Alustame soojusülekande erinevate liikidega tutvumist soojusülekandest. Järgnevalt mõned võimalikud huvi tekitamise slaidid/töölehed.

Soojad jäljed?

Piltidel on toodud üks ja seesama koht pildistatuna termokaamera ja tavalise kaameraga. Kuidas jäljed põrandale said?

Walking on glowing coals

Sütel kõndimises ei ole midagi müstilist või spirituaalset, ent appi tuleb võtta peaaegu kogu selle kursuse materjal. Alustame soojusjuhtivusest.

Kuidas avaldub soojusjuhtivus?

Uurime pildil kujutatud situatsiooni, arutleme. Tutvume soojusjuhtivuse definitsiooniga, vastame küsimustele.

Soojusjuhtivus on meile igapäevaelust tuttav loodusnähtus, mistõttu saab sellest rääkimist alustada ka definitsioonist ja teooriast, viidates õpilaste varasemale kogemusele. Soovitame alustada definitsioonist ja simulatsioonidest.

Esimese töölehe simulatsioon peaks selgitama, et soojusjuhtivuse puhul ei liigu aineosakesed või misiganes müstiline voolav soojusvedeld. Liigub energia, st osakestevahelistes põrgetes kandub soojusliikumise energia üle kiirematelt (kõrgema temperatuuriga) osakestelt aeglasematele (madala temperatuuriga) osakestele. 

Soojusliikumine ja soojusülekanne

Uurime arvutisimulatsiooni, kus on võimalik vaadelda aineosakeste soojusliikumist ja temperatuuri muutumist soojuslikus kontaktis olevate kehade vahel. 

Materjalide soojusjuhtivuse võrdlemiseks kasuta ühesuguse kujuga katseobjekte. Teeme ühe sellise katse läbi ka arvutisimulatsiooni abil.

Materjalide soojusjuhtivus arvutisimulatsioonis ja praktikas

Uurime arvutisimulatsioonis, kuidas muutub erinevatest materjalidest valmistatud katsekehade temperatuur, kui neid kehasid ühest otsast soojendada.

Uurime soojusjuhtivust reaalsete katsete abil. Kasutame erinevatest materjalidest vardaid ja igapäevakasutuses olevaid esemeid.

Esimeses katses lihtsalt nendime soojusjuhtivuse olemasolu.

Soojusülekanne alumiiniumist vardas

Mõõda katses alumiiniumvardas soojusülekande tõttu põhjustatud temperatuuritõusu. Vasta küsimusele.

Teine katse kirjeldab sellist soojuse ja soojusülekande omadust, millega me kõik arvatavasti kohtunud oleme, ent mida me võib-olla ei ole teadvustanud ja tähele pannud. Nimelt: kui keha mingi osa temperatuuri tõsta ning seejärel soojusallikas kehast küljest eemaldada, levib soojus kehas ikkagi edasi - kuni soojusliku tasakaalu saavutamiseni. Seda seetõttu, et soojaks kehaks (soojusallikaks) on nüüd keha soe osa. Saame seda alumiiniumvarda temperatuuri mõõtes katseliselt jälgida.

Selle katse selgitamisel tuleks meeles pidada, et antud olukorda saame jälgida vaid metallide korral. Kui soojendame ühest otsast halba soojusjuhti, on selle „teise otsa" temperatuuri tõus palju vähem märgatav, sest protsess võtab kaua aega ja suurem osa soojust jõuab levida keha ümbritsevasse keskkonda.

Soojus levib kuni soojusliku tasakaalu tekkimiseni

Uuri olukorda, milles soojus levib kehas ilma, et see oleks ühegi soojusallikaga kontaktis. Soorita katse, milles selline nähtus reaalselt esineb. Vasta küsimustele.

Mõned materjalid juhivad soojust paremini, teised halvemini. Tihti on materjalide soojusjuhtivus nende üks tähtsamaid omadusi ning seda tuleb inseneritöös ilmtingimata arvestada.

Teine katse näitab, et see on tõesti nii. Katses võrdleme alumiiniumist ja rauast varraste soojusjuhtivust.

Võrdleme alumiiniumi ja raua soojusjuhtivust

Võrdle katses alumiiniumi ja raua soojusjuhtivust. Vasta küsimustele.

Järgnevas kahes töölehes pakume võimaluse uurida teelusika soojusjuhtivust. Teelusika materjaliks on tõenäoliselt roostevaba teras. Katse võib teha ka plastikust lusikaga, ent igal juhul on selle materjali soojusjuhtivus viletsam kui alumiiniumil või terasel.

