Феномен тепловых явлений: формулы, понятие, применение
Изучением этого феномена занимались такие великие ученые, как Исаак Ньютон, Роберт Гук, Роберт Бойль, Даниил Бернулли. Уже в те времена ученым было известно, что мир состоит из атомов, которые тогда называли «корпускулами», что означало частицы. А теория тепловых явлений, в свою очередь, называлась корпускулярной.
Великий ученый Михаил Васильевич Ломоносов внес немалый вклад в науку, изучая тепловые явления. Рассматривая тепло как вращательные движения атомов, он смог объяснить такие сложные физические процессы, как плавление металлов, испарение жидкостей, теплопроводность тел, а также открыл миру наибольшую степень холода.
Понятие теплового явления в физике и формулы тепловых процессов
Без преуменьшения можно сказать, что тепловые явления представлены важной составляющей в природе. Это все то, что связано с изменением температуры физических тел. Изучением данных процессов занимается молекулярная физика и термодинамика, с помощью методов статистики и кинетики наблюдают движение атомов. В природе это можно увидеть, когда тает лед, кипит вода, плавится металл, светит солнце и происходят другие подобные процессы.
Когда мы опускаем холодную ложку в чашку с горячим чаем, где температура равна 100°С, ложка постепенно нагревается, а чай немного остывает. Это самый простой пример теплоотдачи, который мы можем наблюдать в повседневной жизни
В физике существуют формулы тепловых явлений. С их помощью вычисляется абсолютная температура вещества по Кельвину, количество тепла, испарение и температура тепла, горение топлива и теплота плавления. Также температуру по шкале Фаренгейта можно перевести в показатель по шкале Цельсия, используя физические формулы.
Области применения теплового явления
Законы термодинамики широко используются в авиации, при конструировании обогревательной системы домов, в паровых двигателях и внутреннего сгорания, реактивных турбинах. Их используют для плавления различных металлов, в промышленности, для создания термостойких материалов и прочего (вплоть до космической промышленности).
На основании этого простого явления, которое мы встречаем повсеместно в окружающем нас мире, было изобретено невероятное количество механизмов. Мы и по сей день используем в быту эти изобретения. Так работает электрический чайник и холодильник. Даже то, что человек согревается под одеялом, тоже пример теплового явления.
Тепловые явления
Тепловые явления всегда связаны с охлаждением или нагреванием, плавлением или отвердеванием, т. е. с изменением температуры.
Тепловые явления в жизни
С тепловыми явлениями мы сталкиваемся ежедневно и вряд ли каждый раз задумываемся над превращениями, сопровождающих эти процессы. Например, просматривая прогноз погоды, мы думаем лишь о выборе подходящих одежды и обуви. Чтобы выпить горячий чай или кофе, мы нагреваем воду в чайнике.
Кладем мокрые вещи на горячую батарею, зная, что через несколько часов все высохнет, и т.д. И это только дома.
Трудно переоценить значимость тепловых явлений в нашей жизни: это плавление металла, сгорание топлива, изготовление новых материалов, создание тепловых двигателей и многое другое.
Почему железная дорога длиннее летом?
Этот вопрос может показаться тебе довольно странным, но длина железной дороги, точнее, ее рельсового пути, действительно увеличивается летом. Почему так происходит?
Тем не менее говоря о том, что летом железная дорога длиннее, следует понимать, что на самом деле речь идет не об удлинении маршрута между городами, а всего лишь об увеличении общей суммы длин всех рельсов.
Посмотри внимательно на картинку справа. Железнодорожные рельсы специально укладывают так, чтобы между их стыками оставался небольшой зазор. Именно этот промежуток и рассчитан на увеличение длины рельсов при нагревании. Иногда его так и называют — «тепловой зазор».
Теперь понятно, что за счет общей длины всех зазоров и происходит увеличение длин рельсов при нагревании!
Почему между трамвайными рельсами не оставляют зазоры?
