Я познаю мир. Естествознание

Дым, выходящий из печной трубы, может подниматься прямо вверх или стелиться по земле. По небу плывут кучевые облака. Вверх к потолку поднимается дым сигареты. Все это происходит потому, что воздух нагревается неравномерно. Когда какая–то часть воздуха нагревается сильнее, она расширяется и становится менее плотной. Более холодный и плотный воздух опускается вниз. Такое перемешивание называется конвекцией.

Конвекция может происходить и в жидкости. Зимой в нашем доме тепло благодаря тому, что нагретый батареей или печью воздух перемешивается с холодным, это происходит во всех отапливаемых помещениях. Именно конвекция служит причиной того, что на нашей планете дуют ветры. Ветер несет изменение погоды, от которой часто зависит многое в жизни людей.

В твердых предметах молекулы не могут двигаться, поэтому конвекция в них невозможна. Зато тепло может передаваться от одной молекулы к другой. Так нагревается сковорода. Пламя газа вызывает колебания молекул металла в сковороде, и она разогревается. Этот процесс называется теплопроводностью.

Конвекция в помещении

В быту есть немало примеров того, что одни тела нагреваются быстро, а другие медленно. Алюминиевая ложка в стакане чая очень быстро становится нестерпимо горячей, а стальная продолжает довольно долго оставаться теплой. По сравнению с металлической деревянная ложка вообще почти не нагревается. Значит, сталь лучше проводит тепло, чем дерево, а алюминий – лучше, чем сталь. Если, сидя на стуле, коснуться металлической и деревянной его частей, покажется, что металлическая холоднее. На самом деле весь стул был одинаковой температуры, просто металл быстрее отнимает тепло пальцев и поэтому кажется холодным.

Поэтому ручку сковороды обычно делают из материала, который плохо проводит тепло, иначе теплопроводность металла сковороды стала бы причиной ожога. Для того чтобы донести очень горячую чашку, мы берем подставку или поднос. Посуда обычно делается из материалов, которые плохо проводят тепло, поэтому мы не обжигаемся о край чашки или тарелки.

Светлая одежда из хлопка неплохо отражает солнечные лучи летом, когда лишнее тепло нам ни к чему, а зимой одежда из темной шерсти хорошо поглощает тепло. Кроме того, в шерстяной одежде задерживается много воздуха, который сам по себе отлично изолирует нас от холода.

Чтобы воздух сохранял тепло, он должен быть неподвижен. Поэтому в стенах домов, построенных в местах с холодным климатом, довольно много полостей, содержащих воздух. Отверстия в кирпиче, двойные стены и рамы – все это защита от холодов.

Один из самых лучших способов сохранить тепло используется в термосе. Поскольку термос затыкают пробкой, конвекция оказывается невозможной. Стенки колбы термоса покрыты изнутри серебристым напылением, и эта зеркальная поверхность отражает большую часть теплового излучения. Колба двойная: из пространства между внутренней и наружной стенками колбы воздух откачан. Поэтому там просто нет молекул, которые могли бы передать тепло путем теплопроводности. Так в термосе реализована защита от всех трех типов передачи тепла.

Как греет солнце?

И конвекция и теплопроводность действуют через частицы вещества. Огромные пространства космоса, разделяющее Землю и Солнце, почти не содержат молекул, тем не менее все знают, что Солнце греет. Такая передача теплоты называется излучением.

Благодаря излучению тепло костра можно ощутить, даже находясь довольно далеко от него. Но сразу ставится холодно, если кто–то закрывает от нас пламя. Значит, воздух был и остался холодным, а тепло доходило прямо от костра.

Считается, что тепло в таких случаях передается при помощи особых тепловых волн, испускаемых источником излучения, например Солнцем или костром.

Излучение есть у всех тел, температура которых выше абсолютного нуля. Эти волны особенно хорошо улавливаются темными телами. Мы можем видеть лишь часть этих волн, только те, которые испускают очень горячие тела, например Солнце, спираль лампочки, тлеющие угольки.

Разные поверхности могут отражать или поглощать эти волны. Если тело поглощает тепловые волны, оно нагревается так же, как нагревается в солнечный день черная куртка. Если в тот же день надеть серебристый костюм, то в нем будет холоднее, потому что серебристая поверхность отражает много тепловых волн. Все тела отражают и поглощают тепловые волны.

Не все вещества прозрачны для тепловых волн. Вода, например, не пропускает теплового излучения, зато хорошо пропускает свет, а раствор йода – наоборот. В оранжерее стекла действуют как ловушки тепла, пропуская свет солнца, но не выпуская тепло на улицу.

Количество тепла, которое мы получаем через излучение, зависит от расстояния. Земля получает гораздо больше солнечного тепла, чем, например, Плутон, самая далекая планета Солнечной системы. Даже Марс, следующая после Земли планета от Солнца, получает в 2 раза меньше тепла, чем Земля.

Как связаны тепло и работа?

Тепло можно превратить в работу. Доказательством этого может служить существование большего количества тепловых двигателей и тепловых электростанций. Горячий пар способен совершать работу, если ему предоставлена возможность расширяться. Это было использовано в первых паровых машинах и паровозе. Температура пара при этом понижается.

Для того чтобы превратить энергию, содержащуюся в органических веществах, в тепло, их, как правило, нужно сжечь. Мы делаем это, когда сжигаем стволы деревьев, каменный уголь, природный газ и нефть – все это примеры тел, которые хранят запасы энергии. Каждый, кому приходилось часто разводить костры, знает, что древесина некоторых деревьев горит жарче. Так и все остальные типы топлива выделяют разное количества тепла.

Пища, которую мы едим, используется в нашем организме, в том числе как топливо. Пища нужна для поддержания постоянной температуры тела, возобновления тканей и физической работы. Часть энергии пищи может быть запасена в виде жира и использована, например, во время болезни. Доказано, что лишь треть энергии, которую человек пополняет при помощи пищи, используется для работы мышц. Разная пища содержит разные вещества и запасы энергии. Жир и сахар дают нам больше энергии, чем сок или молоко.

Как устроена паровая машина?

Считается, что первой паровой машиной стала игрушка, которая была изобретена около 4000 лет назад Героном Александрийским.

Первая паровая машина Герона Александрийского

Она состояла из пустотелого шара и двух загнутых трубок. Если такой шар закрепляли над огнем, то пар, вырываясь из трубок, заставлял шар вращаться.

Несмотря на давность идеи, впервые с пользой применять пар стали в XVIII веке. Начало паровой эпохи связывают с именем английского кузнеца Томаса Ньюкомена, который придумал паровую машину для откачивания воды из угольных шахт.

Что такое влажность?

Если и есть на свете что–то, что интересно, безусловно, всем, то это, наверное, прогноз погоды. Ведь часто от погоды зависит, что именно мы решаем делать. Мы можем поехать за город и провести время на природе, а можем покататься на коньках, на лодке под парусом, поплавать или пробежаться на лыжах.

От климата зависят одежда и тип жилищ в данной местности. Каникулы могут из–за погоды превратиться в кошмар, а могут стать самым лучшим временем года. От погоды зависит, здоровы ли люди или болеют. Климат одной местности оказывается более или менее постоянным, а погода может полностью поменяться за один день. Что же вызывает изменение погоды?