13 °С, а на вершине ледяного купола – на целых 25–28 °С, т.к. температура воздуха в атмосфере убывает на 6,5 °С с каждым километром высоты.

Вопрос. Что является причиной различия климата Арктики и Антарктики?

– Движение  воздуха

Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Бризы – местные ветры, дующие на берегах морей днём с моря на сушу (морской, или дневной бриз), а ночью – с суши на море (береговой, или ночной бриз). Они особенно ярко выражены при отсутствии общего переноса воздуха.

Бриз возникает вследствие неодинакового нагревания и охлаждения суши и моря. Днём воздух над сушей нагревается солнечными лучами сильнее, чем воздух над морем, поверхность которого сохраняет почти одну и ту же температуру вследствие постоянного перемещения поверхностных и глубинных слоёв. Так как в тёплом воздухе давление убывает с высотой медленнее, чем в холодном, то при одинаковом у земной поверхности барометрическом давлении на некоторой высоте появляется барический градиент (разность давлений), направленный с суши на море и вызывающий на этой высоте перемещение воздуха (антибриз) в направлении градиента. Вследствие этого у земной поверхности возникает барический градиент, направленный с моря на сушу и вызывающий морской бриз.

Ночью при сильном охлаждении суши в результате излучения воздух над ней охлаждается сильнее, чем над морем, вверху появляется барический градиент, направленный с моря на сушу, а у земной поверхности – с суши на море, вследствие чего ночью холодный воздух движется внизу – с суши на море, а вверху – с моря на сушу (антибриз).

Дневное нагревание воздуха над сушей распространяется в результате конвекции до больших высот. Мощность морского бриза достигает нескольких сотен метров. Ночью охлаждение передаётся лишь самым нижним слоям воздуха, поэтому береговой бриз имеет меньшую мощность.

Морской бриз возникает в 9–10 ч утра в море в 5–10 км от берега и постепенно продвигается на сушу со скоростью 1–5 км/с, проникая в глубь суши на 30–40 км. Береговой, или ночной, бриз начинается во время захода солнца и проникает в море не более чем на 8–10 км. Скорость берегового бриза около 1 м/с. Скорость и направление ветра имеют хорошо выраженный суточный ход. Ночью скорость ветра у земной поверхности достигает минимума, а в послеполуденные часы – максимума.

Вопрос. Что является результатом круговорота воздушных масс?

– Использование конвекции в технике

(Текст о мельницах, ветродвигателях, вытяжных трубах, системах отопления помещений. – Ред.)

Вопрос. Какие изобретения основаны на использовании теплообмена?

– Термос и теплица

(Текст о теплопроводности воздуха. – Ред.)

Вопрос. Какие изобретения основаны на теплообмене?

– Теплообмен воды и воздуха, климат Земли

(Текст о роли большой теплоёмкости воды, о переносе ветрами энергии. – Ред.)

Вопрос. Какова одна из причин, влияющая на климат Земли?

– Теплообмен у животных и растений

(Текст о влиянии теплоотдачи на размер тела животных, обитающих на Севере и на Юге, о потоотделении и транспирации. – Ред.)

Вопрос. Каковы приспособления растительного и животного мира к различным температурным режимам?

• Решение качественных задач

На партах находятся различные предметы: термометр, деревянная доска; свеча и гвоздь; шляпка с вуалью; зеркало; бумажная коробочка и свеча и др. Необходимо решить качественную задачу и обосновать решение.

– Что холоднее?

Задумывались ли вы, почему некоторые предметы, находящиеся в совершенно одинаковых условиях (а следовательно, имеющие одинаковую температуру), кажутся при прикосновении к ним более холодными, чем остальные?

Чтобы ответить на этот вопрос, проделайте такой опыт. Положите рядом на столе деревянную доску и зеркало. Между ними положите комнатный термометр. Будем считать, что спустя некоторое, довольно долгое, время температуры деревянной доски и зеркала сравнялись. Термометр показывает температуру воздуха – такую же, какая должна быть и у доски, и у зеркала. Дотроньтесь ладонью до зеркала – вы почувствуете холод стекла. Тут же дотроньтесь до доски – она покажется значительно теплее. В чём дело? Ведь температуры воздуха, доски и зеркала одинаковы. Почему же стекло оказалось холоднее дерева?