Toidunõude soojusjuhtivus

Uuri katses lusika soojusjuhtivust. Arutle millised materjalid on toidunõude valmistamiseks sobivaimad. Vasta küsimustele.

Harilik pliiats on huvitav selle poolest, et kui pliiatsi ümbrise materjaliks olev puit on halb soojusjuht, siis on pliiatsi südamiku materjal ehk grafiit jällegi väga hea soojusjuht. Nii võime mõõtmisel näha olukorda, kus suhteliselt jahedast puidust kestast turritab välja palju kõrgema temperatuuriga pliiatsisüdamik.

Soojusülekanne ja soojusisolatsioon

Uuri soojusülekannet harilikus pliiatsis. Pööra tähelepanu asjaolule, et pliiatsil on puidust kesta sees grafiidist südamik. Arutle, kuidas peaks takistama soojuse torudest välja pääsemist. Vasta küsimustele.

Selles kursuses tahame suvel kogutava päikeseenergia salvestamiseks kasutada maapinda. Eelnevast saame nüüd aru, et kui mingit kohta maapinnas soojendada, hakkab soojus paratamatult sellest punktist soojusjuhtivuse tõttu eemale levima. Selle kiirus sõltub sellest, kui hea soojusjuht on liiv.

Teeme liiva soojusjuhtivuse uurimiseks katse ja seostame seda millegi eriti suvisega - rannaliiva temperatuuriga maapinnal ja selle all. Järgnev tööleht sisaldab ka kalkulaatorit, millega saab hinnata soojuse levimise kaugust.

Liiva soojusjuhtivuse uurimine

Uuri katses liiva soojusjuhtivust. Võrdle liiva soojusjuhtivust metallide soojusjuhtivusega. Vasta küsimustele.

Maja soojustamise olulisus võib õpilastele niigi ilmne olla, ent saame seda ka katseliselt uurida. Asugu majas väikese võimsusega küttekeha - hõõglamp. Piisab vaid sellest, et vahetame sooja pidavast penoplastist katuse viletsama, plastikust tehtu vastu, et maksimaalne temperatuur, mida mingi konkreetse hõõglambi võimsuse korral suudame saavutada, langeks oluliselt.

Majade soojustamine

Katse tulemusena näeme, et plastikust katuse korral on toa lõpptemperatuur oluliselt madalam kui penoplastist katuse korral. Küttekehana kasutame maja mudelisse paigutatud hõõglampi.

Asju puudutades tajume neid soojade ja külmadena. Seda ka siis, kui kehade temperatuurid on ühesugused. 

Tekitame järgnevalt seose tajutava temperatuuri (skaalal soe-külm) ja keha materjali soojusjuhtivuse vahel.

Milliseid kehasid me soojadena tajume

Learn about the relationship between human temperature perception and the thermal conductivity of substances. Conduct an experiment to confirm the validity of this relationship. Answer the question.

Kuidas on huviäratajates viidatud soojade jälgedega?

Warm marks remain on the floor

Make sure from the experiment that if you hold your palm against the tabletop, the temperature of the tabletop rises by several degrees under your hand. Answer the question.

Järgmiseks soojusülekande liigiks on konvektsioon. Soojusjuhtivusega võrreldes on konvektsioon üldjuhul kiirem ja efektiivsem. Tihti aetakse need kaks soojusjuhtivuse liiki igapäevaolukordades lootusetult sassi. 

Alustame huviäratajatega. 

Esimest neist kohtasime toiduautomaadis:

Why so?

Antud toiduautomaadi alumisel riiulil on šokolaad, üleval küpsised. Kas see on juhuslik? Uurime seda.

Teine võimalus on palju igapäevasem, ent järele mõeldes üldsegi mitte vähem intrigeeriv.

Kuidas on see võimalik?

Nüüd me juba teame, et õhk ja vesi on halvad soojusjuhid. Halbades soojusjuhtides kulub soojusel meetri läbimiseks ... nädal või rohkem. Ent siin on täiesti igapäevane olukord: radiaator seisab nurgas ja kõigil on miskipärast soe.

Alustame sellest, et tutvume konvektsiooni mõistega. Kasutame selleks simulatsiooni, sest reaalsetes katsetes on konvektsiooni otsene jälgimine keeruline, võimalik on mõõta vaid temperatuure.

