Чертеж стрелки для отопления: Гидрострелка чертеж и схема котельной

Содержание

Гидрострелка чертеж и схема котельной

Чертеж Гидрострелки довольно прост.

Если есть сварочный аппарат и есть опыт сварки то самому сварить гидрострелку довольно просто. Но, есть много подвохов.

Чертеж Гидрострелки можно найти в интернете, но они все разные, нет одного шаблона. Все чертежи гидрострелок отличаются. Строение Гидрострелки каждый видит по-своему, но есть одно правило, которое соблюдают все.

Гидрострелка это емкость из металла (т.е. профильная или круглая труба), к которой приварены патрубки подключения к котлу (подача и обратка) и патрубки потребителей (подача и обратка).

Так же опционально могут быть патрубки для автоматического воздухоотводчика (или группы безопасности) на 1/2″ в верхней части гидрострелки.

В нижней части патрубок на 1/2″ для крана для отвода шлама и грязи.

Также где-нибудь может располагаться патрубок 1/2″ для подпитки воды в систему.

Основное правило которое нужно соблюсти это правило 3-х диаметров. Т.е. диаметр гидрострелки должен быть равен 3-м диаметрам патрубков. Чтобы гидрострелка несла основные функции которые для нее предназначены:

Назначение гидрострелки:

1. Отделяет шлам из системы.

2. Выводит газы из системы.

3. Выравнивает гидравлическую разницу в системе.

4. Подает котлу подогретую воду, тем самым продлевая жизнь котлу.

Некоторые пытаются сэкономить и изготовить гидрострелку из полипроиплена своими руками. Это мнение дилетантов которые, ничего не знают о работе и назначении гидрострелки подробнее тут…

Большинство гидрострелки и коллекторы выглядят по разному так как подстраивают эти изделия под определенные проекты в котельных.

Размеры котельных обычно малы и им мало место уделяют. Котлы выбирают тоже разные в котельных тоже разные Buderus, Baxi, Rinnai и т.д.

Размеры и строения коттеджей тоже разные 2-х, 3-х этажные, с бассейном и без. С теплым полом и без. С баней и другими постройками.

Поэтому чертеж гидрострелки выглядит везде по разному. И чертеж делают сразу с коллекторами отопления.

На данной схеме котельной видно расположение всех составляющих в котельной.

Помимо Гидрострелки вам так же понадобится коллектор распределительный. В этом плане мы можем предложить уже готовое изделие: Это совмещенная Гидрострелка с коллектором в одном изделии, а так же гидрострелка с коллектором из нержавеющей стали.

Схема котельной вместе с Бойлером косвенного нагрева в разрезе

Схема подключения теплого пола

особенности конструкции, чертеж, материалы исполнения

Гидрострелка с коллектором используется в системах отопления различной мощности. Это может быть загородный дом, коттедж на два хозяина, торговое или муниципальное учреждение. Необходимость данных изделий продиктована устройством котельного оборудования, в частности теплогенератора, который нуждается в защите от резких скачков давления на контурах.

Гидрострелка с коллектором обеспечит равномерное распределение рабочей жидкости по линиям системы, а также исключит их влияние друг на друга. В многоконтурном отоплении это особенно важно. В нашей новой статье мы попробуем разобраться с устройством гидравлического разделителя и коллектора, рассмотрим чертеж и материалы, применяемые в производстве.

Содержание

1. Гидрострелка отопления

2. Коллектор отопления

3. Гидрострелка с коллектором отопления из стали или полипропилена

4. Расчёт гидрострелки

Гидрострелка отопления

Гидрострелка это компенсирующий элемент, создающий в системе обменную зону, благодаря которой теплоноситель может забирать практически неограниченное количество потребителей. Конечно, сначала нужно определить оптимальный расход насоса, установленного на котле. Как правило, он всегда мощнее, чем все элементы.

Чертеж гидрострелки разрабатывается профессиональными инженерами и проектными организациями. Также на просторах интернета попадается довольно много схем от самоучек. Кому верить — решайте сами. Если цените своё время и деньги, то обращайтесь в профильные компании. Второй вариант подойдёт начинающим мастерам и даже со стажем, при условии, что есть несколько свободных дней для подготовки и реализации. Сложного ничего нет, главное правильно произвести расчёты.

Стрелка представляет собой сварное изделие с патрубками. Обычно её делают из стальных профилей квадратного или круглого сечения. Заготовки режут специальными ножницами и обрабатывают на фрезерных станках. В полой конструкции предусмотрено минимум четыре выхода, по два с каждой стороны. Первые для котла, вторые для контуров. Когда их больше трёх, целесообразно вывести стрелку на гребенку.

Коллектор отопления

Подающая и обратная гребенка соединяются с гидрострелкой через выходы. В результате сварки получается комбинированное изделие или, как часто говорят монтажники, балансировочный коллектор. С точки зрения функциональности он лучший в своём сегменте, действует комплексно, начиная с забора и заканчивая отдачей носителя.

Здесь стандартным чертежом не обойтись. Пользователю нужно знать расстояние от стены до трубопровода, точные габариты модуля и другие характеристики, которые у каждой котельной разные. Как бы не стремились компании вводить типовые параметры, приоритет остаётся за индивидуальностью. Все нюансы построения обвязки знают и на практике применяют опытные монтажники. Именно с ними мы и советуем вам проконсультироваться.

Гидрострелка с коллектором отопления из стали или полипропилена

Варианты исполнения из металла и более лёгкого пп-пластика почти сравнялись в популярности. Однако многие забывают, что полипропилен не рассчитан на большую разницу температур. Это хорошо видно на примере твердотопливного котла. Дело в том, что эта группа тепловых генераторов обладает некоторой инертностью и не сразу реагирует на изменение условий.

Повышение температуры до 95 градусов гребенка ещё выдержит, а дальше расплавится. Например, при внеплановом отключении электричества происходит резкий выброс носителя, его температура может достигать 130 градусов. Для полипропилена это максимум, после которого восстановлению он не подлежит.

Во избежание внеплановых ситуаций обвязку рекомендуется делать полностью металлической. Однако тут снова возникает вопрос, какой металл лучше. Ориентируйтесь на рыночную стоимость и то, сколько денег готовы потратить лично вы.

Конструкционная сталь традиционно используется для производства недорогих коллекторов. Прочная, легко обрабатывается, прослужит не менее 10 лет. Единственный недостаток, предрасположенность к ржавчине минимизируется при помощи отделки. Порошковое напыление глубоко проникает в структуру металла, создавая непроницаемую оболочку для химических сред и вредных веществ.

Коллекторы с гидрострелками из нержавеющей стали имеют более высокую цену. Причина в улучшенных свойствах металла. Ржавчине не подвержен, устойчив к механическим повреждениям, надолго сохраняет форму. Гарантийный срок моделей из нержавейки составляет 10 лет. Фактически вы получаете вечное изделие.

В заключение бонус для наших читателей. Инструкция по расчёту гидрострелки.

Вам нужно определить диаметр поперечного сечения и количество патрубков. Первое обычно не вызывает сложностей, с габаритами немного трудней. Нам понадобится формула

S=Q/3600V

S м2 площадь сечения трубы

Q м3/ч расход теплоносителя в соответствии с системой

V м/с скорость носителя (по умолчанию 0,1)

Располагать патрубки следует на определённом расстоянии для этого можно воспользоваться следующими правилами

Покупка гидроразделителя с коллектором требует ответственного подхода. Обязательно посоветуйтесь с вашим мастером и помните, что потратив деньги один раз, вы обеспечиваете бесперебойную работу котла на многие годы вперёд.

Гидрострелка в системе отопления: зачем нужна, схема работы

Это одно из самых «спорных» устройств в бытовых системах отопления. Гидрострелка или альтернативные названия — “гидравлическая стрелка”, гидравлический разделитель или сепаратор”, “безнапорный коллектор”. Вопросы установки данного устройства часто всплывают на форумах по тематике ОВК.

Назначение и конструкция

Что такое гидрострелка?

Гидрострелка — специальное устройство для разделения котлового и отопительных контуров в системах теплоснабжения и ГВС. Конструктивно она представляет собой круглую (реже квадратную) трубу с 4-мя присоединительными резьбовыми или фланцевыми патрубками. В одной стороны патрубки для котлового контура — сверху входной, внизу выходной. С другой — для распределительного коллектора.

Зачем нужна гидрострелка?

Нужна… Но не всем и не всегда. Гидравлическая стрелка устанавливается в случаях, когда в системе теплоснабжения дома есть несколько отдельных контуров. Например, несколько радиаторных, контур водяного теплого пола и ветка нагрева косвенного бойлера и т. п..

Также причиной установки гидрострелки являются требования производителей котлов. То же VAILLANT или VIESSMANN не возьмут на гарантию котел мощностью от 35-40 кВт без гидрострелки.

В интернет приводится несколько различных схем работы отопительной системы:

расход котлового циркуляционного насоса равен сумме расходов насосов потребителей;
расход котлового насоса больше суммарной мощности потребителей;
расход котлового насоса меньше суммарной мощности потребителей.

Первый вариант из области фантастики. Добиться равной мощности, учитывая наличие в системе регулирующей арматуры, воздушных пробок, загрязнений и т. п., практически нереально. Рассматривать его смысла нет.

Второй вариант — расход по котлу больше суммарного расхода потребителей тепла. Это вполне реальная ситуация и в этом случае гидрострелка нужна. Котловой насос работает с постоянным расходом, но в зонах отопления изменения происходят постоянно. Открываются / закрываются термоголовки, одни циркуляционные насосы включаются другие отключаются. Изменение расхода на одном контуре несомненно окажет влияние на работу соседних насосов. Настроить гидравлику системы системы отопления для нормальной работы в таком режиме не представляется возможным. На помощь придет гидрострелка. После ее установке на всасывающих патрубках всех насосов контуров не будет возникать повышенного давления или разрежения, а избыточный теплоноситель от котла будет перетекать в обратку тем самым повышая ее температуру и предотвращая низкотемпературную коррозию.

Третий вариант возникает чаще всего, если неправильно подобран котел отопления. Теплопотери здания не должны превышать мощность котла. А значит котел не должен иметь расход меньше, чем требуется для полноценного отопления и ГВС. В этом режиме в гидрострелке в подачу будет подмешиваться обратный теплоноситель и это ведет к проблемам. Будет сложно выдержать тепловой режим, для полноценного нагрева котлу потребуется работать на полную мощность и выдавать слишком высокую температуру, низкая температура обратки в котел может привести к конденсатообразованию и, как следствие, к низкотемпературной коррозии теплообменника. Резюме: режима работы, когда суммарный расход по котлу меньше, чем по потребителям, допускать нежелательно и гидрострелка в этом случае не спасет от проблем.

Преимущества для системы отопления

С установкой гидрострелки в системе отопления решаются следующие проблемы:

минимизируется взаимное влияние насосов отопительных контуров и ГВС, устраняется “передавливание”;
продлевается срок эксплуатации котла и циркуляционных насосов за счет устранения перегрузок;
защита котла от низкотемпературной коррозии;
исключается взаимное влияние первичного (котлового) и вторичного (отопительного) контуров;
уменьшается тактование (а значит и износ горелки котла, повышенный расход газа) при работе теплогенератора на минимальных мощностях.