(Ответ. Ваши руки имеют температуру около 36,6 °С. Это температура тела здорового человека. А температура стекла в комнате, скажем, 20 °С. Как хороший проводник тепла, стекло сразу же начинает нагреваться от вашей руки и «с жадностью» выкачивать из неё тепло. От этого вы и ощущаете холод в ладони. Дерево же хуже проводит тепло. У него в нашем опыте температура тоже 20 °С, и оно тоже начинает «перекачивать» в себя тепло от руки, но делает это значительно медленнее, поэтому вы не ощущаете резкого холода. Вот дерево и кажется теплее стекла, хотя у них одинаковая температура.)

– Можно ли расплавить гвоздь в пламени свечи?

Если гвоздь нагревать в пламени свечи некоторое время, то что с ним произойдёт: расплавится он или нет? (Температура пламени свечи 1600 °С, температура плавления железа 1530 °С.)

(Ответ. Одновременно с получением тепла от пламени гвоздь теряет тепло путём излучения. Чем выше поднимается температура нагреваемого предмета, тем сильнее и излучение: потеря тепла растёт; наступает наконец момент, когда потеря и поступление тепла уравновешиваются, дальнейшее повышение температуры прекращается. Если бы гвоздь целиком умещался в пламени свечи, точнее, в самой горячей его части, то наивысшая температура гвоздя при нагревании равнялась бы температуре пламени – и гвоздь расплавился бы. Но т.к. обычно в пламени помещается только часть гвоздя и выступающие части беспрепятственно излучают тепло, то равенство притока и потерь тепла наступает значительно раньше, чем гвоздь нагреется до температуры свечи и даже до температуры плавления железа. Значит, гвоздь не нагревается в пламени свечи до температуры плавления не оттого, что пламя недостаточно горячо, а оттого, что оно недостаточно велико, не окружает гвоздь со всех сторон.)

– Греет ли вуал ь?

Женщины утверждают, что вуаль (прозрачная, тонкая, прикреплённая к женской шляпке и закрывающая лицо ткань) греет, что без неё лицо зябнет. Правильно ли это мнение?

(Ответ. Воздух, который непосредственно прилегает к лицу и, нагревшись, служит тёплой маской, не так быстро сдувается ветром, удерживаемый вуалью. Так что при небольшом морозе и слабом ветре лицо во время ходьбы зябнет меньше.)

– Можно ли вскипятить воду в бумажной коробке?

Если сделать из бумаги коробочку, аккуратно налить в неё воду и поднести к горелке, то через некоторое время вода закипит. Почему не загорится коробочка?

(Ответ. Бумага быстро отдаёт полученное тепло воде и не успевает нагреться.)

• Кроссворд наоборот

Сегодня нам предстоит решать необычные кроссворды – все его клетки уже заполнены ответами. Вам же надо из предложенных к каждому ответу четырёх вопросов выбрать один верный и отметить его в своей карточке.

1. Конвекция – это:

– вид теплопередачи, сопровождающийся переносом вещества;

– вид теплопередачи в вакууме;

– вид теплопередачи в твёрдых телах;

– процесс перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое.

2. Теплообмен – это:

– вынужденный, обратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым;

– один из видов теплопередачи;

– самопроизвольный, необратимый процесс переноса тепла от более нагретых тел к менее нагретым;

– процесс перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое.

3. Теплопроводность – это:

– вид теплопередачи, сопровождающийся переносом вещества;

– перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым участкам;

– перенос энергии от менее нагретых участков тела к более нагретым участкам;

– вид теплопередачи, осуществляемый в жидкостях и газах.

4. Теплота – это:

– количество энергии, отдаваемое или получаемое телом в процессе теплообмена;

– температурная характеристика тела;

– одно из агрегатных состояний тела;

– один из видов существования материи.

