Digitální učební materiál Autor: Ing. Bc. Pavel Kolář Předmět/vzdělávací oblast: Základy přírodních věd - Fyzika Tematická oblast: Termika Téma: Přenos vnitřní energie Ročník: 2. Datum vytvoření: listopad 2013 Název: VY_32_INOVACE_08.2.08.FYZ Anotace: Učební materiál podává vysvětlení přenosu tepla. Seznamuje s přenosem tepla vedením, prouděním a zářením. Zabývá se využitím získaných poznatků v praxi. Metodický pokyn: Prezentace je primárně určena ke zkvalitnění výuky v hodinách fyziky, ale může být využita i k samostudiu nebo pro distanční formu vzdělávání. Otázky na konci tématu ověří u žáků pochopení probíraného učiva. Materiál vyžaduje použití multimediálních prostředků (PC a dataprojektoru).

Přenos vnitřní energie

Přenos vnitřní energie Při tepelné výměně se teplo přenáší z tělesa teplejšího na těleso chladnější třemi způsoby: Vedením; Prouděním; Zářením.

Tepelná výměna vedením Nastane v tělese tehdy, je-li teplota jeho částí různá; Částice v teplejší oblasti tělesa kmitají větší rychlostí a srážkami předávají svoji energii částicím z chladnější oblasti tělesa; Částice při vedení tepla nemění svou polohu; Podle schopnosti vést teplo se látky dělí na tepelné vodiče nebo tepelné izolanty.

Tepelná výměna vedením Tepelné vodiče Dobře vedou teplo a umožňují rychlou tepelnou výměnu vedením; Mají vysokou tepelnou vodivost; Mezi nejlepší tepelné vodiče patří kovy (stříbro, měď, hliník, atd.). Příklad: Radiátory ústředního topení, tepelné výměníky, automobilové chladiče, chladiče polovodičových součástek, hrnce a kastroly, plotýnky vařičů, atp.

Tepelná výměna vedením Tepelné vodiče Obrázek 8.1. Radiátor ústředního topení Obrázek 8.2. Chladič mikroprocesoru

Tepelná výměna vedením Tepelné izolanty Materiály, které špatně vedou teplo, se využívají jako tepelné izolanty; Mají malou tepelnou vodivost; Velmi dobrým tepelným izolantem je vzduch a materiály, které vzduch obsahují (polystyren, skelná vata, molitan, peří, srst, ale i sníh); Nejlepším tepelným izolantem je vakuum, které neumožňuje přenos tepla vedením; Příklad: Izolační dvojsklo, tepelně izolační zdivo, péřová bunda, atp.

Tepelná výměna vedením Tepelné izolanty Obrázek 8.3. Tepelně izolační zdivo Obrázek 8.4. Fasádní polystyren

Tepelná výměna vedením Tepelné izolanty Obrázek 8.5. Péřová bunda Obrázek 8.6. Zvířecí srst

Tepelná výměna prouděním Prouděním se teplo přenáší pouze v tekutinách (kapalinách a plynech); Zahříváním zvětšuje tekutina svůj objem a její hustota se snižuje: Zahřátá tekutina začne stoupat vzhůru, protože je vytlačována chladnější tekutinou o větší hustotě; Po ohřátí chladnější tekutiny se celý děj opakuje  tekutina proudí.

Tepelná výměna prouděním Využití: Teplovodní ústřední topení, ohřívání vzduchu v místnosti radiátorem nebo kamny, vaření vody, ochlazování tekutin, komínový efekt, atp. Příroda: V důsledku rozdílného tlaku vzduchu vznikají vzdušné proudy a vítr; Rozdíly v teplotě mořské vody vedou ke vzniku mořských proudů (teplý Golfský proud, chladné polární proudy).

Tepelná výměna prouděním Obrázek 8.7. Vytápění domu

Obrázek 8.9. Ptáci při plachtění využívají vzdušných proudů Tepelná výměna prouděním Obrázek 8.9. Ptáci při plachtění využívají vzdušných proudů HORN, Graham. cit. 2013-11-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ARed_Kite_at_Warren_Hill_-_geograph.org.uk_-_1006798.jpg Obrázek 8.8. Tah komína

Tepelná výměna zářením Každé těleso v závislosti na své teplotě vyzařuje tepelné záření; Čím je teplota tělesa vyšší, tím více tepelného záření vydává; Tepelné záření není okem viditelné (infračervené záření); Když je teplota tělesa vyšší než 500 °C, vyzařuje i světelné záření (od červené, přes oranžovou, žlutou, bílou až po modrobílou barvu); Tepelné záření se šíří nejen v látkovém prostředí, ale i ve vakuu.

