Конспект урока: Виды теплообмена

• Как объяснить, что опущенная в горячий чай ложка становится горячей по всей её длине?
• Почему форточки расположены именно в верхней части окна?
• Нагреется ли холодная газировка, если её замотать в шубу?

Теплопроводность

Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение. Чтобы понять, как происходит передача тепловой энергии от одного тела к другому, рассмотрим механизм каждого из видов теплопередачи с точки зрения молекулярного строения атома. Начнём с теплопроводности.

Рис. 1. При нагревании одного конца металлического стержня, гвоздики, приклеенные к нему на воск, будут постепенно отваливаться

Когда конец металлической ложки оказывается в горячем чае, начинается процесс теплопередачи: тепло более нагретой жидкости передаётся менее нагретому твёрдому телу, в результате чего нагревается конец ложки, непосредственно опущенный в чай. Ложка в свою очередь состоит из огромного количества молекул, которые постоянно колеблются около своих положений равновесия. Частицы, получившие тепловую энергию от горячей жидкости, начинают колебаться с большей скоростью и амплитудой, взаимодействуя с соседними частицами и придавая им большую скорость, увеличивая их энергию. В результате такого взаимодействия молекулы вещества последовательно передают друг другу тепловую энергию от более быстрых частиц к более медленным. Таким образом, тепловая энергия перенесётся самими молекулами вещества от конца ложки, опущенного в чай, к концу ложки, находящемуся вне жидкости.

Из определения становится ясно, что теплопроводность можно наблюдать как на примере одного тела, когда тепло передаётся от одной части тела к другой, так и на примере взаимодействия нескольких тел. Необходимым условием для протекания теплопроводности является непосредственный контакт молекул вещества. Из этого следует, что чем ближе молекулы вещества расположены друг к другу, тем быстрее будет осуществлена передача энергии — тем большей теплопроводностью характеризуется вещество.

Наименьшее расстояние между молекулами присуще металлам, поэтому среди известных веществ они обладают наибольшей теплопроводностью. Благодаря этому свойству металлы широко применяются при изготовлении посуды, бытовой техники, где есть элементы, которые должны быстро нагреваться и хорошо проводить тепло (например, поверхность утюга). Наилучшие проводники тепла среди металлов — серебро и медь. Такие твёрдые вещества, как дерево, стекло и резина, обладают очень низкой теплопроводностью.

Рис. 2. Теплопроводность жидкостей мала

Жидкости обладают слабой теплопроводностью, так как расстояние между молекулами по сравнению с металлами в них достаточно велико. Доказательством может служить простой опыт: закрепим пробирку с водой под углом на штативе (рис. 2), на дне пробирки поместим лёд. При нагревании правого конца пробирки вода, находящаяся непосредственно над огнём, довольно быстро закипит, но лёд на дне пробирки не успеет растаять к этому времени.

Рис. 3. Шуба не «греет» в прямом смысле этого слова. Она лишь хорошо сохраняет тепло тела

Расстояние между молекулами в газах во много раз больше самих молекул, по этой причине молекулы газов редко сталкиваются друг с другом и передача тепловой энергии оказывается затруднена. Таким образом, вещества, находящиеся в газообразном состоянии, характеризуются наименьшей теплопроводностью. Слабую теплопроводность газов используют для теплоизоляции: твёрдые вещества, содержащие воздушные полости, например, пористый кирпич или дерево, создают отличную теплоизоляционную прослойку, которая зимой удерживает тепло в доме. Мех, шерсть, пух — все эти материалы содержат большое количество воздушных прослоек между ворсинками, благодаря которым прекрасно удерживается тепло (рис. 3).

Так как теплопередача возможна лишь при непосредственном контакте молекул, в вакууме данный вид теплопередачи осуществляться не может.

Теплопроводность как свойство вещества характеризует способность переносить тепло: чем выше теплопроводность, тем быстрее будет передана тепловая энергия. 
Знание теплопроводности того или иного вещества необходимо как при решении технических вопросов, так и в повседневной жизни.