5. Излучение – это:

– вид теплопередачи, осуществляемый только в твёрдых телах;

– перенос энергии от менее нагретых участков тела к более нагретым участкам;

– процесс перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое;

– вид теплопередачи.

3. Подведение итогов

• Качественные задачи

– На больших высотах (800–1000 км) скорости движения молекул газов, входящих в состав атмосферного воздуха, достигают значений, соответствующих температуре около 2000 °С. Почему же в таком случае не плавится оболочка космических аппаратов?

(Ответ. Плотность атмосферы на больших высотах очень мала, поэтому ничтожно количество теплоты, передаваемое оболочке аппарата сталкивающимися с ней молекулами.)

– Для чего используют пористые материалы (пенопласт, поролон, вату из стекловолокна, керамзит и др.) в строительстве?

(Ответ. В порах этих материалов содержатся газы, которые обладают низкой теплоёмкостью. Поэтому пористые материалы применяют для теплоизоляции.)

– Почему в пустынях температура днём поднимается очень высоко, а ночью опускается ниже нуля?

(Ответ. Удельная теплоёмкость песка мала, и отдаваемое им количество теплоты (энергии) недостаточно для выравнивания суточных колебаний температуры воздуха.)

– Почему быстрые реки не замерзают на морозе в несколько градусов?

(Ответ. При быстром течении массы воды во всех частях реки перемешиваются. Охлаждённые до нуля поверхностные слои тотчас перемешиваются с нижележащими, ещё не охлаждёнными, и температура поверхностного слоя становится выше нуля. Замерзать река начнёт лишь тогда, когда вся вода реки до самого дна охладится до нуля, а на это требуется время – тем большее, чем глубже река.)

– Можно ли хранить в термосе замороженные продукты, т.е. использовать его как холодильник?

(Ответ. Можно, в этом случае термос предотвращает поступление тепла снаружи.)

– Тепло способно переходить только от тела более нагретого к телу менее нагретому. Температура нашего тела выше температуры воздуха в натопленной комнате. Почему же нам в такой комнате тепло?

(Ответ. Температура открытых частей человеческого тела – от 20 °С (ступни ног) до 35 °С (лицо). Комнатный же воздух имеет температуру около 20 °С. Непосредственного перехода тепла из воздуха к нашему телу происходить не может. Но окружающий воздух – плохой проводник тепла, он не даёт теплу уходить из тела. Прилегающий слой воздуха, нагретый телом, поднимается вверх, его заменяет менее нагретый воздух, который, в свою очередь, нагревается и уступает место новой порции воздуха. Чем теплее окружающий воздух, тем меньше тепла он отнимает у организма. Этим и объясняется ощущение тепла в натопленной комнате.)

– Для чего нужны двойные оконные рамы? Станет ли в помещении теплее зимой, если промежуток между рамами значительно увеличить?

(Ответ. Двойные рамы позволяют уменьшить теплообмен между помещением и наружным воздухом. В качестве теплоизолирующего материала используется слой воздуха между рамами. Теплопроводность воздуха мала, поэтому поток тепла через слой неподвижного воздуха тоже мал. Если же в этом слое возникнут конвекционные потоки, потери тепла намного возрастут: воздух между рамами будет подниматься вблизи внутреннего стекла и «стекать» вниз вдоль наружного стекла, охлаждаясь. Пока промежуток между рамами невелик, трение встречных потоков воздуха мешает возникновению конвекционных потоков. Если промежуток значительно увеличить, конвекционные потоки могут привести к заметному увеличению тепловых потерь.

– Стены некоторых помещений делают двойными. Почему, несмотря на то, что воздух является хорошим теплоизолятором, пространство между стенами заполняют рыхлым материалом (ватой, паклей, керамзитом, поролоном и т.п.)?

(Ответ. Чтобы избежать потерь энергии с конвекционными потоками между стенами.)

– При испарении, как известно, температура жидкости понижается. Почему в таком случае температура воды, бензина, спирта и т.д. в обычных условиях почти такая же, что и температура окружающего воздуха, хотя их поверхность открыта?

