Поднять тиц сайта: ТИЦ – шпаргалка для новичков

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 проводимостью , .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 колышка

ИНСТРУКЦИЯ:

1. Установите устройство, как показано на схеме.
2. 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.
3. Прикрепите канцелярские скрепки или булавки к стержню, воткнув их в вазелин.
4. Зажгите горелку Бунзена и нагрейте один конец стержня.
5. Наблюдайте, как бумажные булавки или булавки одна за другой выпадают, когда энергия проходит через стержень.

ИНСТРУКЦИЯ:

1. Ваш учитель настроит демонстрацию, как показано на схеме ниже.
2. 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 нужно, 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:

Что происходит со стержнем над ней, когда горит горелка Бунзена?

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 сталкиваются 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 зимой стоять 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.

1. 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:

Металл лучше проводит тепло, чем пластик, поскольку кубик льда на металле расплавляется 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 пирог в духовке при температуре 180 ° C.

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 предложите учащимся 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 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 сказать, что олово имеет более высокую температуру, чем торт, поскольку оно кажется более горячим, а металлическое олово вызовет более серьезный ожог, 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 Посетите , 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, что только то, что материал кажется на 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 разных обучающих видео, например, тот, который указан в поле для посещения на полях. Вот список инструкций для вашей справки:

1. Убедитесь, что вы работаете на подходящей поверхности, например, на огнестойком коврике, и что она чистая и не загромождена.
2. Убедитесь, что газовая трубка в хорошем состоянии и не погибнет.
3. Надежно подсоедините горелку к выходу для газа и убедитесь, что она не будет легко отсоединена при перемещении горелки Бунзена.
4. Убедитесь, что воротник в основании горелки Бунзена и отверстие для воздуха закрыты.
5. Сначала зажгите спичку, держа ее подальше от горелки Бунзена.
6. Включите газ другой рукой и поднесите спичку к горелке Бунзена, чтобы зажечь ее.
7. Отрегулируйте отверстие для воздуха, открыв его так, чтобы пламя стало сильнее.
8. 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
• совпадения

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:

1. Приклейте плоский конец канцелярской кнопки к концу каждого из металлических стержней с помощью вазелина.Постарайтесь использовать одинаковое количество вазелина для каждой канцелярской кнопки.
2. Поместите картон на штатив.
3. Выровняйте металлические стержни на картоне так, чтобы один конец каждого находился над горелкой Бунзена.
4. Зажгите горелку Бунзена.
5. С помощью секундомера измерьте, сколько времени требуется, чтобы каждый из штифтов упал.
6. Запишите результаты в таблицу.
7. 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.

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.

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:

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 токи (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:

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

1. Наполовину заполните стакан холодной водопроводной водой.
2. Осторожно нанесите небольшое количество перманганата калия на одну сторону стакана. НЕ РАЗМЕШАТЬ.
3. Нагрейте воду с перманганатом калия непосредственно под стенкой стакана с помощью бунзеновской / спиртовой горелки и наблюдайте, что происходит.
4. 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
• Коробка спичек

ИНСТРУКЦИЯ:

Вы можете капнуть немного воска на основу, а затем прикрепить к нему свечу, чтобы она стояла.

1. Зажгите свечу и поместите ее в стакан сбоку от стакана.
2. Поместите Т-образный картон в стакан так, чтобы между дном стакана и картоном оставался небольшой зазор.
3. Зажгите скрученный рулон бумаги и подержите его в стакане с противоположной стороны от свечи, как показано на рисунке.
4. 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.

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?

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
• отражать
• 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.

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 излучается 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
• совпадения

ИНСТРУКЦИЯ:

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

ВОПРОСЫ:

Теперь мы знаем, что тепло от свечи передается 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.

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 вверх. 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 книга
• алюминиевая фольга
• 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:

1. Сложите каждый лист бумаги и алюминиевую фольгу в виде конверта.
2. Поместите термометр в каждый конверт и запишите начальную температуру.
3. Положите все конверты на солнце.
4. Проверяйте температуру по термометрам каждые 2 минуты в течение 16 минут.
5. Запишите результаты в таблицу.
6. 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.

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.

Получили ли вы какие-либо 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.

частиц находятся в постоянном движении. Что их движет?

Саккместерке / Научная фотобиблиотека

Частицы находятся в постоянном движении.Что их движет?

Guy Cox , Сент-Олбанс, Новый Южный Уэльс, Австралия

Ответ на этот вопрос проливает свет на двух ученых-революционеров XIX века.

В 1828 году шотландский ботаник Роберт Браун опубликовал свое наблюдение о том, что крошечные частицы во взвешенном состоянии находятся в постоянном движении. Его объяснение заключалось в том, что они были достаточно маленькими, чтобы их толкать случайное движение окружающих их молекул воды.