Soojuse levimine konvektsioonis

Uurime konvektsiooni arvutisimulatsioonis ja võrdleme seda soojusjuhtivusega. Selgub, et konvektsioonis liigub soojus üldiselt palju kiiremini.

Tavaliselt käivitub konvektsioon gaasides ja vedelikes kohe kui kütteallikas sisse lülitada. Siiski ei pruugi see alati nii olla. Selle nähtuse demonstreerimiseks on võimalik kasutada üht või mitut järgnevatest töölehtedest. Esimene neist sisaldab simulatsiooni, teine katset.

Arvutisimulatsiooniga tööleht:

Soojusülekanne ilma konvektsioonita - arvutisimulatsioon

Käivita arvutisimulatsioon ja jälgi kuidas levib soojus gaasis ja tahkises, kui konvektsioon ei käivitu. Vasta küsimustele.

Reaalne eksperiment:

Soojusülekanne õhus konvektsiooniga ja ilma selleta

Planeeri ja vii läbi katse, mille abil saaks võrrelda soojusülekannet gaasides koos konvektsiooniga ja ilma selleta. Kirjuta katseandmed üles. Vasta küsimustele.

Siin pakume kasutamiseks töölehti, mis kirjeldavad ja uurivad konvektsiooni mõju erinevates reaalelulistes situatsioonides.

Alustame tuulekülmast:

Konvektsioon ja jahtumine: tuulekülm

Kui palju mõjutab konvektsioon kehade jahtumist? Tutvu materjalidega. Uuri simulatsiooni. Tee järeldused. Korralda katse. Vasta küsimustele.

Järgmisena mõned nopped kulinaarfüüsikast:

Mõned küsimused kulinaarfüüsikast

Proovi leida vastus järgnevatele kulinaarfüüsikat puudutavatele küsimustele. Kõik küsimused puudutavad konvektsiooni ja viitavad asjaolule, et konvektsioon on piisavalt kiire soojusülekande tagamiseks tihtipeale hädavajalik.

Lõpuks käsitleme tuules ja tuulevaikuses asuvat maja.

Maja tuule käes

Uurime arvutisimulatsiooni abil konvektsiooni (tuule) mõju temperatuurile ehitise sees. Arutle, vasta küsimustele.

Soojuskiirgus on paljudes olukordades vähemalt sama tähtis soojusülekande liik kui soojusjuhtivus ja konvektsioon. Ent kiirgus on alati ka veidi salapärane. Sellistele olukordadele proovivad viidata ka järgnevad huviäratajad.

Päevitamine keset lund, ent ikka on soe?

Vahel on olukordi, kus ümbritsev keskkond on külm, st soojusjuhtivus ja konvektsioon töötavad meie kahjuks, ent suur kollane kera taevas annab meile vaatamata oma kaugusest ($150$ miljonit kilomeetrit) ikkagi piisavalt sooja.

Can you see through a wall with a thermal camera?

Vasakul pildil on olukord nii, nagu me seda palja silmaga näeme. Paremal pool on toodud sama olukord läbi infrapunakaamera vaadatuna. 

Aknaluugid või kardinad?

Miks on nutikas kasutada päikesevalguse tõrjumiseks toas rippuvate pimendavate aknakatete asemel maja välisseinale kinnitatud luuke või ribisid?

Selles alajaotuses püüame ühest küljest sisse juhatada soojuskiirguse teema ning teisalt luua sideme kiirguse soojusliku toime ja valgusõpetuses õpitu vahel.

Alustame elektromagnetlainete spektrist ning teadmisest, et ka valgus on energia.

Thermal radiation

Tuletame valgusõpetuse kursusest meelde mis on valgus ja milline valguse osa on infrapuna- ehk soojuskiirgus.

Edasi juhime tähelepanu sellele, mida me juba igapäevakogemusest teame: Päikese ehk üldisemalt valguse käes esemed soojenevad.

A light source emits and light is absorbed

Uuri joonist. Tuleta valgusõpetuse kursusest meelde, mida me rääkisime valgusallikatest, valguskiirtest ja valguse neeldumisest. Mõtle järele, kuidas saab valgusest soojus.

Experiments where thermal radiation dominates the heat transfer are quite difficult to devise and carry out. Because heat transfer and/or convection are generally dominant. At the same time, heat radiation is present in every experiment, since all bodies are sources of heat radiation.

Here we offer three experiments to help you think and try yourself.

The first of these has been carried out with the tools of our test suite. But since the wire is heated to glow in the experiment, it is not possible for the students to carry it out. But it can be done as a demo test.

