"Физика", Андрюшечкин С.М.
Теплообмен — передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Он происходит в природе постоянно: воздух у поверхности Земли нагревается, вода перемешивается, а Солнце передаёт Земле энергию через космос. В технике теплообмен помогает обогревать помещения, охлаждать двигатели и сохранять продукты холодными. Различают теплопроводность, конвекцию и излучение; чтобы объяснить конкретный процесс, нужно определить, каким способом передаётся энергия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Теплообмен — процесс передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Энергия передаётся до тех пор, пока температуры тел не сравняются, если внешние условия не меняются. Это понятие помогает описывать нагревание и охлаждение тел, не смешивая передачу энергии с изменением температуры.
Теплопроводность — передача энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым при взаимодействии частиц, без переноса самого вещества. Она объясняет, почему металлическая ложка нагревается в горячем чае, и помогает выбирать материалы для посуды и теплоизоляции.
Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа, которые перемещаются из-за разницы температур и плотности. Она нужна для объяснения циркуляции воздуха в комнате и движения воды при нагревании.
Излучение — передача энергии электромагнитными волнами. Для неё не требуется соприкосновение тел или вещество между ними, поэтому излучение объясняет, как энергия Солнца доходит до Земли через космическое пространство.
Количество переданной энергии обозначают буквой Q и измеряют в джоулях (Дж). В задачах о нагревании используют формулу Q = cmΔt, где m — масса тела, c — удельная теплоёмкость вещества, а Δt — изменение температуры; эта формула связывает количество энергии с тем, насколько нагрелось тело.
При теплопроводности более быстрые частицы нагретой области передают часть своей энергии соседним частицам. Сами частицы при этом не перемещаются на большие расстояния, но энергия постепенно распространяется по всему телу. В металлах этому помогают свободные электроны, поэтому они обычно проводят тепло лучше дерева или пластмассы. По этой причине ручки кастрюль делают из материалов, которые проводят тепло хуже, чем металл корпуса.
Конвекция возможна только в жидкостях и газах, потому что их части могут перемещаться целыми потоками. При нагревании жидкость или газ обычно расширяются, а их плотность уменьшается: при одинаковом объёме в тёплой части оказывается меньше вещества. Более лёгкий нагретый слой поднимается, а холодный и более плотный опускается на его место. Так возникает круговое движение, которое переносит энергию; поэтому отопительный прибор обычно размещают внизу, а холодный воздух возле пола постепенно нагревается.
Излучение переносит энергию с помощью электромагнитных волн, поэтому для него не нужна среда. Это отличает его от теплопроводности и конвекции: между Солнцем и Землёй почти вакуум, но солнечная энергия всё равно достигает нашей планеты. Поверхности поглощают излучение и нагреваются, причём тёмные и матовые обычно поглощают его лучше светлых и блестящих. Блестящая оболочка термоса уменьшает обмен энергией излучением и помогает дольше сохранять температуру содержимого.
В реальных условиях способы теплообмена часто действуют одновременно. Например, в комнате батарея передаёт энергию воздуху у своей поверхности, нагретый воздух перемещается по комнате, а поверхность батареи также излучает энергию. Чтобы уменьшить потери тепла в доме, используют материалы с низкой теплопроводностью, герметичные окна и конструкции, которые мешают движению воздуха. В холодильнике, наоборот, тепло отводят от продуктов, а теплоизоляция замедляет его поступление снаружи.
| Способ | Как передаётся энергия | Пример | Применение или роль |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | От частицы к частице без переноса вещества | Нагревание металлической ложки в горячей воде | Металлическая посуда, теплоизоляционные материалы |
| Конвекция | Потоками жидкости или газа | Подъём тёплого воздуха и опускание холодного | Отопление комнат, движение воздушных масс |
| Излучение | Электромагнитными волнами | Нагревание Земли солнечными лучами | Получение солнечной энергии, теплообмен в вакууме |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала выясни, переносится ли вещество: движение потоков указывает на конвекцию. Если энергия передаётся через соприкасающееся тело без перемещения вещества, это теплопроводность. Если между телами нет обязательного контакта и энергия идёт волнами, речь об излучении.
Задача. В алюминиевой кастрюле массой 0,5 кг нагревают 2 кг воды от 20 °C до 80 °C. Сколько теплоты получили вода и кастрюля? Считать, что потерь энергии нет. Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг·°C), алюминия — 920 Дж/(кг·°C). Нужно учесть оба тела: они нагреваются на одинаковое число градусов, но их массы и удельные теплоёмкости различны.
Ответ: вода и кастрюля вместе получили 531 600 Дж, или 531,6 кДж теплоты. Проверка смысла результата: вода требует больше энергии из-за большой массы и высокой удельной теплоёмкости. Если бы в условии учитывались потери в воздух и плиту, для нагрева понадобилось бы ещё больше энергии.
Смешивать теплопроводность и конвекцию. Обе могут происходить при нагревании жидкости или газа, поэтому их легко принять за один процесс. Проверь себя: переносится ли вещество потоком? Если да, это конвекция; если энергия распространяется между соседними частями без общего движения вещества, это теплопроводность.
Считать, что излучение возможно только в воздухе. Так думают, потому что часто наблюдают нагревание предметов рядом с источником тепла. Но солнечная энергия проходит через вакуум, поэтому проверь, нужна ли способу среда: излучению она не требуется.
Подставлять в формулу конечную температуру вместо её изменения. Формула Q = cmΔt требует разности конечной и начальной температур, а не показания термометра после нагревания. Перед вычислениями отдельно найди Δt; если тело охлаждается, следи за направлением изменения и в задаче о полученном тепле укажи модуль переданной энергии.
Забывать о единицах и всех нагреваемых телах. Например, массу в граммах нельзя без перевода подставлять вместе с теплоёмкостью в Дж/(кг·°C), а кастрюлю нельзя исключать, если её нагрев учитывается условием. Проверь, что масса выражена в килограммах, а затем перечисли, какие тела получили энергию.
Теплообмен связан с внутренней энергией: при нагревании она обычно увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Формула Q = cmΔt помогает находить количество энергии, нужное для изменения температуры, и применяется в задачах о нагревании веществ. Свойства теплообмена объясняют, почему материалы по-разному проводят тепло, а изменение плотности при нагревании вызывает движение жидкостей и газов. Эти знания нужны при изучении погоды, отопления и работы бытовых приборов.
§ 4. Теплообмен в природе и технике