Это первая демонстрация действия отдельных молекул, была радикальным открытием в то время, когда многие ученые не верили в существование молекул.Теперь мы называем эффект броуновским движением.

Но что движет молекулами? Спустя пятнадцать лет после доклада Брауна Джеймс Прескотт Джоуль выступил со своей первой статьей о механическом эквиваленте тепла, подчеркнув, что тепло — это просто кинетическая энергия молекул в веществе. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.

Джоуль построил различные экспериментальные устройства для расчета количества механической энергии, необходимой для повышения температуры данного количества воды на 1 градус.Его окончательный расчет близок к принятой сегодня цифре.

Это, опять же, было радикальным, противоречащим современной «калорийной» теории тепла, и потребовалось время, чтобы получить признание, особенно с учетом того, что Джоуль был богатым пивоваром, а не профессиональным ученым.

Eric Kvaalen , Les Essarts-le-Rois, France

Частицы на Земле движутся в основном из-за тепла. Любой материал имеет температуру, которая связана с энергией атомов и молекул, из которых он состоит.

Из-за сохранения энергии, если одна частица теряет энергию, другая получает энергию. Возможна потеря энергии, например, из-за теплового излучения, но солнце и радиоактивный распад сохраняют тепло здесь, на Земле.

Но даже если вещество охладить до абсолютного нуля, его частицы все равно будут двигаться. Это называется нулевой энергией, и это самая низкая энергия, которую может иметь квантовая система, как предсказывается принципом неопределенности Гейзенберга.

Есть также частицы в космосе, движущиеся с большой скоростью.Они просто продолжают идти, потому что их практически ничто не может замедлить. Они могут продолжаться миллиарды световых лет.

Чтобы ответить на этот вопрос или задать новый, напишите по адресу [email protected].

Вопросы должны быть научными вопросами о повседневных явлениях, а вопросы и ответы должны быть краткими. Мы оставляем за собой право редактировать элементы для ясности и стиля. Пожалуйста, укажите почтовый адрес, номер телефона в дневное время и адрес электронной почты.

New Scientist Ltd сохраняет за собой полный редакторский контроль над опубликованным содержанием и оставляет за собой все права на повторное использование материалов вопросов и ответов, представленных читателями, на любом носителе и в любом формате.

Вы также можете отправить ответы по почте по адресу: The Last Word, New Scientist, 25 Bedford Street, London WC2E 9ES.

Действуют положения и условия.

Hydrophobic Particle — обзор

Влияние свойств поверхности угля на реологию CWS

Реология систем мелких частиц зависит от многих факторов, в том числе взаимодействия частиц с частицами.Как показали Сюй и Юн (1989, 1990), гидрофобные частицы имеют тенденцию коагулировать в водной среде (рис. 12.13). Мы исследовали такие эффекты с помощью реологических методов.

Испытания проводились на образце F4 битуминозного угля (зола 11,7%, влажность 0,6%, связанный углерод ^d.m.m.f 73,3%) из шахты в Британской Колумбии. Измерения угла смачивания, использованные для определения его смачиваемости водой, дали 90 ° (угол смачивания). Суспензии были приготовлены после сухого измельчения образца ниже 212 мкм, и все реологические испытания были проведены при 59% твердых веществ по массе.

Как видно из рис. 12.35, для суспензий, приготовленных из свежей пробы угля F4, были получены очень высокие значения предела текучести в очень широком диапазоне pH (примерно от 4 до 9). Для образца, окисленного при 85–90 ° C в течение 24 часов, высокие значения предела текучести были зарегистрированы только около pH 4,5, в то время как для образца, окисленного в течение 221 часа, максимум предела текучести, очевидно, находится при pH намного ниже 3,5. Дело в том, что изоэлектрические точки для этих трех образцов оказались равными pH 8 для свежего образца, примерно равному 4.5 для образца, окисленного в течение 24 ч, и при pH 2,5 для сильно окисленного образца. Таким образом, хотя гидрофобный свежий образец коагулирует в широком диапазоне pH от примерно 4 до 9 (рис. 12.35) и на него не сильно влияет положение изоэлектрической точки (iep), окисленный образец (24 часа) коагулирует. только вокруг своего ИЭП Сильно окисленный образец имеет т.е. около pH 2,5, и можно ожидать, что максимальный pH коагуляции также находится около этого значения pH. Это замечательно согласуется с данными, опубликованными Сюй и Юн (1989, 1990).

12.35. Значения предела текучести водных суспензий каменного угля в зависимости от pH.

В реологических измерениях, когда взвешенные частицы коагулируют и образуется сеть взаимодействующих частиц, регистрируются высокие значения предела текучести. Максимальные значения хорошо соответствуют максимальной коагуляции (Johnson et al. , 2000). В то время как сильно гидрофобные частицы коагулируют в широком диапазоне pH (см.рис.12.13), гидрофильные частицы коагулируют только в диапазоне pH, при котором эти частицы не несут электрический заряд.