Obrázek 8.10. Klasická fotografie Tepelná výměna zářením Detekce tepelného záření těles termokamerou; Obrázek 8.10. Klasická fotografie KUIPER, Pieter. cit. 2013-11-06. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACoffee_applepie_visible.jpg Obrázek 8.11. Termosnímek KUIPER, Pieter. cit. 2013-11-06. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACoffee_applepie_infrared.JPG

Tepelná výměna zářením Tepelné záření je nositelem energie; Prostupuje-li tepelné záření tělesem, těleso se nezahřívá (čiré sklo); Je-li tepelné záření tělesem pohlceno, těleso se zahřívá a jeho vnitřní energie se zvyšuje (lidské tělo při dopadu slunečních paprsků); Tepelné záření se od lesklých ploch odráží a zvýšení teploty tělesa je malé (zrcadlo). Tělesa s tmavým matným povrchem pohlcují a vyzařují mnohem více tepelného záření než tělesa lesklá a světlá.

Tepelná výměna zářením Obrázek 8.12. Soustředění energie slunečního záření v ohnisku lupy Obrázek 8.13. Solární elektrárna

Shrnutí nejdůležitějších poznatků Při tepelné výměně se teplo přenáší z teplejšího na chladnější těleso. Při přenosu tepla vedením prostupuje teplo látkou. Podle schopnosti vést teplo dělíme látky na tepelné vodiče nebo tepelné izolanty. Pokud je teplo přenášeno proudící tekutinou, například vodou nebo vzduchem, jedná se o přenos tepla prouděním. Tepelné záření umožňuje tepelnou výměnu i v případech, kdy teplo nemůže prostupovat látkou, ani není přenášeno prouděním. Například ve vakuu.

Otázky a úkoly Jakým způsobem se šíří teplo? Teplo se šíří vedením, prouděním nebo zářením. Vysvětli rozdíl mezi tepelným vodičem a tepelným izolantem. Tepelné vodiče: Dobře vedou teplo. Mají velkou tepelnou vodivost. Například kovy. Tepelné izolanty: Materiály, které špatně vedou teplo. Mají malou tepelnou vodivost. Například polystyren. Víme, že vzduch špatně vede teplo. Jak to, že se od radiátoru ústředního topení zahřeje vzduch v celé místnosti? Dochází k přenosu tepla prouděním vzduchu.

Otázky a úkoly Jak nejrychleji ochladit limonádu? Postavit sklenici na led nebo do sklenice vhodit několik ledových kostek? Vhodit do sklenice několik ledových kostek. Led plave na hladině, ochlazená limonáda klesá ke dnu a teplejší stoupá vzhůru, kde je ochlazena ledem. Proudění. Může se ve vakuu šířit teplo? Ano. Prostřednictvím tepelného záření. Proč se tmavá tělesa zahřívají na slunci více než tělesa světlá? Protože tmavá matná tělesa pohlcují nejvíce tepelného záření. Jakým způsobem snížit tepelné ztráty ve stavebnictví? Navrhněte možná řešení. Například použitím plastových oken s izolačním dvojsklem nebo zateplení domu polystyrenem.

Použité zdroje LEPIL, Oldřich, BEDNAŘÍK, Milan, HÝBLOVÁ, Radmila. Fyzika pro střední školy I. 4. vyd. Praha: Prometheus, 2004, 266 s. Učebnice pro střední školy. ISBN 80-7196-184-1. BEDNAŘÍK, Milan, KUNZOVÁ, Vlasta, SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. 1. vyd. Praha: SPN, 1986, 216 s. Učebnice pro střední školy. POLÁK, Zdeněk. Hrátky s teplem. 1. vyd. Praha: ČEZ, 2012, 47 s. Vzdělávací program ČEZ, a.s.,Svět energie. Autorem obrázků, pokud není uvedeno jinak, je autor výukového materiálu.

Použité zdroje Obrázek 8.9.: HORN, Graham. Commons.wikimedia.org: Red Kite at Warren Hill - geograph.org.uk - 1006798.jpg online. 2008-10-09 cit. 2013-11-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ARed_Kite_at_Warren_Hill_-_geograph.org.uk_-_1006798.jpg Obrázek 8.10.: KUIPER, Pieter. Commons.wikimedia.org: Coffee applepie visible.jpg online. 2011-01-16 cit. 2013-11-06. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACoffee_applepie_visible.jpg Obrázek 8.11.: KUIPER, Pieter. Commons.wikimedia.org: Coffee applepie infrared.jpg online. 2011-01-16 cit. 2013-11-06. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACoffee_applepie_infrared.JPG