Трамвайные рельсы действительно укладывают, не оставляя никаких зазоров. Почему? Сравни картинки.
Трамвайные рельсы почти полностью опускают в землю: на поверхности остается только верхняя часть полотна. Поэтому можно с уверенностью говорить о том, что земля «спасает» рельсы от перегрева даже в самые жаркие дни. А так как трамвайные рельсы не перегреваются, то и их длина, в отличие от железнодорожных, практически не меняется. Поэтому между трамвайными рельсами и не оставляют зазоров.
Почему летом провода линий электропередачи немного провисают?
Действительно, провода линий электропередачи слегка провисают в теплое время года. Это не ошибка монтажников, а преднамеренное действие. Объяснить данное явление довольно просто. Ты уже знаешь, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении — сжимаются. Если сильно натянуть провод, то, охлаждаясь (это может случиться не только зимой, но и во время прохладных ночей в межсезонье и даже летом), он становится короче и может лопнуть.
Почему на трубопроводах делают изгибы?
Скорее всего, ты не раз видел наземные трубопроводы, в которых через определенные промежутки есть специальные изгибы в виде буквы П.
Такие изгибы сделаны не случайно. В связи с резкими перепадами температуры трубопроводы способны удлиняться и расширяться. На прямом участке такие изменения могут привести к серьезным деформациям. Поэтому и делают изгибы, чтобы компенсировать эту нагрузку.
Как правильно охладить продукты при помощи льда?
Представь, что тебе нужно охладить лимонад при помощи кубиков льда, замороженных в специальной форме, но бросать их внутрь нельзя. Как ты поступишь? Поставишь кувшин на форму со льдом? Или наоборот, форму на горлышко кувшина? Более удобным кажется первый вариант, т.е. поставить кувшин на лед. Однако правильным с точки зрения физики является второй. Конечно, это вовсе не означает, что охладить лимонад в кувшине, поставив его на лед, нельзя. Можно, но в данном случае охладится только нижний слой напитка.
Поэтому если нужно охладить всю жидкость, то лед следует положить сверху. Объяснение этому правилу довольно простое: охлажденный льдом воздух опускается вниз, постепенно охлаждая сосуд.
Почему зимой мы носим теплую одежду?
Единственный правильный ответ на этот вопрос только один: потому что зимой холодно, и мы не хотим мерзнуть. А ты уверен, что именно одежда нас греет? Чтобы убедиться, так ли это на самом деле, ты можешь проделать следующий эксперимент.
Тебе понадобятся любая теплая куртка или пальто (желательно пуховик), которые ты носишь зимой, кубики льда и два небольших полиэтиленовых пакета. Итак, в оба пакета положи одинаковое количество кубиков льда и завяжи. Один пакет оставь на столе, а второй тщательно заверни в зимнюю куртку. Когда лед в первом пакете начнет таять, вытащи второй пакет со льдом из куртки. Что произошло со льдом во втором пакете? Лед даже и не начал таять! На этом опыте ты наглядно убедился в том, что зимняя одежда абсолютно не греет. На самом деле она просто сохраняет температуру. Завернутый в куртку лед практически не растаял, и это значит, что его температура осталась прежней. И когда мы надеваем зимнюю одежду, она не греет — она не дает нашему телу охладиться, т. е. сохраняет его температуру.
Почему стаканы из толстого стекла лопаются чаще, чем из тонкого?
Это действительно так: стаканы из тонкого стекла более устойчивы к горячей воде, чем из толстого.
Казалось бы, где логика? Но в данном случае нужно учитывать законы физики. Основная причина того, что стекло лопается, заключается в его неравномерном расширении. Когда мы наливаем кипяток в стакан, то сначала прогреваются его внутренние стенки. А внешние стенки по-прежнему остаются недостаточно нагретыми и не выдерживают давления перегретого внутреннего слоя. В этот момент и происходит лопание стекла.