Дополнительно гидрострелку часто оснащает воздухоотводчиком, деаэрирующей перфорированной пластиной, термометром, сепаратором шлама (грязевиком), краном для наполнения системы, магнитным уловителем. Иногда к гидрострелке присоединяют расширительный бак. Для уменьшения теплопотерь ее утепляют специальным кожухом из пенополистирола или подобного материала.

Схема работы гидрострелки на видео ниже:

Ставить или не ставить? Как выбрать гидрострелку?

“Нужно ли ставить гидрострелку” — одна из самых обсуждаемых и спорных тем на форумах по тематике отопления. Сторонники гидрострелки приписывают приписывают ей массу “чудодейственных” преимуществ, как-то “увеличение КПД котла” и т. п. Противники же говорят о высоких затратах заказчика и заинтересованности монтажника в дополнительном заработке.

Гидравлический разделитель ставится, когда в системе присутствует несколько отопительных контуров с переменным расходом. И если 2 циркуляционных насоса на контуры отопления еще можно как-то настроить, то если их 4 и больше без гидрострелки не обойтись.

Важно отметить, что для того, чтобы поставить котел мощностью от 35-40 кВт (в зависимости от производителя) на гарантию, в систему нужно ставить гидрострелку независимо от количества вторичных контуров. Это требование производителя. “Гидрострелка стоит?”, — один из первых вопросов работника сервисной службы. Если нет, даже на объект не приедет.

Цена гидрострелки не слишком высокая в сравнении с другими элементами системы. Например, в нашем интернет-магазине можно купить гидравлический разделитель по цене от 50 до 72 USD для котлов мощностью от 20 до 70 кВт. Некоторые специалисты указывают на то, что установка гидрострелки тянет за собой затраты на дополнительное оборудование (коллектор, циркуляционные насосы). Но это не совсем так. Решение по установке гидравлического разделителя принимается после проектирования вторичных отопительных контуров.

Как выбрать гидрострелку? Мы не будем приводить здесь формулы — их легко можно найти в интернет. Размер гидрострелки коррелирует с мощностью котла, поэтому мы рекомендуем подбирать ее исходя из этого параметра. На нашем сайте непосредственно в названии гидравлического разделителя указана максимальная мощность котла для которого она предназначена. Например, гидрострелка с присоединительным размером 1” для котлов мощностью до 20 Квт, 1¼” — до 33,5 кВт, 1½” — до 47,4 кВт, 2” — до 70 кВт. Возможно изготовление гидрострелок на заказ.

Для чего нужна гидрострелка в системе отопления?

Гидрострелка для отопления является общеобязательным элементом систем с тепловой мощностью выше 80 кВт. Кроме того такой узел рекомендован к применению во всех случаях обустройства многоконтурной схемы разводки.

Словом, гидродинамический терморазделитель — в просторечии: гидрострелка – это достаточно распространенный узел системы отопления. Поэтому в данной статье мы рассмотрим нюансы использования гидравлической «стрелки».

Схема системы отопления на базе напольного котла Buderus Logano G234 c гидрострелкой

Для чего нужна гидрострелка в системе отопления?

Гидрострелка – это деталь из обвязки котла, с помощью которой стабилизируют характеристики процесса циркуляции теплоносителя и нивелируют тепловые колебания в теплогенерирующем агрегате. Кроме того, гидрострелка может работать и как компенсатор, обеспечивающий независимость отопительных контуров.

В итоге растет КПД системы отопления, уменьшается расход топлива, облегчается работа теплогенерирующего агрегата и продлевая срок безаварийной эксплуатации всего оборудования.

Причем установка гидрострелки в системе отопления гарантирует 100-процентную защиту котла от разрушительного эффекта «температурного клина», раскалывающего даже чугунные теплообменники.

Как работает гидрострелка?

Типовая гидравлическая стрелка представляет собой вертикально ориентированный цилиндр или прямоугольный параллелепипед с четырьмя рабочими отводами – по два сверху и снизу.

Причем центральная ось верхних отводов располагается вдоль одной линии или со смещением одного штуцера вверх. В свою очередь пара нижних отводов обустроена либо вдоль одной оси, либо со смещением вниз одного из штуцеров. К верхним отводам подключают напорную ветвь системы, а к нижним, соответственно, обратку.

Принцип работы гидрострелки

Кроме того в дно корпуса «стрелки» врезают штуцер с вентилем для слива теплоносителя из системы, а в крышку – штуцер с клапаном для удаления воздуха, который скапливается над водой (теплоносителем) и стравливается за счет давления в системе.

Устроенная подобным образом гидрострелка делит систему отопления на два контура:

Малую ветвь, в которую входит «стрелка» и котел. Схема циркуляции: горизонтально от котла – вертикально по стрелке – горизонтально в котел.

Большую ветвь, в которую входит котел, трубы, радиаторы и стрелка. Схема циркуляции: горизонтально от котла, сквозь стрелку, к батарее – вертикально по батарее – горизонтально от батареи, сквозь стрелку, к котлу.

Циркуляция по малому контуру осуществляется только в случае избытка тепла в системе. В этом случае излишне разогретый теплоноситель сбрасывается посредством стрелки в обратку, после чего контроллер температуры котла «гасит» топку.

При этом теплогенерирующий агрегат сможет включиться в работу системы только после понижения температуры теплоносителя до приемлемого уровня, открывающего большую ветвь циркуляции.

Движение теплоносителя по большой ветви – фактически всей разводке системы – осуществляется только в случае штатной работы котла, генерирующего «нужную» батареям порцию тепловой энергии.

В итоге уровень коэффициента полезного действия котла поддерживается процессом гидродинамического терморазделения ветвей циркуляции на максимально высоком уровне.

Проще говоря: система отопления с гидрострелкой тратит минимум топлива и производит максимум тепловой энергии.

Как устроен гибрид гидрострелки и коллектора?

Такой гидродинамический терморегулятор можно сделать из любой типовой стрелки, заменив «правые» отводы на коллекторы. То есть напротив каждого «левого» штуцера, подключаемого к котлу, к корпусу приваривают не «правый» штуцер, а длинную трубу с множеством вертикальных отводов – коллектор системы отопления.

Гидравлическая стрелка

Теплоноситель поступает из котла в «стрелку», движется по ней в горизонтальном направлении и переходит в коллектор лучевой разводки, распределяясь по множеству контуров системы отопления. Причем каждый напорный патрубок на «выходе» из стрелки-коллектора комплектуется своим насосом, обеспечивающим циркуляцию теплоносителя в конкретном контуре разводки.

В итоге коллектор отопления с гидрострелкой регулирует не только температуру теплоносителя, но и направление циркуляции, выравнивая давление между ветвями системы. Причем строительство такого гибрида оправдано лишь в случае экономии места в котельной. Поскольку тривиальное подключение пары коллекторов к типовой стрелке с четырьмя патрубками даст тот же эффект.

Как выбрать гидродинамический терморазделитель?

Относительно низкая цена гидрострелки для отопления нивелирует саму идею строительства этого узла своими руками.

Поэтому большинство домовладельцев предпочитают «заводские» стрелки кустарным самоделкам, выбирая гидродинамический терморегулятор по следующим параметрам:

Тепловой мощности котла.
Объему теплоносителя в системе.

Эти параметры должны соответствовать «паспортным» данным гидрострелки, то есть сама процедура выбора выглядит следующим образом:

Узнаем тепловую мощность котла (по паспорту агрегата) и объем воды в системе (по метражу труб и габаритам котла и батарей).
Идем в магазин и покупаем стрелку, подходящую под объем и мощность.

принцип работы, схема изготовления своими руками

На чтение 7 мин Просмотров 54 Опубликовано 15.11.2019 Обновлено 12.11.2019

Гидрострелка в системе отопления или разделитель потоков – это особое устройство, применяемое для согласованной работы входящих в ее состав приборов и контуров. Оно представляет собой своеобразный коллектор, регулирующий напор жидкости в каждом из водяных каналов. Свое название устройство получило из-за функционального сходства с железнодорожной стрелкой.

Достоинства и недостатки

Гидрострелка в системе отопления снижает затраты на электроэнергию, оптимизирует потоки теплоносителя

К достоинствам гидравлических распределителей для отопительных систем относят:

получение оптимального соотношения потоков теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах;
возможность установки циркуляционного насоса небольшой мощности – снижение затрат на оборудование и электрическую энергию;
уменьшение гидравлических нагрузок в элементах отопительной системы;
продление срока службы;
возможность удаления воздуха из каналов.

Явных недостатков у гидравлического разделителя не выявлено. Но некоторые ограничения в практическом применении имеются. К минусам этих устройств относят:

недопустимость работы в составе оборудования твердотопливных котлов;
влияние на функциональность стрелки заявленной мощности котельного агрегата – с его увеличением надежность ее работы падает.

Время безаварийной эксплуатации изделия в этом случае также сокращается.

Устройство разделителя

Внутреннее устройство гидравлической стрелки

Внешне разделитель выглядит как отрезок трубы, имеющий прямоугольное (реже – круглое) сечение и две заглушки по ее противоположным торцам. Такая конструкция соединяется с котлом небольшими патрубками и имеет еще несколько отводов в боковой части. В продаже встречаются изделия различной формы и типоразмера, имеющие простое устройство. Но существуют универсальные модели, согласно своему назначению выполняющие сразу две функции: коллектора и разделителя потоков.

«Классическая» гидрострелка для отопления изготавливается в виде стального цилиндра и имеет несколько отводных патрубков, размер которых учитывается по внутреннему сечению. Обычно она монтируется вертикально, но при необходимости может устанавливаться в горизонтальной плоскости. Вертикальное расположение применяется чаще, поскольку в этом положении проще удалять примеси и отводить газы.

В большинстве случаев стрелка – это сварная конструкция на основе стальных труб, но не исключается вариант ее изготовления из медных или полипропиленовых заготовок.

Дополнительные возможности

Кран внизу для слива позволяет удалять из теплоносителя мусор и накипь

Особенности функционирования схемы отопления с гидрострелкой предоставляют пользователю такие дополнительные возможности:

При попадании потока жидкости в каналы разделителя, его скорость несколько уменьшается. Это способствует осаждению на дне вредных примесей, всегда имеющихся в теплоносителе.
Для периодического удаления скопившегося осадка в нижней части корпуса имеется отдельный вентильный кран.
Снижение скорости тока позволяет выводить из воды имеющиеся в ней воздушные пузырьки. Они удаляются через автоматический клапан.

В последнем случае гидравлическая стрелка используется как сепаратор.

В сетях с чугунными котлами распределитель потоков выполняет функцию дополнительной защиты. При наличии гидроразделителя в теплообменник не попадет холодная вода, способная вызвать поломку нагревательных элементов.

Принцип работы

Скорость теплоносителя позволяет уменьшить теплопотери для потребителей

Отопительные сети не способны функционировать слаженно, так как контуры рассчитаны на индивидуальную производительность и конкретный показатель по напору носителя. В основу принципа действия гидравлической стрелки заложены особенности конструкции, благодаря которым у корпуса прибора сопротивление потоку воды минимально. Указанное свойство позволяет не уменьшать скорость перемещения носителя, существенно снизив тепловые потери во всей сети.