Полностью согласуются с этими выводами наши реологические измерения, проведенные с CWS, приготовленным из того же битуминозного угля F4 в присутствии гуминовых кислот.

Некоторые из этих результатов показаны на рис. 12.36. Прямые измерения смачиваемости исследуемого угля в присутствии гуминовой кислоты показывают, что этот гидрофобный битуминозный уголь становится гидрофильным в результате адсорбции гуминовой кислоты.Это неудивительно, поскольку гуминовые кислоты — гидрофильные полимеры. Это соединение, образующееся в результате окисления органического вещества или полученное непосредственно путем экстракции низкосортных углей, представляет собой сложный анионный полиэлектролит, который содержит как карбоксильные, так и фенольные функциональные группы. Имеются данные о том, что независимо от исходных свойств поверхности угля, гуминовые кислоты придают свойства, аналогичные низкосортным углям, всем углям (Laskowski, 2001). Электрокинетические измерения показали, что частицы угля в растворах гуминовых кислот приобретают очень отрицательный заряд, о чем свидетельствуют очень отрицательные значения дзета-потенциала (почти -70 мВ) (Pawlik et al., 1997). Повышенная гидрофильность частиц угля и их повышенный отрицательный заряд должны стабилизировать такие частицы от коагуляции. В результате реологические свойства такой суспензии становятся более ньютоновскими, о чем свидетельствует уменьшение значений предела текучести.

12,36. Влияние гуминовых кислот на смачиваемость каменного угля и предел текучести 65% (мас.) ХСВ, приготовленного из этого угля.

Угли разных сортов различаются по поверхностным свойствам. В то время как битуминозные угли достаточно гидрофобны, полубитуминозные угли — нет (рис. 12.2). Реологические измерения, изображенные на рисунках 12.35 и 12.36, показывают, что эти различия в свойствах поверхности должны влиять на реологические свойства суспензий, приготовленных из таких углей. Поскольку гидрофобные твердые частицы, суспендированные в водной среде, имеют тенденцию к агрегированию, реологические свойства таких суспензий должны отличаться от реологических свойств суспензий, приготовленных из низкосортных углей.

На рисунке 12.37 после Шварца (1985) показана кажущаяся вязкость водоугольной суспензии, приготовленной с использованием трех различных образцов угля. Этот рисунок показывает, что, хотя можно получить высоконагруженный CWS из угля 3 (76% масс.) При предельной вязкости 1000 мПа · с, для угля 1 максимальное содержание твердых веществ при этой вязкости составляет только около 65%. Испытания на смачиваемость показали для трех образцов угля следующие углы смачивания: 90 ° для образца 3, 40 ° для образца 2 и 20 ° для образца 1.Эти образцы также были охарактеризованы химическим анализом, который показал следующее содержание C / O: 4,6 (Образец 1), 12,7 (Образец 2) и 20,8 (Образец 3), со следующим содержанием C / H: 13,6 (Образец 1). , 15,8 (образец 2) и 18,5 (образец 3). Эти результаты показывают, что, хотя Образец 3 представляет собой очень гидрофобный битуминозный уголь, два других образца были явно менее гидрофобными, а Образец 1 был полубитуминозным углем низкого ранга.

12.37. Кажущаяся вязкость водоугольной суспензии, приготовленной из трех разных образцов угля с одним и тем же стабилизатором (0.05% неионного сополимера этиленоксида / пропиленоксида).

Рисунок 12.37 хорошо иллюстрирует существующее противоречие. Как видно из этого рисунка, гораздо более высокое содержание угля (загрузка) может быть достигнуто с помощью угля более высокого сорта, чем с углем низкого сорта, и это иногда интерпретируется как легче приготовить CWS из угля высокого сорта. Проблема в том, что уголь очень пористый и неоднородный. Влажность угля (равновесная влажность) зависит от сорта угля.Хотя для битуминозных углей он очень низкий (около 1%), для полубитуминозных углей он может достигать 20%. Поскольку максимальная фракция упаковки, φ _max , составляет около 0,75, минимальное содержание воды в суспензии должно составлять не менее 25%. Это необходимо, поскольку вода является «смазывающей» средой, без которой эта система мелких частиц не может вести себя как жидкость. Для низкосортного угля, содержащего 20% равновесной влаги (внутренняя влажность угля), минимальное содержание воды тогда составляет около 45%, а для битуминозного угля оно может составлять около 26%.Поскольку содержание воды в CWS является наиболее важным фактором, определяющим его теплотворную способность, было разработано несколько процессов для снижения «внутреннего» содержания воды в низкосортных углях, используемых при приготовлении CWS.

