I.4. Formele de propagare a căldurii.
important
Căldura se transmite (se propagă) de la un corp la altul prin trei forme: conducție, convecție și radiație termică.
I.4.1 Conducția termică.
Experiment
4. Ce este conducția termică?
Materiale necesare: sârmă metalică, spirtieră,chibrit, lumânare, piuneze.
Descrierea experimentului:
- Aprinde o lumânare şi înclinând-o puţin, acoperă cu bobiţe de ceară, din loc în loc jumătate din bagheta metalică și cât timp ceara nu s-a solidificat (întărit) pune câte o piuneză pe fiecare bobiță de ceară.
- Prinde bagheta metalică cu ajutorul unui cleşte şi ţine în flacăra spirtierei capătul sârmei care nu este ceruit.
Atenție
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
- Observă ordinea în care se topesc bobiţele de ceară.
Observaţie
Bobiţele de ceară se topesc începând de la mijlocul baghetei până la capătul neîncălzit.
Concluzia experimentului:
Prin bagheta de metal căldura trece foarte repede de la capătul încălzit la cel neîncălzit.
Definiţie
Conducţia termică (termoconductibilitatea) reprezintă propagarea căldurii prin metale, din aproape în aproape, de la capătul încălzit spre cel neîncălzit, fără deplasare de substanţă.
Experiment
5. Conductoare şi izolatoare termice
Materiale necesare: o cană cu apă fierbinte, corpuri din diferite materiale (linguriţă metalică, lingură de lemn, lingură de plastic etc.).
Descrierea experimentului:
- Pune într-o cană lingurile din materiale diferite.
- Toarnă în cană apă fiartă.
Atenție
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!
- După câteva minute apreciază prin pipăire starea de încălzire a cozii fiecărei linguri.
Observaţie
Dintre toate corpurile numai bagheta metalică s-a încălzit considerabil.
Concluzia experimentului:
Corpurile solide conduc mai mult sau mai puţin căldura.
Definiţie
Dintre solide numai metalele sunt bune conductoare de căldură, numindu-se termoconductoare sau conductoare termice.
Celelalte solide (de exemplu: sticla, plasticul, cauciucul, lemnul, ebonita, porţelanul etc.) sunt corpuri rău conductoare de căldură (termoconductibilitate redusă) numindu-se termoizolatoare sau izolatoare termice.
Aplicaţii în viaţa de zi cu zi
Pentru încălzirea apei sau a altor produse se folosesc cazane din cupru sau fontă, deoarece acestea sunt termoconductoare. În schimb mânerul fierului de călcat, al oalelor, al uşiţei de la sobă se confecţionează din ebonită sau porţelan, deoarece acestea sunt termoizolatoare. Tot aşa se explică de ce atunci când atingem diferite obiecte din cameră, avem impresia că unele obiecte sunt mai reci decât altele. Obiectele metalice par mai reci decât acelea din materiale rău conductoare de căldură, cu toate că, fiind în aceeaşi cameră au aceeaşi temperatură. De fapt obiectele metalice permit răspândirea unei părţi din căldura mâinii noastre prin ele, dându-ne impresia că sunt mai reci.
După ce ne-am convins că dintre solide, numai metalele sunt conductoare, urmează întrebarea: lichidele și gazele sunt conductoare sau izolatoare termice?
Experiment
6. Apa este izolatoare termică
Materiale necesare: o eprubetă cu apă, spirtieră, chibrit.
Descrierea experimentului:
- Pune într-o eprubetă apă (cam jumătate din eprubetă).
- La flacăra unei spirtiere încălzeşte apa din eprubetă, la suprafața apei, ţinând eprubeta cu mâna de partea de jos şi îndreptată cu gura în partea opusă a ta.
Atenție
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!
Observaţie
După puţin timp apa de la suprafaţă începe să fiarbă, în timp ce în partea de jos, apa este rece.
Concluzia experimentului:
- Apa este rău conductoare de căldură.
- Toate lichidele (cu excepţia mercurului, care este metal) sunt izolatoare termice.
important
Încălzirea uniformă a lichidelor şi gazelor are loc prin convecţie, cu ajutorul curenţilor (deplasare de substanţă).
Experiment
7. Aerul este izolator termic
Materiale necesare: spirtieră, o eprubetă, chibrit.
Descrierea experimentului:
- Ia eprubeta goală (adică cu aer) şi introdu la capătul deschis al eprubetei un deget al mâinii.
- Încălzeşte-o la partea închisă în flacăra spirtierei, agitând-o continuu pentru a nu se sparge.