По сути распределитель – это своеобразный буфер, разделяющий нагревательное оборудование (котел) и потребительскую часть коллектора. В результате его применения каждый индивидуальный насос работает автономно, не нарушая балансировки каналов.

Гидравлический разделитель для отопления предназначен для разделения отдельных потоков из суммарного контура и согласования их совместной работы.

Методы расчета разделителя

Перед установкой гидрострелки обязателен расчет отдельных конструктивных элементов. При его проведении должны учитываться следующие факторы:

расход теплового носителя в работающей системе;
тепловая мощность, развиваемая в каждом из контуров.

При проведении расчетов также учитываются теплоемкость рабочей жидкости и различие температуры водного носителя в каналах обратки и подачи. Требуемый результат вычисляется по следующей формуле:

где D – это искомый диаметр изделия, Q – среднее значение расхода воды (м3/сек), π – классическая константа, а V – скорость потока жидкости в вертикальном направлении (при норме 0,1 метра секунду).

При самостоятельной сборке стрелки и расчете оптимальных параметров действуют по схеме, полученной опытным путем:

Для нахождения внутреннего диаметра берется сумма всех мощностей рабочего котла в киловаттах и делится на разницу температурных показателей в прямой подаче и в обратке.
Потребуется извлечь из полученного результата корень квадратный, а затем умножить итог на число 49.
Для нахождения размера промежутка между патрубками следует умножить внутренний диаметр на два.

Для определения высоты корпуса распределителя тот же диаметр умножается на шесть.

Совмещенная гидрострелка

Совмещенная гидрострелка с балансировочным клапаном

Для подключения отопительных контуров на объектах, имеющих площадь более 150 м² вместо обычного разделителя, получающегося громоздким, используются специальные гребенки. Они представляют собой последовательную конструкцию, объединяющую возможности гидрострелки и коллектора для отопления, которые для этого соединяют стальными перемычками. Количество сдвоенных патрубков подбирается равным числу контуров (их потребуется по паре штук). К преимуществам такого совмещения относят:

Упрощается ремонт и эксплуатация всей системы отопления. Небольшая по размерам конструкция не займет в помещении слишком много места.
Запорную, а также регулирующую часть арматурного комплекта удается разместить в одном месте.
Благодаря увеличенному диаметру коллекторного канала тепловой носитель равномерней распределяется по контурам.

Для обустройства обвязки при данном подходе используются специальные монтажные выпуски, часть из которых предназначена для радиаторного контура, а другая – для подключения обогрева полов.

К особенностям совмещенной конструкции относят наличие специального теплообменника, а также установку в промежутке между прямым и обратным коллектором отдельного балансировочного клапана.

Порядок самостоятельного изготовления

При изготовлении гидрострелки своими руками нужно иметь навыки сварочных работ

Для сборки стрелки для отопления своими руками сначала потребуется провести теоретические расчеты, после чего подготавливаются чертежи и рабочие схемы. Эту часть подготовительных мероприятий лучше всего доверить специалисту по теплотехнике, владеющему необходимой теоретической подготовкой. Человеку, решившему изготовить стрелку своими руками, необходимо обладать навыками проведения сварных работ.

Сборка любой модификации гидравлической стрелки основана на правиле «3-х диаметров». Рабочий размер патрубков выбирают втрое меньше диаметра основного цилиндра распределителя. Располагаются они диаметрально противоположно, а их местоположение по высоте привязывается к главному калибру. Возможен вариант, при котором отводы делаются так называемой «лесенкой», что позволяет повысить эффективность выведения газов и удаления нерастворимых взвесей. Помимо этого выбор такой конструкции при самостоятельной сборке способствует нормальному смешению потоков.

Соотношения их расположений лучше всего выбирать таким образом, чтобы скорость перемещения вертикального потока достигала 0,2 метров в секунду. Согласно действующим нормативам превышать этот предел недопустимо, поскольку тогда водные потоки не успевают смешиваться. А это чревато появлением температурного градиента и ухудшением условий распределения потоков.

Если предполагается изготовить многоконтурную систему отопления с различными температурами теплоносителя, придется собирать совмещенную стрелку (вкупе с коллектором).

В этом случае предпочтительней выбрать горизонтальную схему, которая в отличие от вертикального аналога не так распространена у любителей и профессионалов. Но в данной ситуации на первое место выходят вопросы эффективности эксплуатации отопительной системы, а не удобство ее обслуживания, чистки и ремонта.

Что такое гидравлическая стрелка — принцип работы, конструкция и расчет

Автор DearHouse На чтение 3 мин Просмотров 426 Обновлено 27 октября 2015

В некоторых схемах отопления специалисты настоятельно рекомендуют установку гидравлического распределителя. Основной аргумент «за» – стабилизация системы и улучшение ее эксплуатационных качеств. Какие функции выполняет этот элемент?

Когда необходимо ставить гидравлический распределитель

Коллекторное отопление

Одним из качественных характеристик отопления является гидродинамическое распределение на его участках и всей системы в целом. Т.е. давление и скорость движения теплоносителя должно быть примерно одинаковым везде. На практике добиться такого результата можно только при небольшой протяженности трубопроводов и отсутствии разветвлений.

Для двухтрубной или коллекторной систем часто наблюдается большая разница между давлением на выходной трубе от котла и обратной. Есть несколько объективных причин этому явлению.

Самыми распространенными из них являются:

Недостаточная мощность насосов для равномерной циркуляции теплоносителя. Они не могут обеспечить должную скорость его движения.
При использовании зональных устройств подачи горячей воды (терморегуляторы) создается избыточное гидравлическое сопротивление на определенных участках.
Несогласованность работы (резонанс) при наличии 2-х и более насосов.
Наличие контуров с различными показателями сечения труб – теплый пол, косвенный нагрев бойлера и т.д.

В итоге это приводит не только к неравномерному давлению, но и некорректному температурному распределению по отдельным магистралям. Для решения этих проблем следует устанавливать гидравлическую стрелку.

Функциональные особенности

На первый взгляд ее конструкция и принцип работы выглядит очень просто. Она состоит из основной емкости, сечение которой больше, чем у подающих магистралей. У нее имеются 4 патрубка с диаметром, равным основному трубопроводу.

Режимы работы гидравлической стрелки

Чаще всего гидравлический распределитель устанавливается в коллекторной схеме отопления. Он необходим для нормализации давления между подающей и обратной трубой. Можно определить 3 режима работы этого устройства.

Стабильная система. Давление в магистралях равно. Вследствие этого температура воды на входных и выходных патрубках одинакова.
Поток из отопительного контура превышает аналогичный из котла. Температурная разница создает частичное распределение теплоносителя из обратной магистрали в основную. Тем самым происходит стабилизация. Это обеспечит защиту теплообменника котла от перегревания.
Превышение давления из потока котла по сравнению с отопительным. Такой режим чаще всего применяется при отключении одного или нескольких контуров.

Таким образом достигается оптимальная работа всей системы отопления. Для правильного применения гидравлического распределителя следует сначала рассчитать его размеры и определиться с местом установки.

Правила расчета и монтажа

Оптимальный вариант – приобрести заводскую модель. Они рассчитаны для конкретных отопительных систем в зависимости от максимального объема потока теплоносителя через гидрострелку и скорости его движения. Если же было принято решение изготовить ее своими руками – можно воспользоваться следующей формулой для вычисления диаметра патрубков.

Промежуточные величины можно вычислить самостоятельно, либо воспользоваться специализированными программными комплексами. Следующим этапом будет определение размеров основной емкости. Для этого можно воспользоваться двумя методами.

Трех диаметров – патрубки располагаются на одной оси.
Чередующиеся подключения – патрубки устанавливаются в шахматном порядке.

Способы расчета размеров основной емкости

Место установки распределителя определяется схемой отопления. Однако рекомендуется руководствоваться правилом – он должен находиться максимально близко к котлу. Для коллекторной схемы гидрострелку подключают перед ним. Таким образом стабилизация системы происходит до вхождения теплоносителя в распределительный коллектор.

Исключения составляет монтаж дополнительного насоса. В таком случае гидравлический распределитель монтируется между ним и подключением обратной трубы к котлу. Это позволяет компенсировать разность частот работающих насосов.

что такое гидравлическая стрелка в отоплении, схема гидравлического разделителя, как работает, как подобрать, подбор по мощности котла

Содержание:

Гидрострелкой называют несложное устройство, предназначенное для выполнения балансировки и защиты системы теплоснабжения. Встречаются иные названия данного изделия – гидравлический разделитель, бутылочка, гидроразделитель и прочие.

Функциональное назначение гидрострелки

Что такое гидравлическая стрелка в отоплении и зачем она нужна?

Этот дополнительный узел:

осуществляет гидродинамическую балансировку в системе обогрева, является защитой для теплообменника агрегата, изготовленного с использованием чугуна, от возможного поражения тепловым ударом;
предохраняет конструкцию теплоснабжения от повреждений, если в автоматическом режиме отключаются отделы ГВС или обогрев напольной поверхности — устройство гидрострелки отопления выполняют при монтаже систем обогрева с нагревательными котлами, которые оснащены чугунными теплообменниками;

нужно применять в случае обустройства многоконтурного теплоснабжения, ведь в данной ситуации оборудование предотвращает влияние одного контура на другой и обеспечивает их качественное функционирование;
будет способен выполнять работу отстойника, устраняющего из жидкой рабочей среды механические примеси, состоящие из шлама, накипи, ржавчины, если верно подсчитать габариты и гидромеханические характеристики гидрострелки;
помимо вышеперечисленных функций производит вытеснение воздуха из теплоносителя, что в значительной степени препятствует процессу окисления.

Принцип работы

Если посмотреть на гидравлический разделитель на отопление в разрезе, то можно увидеть часть полой трубы с сечением в форме квадрата. Процесс функционирования данного узла отличается простотой. При помощи воздухоотвода, который оснащают автомеханическим приспособлением, происходит отделение воздуха и его удаление.

Система теплоснабжения состоит из двух отдельных контуров – большой и малой протяженности. В составе первого из них имеется котел плюс гидрострелка плюс потребитель. Второй контур включает котел плюс гидроразделитель.

Если агрегат генерирует тепловую энергию в количестве, соответствующем его потреблению, направление перемещения рабочей среды будет только горизонтальным. При нарушении данного равновесия теплоноситель поступает в зону малого контура и это приводит к повышению температуры перед местом входа в котел.

Это вызывает автоматическое отключение прибора, а жидкость в системе продолжает циркулировать, пока ее температура не понизится до нужной отметки. После этого котел вновь включается. Благодаря тому, как в системе отопления работает гидрострелка, происходит балансировка между контурами котла и котельной. Данный процесс способствует независимой работе каждого контура.

Выбор гидравлического разделителя

Нет ничего сложного в том, как подобрать гидрострелку для отопления. Единственное, что при этом следует учитывать – это стрелочный диаметр патрубков, подводящих теплоноситель.