На рис. 12.38 показана кажущаяся вязкость CWS, измеренная при скорости сдвига 100 с. ^{— 1} , полученный из шести различных углей. Во всех случаях использовали 1% той же неионной добавки. Из этих графиков следует несколько выводов. Во-первых, экспериментально измеренная кажущаяся вязкость резко возрастает при заданном содержании твердых веществ, а во-вторых, это предельное содержание твердых веществ различно для разных углей.Поскольку гранулометрический состав этих образцов был аналогичным, можно сделать вывод, что реология CWS зависит от свойств поверхности угля. Seki et al. (1985) вывел следующее соотношение:

12,38. Связь между кажущейся вязкостью и содержанием угля в CWS для различных углей. Неионогенная добавка 1% на основе сухого угля.

[12.14] Mf = 100 − Cc1 + Mc100

, где M _f — свободная вода в CWS, C _c — содержание сухого угля в CWS, а M _c — равновесная влажность угля.

Таким образом, очевидно, что для высоконагруженного CWS (большой C _c в уравнении [12.14]) содержание свободной воды резко снизится, если влажность угля будет высокой, и это повысит вязкость CWS. Зависимость между содержанием угля в CWS при вязкости 1000 мПа.с и равновесной влажностью угля показана на рис. 12.39.

12,39. Связь между содержанием угля в CWS при 100 мПа.с и равновесной влажностью угля.

Как показывают эти результаты, реологические свойства ХСВ, полученных из различных углей, характеризующихся схожим гранулометрическим составом, могут коррелировать с содержанием влаги в угле, а затем с сортом угля. Взаимосвязь между вязкостью CWS и содержанием влаги в угле может использоваться для оценки суспендируемости CWS (максимальное содержание угля в CWS) при приемлемой вязкости.

15.2: Скорость химической реакции

Цели обучения

• Опишите условия успешных столкновений, вызывающих реакции.+} \) и т. д.) или молекул (\ (\ ce {H_2O} \), \ (\ ce {C_ {12} H_ {22} O_ {11}} \) и т. д.). Мы также знаем, что в химической системе эти частицы движутся случайным образом. Теория столкновений объясняет, почему на этом уровне частиц происходят реакции между этими атомами, ионами и / или молекулами. Он также объясняет, как можно ускорить или замедлить происходящие реакции.

  Теория столкновений

  Теория столкновений дает нам возможность предсказать, какие условия необходимы для успешной реакции.Эти условия включают:

  1. Частицы должны столкнуться друг с другом.
  2. Частицы должны столкнуться с достаточной энергией, чтобы разорвать старые связи.
  3. Частицы должны иметь правильную ориентацию.

  Химическая реакция включает разрыв связей в реагентах, перегруппировку атомов в новые группы (продукты) и образование новых связей в продуктах.

  Следовательно, столкновение должно происходить не только между частицами реагента, но и столкновение должно иметь достаточную энергию для разрыва всех связей реагента, которые необходимо разорвать для образования продуктов.Некоторым реакциям требуется меньше энергии столкновения, чем другим. Количество энергии, которое должны иметь частицы реагента, чтобы разорвать старые связи для возникновения реакции, называется энергией активации , сокращенно \ (\ text {E} _a \). Другой способ подумать об этом — взглянуть на энергетическую диаграмму, показанную на рисунке. Частицы должны иметь возможность преодолеть «выступ» — энергию активации — если они собираются реагировать. Если частицы реагента сталкиваются с энергией, меньшей, чем энергия активации, частицы отскакивают (отскакивают друг от друга), и никакой реакции не происходит.

  Скорость реакции

  Химики используют реакции для получения продукта, который им нужен. По большей части реакции, которые производят какое-либо желаемое соединение, полезны только в том случае, если реакция протекает с разумной скоростью. Например, использование реакции для производства тормозной жидкости было бы бесполезным, если бы реакция требовала 8000 лет для завершения продукта. Такая реакция также не принесла бы пользы, если бы реакция была настолько быстрой, что была взрывной. По этим причинам химики хотят иметь возможность контролировать скорость реакции.В некоторых случаях химики хотят ускорить реакции, которые являются слишком медленными, или замедлить реакции, которые идут слишком быстро. Чтобы получить какой-либо контроль над скоростью реакции, мы должны знать факторы, которые влияют на скорость реакции. Химики выделили множество факторов, влияющих на скорость реакции.

  Скорость или скорость, с которой происходит реакция, зависит от частоты успешных столкновений. Помните, успешное столкновение происходит, когда два реагента сталкиваются с достаточной энергией и с правильной ориентацией.Это означает, что при увеличении количества столкновений, увеличении количества частиц, обладающих достаточной энергией для реакции, и / или увеличении количества частиц с правильной ориентацией скорость реакции увеличится.

  Влияние температуры на скорость реакции

  Скорость реакции обсуждалась с точки зрения трех факторов: частоты столкновений, энергии столкновения и геометрической ориентации. Помните, что частота столкновений — это количество столкновений в секунду.Частота столкновений зависит, среди прочего, от температуры реакции.