Atenție
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
Observaţie
Degetul din eprubetă nu simte deloc căldura.
Concluzia experimentului:
- Aerul este rău conductor de căldură.
- În general toate gazele sunt izolatoare termice, dar mai ales gazele rarefiate.
important
Încălzirea uniformă a lichidelor şi gazelor are loc prin convecţie, cu ajutorul curenţilor (deplasare de substanţă).
Aplicaţii în viaţa de zi cu zi
Fibrele hainelor de lână, blana animalelor, penele păsărilor, zăpada sunt izolatoare termice deoarece conţin aer. Iarna când este ger afară păsările își înfoaie penele pentru a reține cât mai mult aer iar căldura corporală a unei păsări încălzeşte aerul dintre pene. Cu cât adună mai mult aer, cu atât se încălzeşte mai bine pasărea.
Aplicaţii în viaţa de zi cu zi
Geamurile termopane sunt bune pentru a opri transferul de căldură cu exteriorul. Combinația celor doua plăci de sticlă și spațiul cu aer dintre ele pot furniza o izolare termică și fonică foarte bună.
Aplicaţii în viaţa de zi cu zi
Termosul este un vas care păstrează lichidele (ceai, cafea, lapte etc.) în stare caldă sau rece, aproximativ la fel ca atunci când le introducem în el. Termosul are pereţi dubli, aerul dintre pereţi fiind extrem de rarefiat.
I.4.2. Convecția termică.
Experiment
8. Ce este convecția termică ?
Materiale necesare: vas de sticlă pentru convecție (eprubetă), cristale colorate (permanganat de potasiu) sau rumeguș, suport, spirtieră, chibrit.
Descrierea experimentului:
- Pune apă în vasul special și adaugă câteva cristale de permanganat de potasiu.
- Încălzeşte apa de la fundul vasului la flacăra unei spirtiere.
Atenţie
Acest experiment se efectuează numai de către profesori!
- Observă cum are loc încălzirea apei din vas, urmărind mişcarea cristalelor colorate.
Observaţie
Cristalele încep să se dizolve în apă, punând în evidență formarea curenților de apă, prin urcarea apei de la fund și coborârea apei de la suprafață, până la uniformizarea culorii.
Definiţie
Convecția termică (denumire ce înseamnă „ transport”) este propagarea căldurii în lichide și gaze, prin formarea curenților de convecție, adică cu deplasare de substanță.
Explicația formării curenţilor de apă:
- Stratul de apă de la fundul vasului, fiind direct în flacără, se încălzeşte şi se dilată, mărindu-şi volumul. Deoarece densitatea unui corp este invers proporţională cu volumul acestuia (ρ = m/V), densitatea apei de la fundul vasului se micşorează astfel încât, devenind mai uşoară, ea va urca la suprafaţă. Apa de la suprafaţă, fiind rece, are densitatea mai mare şi va coborî.
- Procesul se repetă până la încălzirea uniformă a apei. În toate lichidele și gazele căldura se propagă prin curenţi, adică prin convecţie.
Atenție
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!
Experiment
9. Curenţii de aer
Materiale necesare: lumânare, chibrit, coală de hârtie, foarfece, ac, ață.
Descrierea experimentului:
- Desenează o spirală pe foaie și decupeaz-o cu foarfecele.
Agață de un fir spirala.
Aprinde lumânarea și vino cu spirala deasupra flăcării candelei, la o distanță de cel puțin 10cm.
Atenţie
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Atenție când lucrezi cu obiecte ascuțite! Ai grijă să nu te arzi și să nu aprinzi spirala de hârtie!
- Ce observi?
Observaţie
Spirala începe să se rotească.
Concluzia experimentului:
Aerul cald de deasupra flăcării, având densitate mai mică (este mai ușor) urcă spre spirală, iar aerul rece de sus( care este mai departe de flacără) are densitatea mai mare și coboară. Astfel iau naștere curenți de aer care rotesc spirala continuu.
Așa explicăm și încălzirea unei camere de la calorifer. Aerul de lângă calorifer se încălzește, devine mai ușor și se ridică. Aerul de sus, fiind mai rece și mai greu va coborî. Așa se formează curenții de aer, care duc la încălzirea uniformă a camerei.
Problemă rezolvată
1. Te afli într-o cameră încălzită și afară este foarte frig. Deschizi uşa unei camere încălzite spre un balcon şi aşezi la pragul de jos lumânarea aprinsă.