При подборе данного узла обращают внимание на предельно допустимый напор водного потока в системе обогрева и на сохранение минимальной скорости перемещения жидкости в полости гидрострелки и патрубках подвода.

Когда делают выбор, нужно знать, что наибольшая рекомендуемая скорость циркуляции воды сквозь поперечное сечение гидроразделителя, равна около 0,2 м/сек.

При расчете данного оборудования для отопительных конструкций потребуются следующие величины:

D – диаметр гидрострелки, выраженный в миллиметрах;
d – диаметр подводящих воду патрубков, в миллиметрах;
G – максимальная скорость перемещения водного потока через устройство;
w – предельная скорость продвижения жидкости по поперечному сечению узла;
с – теплоемкость теплоносителя;
P – максимальная мощность нагревательного агрегата, кВт;
ΔT – разность между величинами температуры теплоносителя в подающей трубе и обратке отопительной системы, °С ( равна приблизительно 10°С).

Чтобы подсчитать зависимость диаметра гидроразделителя от предельно допустимого напора воды в системе, пользуются формулой:

D=3хd=18,8х

Для подбора гидрострелки по мощности котла также нужно выполнить расчеты — зависимость диаметра узла от производительности агрегата определяют по следующей формуле:

D=3хd=18,8х=18,8х=116.

Преимущества использования гидравлического разделителя отопления

Схемы отопления с гидравлической стрелкой способствуют созданию в помещении комфортной температуры, поскольку:

Ликвидируются проблемы при нахождении параметров отопительного насоса для вторичного контура и исполнительного элемента.
Отсутствует определенное взаимовлияние между котловым контуром и отопительными контурами.
Оказывается равномерное распределение нагрузок, оказываемых водным потоком, на генераторы тепловой энергии и ее потребителей.
При правильном определении показателей исполнительные компоненты в системе функционируют оптимально.
Имеются места для подключения расширительного бачка, а также установления быстродействующего отводчика воздуха.
Есть возможность подсоединения разнообразных узлов и деталей дополнительного назначения.

При наличии желания обустроить в своем домовладении комфортные условия проживания с минимальным использованием тепловой энергии, лучшим решением будет монтаж теплогенераторной системы, в основе функционирования которой находится применение схемы отопления с гидрострелкой.

Как показывает практика, по сравнению с эксплуатацией традиционной системы теплоснабжения эффект от функционирования правильно спроектированной отопительной конструкции на основе монтажа гидроразделителя состоит в экономии газа на 25% и электроэнергии на 50%.

Применение гидрострелки с твердотопливным оборудованием

При использовании твердотопливного агрегата подключение гидравлического разделителя осуществляют в месте входа – выхода. Данный вариант подсоединения нагревательного устройства разного типа обеспечивает подбор оптимального и индивидуального температурного режима для всех компонентов в отдельности.

Сегодня потребители, разобравшись с тем, как работает гидрострелка на отопление, отдают предпочтение уже готовой продукции, которая представлена в продаже. Выбирают гидроразделитель по каталогу, основываясь на мощности агрегате и максимальном потоке воды.

Стрелки продаж — Библиотека векторных трафаретов | Как создать план HVAC | Оборудование управления HVAC — библиотека векторных трафаретов

Воздуховод, линия sgl

Воздуховод, двухрядная линия

Возвратный канал, линия sgl

Возвратный канал, линия дбл

Приточный канал, линия sgl

Приточный канал, линия дбл

Обратный канал 2, линия sgl

Возвратный канал 2, линия дбл

Удлинитель приточного воздуховода, линия sgl

Удлинитель приточного воздуховода, дбл.

Удлинитель обратного канала, линия sgl

Удлинитель обратного канала, линия дбл

Секция с 2 вентиляторами, sgl line

Секция с 2 вентиляторами, линия дбл

Секция с 3 вентиляторами, sgl line

3-х вентиляторная секция, дбл линия

Секция с 4 вентиляторами, sgl line

4-х вентиляторная секция, дбл линия

Коробка VAV

Коробка DD-VAV

Корпус фанкойла

Тепловентилятор

Центробежный вентилятор

Пропеллерный вентилятор

Вентилятор осевой пластинчатый

Демпфер

Фильтр

Приточно-вытяжная станция

Увлажнитель

Змеевик Htg / clg

Клапан

Расходомер воды

Насос

Градирня

Преобразователь

Теплообменник

Котел

Оборудование

Стартер

VSD

От стороны к нижней трубе

Сторона к нижней трубе, стрелка

Труба из стороны в сторону

Трубка из стороны в сторону, стрелка

Труба сверху вниз

Труба сверху вниз, стрелка

Стрелка потока в трубе

Кривая нагрева воды

| Введение в химию

Цель обучения

Обсудите кривую нагрева для воды.

Ключевые моменты

Кривая нагрева графически представляет фазовые переходы, которым подвергается вещество при добавлении к нему тепла.
Плато на кривой отмечают фазовые изменения. Температура остается постоянной во время этих фазовых переходов.
Вода имеет высокую температуру кипения из-за сильных водородных связей между молекулами воды; он одновременно является донором и акцептором сильной водородной связи.
Первое изменение фазы — таяние, во время которого температура не меняется, а вода тает.Второе изменение фазы — это кипение, так как при переходе в газ температура не меняется.

Термины

водородная связь Сильная межмолекулярная связь между , в которой атом водорода в одной молекуле притягивается к сильно электроотрицательному атому (обычно азоту или кислороду) в другой молекуле.
удельная теплоемкость Количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г вещества на 1 градус Цельсия.

Как и многие вещества, вода может существовать в различных фазах вещества: жидкой, твердой и газовой.Кривая нагрева показывает, как изменяется температура, когда вещество нагревается с постоянной скоростью.

Построение кривой нагрева

Температура откладывается по оси ординат, а по оси абсцисс отложено добавленное тепло. Предполагается постоянная скорость нагрева, так что ось абсцисс также можно рассматривать как количество времени, которое проходит, когда вещество нагревается. На измеренной кривой есть два основных наблюдения:

Области, где температура увеличивается по мере добавления тепла
плато, где температура остается постоянной.

Именно на этих плато происходит фазовый переход.

Кривая нагрева воды Фазовые переходы воды.

Анализ кривой нагрева

Если смотреть слева направо на график, можно увидеть пять отдельных частей кривой нагрева:

Твердый лед нагревается, и температура повышается до тех пор, пока не будет достигнута нормальная точка замерзания / плавления, равная нулю градусов Цельсия. Количество добавленного тепла, q , можно рассчитать следующим образом: [латекс] q = m \ cdot C_ {H_2O (s)} \ cdot \ Delta T [/ latex], где m — масса пробы воды. , C — удельная теплоемкость , твердой воды, или льда, а [латекс] \ Delta T [/ latex] — изменение температуры во время процесса.
Первое фазовое изменение — таяние; при плавлении вещества температура не меняется. Для воды это происходит при 0 ^o C. Вышеприведенное уравнение (описанное в части 1 кривой) нельзя использовать для этой части кривой, потому что изменение температуры равно нулю! Вместо этого используйте температуру для fusion ([latex] \ Delta H_ {fusion} [/ latex]), чтобы вычислить, сколько тепла было вовлечено в этот процесс: [latex] q = m \ cdot \ Delta H_ {fusion } [/ latex], где м — масса пробы воды.
После того, как все твердое вещество превратилось в жидкость, температура жидкости начинает повышаться по мере поглощения тепла. Затем можно рассчитать тепло, поглощаемое: [латексом] q = m \ cdot C_ {H_2O (l)} \ cdot \ Delta T [/ latex]. Обратите внимание, что удельная теплоемкость жидкой воды отличается от теплоемкости льда.
Жидкость закипит, когда раствор поглотит достаточно тепла, чтобы температура достигла точки кипения, где снова температура остается постоянной, пока вся жидкость не станет газообразной водой.При атмосферном давлении 1 атм этот фазовый переход происходит при температуре 100–90–161–90–162 ° C (нормальная температура кипения воды). Жидкая вода становится водяным паром или паром, когда переходит в газовую фазу. Используйте тепло для испарения ([латекс] \ Delta H_ {vap} [/ latex]), чтобы вычислить, сколько тепла было поглощено в этом процессе: [латекс] q = m \ cdot C_ {H_2O (g)} \ cdot \ Delta T [/ latex], где м — масса пробы воды.
После того, как вся жидкость будет преобразована в газ, температура будет продолжать повышаться по мере добавления тепла.Опять же, добавленное тепло, которое приводит к определенному изменению температуры, определяется следующим образом: [латекс] q = m \ cdot C_ {H_2O (g)} \ cdot \ Delta T [/ latex]. Обратите внимание, что удельная теплоемкость газообразной воды отличается от теплоемкости льда или жидкой воды.
Вода имеет высокую температуру кипения из-за наличия обширных взаимодействий водородных связей между молекулами воды в жидкой фазе (вода является одновременно донором и акцептором водородных связей). Когда тепло впервые применяется к воде, она должна разорвать межмолекулярные водородные связи в образце.После разрыва связей тепло поглощается и преобразуется в увеличенную кинетическую энергию молекул для их испарения.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Символы для химии и физики

Вы можете использовать эти символы в своих вопросах или заданиях.

Химия и физика

902 902 emfbar> 6 902 902 902ud 22 90 212 90tar203 90tar203 90tar203 902 90tar203

Символ	Код

	`902 902 902 902 902 902 acsource>`


	ds
dshort s: cbarrow>













		`m s: h3Ortarrow>`
ℏ

	902 15

•
	3







			12




		8





	`nx 902 902 >`














9021 3







	`2 >`






908

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:

Проводимость
Конвекция
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 проводимости .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 штифта

ИНСТРУКЦИЯ:

Установите устройство, как показано на схеме.
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.
Прикрепите канцелярские скрепки или булавки к стержню, воткнув их в вазелин.
Зажгите горелку Бунзена и нагрейте один конец стержня.
Наблюдайте, как бумажные булавки или булавки одна за другой выпадают, когда энергия проходит через стержень.

ИНСТРУКЦИЯ:

Ваш учитель настроит демонстрацию, как показано на схеме ниже.
Понаблюдайте, что происходит с булавками или скрепками, когда зажигается горелка Бунзена и к одному концу металлического стержня прикладывается тепло.

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 требуется, 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:

Когда горит горелка Бунзена, что происходит со стержнем прямо над ней?

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 сталкиваться 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:

Начните с того, что спросите учащихся, почему они предпочли бы стоять зимой 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.

Поместите кубик льда на каждый блок и наблюдайте, что происходит.

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 попросите учащихся 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 ощущается 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 быть склонны сказать, что олово имеет более высокую температуру, чем торт, поскольку оно кажется более горячим, а металлическое олово вызовет более серьезные ожоги, 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, металлическое олово будет более горячим 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 Visit , 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: то, что материал на ощупь холоднее, 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:

Убедитесь, что вы работаете на подходящей поверхности, например, на огнестойком коврике, и что она чистая и не загромождена.
Убедитесь, что газовая трубка в хорошем состоянии и не погибнет.
Надежно подсоедините горелку к выпускному отверстию для газа и убедитесь, что она не будет легко отсоединена при перемещении горелки Бунзена.
Убедитесь, что воротник в основании горелки Бунзена и отверстие для воздуха закрыты.
Сначала зажгите спичку, держа ее подальше от горелки Бунзена.
Включите газ другой рукой и поднесите спичку к горелке Бунзена, чтобы зажечь ее.
Отрегулируйте отверстие для воздуха, открыв его так, чтобы пламя стало сильнее.
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
соответствует

Перечисленные здесь материалы являются рекомендациями.Вы можете использовать альтернативный аппарат, чтобы продолжить расследование. Например, для нагрева стержней можно использовать спиртовку. 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:

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

Тип 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.