(Ответ. Происходит теплообмен с окружающей средой.)

• Занимательные факты

– Одежда вскоре сможет приспосабливаться к изменению температуры. В британских учебных заведениях The University of Bath и The London College of Fashion разрабатывают «умный» материал, который будет и охлаждать владельца, и не давать ему замёрзнуть. Новую технологию учёные «подсмотрели» у сосновых шишек. Верхний слой такой ткани покрыт крошечными иголочками из водоотталкивающего материала. Стоит только человеку начать потеть, как иголки, среагировав на присутствие влаги, поднимутся, и ткань начнёт пропускать внутрь воздух (так и сосновые шишки открываются и разбрасывают семена). Как только человек прекращает потеть, иголочки опять закрывают доступ воздуху.

– Как быстро охладить баночное пиво без помощи холодильника? Компании Tempra Technology и Crown Cork Seal (США) выпустили первую в мире самоохлаждающуюся банку – один поворот её днища заставляет работать охлаждающее устройство. Водянистый гель, смешиваясь с веществом, находящимся в днище, забирает лишне тепло у напитка. Новая тара безопасна и может быть легко переработана после использования.

– С бородой мужчинам теплее. Физиологи из Лионского университета (Франция) изучали теплообмен головы у сотни бородачей и обнаружили, что если зимой утепление нижней части лица бородой действует положительно, то летом, особенно при физических усилиях, голова и мозг бородатого мужчины перегреваются. Чем больше и гуще борода, тем сильнее выпадают волосы на голове и тем чаще образуется лысина, усиливающая охлаждение мозга.

– Предельная температура, которую может перенести человек, это –160 °С. Это было доказано английскими физиками Бланденом и Чентури путем автоэксперимента. В 1928 г. сообщалось и о –170 °С, но достоверность этих сведений сомнительна. Температуру 104 °С человек может терпеть 26 мин, 93 °С – 33 мин, 82 °С – 49 мин, а 71 °С –
1 ч. Установлено это в ходе экспериментов со здоровыми людьми-добровольцами.

Любовь Александровна Алейникова – о себе и о своей профессии:

Если вы когда-либо задавались вопросом: «А кто такой учитель?», – то загляните в словарь русского языка, там вы найдёте ответ. «Учитель – тот, кто преподаёт какой-либо предмет, наставляет, поучает, человек, являющийся высоким авторитетом в какой-либо области, имеющий последователей». Наверное, всё это в первую очередь относится к школьным учителям. Ведь в эту профессию приходят люди не просто неравнодушные к своей работе, а способные отдавать себя целиком любимому делу – делу воспитания детей. И очень часто путь этот тернист и долог. В свою профессию я пришла уже зрелым человеком: более десяти лет назад, закончив с отличием технический вуз, имея семью и двоих детей школьного возраста. Но, как часто бывает, в жизни не хватало романтики, возможности для самовыражения, уверенности в себе, перспектив карьерного роста. Всё это я смогла найти в школе, где работаю учителем почти уже десять лет. Когда ты входишь в класс и на тебя смотрят тридцать пар детских глаз, все собственные проблемы и заботы уходят на второй план. Ученики для меня являются прежде всего личностями, постоянно растущими, развивающимися, задающими бесконечные вопросы, на которые не всегда просто найти ответы. Когда работаешь с детьми, стоять на одном месте невозможно, приходится всё время быть в движении, быть примером и образцом для них. «Бороться и искать, найти и не сдаваться», – вот слова, которые мне часто приходится повторять. Именно поэтому за время работы в школе я получила второе высшее (педагогическое) образование, стала лауреатом конкурса «Учитель года города Москвы-2006», награждалась грамотами «За участие в работе фестиваля педагогического мастерства», МИОО «За высокий профессионализм и мастерство в формировании творческих способностей учащихся». В жизни, конечно, будет ещё много сложностей и трудностей, взлётов и падений, но я знаю, что вместе с людьми, которые меня окружают (а это моя семья и мои ученики), смогу противостоять всем превратностям судьбы.