Cum este îndreptată flacăra lumânării: spre interiorul camerei sau spre exteriorul ei ?
Răspuns corect: spre interior.
Problemă rezolvată
2. Aşază lumânarea aprinsă la pragul de sus al uşii.
Cum este îndreptată flacăra lumânării: spre interiorul camerei sau spre exteriorul ei ?
Răspuns corect: spre exterior.
Aerul cald (are densitatea mai mică, deci mai uşor și stă sus într-o cameră) iese prin partea de sus a uşii și îndreaptă flacăra spre exterior.
Aerul rece (are densitatea mai mare, deci este mai greu- stă jos într-o cameră) intră prin partea de jos și îndreaptă flacăra spre interior.
Prin urmare cu ajutorul unei lumânări ne putem da seama dacă temperatura aerului din cameră este mai mare decât temperatura aerului din exterior. Când aceste temperaturi devin egale, curenţii de aer nu se mai formează.
I.4.3. Radiația termică.
Experiment
10. Ce este radiația termică ?
Materiale necesare: spirtieră, termometru, paravan de carton.
Descrierea experimentului:
- Aşază lumânarea astfel încât flacăra sa să fie pe aceeaşi linie cu orificiul din paravan și cu rezervorul termometrului.
Atenţie
Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi! Ai grijă să nu te arzi și să nu dai foc la carton!
- Ce observi? Crește temperatura termometrului?
Observaţie
În scurt timp temperatura termometrului se ridică cu câteva grade.
- Aşază lumânarea astfel încât flacăra sa, orificiul paravanului şi rezervorul termometrului să nu fie pe aceeaşi linie (mai sus sau mai jos).
- Ce observi? Crește temperatura termometrului?
Observaţie
Temperatura termometrului se modifică foarte puțin.
Definiţie
Radiaţia termică (numită și radiație infraroșie) este propagarea căldurii de către corpurile calde, în linie dreaptă, prin raze (radiaţie însemnând prin raze).
Observaţie
Soarele este principala sursă de radiație termică pe Pământ. Prin urmare radiația se propagă și în vid. Radiația infraroșie este un tip de radiație electromagnetică ca și lumina, undele radio, radiația ultravioletă, razele X sau microundele. Lumina infraroșie este invizibilă ochiului uman, însă oamenii o pot simți ca și căldură. Nu sta la soare la orele prânzului, deoarece radiația infraroșie îți va produce arsuri și insolație. Stai la plajă dimineața și spre seară când soarele emite ultraviolete care te vor bronza.
Experiment
11. Radiația termică și culorile
Materiale necesare: două flacoane identice, apă rece de la robinet, folii de plastic alb şi negru (tempera albă şi neagră), un termometru de cameră, spirtieră sau o lumânare (dacă este o zi însorită, aşază flacoanele la soare).
Descrierea experimentului:
- Înveleşte un flacon în punga de plastic de culoare neagră (îl poţi colora cu tempera neagră) şi pe celălalt în folie de plastic alb (dacă este deja alb, lasă-l aşa).
- Ia apă de la robinetul de apă rece, măsoară-i temperatura cu termometru de cameră.
- Toarnă aceeaşi cantitate de apă rece de la robinet în fiecare flacon.
- Lasă 30 de minute cele două flacoane în bătaia razelor solare sau aşază-le de-o parte şi de alta la distanţe egale faţă de flacăra spirtierei.
Atenție
Atenţie când lucrezi cu surse de foc!
Măsoară temperaturile apei din cele două flacoane, după 30 de minute (dacă nu ai termometru, poți pune un deget în apa din fiecare flacon).
Ce observi?
Observaţie
Apa din flaconul negru are temperatura mai mare decât cea din flaconul alb.
Concluzia experimentului:
- Radiaţiile solare sunt absorbite de către corpurile negre aproape în totalitate, pe când cele albe împrăştie circa 50% din radiaţiile ce cad pe ele.
- Iarna trebuie să purtăm haine de culoare închisă, deoarece ele absorb radiaţia solară, fiind călduroase.
- Vara trebuie să purtăm haine de culoare deschisă, deoarece ele reflectă radiația solară, fiind răcoroase.
Aplică ce ai învăţat!
Temă
1. Privește imaginea următoare și descoperă formele de propagare ale căldurii.
- Ibricul cu apă se încălzește predominant de la flacăra aragazului prin ……………………
- Coada metalică a ibricului se încălzește predominant prin ……………………………….
- Apa din ibric se încălzește predominant prin ……………………………………………..