Тип 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 объектов. 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 потоки (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:

Отрежьте горлышко прозрачной емкости 4 или 5 л.
Наполните емкость на три четверти холодной водопроводной водой.
Налейте цветную горячую воду (может быть окрашена пищевым красителем) в небольшую бутылку с легко снимаемой крышкой. Закройте крышку.
Опустите маленькую бутылку в контейнер.
После опускания осторожно откройте его, затем осторожно выньте руку из контейнера с крышкой.
Обратите внимание на то, что цветная горячая вода поднимается из маленькой бутылочки 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 ее на дно стакана с одной стороны, чтобы они могли видеть, как движутся потоки в воде.

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

ВОПРОСЫ:

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

Учащиеся должны видеть 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 из одной области в жидкости или газе в другую. 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 прикрепить к нему свечу, чтобы она стояла.

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

излучение
матовый
отражают
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 прикладывают руки к пламени. Обратите внимание, что тепло излучает во всех направлениях вокруг источника тепловой энергии (включая верхнюю часть 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
соответствует

ИНСТРУКЦИЯ:

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

ВОПРОСЫ:

Теперь мы знаем, что тепло от свечи будет передаваться воздуху вокруг нее. Они согреются. 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 вы почувствуете 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 бумага
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:

Сложите каждый лист бумаги и алюминиевую фольгу в виде конверта.
Поместите термометр в каждый конверт и запишите начальную температуру.
Положите все конверты на солнце.
Проверяйте температуру на термометрах каждые 2 минуты в течение 16 минут.
Запишите результаты в таблицу.
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.

Были ли у вас 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.

15.1 Полезная и потраченная энергия | Передача энергии в окружающую среду

Полезная и потраченная энергия

Диаграмма Санки
вход
выход

Учащиеся раньше не видели диаграмм Санки .Вы должны объяснить полезность представления процессов с помощью изображений. Иллюстрации оказывают быстрое визуальное воздействие на зрителя, что облегчает понимание процесса. Диаграмма Сэнки - это визуальное представление энергетического процесса, показывающее входную и выходную энергию. Диаграммы Санки должны быть нарисованы аккуратно и максимально приближены к масштабу. Найдите время, чтобы нарисовать на доске несколько примеров, чтобы учащиеся увидели, что все энергетические процессы имеют более одного типа выходной энергии.

Этим термином мы рассматривали передачу энергии внутри систем. Системы имеют входную энергию и выходную энергию. Такие системы, как приборы, инструменты, транспортные средства и машины, предоставляют нам полезную продукцию. Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы определить, что это за выходные данные в некоторых системах.

ИНСТРУКЦИЯ:

Посмотрите на каждую из фотографий и определите, что можно использовать в этой системе.

Что входило в каждую из этих систем?

Электричество / электрическая энергия.

Когда мы используем какой-либо прибор или машину, мы передаем энергию от одного объекта к другому. Не вся энергия передается туда, куда мы хотим, большая ее часть передается в окружающую среду, где она не помогает нам в достижении наших целей.Энергия, которая передается в окружающую среду, равна « потрачено впустую ».

Посмотрите, как этот шоколадный кролик тает под энергосберегающей лампочкой.

Мы можем использовать диаграмму Санки , чтобы показать, как энергия передается в системе. Это дает нам картину того, что происходит, и показывает входящую энергию и то, как выходная энергия складывается из полезной энергии (стрелка вверху) и потраченной впустую энергии (стрелка идет вниз).Взгляните на следующий общий пример.

Диаграммы

Санки названы в честь ирландского капитана Мэтью Санки, который впервые использовал этот тип диаграммы в 1898 году в публикации по энергоэффективности парового двигателя.

Ширина стрелок на этих диаграммах о чем-то говорит. Входная энергия равна ширине исходной стрелки. Ширина обеих стрелок выходной энергии (полезной и потраченной впустую) в сумме равна ширине входной стрелки.Как вы думаете, почему это так? Вспомните, что вы узнали об энергии внутри систем в главе 2.

Это происходит потому, что энергия не создается и не уничтожается, а сохраняется в системе. Таким образом, входная мощность должна равняться выходной энергии в системе.

Диаграммы

Санки нарисованы в масштабе, так что ширина стрелок дает нам визуальное представление о том, сколько энергии полезно, а сколько тратится впустую.На приведенной выше диаграмме вы можете видеть, что только небольшая часть входной энергии была полезной, а большая часть входной энергии была потрачена впустую, передаваясь в окружающую среду. Эффективная система - это система, в которой полезная выходная энергия лишь немного меньше входной энергии. Неэффективная система тратит много энергии. Как вы думаете, это эффективная энергетическая система? Почему?

Нет, это неэффективно, так как тратится много энергии.

Это подводит нас к следующему пункту о том, насколько эффективна энергетическая система. Если потраченная впустую энергия намного превышает полезную выходную энергию, то система не является энергоэффективной. На приведенной выше диаграмме Сэнки фактически показана передача энергии лампочкой. Вы определили полезный выход энергии как свет в последнем упражнении. Как вы думаете, сколько будет потраченной впустую энергии? Куда оно девается?

Он теряется в виде тепла, когда энергия передается окружающему воздуху.

Вы видите, что лампа накаливания на самом деле не очень эффективная система? Это потому, что большая часть энергии теряется в виде тепла, когда энергия передается в окружающую среду. Есть что-нибудь более действенное? Посмотрите фото люминесцентной лампочки.

Люминесцентная лампочка.

Люминесцентная лампа намного эффективнее, чем лампы накаливания, в которых для получения света используется нагретый провод. Большая часть энергии теряется, поскольку она передается в окружающий воздух от металлической нити.В люминесцентной лампе меньше энергии теряется в окружающей среде и больше энергии передается в полезную световую энергию. Используйте эту информацию, чтобы нарисовать диаграмму Санки для люминесцентной лампы в пространстве ниже.

Схема ученика должна выглядеть следующим образом:

Рассмотрим другой пример. Посмотрите на даму на фото с помощью электродрели. Электрическая энергия от сверла передается на буровое долото в виде кинетической энергии.Сверло поворачивается и сверлит в металле. Но дрель тоже издает много шума. Энергия используется для создания звука, и сверла нагреваются, поэтому часть энергии преобразуется в тепловую. Это означает, что часть электрической энергии передается в окружающую среду в виде звуковой и тепловой энергии. Это энергия, которая была потрачена впустую, потому что звуковая и тепловая энергия нам не полезны.

Дама использует электродрель, чтобы проделать дыру в детали самолета.

Заполните следующую диаграмму Сэнки, указав, что такое входная энергия, а затем выходы энергии.

Диаграмма Сэнки учащегося должна выглядеть с этикетками следующим образом:

Чтобы нарисовать диаграмму Сэнки, вам нужно тщательно подумать о входящей энергии и о том, как входящая энергия передается в окружающую среду. Давайте попрактикуемся в этом еще немного в следующем упражнении.

ИНСТРУКЦИЯ:

Посмотрите на следующие схемы / фотографии бытовой техники.
Заполните таблицы, показывающие передачу энергии для каждой диаграммы / фотографии. Первый уже выполнен за вас.

Нить в лампочке.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
электричество	свет	тепловая энергия

Горящие свечи.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
потенциальная энергия воска	свет	тепловая энергия

Электрический венчик.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
электричество	движение / кинетическая энергия	звук, тепловая энергия

Автомобильный двигатель.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
бензин / потенциальная энергия от сжигания топлива	кинетическая энергия	тепловая энергия, звук

Сварка металла вместе.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
электрическая энергия	тепловая энергия	свет, звук

Бегут спортсмены.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
потенциальная энергия в пище	кинетическая энергия	тепловая энергия, звук

Телевидение.

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД

ВХОД энергии	ВЫХОДНАЯ полезная энергия	Потраченная энергия ВЫХОД
электрическая энергия	свет, звук	тепловая энергия

Теперь, когда мы определили передачу энергии в каждой системе, а также входную и выходную энергию, давайте попрактикуемся в построении еще нескольких диаграмм Санки.

Видео по рисованию базовой диаграммы Санки.

Давайте рассмотрим пример лампы накаливания, чтобы нарисовать диаграмму Санки. Лампа накаливания использует только около 10101010101010101010% входной энергии для генерации света, остальное «тратится впустую», потому что она нагревает окружающий воздух, не производя света. Это означает, что наша диаграмма Санки должна разделиться на две части: одну для света и одну для тепловой энергии, которая передается в окружающую среду (тепло).Стрелка тепловой энергии должна составлять 90% ширины стрелки ввода, а светлая стрелка должна составлять 10% ширины стрелки ввода.

ИНСТРУКЦИЯ:

Теперь нарисуйте диаграмму Санки для некоторых устройств из последнего действия, которые перечислены ниже.
Описание передачи энергии предоставлено для каждого устройства.
Сконцентрируйтесь на демонстрации того, как входящая энергия распределяется между полезной и потраченной впустую.Помните, что ширина стрелки должна показывать, сколько энергии передается. Толстая стрелка означает большое количество энергии, тонкая стрелка означает небольшое количество энергии.
Покажите различные входные и выходные энергии и проценты.

Электрический взбиватель:

Электрический взбиватель преобразует 70% входной энергии в кинетическую энергию для взбивания пищи, а 30% - это потраченная впустую выходная энергия в виде тепловой энергии и звука.

Двигатель автомобиля:

Двигатель автомобиля передает только 30% входной энергии для движения автомобиля, а 70% расходуется в виде звуковой и тепловой энергии.

Телевидение:

Телевизор использует 80% входной энергии для создания изображения на экране и звука, а 20% тратится как тепловая энергия.

ВОПРОСЫ:

Какая система из трех приведенных выше примеров является наиболее эффективной? Почему?

Телевизор, так как большая часть потребляемой энергии (80%) передается на полезный выход (свет и звук), и только 20% теряется в виде тепловой энергии.

Какая система из трех приведенных выше примеров наименее эффективна? Почему?

Двигатель автомобиля, так как расходуется больше энергии (70%), чем передается на полезную энергию для движения автомобиля (30%).

Большая часть нашей повседневной деятельности требует определенного вида электроэнергии. Электроэнергия производится путем сжигания топлива и преобразования химической потенциальной энергии в кинетическую энергию для производства электроэнергии. Ископаемое топливо, такое как уголь, хранит огромное количество энергии, но мы можем использовать только небольшой процент этой энергии. Много энергии передается окружающей среде в виде тепла, звука и света.