Теперь ты понял, почему толстое стекло чаще лопается, чем тонкое? Стенки стакана из тонкого стекла успевают прогреться гораздо быстрее. Это означает, что в стакане с тонкими стенками быстрее устанавливается одинаковая температура внутреннего и внешнего слоев стекла. А в стакане из толстого стекла все эти процессы протекают настолько медленнее, что оно не успевает прогреться и лопается.
Лабораторная посуда
Обрати внимание на стеклянную посуду, которую используют в лабораториях: она вся из очень тонкого стекла. Причем воду кипятят именно в таких сосудах, совершенно не опасаясь, что они лопнут прямо во время проведения исследования.
Теплопередача
Тот, кто хоть раз в жизни получал ожог, знает о нем не понаслышке. Способов обжечься довольно много. Например, можно нечаянно дотронуться до раскаленной сковородки, гриля или формы с пирогом, который только что достали из духовки. Можно обжечься паром кипящей воды или очень горячим воздухом из фена. А можно просто лежать под палящим солнцем и получить ожог кожи. Все эти примеры указывают на разные способы передачи тепла от более горячего тела к более холодному.
Способы теплопередачи. Теплопроводность
Существуют различные способы передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.
Главное их отличие заключается в способе передачи тепла.
При теплопроводности передача тепла происходит при непосредственном контакте. Например, во время приготовления пищи нагретая плита передает тепло сковороде или кастрюле.
Конвекция и излучение
Для возникновения конвекции необходимо движение воздуха или воды. Конвекция — это передача тепла потоками жидкости или газа.
Наглядный пример конвекции — обогрев наших домов от батарей. Теплый воздух поднимается к потолку и равномерно распределяется по всей комнате. Охлаждаясь, воздух опускается. Потом процесс повторяется снова. Такая циркуляция воздуха и называется конвекцией.
Тепловое излучение — это передача тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами. Именно так попадает на Землю тепло от Солнца. При тепловом излучении нет необходимости в прямом контакте или наличии потоков жидкости или газа.
Почему в окнах двойные стекла?
Ты уже знаешь, что передача тепла происходит от более горячего тела к более холодному. Но у различных материалов разная способность передавать тепло, или разная теплопроводность. У дерева, стекла и воды она очень низкая.
Окна делают из двух и более стекол, скрепленных между собой, с целью увеличения их теплоизоляционных свойств. Пространство между стеклами заполняется воздухом, теплопроводность которого в 40 раз меньше, чем у стекла. Типичная конструкция окон «стекло—воздух—стекло» позволяет лучше сохранить тепло в наших домах.
Почему в снежную зиму деревья не вымерзают?
В снежную зиму земля надежно защищена от промерзания. Как бы странно это ни звучало, но снег очень хорошо греет землю. А происходит это потому, что снег содержит воздух и является очень плохим проводником тепла. Почва не промерзает, и корни деревьев остаются в тепле.
Почему зимой мерзнут ноги в очень тесной обуви?
Это происходит потому, что в тесной обуви воздушная прослойка между ногой и сапогом или ботинком очень мала. Так как воздух — плохой проводник тепла, достаточный слой воздуха между ногой и обувью защитил бы от замерзания. Именно поэтому зимой нужно носить просторную обувь.
Почему мы не обжигаем губы и рот, когда пьем из фарфоровой чашки?
Скорее всего, ты не раз наблюдал такую картину: фарфоровая чашка, в которую только что налили кипяток, не настолько горячая, чтобы ее невозможно было взять в руки. А что произойдет, если налить воду такой же температуры в металлическую чашку? Сможешь ли ты удержать эту чашку в руке, уже не говоря о том, чтобы прикоснуться к ней губами? Металлическая чашка моментально нагревается до такой степени, что в руки ты ее не возьмешь.
Объяснением этому является разная теплопроводность фарфора и металла: у фарфора она существенно ниже.
Тепловые явления
3.2.2 Тепловые явления
В отличие от металлов, армированные стеклопластики обладают низкой теплостойкостью. При температурах выше 300-350ºС начинаются интенсивная термодеструкция и разложение полимерного связующего. Это приводит к резкому ухудшению свойств материала, появлению прижогов и большого по величине дефектного слоя. Поэтому обработку армированных пластиков следует вести при таких режимах, чтобы температура не превышала 300ºС.