The heat radiation from the glowing wire heats the black paper

Watch the test video, where heat radiation heats up a piece of black paper. Answer the question. Justify your answers.

The following worksheet experiment was also exciting for the worksheet makers. Because it was quite an unexpected success to find that the higher temperature of the dark thermometer could indeed be measured in such a simple experiment.

Absorption of thermal radiation

Find out if and how the heat radiation and light emitted by the incandescent lamp affect the temperature of the thermometer sensors, if one of the sensors is painted black for better absorption of heat radiation and light. Answer the question.

The idea of the following worksheet is to explain why window shutters, which are rarely used in Estonia, are a good idea if you want to keep the heat out of the house in the summer.

Are shutters or light-absorbing curtains?

Conduct an experiment to prove that shutters in front of the house windows keep the temperature lower compared to curtains placed in the room. Explain why this is so. Answer the question.

Since a thermal camera was also announced as one of the interesting things, we will take up this topic here for a while. But we are not trying to explain the working principle of the thermal camera ... that is, yes, in the following worksheet it is explained in the study materials, but really explaining it, so that even the ninth grader would understand, would be a much, much longer undertaking. However, maybe you will be able to answer the question of the person who arouses interest through the following worksheet.

A thermal camera?

Check out the educational materials that explain the working principle of the thermal camera. Answer the question.

Alustuseks tuletame meelde, et just selle küsimusega me alguses alustasime: kuidas kütta maapinna abil maja?

Kuidas soe tuppa saada?

Oleme maja mudelit korra juba kütnud, kasutades selleks mudelisse asutatud kuuma alumiiniumist katsekeha. Tuletame meelde. Kas see on hea ja praktiline mõte?

Liiv tuleks võimalikult kiiresti „sooja panna", st peaksime sisse lülitama liiva sisse pistetud küttekeha. Liiva soojusjuhtivuse uurimisel tegime täpselt sama. Kui see on tehtud, on aeg järgnev sisse juhatada.

Soojendame maja mudeli kütmiseks liiva

Soojendame maja mudeli kütmiseks liiva

Alustame kõige lihtsamast: haarates mõnest soojast ruumist kaasa veeämbri, on sellesse vette salvestatud hulga soojust. Kui väliskeskkonna temperatuur on vee temperatuurist madalab, hakkab see soojus läbi soojusvahetuse väliskeskkonda hajuma. Seega võib soojast kontorist sooja vee koju viimisel isegi mõtet olla?

Tassime ämbriga soojust

Arutle, kas soojust on võimalik ka ämbriga ühest kohast teise transportida? Tee katse, küttes niimoodi maja mudelit. Vasta küsimustele.

Edasi proovime kütta soojusjuhtivuse abil.

Siin ja edaspidi proovime tähelepanu juhtida ka soojuskadudele. Ka selles esimeses katses on õhu käes olev alumiiniumvarda osa soe - järelikult kaotab see kokkupuutes õhuga soojust.

Kütame soojusjuhtivuse abil

Veendume, et kütta on võimalik ka ainult soojusjuhtivuse abil.

Järgnevalt surume liiva sisse spiraali, ühendame selle pumbaga ning mõõdame spiraalist väljuva õhu temperatuuri. 

Pumpame maa seest soojust

Veendu, et maa sisse kaevatud radiaatoriga on võimalik sinna salvestatud soojust maa peale pumbata.

Pumpame selle sooja õhu majja:

Kütame lahtise õhuringluse abil

Ehita küttesüsteem, miles liiva sisse salvestatud soojus pumbatakse õhu konvektsiooni abil maja mudelisse.

Lõpuks kogu küttesüsteem:

Kütame kinnise õhuringluse abil

Ehita küttesüsteem, milles liiva sisse salvestatud soojus pumbatakse õhu konvektsiooni abil maja mudelisse ning milles majast välja pumbatava õhu soojus ei lähe kaotsi.

Pakume siin tutvumiseks ja arutamiseks joonist, mille peale võib sattuda internetis keskkonnasäästlike kütmisviiside kohta infot otsides. Joonisel kirjeldatakse mõistliku maja projekteerimise põhimõtteid. Võtame selle vaatluse alla ka hiljem, maja jahutamisega seotud peatükis.

Päikesemaja kütmine

Joonisel kirjeldatakse põhimõtteid, mille abil hallatakse „päikesemaja" soojust. Uuri joonist. Vasta küsimustele.