  При повышении температуры увеличивается средняя скорость частиц. Средняя кинетическая энергия этих частиц также увеличивается. В результате частицы будут сталкиваться чаще, потому что частицы перемещаются быстрее и будут сталкиваться с большим количеством частиц реагента. Однако это лишь малая часть причины повышения ставки. То, что частицы сталкиваются чаще, не означает, что реакция обязательно произойдет.

  Главный эффект повышения температуры заключается в том, что большее количество сталкивающихся частиц будет иметь количество энергии, необходимое для эффективного столкновения. Другими словами, большее количество частиц будет иметь необходимую энергию активации.

  При комнатной температуре водород и кислород в атмосфере не обладают достаточной энергией для достижения энергии активации, необходимой для производства воды:

  \ [\ ce {O_2} \ left (g \ right) + \ ce {H_2} \ left (g \ right) \ rightarrow \ text {Нет реакции} \]

  В любой момент в атмосфере происходит множество столкновений между этими двумя реагентами.Но мы обнаружили, что вода не образуется из молекул кислорода и водорода, сталкивающихся в атмосфере, потому что энергетический барьер активации слишком высок, и все столкновения приводят к отскоку. Когда мы повышаем температуру реагентов или даем им энергию каким-либо другим способом, молекулы обладают необходимой энергией активации и могут реагировать с образованием воды:

  \ [\ ce {O_2} \ left (g \ right) + \ ce {H_2} \ left (g \ right) \ rightarrow \ ce {H_2O} \ left (l \ right) \]

  Бывают случаи, когда скорость реакции нужно снизить.Понижение температуры также может быть использовано для уменьшения количества столкновений, которые могут произойти, а понижение температуры также уменьшит кинетическую энергию, доступную для энергии активации. Если частицы имеют недостаточную энергию активации, столкновения приведут к отскоку, а не к реакции. Используя эту идею, когда скорость реакции должна быть ниже, удержание частиц от достаточной энергии активации определенно будет поддерживать реакцию с более низкой скоростью.

  Общество ежедневно использует влияние температуры на скорость реакции.\ text {th} \) века исследователи были очарованы тем, что первыми достигли Южного полюса. Чтобы попытаться решить такую ​​сложную задачу без использования большей части технологий, которые мы сегодня принимаем как должное, они разработали множество способов выжить. Один из способов заключался в том, чтобы хранить пищу в снегу, чтобы использовать ее позже во время продвижения к полюсу. Во время некоторых исследований они закопали столько еды, что им не нужно было использовать ее всю, а часть осталась позади. Много лет спустя, когда эту пищу нашли и разморозили, оказалось, что она все еще пригодна для еды.

  Когда молоко, например, хранится в холодильнике, молекулы молока имеют меньше энергии. Это означает, что, хотя молекулы все еще будут сталкиваться с другими молекулами, некоторые из них будут реагировать (что в данном случае означает «испортиться»), потому что молекулы не имеют достаточной энергии для преодоления энергетического барьера активации. Однако молекулы обладают энергией и сталкиваются, поэтому со временем даже в холодильнике молоко испортится. В конце концов, молекулы с более высокой энергией получат энергию, необходимую для реакции, и когда произойдет достаточное количество этих реакций, молоко станет «закисшим».

  Однако, если бы та же самая упаковка молока была комнатной температуры, молоко реагировало бы (другими словами, «портилось») намного быстрее. У большинства молекул будет достаточно энергии, чтобы преодолеть энергетический барьер при комнатной температуре, и произойдет гораздо больше столкновений. Это позволяет молоку испортиться за довольно короткое время. Это также причина того, что большинство фруктов и овощей созревают летом, когда температура намного выше. Возможно, вы испытали это на собственном опыте, если когда-нибудь кусали незрелый банан — это, вероятно, было кислым на вкус и, возможно, даже было похоже на то, что укусить кусок дерева! Когда банан созревает, происходят многочисленные реакции, которые производят все соединения, которые мы ожидаем от банана.Но это может произойти только в том случае, если температура достаточно высока, чтобы позволить этим реакциям производить эти продукты.

  Влияние концентрации на скорость реакции

  Если у вас есть замкнутое пространство, такое как класс, и там один красный и один зеленый шар летят по комнате в случайном движении, претерпевая совершенно упругие столкновения со стенами и друг с другом, за заданный промежуток времени, шары будут сталкиваться друг с другом определенное количество раз, определяемое вероятностью.Если теперь вы поместите два красных шара и один зеленый шар в комнате при одинаковых условиях, вероятность столкновения красного и зеленого шара удвоится. У зеленого шара будет в два раза больше шансов встретиться с красным шаром за то же время.