Теплота, образующаяся при резании, является результатом работы деформаций, трения стружки и обрабатываемого изделия о переднюю и заднюю поверхность инструмента, механических превращений полимера, разрушения волокон.
Рисунок 3.2 – Схема движения тепловых потоков
Выделяющаяся в зоне резания теплота расходуется (Рисунок 3.2) между инструментом, стружкой, обрабатываемой деталью и средой, причём отвод теплоты в окружающую среду весьма мал и им можно пренебречь, тогда
(3.1),
где QC, QИ и QД – количество теплоты, отводимое соответственно в стружку, инструмент и детальКонцентрация теплоты в инструменте приводит к значительному повышению температуры на его режущих кромках, что нельзя не учитывать при выборе инструментального материала и оценке интенсивности изнашивания резцов. Соотношение составляющих расходной части теплового баланса в среднем составляет: QC ≈ 5%; QИ ≈ 90% и QД ≈ 5%.
С увеличением времени работы и нарастанием износа температура в зоне резания главным образом на режущих кромках инструмента возрастает и может достигать 600ºС [12].
3.2.3 Износ режущего инструмента
Для управления процессом резания и обеспечения производительности обработки необходимо выяснить природу и закономерности изнашивания инструмента. Известно, что изнашивание инструмента при резании материала носит комплексный характер, т.е. абразивно-механическое, диффузионное, адгезионное, усталостное, химическое и другие виды изнашивания, причём в зависимости от условй обработки преобладает тот или иной вид изнашивания, который и является определяющим.
Так, диффузионный износ при нарезании резьбы на стеклопластиковых изделиях отсутствует, так как для этого необходимо повышение температуры более 900ºС, в то время как в зоне резания она не поднимается выше 600ºС. Наличие полимерного связующего и его деструкция приводят к появлению поверхностно-активных веществ в зоне резания, интенсифицирующих процесс изнашивания.
Армирующие волокна (в данном случае стеклянные) оказывают абразивное воздействие на режущий инструмент, и происходит истирание режущей поверхности (абразивно-механическое воздействие) (Рисунок 3.3).
Адгезионный износ практически отсутствует, так как условиями для его возникновения являются сродство между инструментом и обрабатываемым материалом, высокое давление в зоне резания и пластические деформации Разрушение пластиков при резании носит упругий характер, что исключает возможность такого износа.
Рисунок 3.3 – Схема воздействия стекловолокна на материал режущей части инструмента: а) пластическое деформирование; б) образование микростружки; в) хрупкое разрушение.
1 – стекловолокно; 2 – микростружка; 3 – материал режущей части; 4 – различные включения.
От износа и стойкости к нему инструмента зависит точность нарезаемой резьбы и качество получаемой поверхности [10].
3.3 Технологические особенности нарезания резьбы
Рассмотрим весь комплекс вопросов, связанных с нарезкой резьбы: оборудование, технологию, включая подготовку концов труб к нарезанию резьбы, рекомендуемый режущий инструмент.
Технология нарезания резьбы на трубах (Рисунок 3.4) включает в себя несколько операций:
1) Входной контроль трубы:
а) контроль качества поверхности трубы;
б) контроль состояния торцевой поверхности;
в) контроль отклонения от округлости.
2) Подача трубы на специальный токарный станок:
а) установка трубы, закрепление;
б) базирование трубы;
в) установка люнетов.
3) Снятие наружной фаски.
4) Установка резьбового резца по шаблону;
5) Нарезание резьбы:
а) первый проход 0,15 мм; следующие 5 проходов 0,5 мм; 2 чистовых прохода 0,1 мм и 1 зачистной проход 0-0,05мм.
6) Выходной контроль качества резьбы.
7) Снятие трубы со станка и отправка на склад.