Конвекция

Рис. 4. Конвекционные потоки воздуха

Известно, что молекулы горячего воздуха движутся быстрее, чем молекулы холодного, поэтому более нагретый воздух имеет меньшую плотность. Сила Архимеда, действующая на горячий воздух и направленная вертикально вверх, больше, чем действующая на него сила тяжести. В результате под действием выталкивающей силы слои горячего воздуха поднимаются вверх, а холодные слои опускаются (рис. 4).

Рис. 5. Конвекционные потоки жидкости

 

Аналогичные процессы наблюдаются не только в газах, но и в жидкостях: более тёплые верхние слои жидкости легче, поэтому они будут вытесняться холодными слоями, те в свою очередь будут опускаться к источнику тепла, нагреваться и вновь вытесняться менее тёплой водой (рис. 5).

При конвекции перенос энергии осуществляется самим веществом, то есть, в отличие от теплопроводности, данный вид теплопередачи сопровождается переносом вещества. 
Так как молекулы твёрдого вещества не могут свободно изменять свои положения, в твёрдых телах конвекция невозможна. Очевидно, что для реализации теплопередачи путём конвекции необходимо наличие воздуха или жидкости, поэтому в безвоздушном пространстве — в вакууме — конвекция невозможна.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. Понятно, что если расположить источник тепла снизу, то нагретые слои будут вытесняться холодными, те же, оказавшись рядом с источником тепла, тоже нагреются и поднимутся вверх. Процесс будет вновь и вновь повторяться, таким образом, вещество нагреется благодаря естественной конвекции. Если в нашем распоряжении есть вещество, прогретое неравномерно, можно размешать его миксером, если это жидкость, или вентилятором, если это воздух в комнате — в этом случае реализуется вынужденная конвекция.

Излучение

Как же мы получаем тепло от Солнца, если нас разделяет безвоздушное пространство, а конвекция и теплопроводность невозможны в вакууме? Оказывается, все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Электромагнитные волны бывают разные: ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, видимый свет, инфракрасный свет и другие, они способны распространяться в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве. Часть этих волн переносит тепловую энергию. При излучении электромагнитной волны тело теряет часть своей внутренней энергии; при поглощении внутренняя энергия растёт — совокупность этих процессов получила название излучение.

Тепловую энергию способны излучать все тела. Интенсивность излучения зависит от температуры нагретого тела и его цвета. Так, стоящие на одной парковке чёрная и белая машины в солнечный жаркий день нагреются по-разному: чёрный активнее поглощает тепло, поэтому нагреется быстрее; в тоже время с наступлением вечера чёрная машина быстрее остынет, так как тёмные тела излучают тепло активнее. Чем выше температура нагретого тела, тем большее количество тепловой энергии оно отдаст окружающим его веществам.

Именно благодаря различной способности поглощать тепловую энергию, тёмная и светлая одежда по-разному защищают нас от солнечных лучей. Сосуды с легковоспламеняющимися газами и жидкостями всегда окрашены в светлые или серебристые цвета, чтобы меньше поглощать и по возможности отражать тепловую энергию. Необходимые элементы приборов, работающих на солнечных батареях, напротив, окрашивают в тёмные цвета, чтобы стимулировать поглощение солнечных лучей.

Рис. 6. Тепловое излучение от костра

Излучение распространяется во всех направлениях. Если поднести руку к лампочке накаливания, можно почувствовать тепло не зависимо от того, с какой стороны приближать руку. Конвекционные потоки тёплого воздуха от костра поднимаются вверх, теплопроводность воздуха незначительна, поэтому тепло, которое мы чувствуем, сидя возле костра, есть результат поглощения теплового излучения (рис. 6).

Сведём в таблицу 1 полученные знания о трёх видах теплообмена.

Таблица 1. Виды теплообмена