  В отношении химических реакций существует аналогичная ситуация. Частицы двух газообразных реагентов или двух реагентов в растворе имеют определенную вероятность столкновения друг с другом в реакционном сосуде.Если вы удвоите концентрацию любого из реагентов, вероятность столкновения удвоится. Скорость реакции пропорциональна количеству столкновений в единицу времени. Если удвоить одну концентрацию, то удвоится и количество столкновений. Если предположить, что процент успешных коллизий не изменится, то вдвое большее количество коллизий приведет к удвоенному количеству успешных коллизий. Скорость реакции пропорциональна количеству столкновений с течением времени; увеличение концентрации любого реагента увеличивает количество столкновений и, следовательно, увеличивает количество успешных столкновений и скорость реакции.

  Например, химический тест, используемый для идентификации газа как кислорода или нет, основан на том факте, что увеличение концентрации реагента увеличивает скорость реакции. Реакция, которую мы называем горением, относится к реакции, в которой горючее вещество вступает в реакцию с кислородом. Если мы зажжем деревянную шину (тонкий кусок дерева) в огне, а затем задушим огонь, шина будет продолжать светиться на воздухе в течение некоторого времени. Если мы вставим эту светящуюся шину в любой газ, не содержащий кислорода, шина немедленно перестанет светиться, то есть реакция прекратится.Кислород — единственный газ, который поддерживает горение. Воздух — это примерно \ (20 \% \) газообразный кислород. Если мы возьмем эту светящуюся шину и поместим ее в чистый газообразный кислород, скорость реакции увеличится в пять раз, поскольку чистый кислород имеет в 5 раз большую концентрацию кислорода, чем в воздухе. Когда реакция, происходящая на светящейся шине, увеличивается в пять раз, светящаяся шина внезапно вспыхивает полностью. Этот тест, заключающийся в том, чтобы вставить светящуюся шину в газ, используется для идентификации газа как кислорода.Только более высокая концентрация кислорода, чем в воздухе, заставит светящуюся шину загореться.

  Влияние площади поверхности на скорость реакции

  Самым первым требованием для прохождения реакции между частицами реагента является столкновение частиц друг с другом. В предыдущем разделе было показано, как увеличение концентрации реагентов увеличивает скорость реакции, поскольку увеличивает частоту столкновений между частицами. Можно показать, что количество столкновений, которые происходят между частицами реагента, также зависит от площади поверхности твердых реагентов.Рассмотрим реакцию между КРАСНЫМ реагентом и СИНИМ реагентом, в которой синий реагент находится в форме единого комка. Затем сравните это с той же реакцией, в которой синий реагент распался на множество более мелких частей.

  На диаграмме только синие частицы на внешней поверхности комка доступны для столкновения с красным реагентом. Синие частицы внутри комка защищены синими частицами на поверхности. На рисунке A, если вы посчитаете количество синих частиц, доступных для столкновения, вы обнаружите, что только 20 синих частиц могут быть поражены частицей красного реагента.На рисунке А внутри шишки находится ряд синих частиц, по которым невозможно ударить. На рисунке B, однако, кусок был разбит на более мелкие части, и все внутренние синие частицы теперь находятся на поверхности и доступны для столкновения. На рисунке B будет происходить больше столкновений между синим и красным, и, следовательно, реакция на рисунке B будет происходить с большей скоростью, чем та же реакция на рисунке A. Увеличение площади поверхности реагента увеличивает частоту столкновений и увеличивает скорость реакции.

  Несколько более мелких частиц имеют большую площадь поверхности, чем одна большая частица. Чем больше площадь поверхности доступна для столкновения частиц, тем быстрее будет происходить реакция. Вы можете увидеть пример этого в повседневной жизни, если когда-либо пытались развести огонь в камине. Если вы поднесете спичку к большому журналу в попытке начать запись журнала, вы обнаружите, что это попытка не увенчалась успехом. Если поднести спичку к большому бревну, это не вызовет достаточного количества реакций, чтобы поддерживать огонь, обеспечивая достаточную энергию активации для дальнейших реакций.Чтобы разжечь дрова, принято разбивать полено на множество маленьких тонких палочек, называемых растопкой. Эти более тонкие деревянные бруски во много раз превышают площадь одного бревна. Спичка вызовет достаточное количество реакций в растопке, чтобы выделялось достаточно тепла, чтобы обеспечить энергию активации для дальнейших реакций.

  К сожалению, были случаи, когда серьезные аварии были вызваны непониманием взаимосвязи между площадью поверхности и скоростью реакции.Один из таких примеров произошел на мукомольных заводах. Пшеничное зерно не горючее. Чтобы сжечь пшеничное зерно, нужно приложить немало усилий. Однако, если пшеничное зерно измельчается и разлетается по воздуху, достаточно только искры, чтобы вызвать взрыв. Когда пшеница измельчается для получения муки, она измельчается в мелкий порошок, и часть этого порошка разлетается по воздуху. Тогда достаточно небольшой искры, чтобы начать очень быструю реакцию, которая может разрушить всю мукомольную мельницу.За 10-летний период с 1988 по 1998 год на мельницах США произошло 129 взрывов пыли. В настоящее время на мукомольных предприятиях прилагаются усилия к тому, чтобы огромные вентиляторы циркулировали воздух в мельнице через фильтры, чтобы удалить большую часть частиц мучной пыли.

