Fizika · Molekulyar fizika va termodinamika · 7-sinf

Tandir va sandal: issiqlik

Nega tandir loydan quriladi va non uning devoriga yopishtirib pishiriladi?

Vaziyat

Tong saharda novvoy tandirga o‘tin qalab, olov yoqadi. Bir soatcha o‘tgach, ichki devor shunchalik qiziydiki, unga yopishtirilgan xamir bir necha daqiqada qizarib pishgan nonga aylanadi, tashqi devor esa ancha sovuqroq qoladi. Qishda esa oila sandal atrofiga yig‘iladi: ostidagi kichik isitgich ko‘rpa tagini soatlab iliq saqlaydi. Issiqlik olovdan nonga qanday yo‘llar bilan yetib boradi va nega tandir po‘latdan emas, loydan quriladi?

Mavzu

Issiqlik uzatish turlari. Tandir va sandal: o‘tkazuvchanlik, konveksiya, nurlanish

Asosiy tushunchalar

Issiqlik o‘tkazuvchanlik
Konveksiya
Nurlanish

Formulalar

q = - k \frac{d T}{d x}

Furye qonuni (issiqlik o‘tkazuvchanlik): $k$ — issiqlik o‘tkazuvchanlik koeffitsienti, Vt/(m·K).

ρ c \frac{\partial T}{\partial t} = \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (k r \frac{\partial T}{\partial r})

Silindrik devordagi issiqlik tenglamasi — modelda devor 31 ta qatlamga bo‘linib (chekli ayirmalar) yechiladi.

q_{n u r} = ε σ (T_{1}^{4} - T_{2}^{4})

Nurlanish (Stefan–Bolsman qonuni): $σ = 5,67 \cdot 10^{- 8}$ Vt/(m²·K⁴), $ε$ — qoralik darajasi. Harorat kelvinda!

q_{k o n v} = h (T_{s} - T_{h a v o})

Konveksiya (Nyuton qonuni): tashqaridagi tinch havo uchun $h \approx 10$ Vt/(m²·K).

R = \frac{d}{k}, τ \approx \frac{d^{2}}{α}, α = \frac{k}{ρ c}

Devorning issiqlik qarshiligi (1 m² uchun) va uning qizish vaqti tartibi.

Nazariya

Uch yo‘l

Issiqlik uch xil uzatiladi. O‘tkazuvchanlik — modda ichida zarralar to‘qnashuvi orqali: olov qizitgan ichki devordan tashqi devorga (kesimdagi rangli qatlamlar). Konveksiya — qizigan havo oqimi: olovdan ko‘tarilgan issiq havo, tashqi devorni sovitayotgan hovli havosi. Nurlanish — infraqizil elektromagnit to‘lqinlar: cho‘g‘ va qizigan devor nonni masofadan qizdiradi, unga havo ham kerak emas.

Nega tandir loydan?

Loyning issiqlik o‘tkazuvchanligi kichik ( $k \approx 1$ Vt/(m·K)), issiqlik sig‘imi esa katta. Qalin loy devor olov energiyasini to‘playdi va tashqariga sekin chiqaradi — olov o‘chgach ham non yopish mumkin. Po‘lat issiqlikni taxminan 45 marta yaxshi o‘tkazadi: tashqi sirti ichki sirti bilan deyarli bir xil qiziydi va issiqlik hovliga ketadi. 8 sm loy devorning qizish vaqti $τ \approx d^{2} / α \approx 3$ soat — shuning uchun bir soatlik olovdan keyin ham tashqi devor ancha sovuq.

Non qanday pishadi?

Xamirning devorga tekkan tomoni o‘tkazuvchanlik bilan, ochiq tomoni qarama-qarshi devor va cho‘g‘dan nurlanish bilan, issiq havodan konveksiya bilan qiziydi. Avval xamirdagi suv bug‘lanadi: nam qatlam 100 °C dan qizimaydi. Yuza qurigach harorat ko‘tariladi va taxminan 150 °C dan yuqorida non qizaradi. Modelda devor taxminan 300–400 °C bo‘lganda non 5–8 minutda pishadi; juda issiq devor (taxminan 450 °C dan yuqori) non tagini kuydiradi.