Это исследовательская деятельность. Если у ваших учеников есть доступ к Интернету и / или библиотеке, позвольте им потратить некоторое время на изучение передачи энергии в силовой установке и двигателе автомобиля. Если у ваших учеников нет доступа к Интернету, было бы неплохо распечатать некоторую информацию с различных веб-сайтов, которую можно было бы раздать классу. Вы можете позволить печатной информации распространяться по классу, так что вам не понадобится столько копий.Это позволит сэкономить на бумаге и расходах на печать.

В этом упражнении они сначала увидят, как потраченная впустую энергия может быть в нескольких формах и как представить это на диаграмме Сэнки для автомобильного двигателя. Затем учащиеся исследуют электростанцию. Вы можете заставить учащихся работать в группах, чтобы найти информацию, но убедитесь, что каждый учащийся может написать свой собственный абзац. Это даст вам представление о том, понял ли учащийся то, что они исследовали.

Вот ресурс для справки: http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/21c_pre_2011/energy/generatingelectricityrev4.shtml

В наших предыдущих диаграммах Сэнки у нас была только одна стрелка для вывода потраченной впустую энергии, но она может разделяться на более чем одну стрелку, чтобы обозначить различные способы расходования энергии. Также может быть более одной стрелки для полезной энергии, например, на приведенной выше телевизионной диаграмме свет и звук полезны и могут быть представлены двумя стрелками.

В последнем упражнении мы рассмотрели передачу энергии в двигателе автомобиля. Однако мы использовали только одну стрелку, чтобы обозначить потерянную энергию. Мы можем показать разницу между способами потери энергии на диаграмме Санки. Используйте следующую информацию, чтобы обозначить диаграмму Санки:

Входная энергия в двигателе автомобиля обеспечивается сгоранием бензина.
Только 30% энергии передается в полезную выходную энергию в виде движения.
Около 70% энергии передается окружающей среде в виде тепловой энергии и звука. Часть энергии теряется на охлаждение двигателя.

Это обозначенная диаграмма Санки:

На электростанции энергия передается через систему для производства электроэнергии.Во время передачи энергии через систему часть энергии тратится впустую.

Используйте Интернет или другие ресурсы, чтобы найти различные способы передачи энергии в окружающую среду в виде потерь энергии при производстве электроэнергии на электростанции.

Напишите короткий абзац, чтобы объяснить передачу энергии. Как входящая энергия передается через систему и где теряется потраченная впустую энергия?

Абзац должен содержать следующую информацию:

Уголь сжигается, энергия передается воде и используется для кипячения воды.Часть энергии теряется во время этого процесса.
Пар из кипящей воды используется для вращения турбины. Кинетическая энергия пара передается турбине. Часть энергии теряется в окружающей среде в виде звуковой и тепловой энергии.
Кинетическая энергия турбины передается генератору. Часть энергии теряется в окружающей среде в виде звуковой и тепловой энергии.
Кинетическая энергия генератора используется для выработки электроэнергии.

Нарисуйте диаграмму Санки для передачи энергии.

Пример диаграммы Санки для электростанции приведен ниже. Вы также можете увидеть, что узнали учащиеся, а затем нарисовать это на доске, чтобы проиллюстрировать переводы.

Помните, энергия измеряется в джоулях (Дж).

Энергия, поступающая в систему, называется входной энергией.
Энергия передается в системе для получения полезной выходной энергии.
Инструменты, приспособления, транспортные средства и машины обеспечивают полезную выработку энергии.
Не вся входная энергия передается на полезный выход. Часть энергии тратится или теряется. Таким образом, полезный выход меньше, чем входная энергия, так как часть выходной энергии тратится впустую.
Примером может служить электрическая лампочка, в которой на входе подается электричество, а на выходе - свет. Однако большое количество энергии теряется в окружающую среду в виде тепловой энергии.
Эффективность системы определяется тем, какая часть входящей энергии передается в полезную выходную энергию. Чем больше потраченная впустую выходная энергия, тем менее эффективна система.
Диаграмма Санки используется для демонстрации передачи энергии в системе.
На диаграмме Сэнки стрелки представляют часть входящей энергии, которая передается на полезный выход энергии, и часть, которая передается в окружающую среду и тратится впустую.

Концептуальная карта

Заполните концептуальную карту, приведя два примера систем, в которых энергия передается в окружающую среду и «расходуется» в виде звуковой и тепловой энергии, а также один пример, в котором выводимая впустую энергия является светом.

Версия для учителя. Приведенные здесь примеры - не единственные. Учащиеся могут использовать любой из примеров, обсуждаемых в главе, которые подходят.

Что подразумевается под «потраченной впустую» энергией? [2 балла]

В энергетической системе некоторая часть энергии передается в окружающую среду способами, которые мы не планировали или которые нам не нужны.Это количество энергии бесполезно и поэтому «тратится впустую».

Нарисуйте простую диаграмму Сэнки, чтобы показать передачу энергии в системе, где потраченная впустую энергия больше, чем полезная энергия. [4 балла]

В этой главе учащиеся использовали проценты, чтобы нарисовать свои диаграммы Санки.Следующее является расширением и начинается с простого примера, который они уже видели в этой главе, а именно с лампочки, но передача энергии была представлена в процентах. В первом примере здесь мы начинаем с 100 Дж вместо 100%. Диаграмму Санки нарисовать несложно. Однако в последующих примерах входная энергия составляет более 100 Дж. Учащимся не нужно вычислять проценты, но толщина стрелок должна отражать передаваемую сумму.

Для каждой из следующих ситуаций нарисуйте помеченную диаграмму Сэнки, чтобы показать количество входящей энергии, полезной энергии и потраченной впустую энергии.

Электрический фонарик преобразует 100 джоулей (Дж) электрической энергии в 10 Дж световой энергии и 90 Дж тепловой энергии. [3 балла]
Электрический фонарик.
Телевизор имеет выходную энергию 500 Дж. 400 Дж в форме света. 50 Дж - это звук, а 50 Дж - тепловая энергия. [3 балла]
Телевизор.
Фен преобразует 300 Дж энергии в 150 Дж кинетической энергии, 100 Дж тепловой энергии и 50 Дж звуковой энергии.[3 балла]
Фен. Http://www.flickr.com/photos/sunshinecity/2336638849/

Напишите описание передачи энергии в каждой из рассматриваемых ситуаций 2. [6 баллов]

а.Потенциальная энергия от батареек в фонаре передается нити накала лампы. Энергия передается в окружающую среду в виде тепловой энергии и света. Большая часть энергии передается в виде тепловой энергии, которая бесполезна, и только часть энергии передается в виде света.

г. Энергия от телевизора передается в окружающую среду в виде тепловой энергии, звука и света. Свет и звук полезны, потому что это изображения и звуки, которые мы хотим слышать.Тепло - это потраченная впустую энергия.

г. Энергия фена используется для нагрева воздуха и сушки волос. Две трети энергии - это полезная тепловая энергия, но одна треть передается в виде звука, что для нас бесполезно.

В чем разница между лампочкой накаливания и энергосберегающей лампочкой? [2 балла]

В лампе накаливания используется металлическая нить, а в энергосберегающей лампе для освещения используется люминесцентный газ.

Почему энергосберегающая лампочка лучше экономит энергию, чем лампа накаливания? [3 балла]

Большая часть энергии, используемой для создания свечения лампы накаливания, используется для нагрева металла, чтобы заставить металл светиться.Это означает, что большая часть энергии тратится впустую в виде тепловой энергии, когда нам действительно нужен свет. Энергосберегающие лампы не должны нагревать газ до того, как он загорится, и поэтому они расходуют меньше энергии.

В предыдущей главе мы рассмотрели изоляционные материалы и то, как они помогают уменьшить передачу энергии. Используйте эти знания, а также то, что вы узнали в этой главе о входящей энергии, полезной выходной энергии и потраченной впустую энергии, чтобы объяснить, почему электрический гейзер должен иметь изолирующий слой снаружи.[4 балла]

Электрический гейзер преобразует электричество в тепловую энергию в частицах воды, когда вода нагревается. Полезный выход - это тепловая энергия для нагрева воды. Однако часть этой тепловой энергии может уйти из гейзера в окружающую среду. Следовательно, это напрасно. Чтобы сделать систему гейзера более эффективной, чтобы полезный выход энергии был больше, а потери тепловой энергии были минимизированы, гейзер должен иметь изолирующее покрытие, чтобы уменьшить передачу энергии в окружающую среду за счет теплопроводности.

В электрическом гейзере нагревательный элемент размещен у дна гейзера. Почему это? [2 балла]

Нагревательный элемент размещен внизу, так как он более эффективен, потому что по мере того, как вода нагревается за счет передачи энергии, нагретая вода расширяется и движется вверх, а холодная вода движется вниз конвекционным потоком, тем самым нагревая все воды.

Это ведет к предыдущим главам, так что знания могут быть пересмотрены и усилены.

Всего [32 балла]

Как заменить воздушный фильтр в доме

Вы знаете, как заменить воздушный фильтр в вашем доме?

Замена печного фильтра - это, пожалуй, самый быстрый и простой способ повысить эффективность вашей системы отопления и очистить воздух в доме.Сделать это проще, чем вы думаете.

Процедура должна занять пять или десять минут. Вероятно, самая трудоемкая часть этого проекта будет заключаться в том, чтобы найти фильтр нужного размера и бежать в магазин за заменой.

По сути, вы просто меняете старый фильтр на новый. После того, как у вас есть сменный фильтр, все, что вам нужно сделать, это выполнить эти 6 простых шагов:

Выключите печь
Найдите и найдите свой печной фильтр
Определите размер вашего фильтра
Снимите существующий (старый) фильтр
Вставьте новый фильтр
Верните печь в положение «включено»

1.Чтобы заменить воздушный фильтр в доме, вам нужно выключить печь

Чтобы предотвратить включение агрегата HVAC во время замены фильтра, убедитесь, что вы установили термостат в положение «выключено». Это поможет защитить вашу систему HVAC от незакрепленного мусора или, возможно, незакрепленного фитинга фильтра, выходящего в воздуховод.

Для максимальной безопасности отключите питание от печной системы на время проведения технического обслуживания.

2. Найдите и найдите фильтр для печи

Где находится мой воздушный фильтр? Вот два предложения, чтобы ответить на этот неприятный вопрос.

Сначала обратитесь к руководству, прилагаемому к вашей системе отопления и охлаждения. В этом руководстве вы должны узнать, какой тип и размер фильтра рекомендуется для вашей системы отопления и охлаждения.

Если у вас нет руководства по эксплуатации устройства, большинство воздушных фильтров расположено либо в отсеке нагнетателя печи (снимите крышку печи, как правило, приподняв), либо встроено в металлические воздуховоды перед нагнетательным вентилятором.

Некоторые из этих систем оснащены фильтрами, которые можно слить из шланга или сполоснуть в раковине или ванне.В других используются фильтры из стекловолокна, которые нельзя использовать повторно. Эти фильтры легко найти в магазинах бытовой техники, товаров для дома и даже в продуктовых магазинах.

3. Определите размер домашнего воздушного фильтра

Проверьте, указан ли в руководстве по эксплуатации печи размер воздушного фильтра, который нужно купить.

Если это не так, частично удалите существующий фильтр и посмотрите его размеры, обычно указанные на картонной рамке фильтра.