  Другой пример — эксплуатация угольных шахт. Уголь, конечно, будет гореть, но чтобы уголь пустили в ход, нужно приложить усилия; когда он горит, он горит медленно, потому что только поверхностные частицы могут столкнуться с частицами кислорода.Внутренние частицы угля должны подождать, пока внешняя поверхность куска угля не сгорит, прежде чем они смогут столкнуться с кислородом. В угольных шахтах огромные блоки угля должны быть разбиты, прежде чем уголь можно будет извлечь из шахты. В процессе дробления огромных блоков угля используются сверла, чтобы просверлить стены из угля. Это бурение производит мелкую угольную пыль, которая смешивается с воздухом; тогда искра от инструмента может вызвать мощный взрыв в шахте. В угольных шахтах бывают взрывы по другим причинам, но взрывы угольной пыли привели к гибели многих шахтеров.На современных угольных шахтах разбрызгиватели газонов используются для распыления воды в воздухе шахты, что уменьшает количество угольной пыли в воздухе и предотвращает взрывы угольной пыли.

  Влияние катализатора на скорость реакции

  Последним фактором, влияющим на скорость реакции, является влияние катализатора. Катализатор — это вещество, которое ускоряет скорость реакции, но не расходуется на саму реакцию.

  В реакции разложения хлората калия на хлорид калия и кислород доступен катализатор, который заставляет эту реакцию протекать намного быстрее, чем она могла бы происходить сама по себе в комнатных условиях.Реакция:

  \ [2 \ ce {KClO_3} \ left (s \ right) \ overset {\ ce {MnO_2} \ left (s \ right)} {\ longrightarrow} 2 \ ce {KCl} \ left (s \ right) + 3 \ ce {O_2} \ left (g \ right) \]

  Катализатором является диоксид марганца, и его присутствие заставляет реакцию, показанную выше, протекать во много раз быстрее, чем это происходит без катализатора. Когда реакция завершится, \ (\ ce {MnO_2} \) можно удалить из реакционного сосуда, и его состояние точно такое же, как и до реакции.Это часть определения катализатора — он не расходуется в реакции. Следует отметить, что катализатор не записывается в уравнение как реагент или продукт, но отмечен над стрелкой выхода. Это стандартные обозначения для использования катализатора.

  Некоторые реакции без катализатора протекают очень медленно. Другими словами, энергия активации этих реакций очень высока. При добавлении катализатора энергия активации снижается, поскольку катализатор обеспечивает новый путь реакции с более низкой энергией активации.

  На рисунке справа эндотермическая реакция показывает реакцию катализатора красным цветом с более низкой энергией активации, обозначенной \ (\ text {E} ‘_ a \). Новый путь реакции имеет более низкую энергию активации, но не влияет на энергию реагентов, продуктов или значение \ (\ Delta H \). То же верно и для экзотермической реакции. Энергия активации каталитической реакции ниже, чем некаталитической реакции. Новый путь реакции, обеспечиваемый катализатором, влияет на энергию, необходимую для разрыва связей реагентов и образования связей продукта.\ text {o} \ text {C} \). Конечно, бывают случаи, например, когда организм борется с инфекцией, когда температура тела может повышаться. Но в целом у здорового человека температура вполне стабильная. Однако многие реакции, от которых зависит здоровое тело, никогда не могут возникнуть при температуре тела. Ответ на эту дилемму — катализаторы, также называемые ферментами. Многие из этих ферментов производятся в клетках человека, потому что ДНК человека содержит указания по их созданию. Однако есть некоторые ферменты, необходимые организму, которые не производятся клетками человека.Эти катализаторы должны поступать в наш организм с пищей, которую мы едим, и называются витаминами.

  Обратимые реакции

  Обычно, когда мы думаем о химической реакции, мы думаем о том, что реагенты полностью израсходованы, так что ничего не остается, и что в итоге мы получаем только продукты. Кроме того, мы обычно рассматриваем химические реакции как односторонние события. Вы, возможно, уже узнали на предыдущих занятиях по естествознанию, что это один из способов отличить химические изменения от физических изменений: физические изменения (например, таяние и замерзание льда) легко обратить, но химические изменения обратить вспять невозможно (довольно сложно отменить). обжарить яйцо).

  На протяжении всей этой главы мы увидим, что это не всегда так. Мы увидим, что многие химические реакции на самом деле обратимы при правильных условиях. А поскольку многие реакции можно обратить вспять, наше представление о реакции, заканчивающейся без остатков реагентов, а только с продуктами, необходимо будет изменить.

  Вот несколько примеров реакций, которые можно обратить:

  1.