Sandal va modelning chegaralari

Sandalda ko‘rpa ( $k \approx 0,04$ Vt/(m·K)) issiqlikni yomon o‘tkazadi va kichik isitgich quvvatini ko‘rpa ostida ushlab qoladi: harorat $Δ T = P / (U A)$ bo‘lguncha ko‘tariladi. Ko‘mir cho‘g‘li sandal yopiq xonada is gazi (CO) bilan zaharlanish xavfini tug‘diradi. Model soddalashtirilgan: tandir — ichki radiusi 35 sm, balandligi 90 sm silindr; olov quvvatining yarmi devorga yutiladi; cho‘g‘ quvvati olovning 20 % i, harorati taxminan 700 °C; xamir 1,2 sm, 40 % suv; qizarish darajasi empirik formula bilan hisoblanadi.

Statsionar va nostatsionar o‘tkazuvchanlik

Olov yoqilgandan keyin devor nostatsionar qiziydi: har bir qatlam harorati vaqt bo‘yicha o‘zgaradi, ichki sirtga kirgan oqim tashqi sirtdan chiqqanidan ancha katta — farq devorni isitishga ketadi ( $ρ c \partial T / \partial t$ ). Bu rejim taxminan $τ \approx d^{2} / α$ davom etadi; profil grafigidagi egri chiziq shu vaqtda to‘g‘rilanib boradi. So‘ng statsionar holat qaror topadi: harorat vaqtga bog‘liq bo‘lmaydi, ichkariga kirgan va tashqaridan chiqqan oqimlar tenglashadi (HUD da solishtiring), profil esa yassi devorda to‘g‘ri chiziq: $q = k Δ T / d$ (silindrik devorda — logarifmik egri). Issiqlik o‘tkazuvchanlik koeffitsienti $k$ — qalinligi 1 m qatlam orqali 1 K harorat farqida 1 m² yuzadan 1 s da o‘tadigan issiqlik, Vt/(m·K): mis ≈ 400, po‘lat ≈ 45, loy ≈ 1, paxta ≈ 0,04. Issiqlik o‘tkazuvchanlikni o‘rganish (7-sinf): bir xil olovda loy va po‘lat devorni, so‘ng turli qalinliklarni solishtiring.

Quyosh kollektori

Yassi quyosh kollektori — qora yutuvchi plastinka, unga kavsharlangan suv quvurlari, ustida shisha va orqasida issiqlik izolyatsiyasi. Quyosh nurlanishi $G$ shishadan o‘tib, plastinkada yutiladi (nurlanish), quvur devori orqali suvga o‘tadi (o‘tkazuvchanlik) va oqayotgan suv uni olib ketadi (majburiy konveksiya). Qizigan plastinka infraqizil nur sochadi, lekin shisha bu nurlarni deyarli o‘tkazmaydi va issiq havoni ushlab turadi — issiqxona effekti, shuning uchun shishali kollektorning yo‘qotish koeffitsienti $U_{L}$ kichik. Foydali quvvat $Q_{u} = \dot{m} c (T_{c h i q} - T_{k i r})$ , samaradorlik (FIK) $η = Q_{u} / (G A)$ ; statsionar holatda $η = η_{0} - U_{L} (T_{m} - T_{a}) / G$ , bu yerda $T_{m}$ — suvning o‘rtacha harorati: suv qancha issiq bo‘lsa, yo‘qotish shuncha katta. Laboratoriya: turli kirish haroratlarida $η$ ni o‘lchab jurnalga yozing; $η$ ning $(T_{m} - T_{a}) / G$ ga bog‘liqlik grafigida to‘g‘ri chiziqning $η$ o‘qi bilan kesishishi $η_{0}$ ni, qiyaligi esa $- U_{L}$ ni beradi. Model: 2 m² kollektor, $η_{0}$ va $U_{L}$ — taxminiy tipik qiymatlar, suv harorati kollektor bo‘ylab chiziqli o‘sadi, havo $T_{a}$ = 20 °C.

Bilasizmi?

Tandir — Markaziy Osiyo, Kavkaz, Eron va Hindistonda keng tarqalgan qadimiy o‘choq. Uning nomi bu mintaqa tillarida turlicha aytiladi: tandoor, tonir, tannur.
Nurlanish quvvati mutlaq harorat to‘rtinchi darajasiga proporsional: taxminan 700 °C li cho‘g‘ (973 K) 300 °C li devordan (573 K) taxminan 8 marta kuchliroq nur sochadi: ${(973 / 573)}^{4} \approx 8,3$ .

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.