Если вы не можете найти эту информацию, используйте рулетку или линейку, чтобы измерить размеры по высоте, ширине и толщине.Например, фильтр, изображенный слева, - это 16-x-25-x-4. Другими словами, шириной 16 дюймов; 25 дюймов в длину и 4 дюйма в толщину.

Запишите эти размеры на листе бумаги, чтобы взять его с собой, когда вы пойдете в магазин за новым фильтром. Также неплохо написать их перманентным маркером на самом корпусе печи или воздуховодах, чтобы облегчить этот процесс в следующий раз.

Хотя физические размеры ширины и длины фильтра (например, 16 x 25) предварительно установлены в соответствии с размером вашего воздуховода, иногда вы можете добавить дополнительную мощность очистки, купив дополнительную глубину фильтра.Например, ваш воздуховод может позволить вам приобрести фильтр 16x25x5 - этот дополнительный дюйм емкости фильтра может иметь большое значение для очистки воздуха, которым вы дышите.

4. Снимите существующий (старый) воздушный фильтр

Прежде чем снимать имеющийся воздушный фильтр, обратите внимание на стрелку на рамке фильтра, которая показывает правильное направление воздушного потока. Вам нужно будет установить новый фильтр в том же направлении, что и старый. «Стрелка направления воздушного потока», напечатанная на новом фильтре, должна быть направлена в сторону печи (точнее, стрелка должна указывать на блок вентилятора печи).

Рекомендуется нарисовать стрелку направления воздушного потока перманентным маркером на корпусе печи или воздуховодах. В идеале вы должны указать направление воздушного потока и размер фильтра (16x25x4 Airflow →)

Вытащите старый фильтр и поместите его прямо в мешок для мусора, чтобы пыль не рассыпалась.

Каждый фильтр HVAC имеет рейтинг MERV, который измеряет, насколько эффективно фильтр улавливает загрязнители, которые проходят через вашу систему отопления и охлаждения.Рейтинги MERV варьируются от 1 (наименее эффективный) до 16 (чрезвычайно эффективный). Некоторые исследования показывают, что фильтры средней эффективности - в диапазоне MERV от 7 до 12 - обеспечивают наилучший баланс между удалением аллергенов и стоимостью фильтра.

>> Не забудьте проверить, насколько эффективны ваши домашние воздушные фильтры? чтобы узнать больше о рейтингах MERV.

Домашние воздушные фильтры

Basic предназначены для улавливания пыли, грязи и взвешенных в воздухе твердых частиц, прежде чем они могут попасть в систему и потенциально повредить нагнетательный вентилятор или нагревательный змеевик.Более дорогие фильтры выполняют ту же роль, к тому же они могут улучшить качество воздуха в вашем доме, задерживая бактерии, пыльцу, плесень и споры плесени.

>> Узнайте больше о некоторых загрязняющих веществах, которые может улавливать ваш фильтр, в этой статье.

5. Вставьте новый воздушный фильтр

Еще раз обратите внимание на стрелку на старой раме фильтра, которая показывает правильное направление воздушного потока. Удалите старый фильтр и вставьте новый так, чтобы направление воздушного потока оставалось прежним.

Домашние воздушные фильтры предназначены для фильтрации воздуха в одном направлении, так что, когда они забиваются грязью, они не разрушаются или не разваливаются. Это так просто.

6. Верните печь в положение «включено»

Убедитесь, что вы установили термостат в положение «включено» после замены фильтра. Со свежим фильтром вы снова готовы к использованию печи!

1.4: Работа с моделью энергетического взаимодействия

Диаграммы энергетического взаимодействия

При решении сложных задач энергетического взаимодействия часто бывает полезно использовать инструмент, разработанный для этого курса, - диаграмму взаимодействия энергии .Диаграммы энергетического взаимодействия иллюстрируют типы энергетических преобразований, которые происходят, когда открытая физическая система взаимодействует со своим окружением или с двумя или более веществами, которые определяют замкнутую физическую систему, взаимодействуют друг с другом. Диаграмма помогает прояснить задействованные физические системы, конкретные типы задействованной энергии и изменения этих энергий в результате взаимодействия в течение заданного интервала времени. Начальное и конечное состояния систем должны быть четко обозначены на схеме.Эти диаграммы представляют собой диаграммы «до и после». То есть они указывают состояние систем до того, как произошло взаимодействие, и состояние систем после того, как взаимодействие произошло, не указывая при этом никаких деталей того, как система перешла из начального в конечное состояние. Мы используем диаграммы взаимодействия энергии, потому что они полезны. Они помогают нам систематически применять подход сохранения энергии к конкретной физической ситуации с использованием модели взаимодействия энергии .

Рисунок 1.3.1: Иллюстрация «до» и «после».

Рисование диаграмм энергетического взаимодействия при моделировании взаимодействия в системе ЗАКРЫТАЯ :

Начало и конец взаимодействия указывается путем явной записи состояния физической системы, которое соответствует началу и концу временного интервала, в течение которого происходит взаимодействие. Эти времена называются начальными и конечными временами.
Типы энергии, которые изменились в течение указанного интервала времени, обозначены кружками и помечены достаточно, чтобы идентифицировать тип энергии.
Если передача энергии в окружающую среду значительна, например, из-за трения, включите тепловую систему окружающей среды на диаграмме взаимодействия энергии. То есть расширить границы замкнутой системы, включив в нее среду.
Изменение каждой энергии, будь то увеличение или уменьшение, обозначается, если оно известно, стрелкой «вверх» или «вниз».
Должны быть показаны изменения наблюдаемого параметра (индикатора), связанные с каждым типом энергии, которые происходят в результате взаимодействия. Если количественное изменение значения известно, его следует указать. В противном случае можно использовать стрелку «вверх» или «вниз» после символа индикатора, чтобы указать ожидаемое увеличение или уменьшение.
Нарисуйте сплошной овал вокруг всех «энергетических кругов», чтобы указать, что система замкнута.
Под диаграммой напишите уравнение сохранения энергии.Вы также можете указать, какие количества являются положительными или отрицательными для каждого члена уравнения.

Рисование диаграммы энергетического взаимодействия Диаграммы при моделировании взаимодействия в системе OPEN :

Важное различие между открытой и закрытой системами состоит в том, что энергия извне открытой физической системы может передаваться в физическую систему или из нее в виде тепла Q или работы W. (По определению, эти передачи не происходят для закрытой системы. система.Единственная разница в диаграмме взаимодействия энергии для двух типов состоит в том, что диаграмма для открытой системы должна явно показывать передачу Q и / или W. Это делается путем рисования овала , пунктирного вокруг, вокруг все энергии (для обозначения границы открытой физической системы) и рисование стрелок, указывающих в сторону или от границы, чтобы показать передачу Q или W внутри или в нашу, соответственно. Типовой пример диаграммы взаимодействия энергии для открытой системы показан ниже.

Рисунок 1.3.2: Общий пример диаграммы взаимодействия энергии в открытой физической системе с двумя веществами, тремя типами энергии и теплом, покидающим систему.

Комментарии:

То, что показано на диаграмме выше, является минимумом, который всегда необходимо записывать. Большая часть напряженных размышлений была сделана, чтобы добраться до этого момента. Часто многие объяснения физических явлений могут быть построены с использованием этой диаграммы, не идя дальше и не подставляя явные выражения для отдельных изменений в единицах энергии и числовых значениях для различных параметров.Даже если от вас требуется продолжить процесс до получения числового результата, вы должны проделать мысленную работу по построению диаграммы взаимодействия энергии до этой точки, прежде чем выполнять какие-либо численные вычисления.
На схеме открытой системы стрелка, показывающая передачу энергии в систему, нарисована в направлении потока энергии и помечена как Q или W. Не пишите «-Q» или «-W», когда энергия перенесен из системы. Стрелка, указывающая от системы, указывает на то, что Q или W является отрицательной величиной.Сама по себе переменная может быть положительной или отрицательной величиной. Знак добавляется при преобразовании переменной в числовое значение.

Общий процесс построения диаграммы взаимодействия энергии

Здесь перечислены некоторые общие вопросы, которые вам нужно задать себе при использовании модели взаимодействия энергии . Порядок s uggested логичен, но часто бывает необходимо вернуться к предыдущим вопросам в зависимости от того, что известно о взаимодействии.Диаграмма взаимодействия энергии - это инструмент, который поможет вам использовать модель взаимодействия энергии , которая поможет вам отслеживать многие важные детали, которые вам нужны при построении модели, соответствующей конкретной физической ситуации, которая вас интересует.

Вот список общих вопросов:

Что случилось? Изложите суть интересующего физического явления своими словами . Вам не нужно это записывать, но у вас должен быть «внутренний диалог» с самим собой.
Каковы границы моделируемой физической системы? Ответьте на этот вопрос, указав физических вещей , которые вы собираетесь включить в физическую систему. (Примеры «физических вещей»: воздух, H ₂ O, ваша рука, тепловой пакет, все химические вещества.)
Каков объем процесса или взаимодействия? Это означает идентификацию начала и конца временного интервала, соответствующего процессу / взаимодействию, который вы определили , и явное написание этого на диаграмме.
Какие типы энергии вы включаете в свою диаграмму? Ответ: Какие показатели меняются? Каждый изменяющийся индикатор соответствует типу изменяющейся энергии. Поместите эти энергии на свою диаграмму как , помеченные кружками (например, «H ₂ O E _Thermal»). Включите индикатор для каждого типа энергии внутри помеченного круга со стрелкой вверх или вниз, показывающей, увеличился или уменьшился индикатор во время процесса, если это известно.
Каковы значения индикаторов в моменты времени, соответствующие началу и концу интервала, который вы выбрали на шаге (3)? Запишите начальное и конечное значения индикаторов рядом с их соответствующими значениями энергии. Помните, что все начальные и конечные значения индикаторов должны соответствовать тем же начальным и конечным временам . Примечание: не всегда необходимо для определения конкретных начальных и конечных значений для всех индикаторов. Иногда , в зависимости от вопроса, вас интересует только изменение в индикаторе (например.г., \ (\ Delta T \)). В других случаях вы можете знать только то, что окончательное значение индикатора больше (или меньше, или равно) начальному значению. Дело не в том, чтобы запомнить серию шагов, а в том, чтобы как можно более конкретизировать то, что вы знаете. Диаграмма - это не самоцель, а инструмент, который проведет вас через анализ и поможет организовать свои мысли. Диаграмма помогает связать конкретное физическое явление с конкретной моделью, которую вы строите.
Физическая система в вашей конкретной модели открыта или закрыта? Если вы моделируете явление как открытую физическую систему , , нарисуйте пунктирный овал, охватывающий все энергии, и используйте стрелку, которая останавливается или начинается на овале, чтобы показать тепло или работу, входящую или выходящую из физической системы.Возможно, вам понадобится вернуться к шагу (2) и изменить границы физической системы.
Напишите уравнение, выражающее сохранение энергии для вашей конкретной диаграммы взаимодействия энергии , в терминах \ (\ Delta Es \), \ (Q \) и / или \ (W \). Каждый член в вашем уравнении сохранения энергии должен соответствовать «энергетическому кругу» на вашей диаграмме. Обратите внимание, что основная цель построения диаграммы взаимодействия энергии - помочь вам записать уравнение сохранения энергии.Если вы хорошо освоитесь с этой моделью, вы можете сразу перейти к этому шагу и пропустить рисование диаграммы, если только вас не попросят об этом.