  Двуокись азота \ (\ ce {NO_2} \), красновато-коричневый газ, реагирует с образованием бесцветного четырехокиси азота, \ (\ ce {N_2O_4} \): \ (\ ce {2NO_2 (g) \ rightarrow N_2O_4 (g)} \) Но реакция может идти и по другому пути — четырехокись азота также легко распадается с образованием двуокиси азота: \ (\ ce {N_2O_4 (g) \ rightarrow 2NO_2 (g)} \) Обычно мы пишем реакцию, которая может идти в обоих направлениях, используя двойную стрелку (которая иногда отображается как ↔ в этих онлайн-заметках): \ (\ ce {2NO_2 (g) \ leftrightarrow N_2O_4 (g)} \) Поскольку реакция продолжается в обоих направлениях одновременно, у нас никогда не заканчивается \ (\ ce {NO_2} \) или \ (\ ce {N_2O_4} \) . \ (\ ce {NO_2} \) постоянно используется до образования \ (\ ce {N_2O_4} \), но в то же время \ (\ ce {N_2O_4} \) образует еще \ (\ ce {NO_2 } \)

  2.

  При пропускании газообразного водорода над нагретым оксидом железа образуются железо и пар: (1) \ (\ ce {Fe_3O_4 (s) + 4H_2 (g) \ rightarrow 3Fe (s) + 4H_2O (g)} \) При пропускании пара над раскаленным железом может возникнуть обратная реакция: (2) \ (\ ce {3Fe (s) + 4H_2O (g) \ rightarrow Fe_3O_4 (s) + 4H_2 (g)} \) Эти два уравнения можно записать вместе как: (3) \ (\ ce {Fe_3O_4 (s) + 4H_2 (g) \ leftrightarrow 3Fe (s) + 4H_2O (g)} \) Когда у нас есть обратимая реакция, записанная таким образом, мы должны иметь возможность различать, в какую сторону идет реакция.Как написано выше в реакции (3), мы бы сказали, что в прямой реакции оксид железа и газообразный водород, реагенты, производят железо и водяной пар. Во время обратной реакции железо реагирует с паром с образованием продуктов оксида железа и газообразного водорода. Важно понимать терминологию и правильно использовать термины. Имеет ли значение, как мы пишем обратимую реакцию? Его также можно записать как \ (\ ce {3Fe (s) + 4H_2O (g) \ leftrightarrow Fe_3O_4 (s) + 4H_2 (g)} \) Итак, железо и водяной пар являются реагентами прямого направления, а оксид железа и газообразный водород — реагентами обратного направления.

  Резюме

  • Теория столкновений объясняет, почему происходят реакции между атомами, ионами и молекулами.
  • Чтобы реакция была эффективной, частицы должны сталкиваться с достаточной энергией и иметь правильную ориентацию.
  • При повышении температуры увеличивается энергия, которая может быть преобразована в энергию активации при столкновении, что увеличит скорость реакции. Снижение температуры имело бы противоположный эффект.
  • С повышением температуры увеличивается количество столкновений.
  • Увеличение концентрации реагента увеличивает частоту столкновений между реагентами и, следовательно, увеличивает скорость реакции.
  • Увеличение площади поверхности реагента (путем разрушения твердого реагента на более мелкие частицы) увеличивает количество частиц, доступных для столкновения, и увеличит количество столкновений между реагентами в единицу времени.
  • Катализатор — это вещество, которое ускоряет скорость реакции, но не расходуется на саму реакцию. Когда добавляется катализатор, энергия активации снижается, потому что катализатор обеспечивает новый путь реакции с более низкой энергией активации.

  Словарь

  • Катализатор — Вещество, которое ускоряет скорость реакции, но не расходуется на саму реакцию.
  • Отношение площади поверхности к объему — Сравнение объема внутри твердого тела с площадью, открытой на поверхности.

  Дополнительная литература / дополнительные ссылки

  • Энергия активации: http://www.mhhe.com/physsci/chemistr…sh/activa2.swf
  • Learner.org/resources/series61.html Веб-сайт Learner.org позволяет пользователям просматривать потоковое видео из серии видео по химии Анненберга. Перед просмотром видео вам необходимо зарегистрироваться, но это бесплатно. На веб-сайте есть одно видео, относящееся к этому уроку, под названием Molecules in Action .
  • www.vitamins-guide.net
  • ru.Wikipedia.org/wiki
  • Наблюдение за молекулами во время химических реакций помогает объяснить роль катализаторов. Также демонстрируется динамическое равновесие. Молекулы в действии (www.learner.org/vod/vod_window.html?pid=806)
  • Наука о поверхности изучает, как поверхности взаимодействуют друг с другом на молекулярном уровне. На поверхности (www.learner.org/vod/vod_window.html?pid=812)

  Материалы и авторство

  Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

  • Фонд CK-12 Шарон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

  .

  No related posts.