Конечно, возможны гораздо более сложные пути, чем шаги 1) -7). В следующем примере показано, как с этим справиться.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Ниже представлены графики зависимости температуры от добавленной энергии для веществ A и B. Вещество A изначально имеет температуру -5 ° C. Вещество B изначально находится в газовой фазе при температуре кипения 10 ° C.Предположим, что для обоих веществ существуют все фазы. Когда два вещества вступают в контакт, они в конечном итоге достигают теплового равновесия. Во время этого процесса в окружающую среду выделяется 30 джоулей.

a) Этикетка на графике выше начального и конечного состояний для обоих веществ.

б) Изобразите этот процесс, используя диаграмму взаимодействия энергии.

Решение

a) Вещество B изначально имеет более высокую температуру, чем A, поэтому оно будет терять энергию, а A будет получать энергию.Сохранение энергии говорит нам, что энергия, полученная A, плюс энергия, потерянная B, должна равняться энергии, выделяемой в окружающую среду:

\ [\ Delta E_ {tot} (A) + \ Delta E_ {tot} (B) = Q = -30J \ nonumber \]

Таким образом, B потеряет на 30 джоулей больше, чем получит A.

Начальные точки, указанные в задаче, отмечены на графике ниже. Предположим, B полностью конденсируется до жидкости. Это приведет к потере 60 Дж для B, таким образом, прирост 30 Дж для A.Если A увеличивает 30 Дж, его температура будет 5 ° C, B - 10 ° C, поэтому равновесие еще не достигнуто. Чтобы B достиг 5 ° C, требуется \ (\ Delta E_ {tot} (B) = - 70J \). Это означает \ (\ Delta E_ {tot} (A) = 40J \), где A все еще при 5 ° C расплавлен ровно наполовину, как показано «последней» точкой на графике.

b) В зависимости от начального и конечного состояний, A будет претерпевать изменение тепловой энергии в твердой фазе и изменение энергии связи от всего твердого до полутвердого / жидкого.B будет проходить через изменение энергии связи всего газа на всю жидкость и изменение тепловой энергии в жидкой фазе. Диаграмма взаимодействия энергии для этого процесса показана ниже.

Кипячение кастрюли с водой

Давайте рассмотрим физическое состояние кастрюли с водой, оставленной на оставленной без присмотра кухонной плите. Мы могли бы захотеть оценить, сколько времени потребуется, чтобы 1,0 литр (1,0 кг) воды в кастрюле закипел и нагрел кастрюлю до опасно высоких температур, возможно, воспламенив пластиковую ручку.Давайте также предположим, что мы ранее определили скорость, с которой энергия передается от горелки плиты к сковороде, выполнив простой эксперимент, чтобы увидеть, сколько времени требуется, чтобы нагреть 1 кг воды в сковороде на 10 ° C, что дает Расчетная подводимая мощность на воду 1,0 кВт. Power - полезная мера передачи энергии, поскольку она сообщает нам, насколько быстро передается энергия или скорость передачи энергии. Таким образом, мощность имеет единицы энергии в единицу времени. Ватт определяется как \ (Вт = Дж / сек \).

В этом примере мы оба нагреваем воду, начиная с комнатной температуры 25 ° C и меняя ее фазу. Таким образом, нам нужно включить как тепловую энергию, так и энергию связи воды. Поскольку мы знаем, что к поддону подводится тепло 1,0 кВт, имеет смысл моделировать воду как открытую систему с подводом тепла «извне». Однако можем ли мы предположить, что вся энергия передается воде, и пренебречь любой передачей в поддон или в окружающую среду? Если масса воды (1.0 кг) в несколько раз больше, чем масса сковороды (как правило, так и есть), теплоемкость сковороды будет значительно меньше, чем у воды, поскольку удельная теплоемкость воды намного больше, чем у стали или алюминия, а сумма в этом случае также больше. Передачу энергии в окружающую среду от посуды оценить сложнее. По опыту мы знаем, что вода закипает, если оставить ее на некоторое время на горелке. Так что перенос в окружающую среду определенно меньше, чем от плиты к сковороде.Изначально мы можем не включать это в модель и решить, следует ли вводить его, когда мы произведем расчет времени.

Итак, на данный момент наша диаграмма взаимодействия энергии будет выглядеть так:

Рисунок 1.3.3: Диаграмма энергетического взаимодействия для кипящей воды

Вставка алгебраических выражений для каждого вида энергии (уравнения 1.3.4 и 1.3.6):

\ [mc_ {liq} \ Delta T + m \ Delta H_ {vap} = Q \]

Найдите значения для воды в таблице 1.4.3, \ (c_ {liq} = 4,18 ~ кДж / кг \) и \ (\ Delta H_ {vap} = 2257 ~ кДж / кг \) и подставляем в приведенное выше уравнение:

\ [(1 кг) (4,18 ~ кДж / кг) (75K) + (1 кг) (2257 ~ кДж / кг) = 2571 ~ кДж = Q \]

Поскольку подводимая энергия составляет 1 кВт или 1 кДж / с, для выкипания воды потребуется около 2571 с или 43 мин.

Теперь давайте посмотрим, имеют ли смысл наши численные прогнозы. Во-первых, обратите внимание, что рассчитанное изменение энергии связи примерно в семь раз больше, чем изменение тепловой энергии. Это, по крайней мере, согласуется со значениями теплоемкости и теплоты испарения, приведенными в таблице данных.(Мы разовьем гораздо более глубокое понимание этой разницы при дальнейшем развитии нашей модели частиц материи в главе 3.) Эта разница в теплоте также подразумевает, что вода закипит намного быстрее, чем это потребовалось бы, чтобы ее вскипятить (примерно 5 минут против 38 минут). Соответствует ли это вашему личному опыту приготовления пищи? Ранее мы поднимали вопрос, влияет ли сковорода на систему. Если бы мы включили кастрюлю, какие энергии нам нужно было бы добавить? Как это повлияет на наш прогноз времени, когда вся вода выкипит?

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

В эксперименте 0.5 кг льда первоначально при -50 ° C смешивают с небольшим количеством ртути вначале при -10 ° C в изолированном контейнере. Когда два вещества приходят в тепловое равновесие, замерзает 0,2 кг ртути. Предположим, что общая масса Hg превышает 0,2 кг. Используйте Таблицу 1.4.3, чтобы найти любые соответствующие константы.

a) Изобразите процесс, используя диаграмму взаимодействия энергии и графики зависимости температуры от добавленной энергии. Кратко объясните, как вы определили конечную температуру.

б) Рассчитайте общую массу ртути.{\ circ} C \) из таблицы 1.4.3 . Диаграмма взаимодействия энергии и температуры. Графики, добавленные в зависимости от E, показаны ниже.

б) Уравнение сохранения энергии для этого взаимодействия:

\ (m_ {ice} c_ {ice} \ Delta T_ {ice} + m_ {Hg} c_ {Hg, liq} \ Delta T_ {Hg} - \ Delta m_ {Hg} \ Delta H_ {Hg, melt}) = 0 \)

Решение для \ (m_ {Hg} \):

\ (m_ {Hg} = \ frac {\ Delta m_ {Hg} \ Delta H_ {Hg, melt} -m_ {ice} c_ {ice} \ Delta T_ {ice}} {c_ {Hg, liq} \ Дельта T_ {Hg}} \)

Поиск соответствующих значений в таблице 1.{o} C)} = 2.22 ~ кг \)

Когда система достигает равновесия, остается 2,02 кг жидкой Hg и 0,2 кг твердой Hg, так как общая масса составляет 2,22 кг.

Применение к химическим реакциям

Подобно веществам, претерпевающим фазовые переходы, химические реакции включают разрыв и образование связей. Таким образом, кажется логичным, что концепция энергии связи с моделью Energy-Interaction Model может быть применена также к различным химическим реакциям.

Связи в реагентах , химических веществах в начале реакции, разрываются. В то время как соединяется в , продукты , образующиеся химические вещества в реакции. Используя те же аргументы, что и для фазовых переходов, можно сказать, что образование связей высвобождает энергию, а разрыв связей требует энергии. Таким образом, изменение энергии связи химического вещества, связь которого разорвана, положительно. Когда n число молей химического вещества нарушено, \ (\ Delta E_ {bond} = n \ Delta H \), где \ (\ Delta H \) - энтальпия молекулы.При образовании связи энергия связи изменения отрицательна. Для n моль образованных связей \ (\ Delta E_ {bond} = - n \ Delta H \). Химические реакции могут быть экзотермическими , когда тепло передается в окружающую среду, таким образом, общее изменение энергии отрицательное. Другими реакциями являются эндотермические , которые требуют ввода энергии, таким образом, общее изменение энергии положительное. Можно определить, является ли реакция экзотермической или эндотермической, сложив все полные энтальпии реагентов и вычтя полные энтальпии продуктов:

\ [Q = \ Delta E_ {tot} = \ sum_i n_i \ Delta H_ {реагенты} - \ sum_i n_i \ Delta H_ {продукты} \]

Например, живые клетки используют АТФ в качестве источника энергии для других реакций.Химическая реакция гидролиза АТФ показана здесь:

\ [ATP + H_2 O \ стрелка вправо ADP + P_i \]

Распространенное заблуждение об АТФ состоит в том, что «разрушение АТФ высвобождает энергию». Это утверждение явно несовместимо с тем, что мы узнали об энергии связи: «разрыв связей требует затрат энергии». Так почему мы говорим, что АТФ - это источник энергии для жизни? Давайте более внимательно рассмотрим эту химическую реакцию, используя модель Energy-Interaction Model . Когда АТФ и H ₂ O распадаются на составляющие, для разрыва этих связей требуется энергия.Однако при образовании ADP и Pi выделяется энергия.

Цель состоит в том, чтобы выяснить, является ли это экзотермической или эндотермической реакцией, и сколько энергии передается в окружающую среду или забирается из нее. Диаграмма взаимодействия энергии для реакции (до выполнения расчета) показана ниже:

Рисунок 1.3.4: Диаграмма энергетического взаимодействия для гидролиза АТФ

При стандартных условиях \ (| \ Delta H_ {ATP} | = 2982 ~ кДж / моль \), \ (| \ Delta H_ {H_2O} | = 287 ~ кДж / моль \), \ (| \ Delta H_ { ADP} | = 2000 ~ кДж / моль \) и \ (| \ Delta H_ {P_i} | = 1299 ~ кДж / моль \).Подставляя в приведенное выше уравнение значения энтальпии для каждой молекулы с правильными знаками для реагентов и продуктов, мы получаем: \ (Q = 2982 + 287-2000-1299 = -30 ~ кДж / моль \). Это показывает, что реакция экзотермическая, , поэтому энергия выделяется в окружающую среду. Таким образом, хотя для разрушения АТФ требуется энергия, конечным результатом этой реакции является производство энергии.

РубрикаРазное