"Физика", Б.А.Кронгарт, Ш.Б. Насохова
Тепло может передаваться от одного тела к другому или внутри тела разными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Они отличаются тем, движется ли вещество и нужна ли для передачи энергии среда. Теплопроводность особенно заметна в металлах, конвекция — в жидкостях и газах, а излучение возможно даже в вакууме. Понимание этих процессов помогает объяснить нагрев ложки, движение воздуха в комнате и получение Землёй энергии от Солнца.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Теплопроводность — передача внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым без переноса вещества. В твёрдых телах энергия передаётся от частицы к частице, а в жидкостях частицы тоже взаимодействуют, хотя могут перемещаться относительно друг друга. Это понятие помогает понять, почему нагревается удалённая от источника часть тела.
Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа. В отличие от теплопроводности, здесь перемещается само вещество: одни его слои сменяют другие. Понятие нужно, чтобы объяснить движение нагретого воздуха в комнате или воды при нагревании.
Излучение — передача энергии электромагнитными волнами. Для распространения таких волн не нужна материальная среда, поэтому излучение возможно и в пустом пространстве. Благодаря этому понятию можно объяснить, как энергия проходит через вакуум, например от Солнца к Земле.
В нагретой области частицы движутся и колеблются интенсивнее, чем в холодной. Они взаимодействуют с соседними частицами и передают им часть энергии, поэтому нагрев постепенно распространяется дальше. При этом тело в целом не перемещается: изменяется энергия его частей, а не их общее положение.
В жидкостях теплопроводность тоже происходит благодаря взаимодействию частиц, но этот способ не следует путать с движением слоёв жидкости. В металлах теплопроводность особенно хорошая, потому что переносить энергию могут не только колебания частиц, но и свободные электроны. Эти электроны быстро перемещаются внутри металла и передают энергию другим его частям.
При нагревании жидкость или газ обычно расширяются: то же количество вещества занимает больший объём. Поэтому его плотность — масса, приходящаяся на единицу объёма, — становится меньше, и нагретый слой поднимается. Более холодные слои плотнее, поэтому опускаются и занимают его место; такое движение образует конвекционные потоки.
Излучение переносит энергию электромагнитными волнами, которые распространяются и без воздуха, воды или другого вещества. Поэтому между Солнцем и Землёй энергия может пройти через космический вакуум. Когда волны поглощаются телом, оно получает энергию и нагревается.
В повседневных процессах способы теплопередачи часто сочетаются. Например, нагретый предмет может передавать тепло окружающему воздуху конвекцией и излучать энергию, а внутри самого предмета тепло распространяется теплопроводностью. Чтобы определить преобладающий способ, нужно рассмотреть, что именно переносит энергию и есть ли вокруг тела среда.
| Свойство | Теплопроводность | Конвекция | Излучение |
|---|---|---|---|
| Как передаётся энергия | От частицы к частице | Потоками жидкости или газа | Электромагнитными волнами |
| Перемещается ли вещество | Нет общего переноса | Да, перемещаются потоки | Нет, волны переносят энергию |
| В каких средах происходит | В твёрдых телах, жидкостях и газах | В жидкостях и газах | В среде и в вакууме |
| Возможна ли передача в вакууме | Нет | Нет | Да |
| Пример | Нагрев металлической ложки | Движение воздуха у радиатора | Передача энергии от Солнца |
Сначала посмотрите, переносится ли само вещество: если да, речь идёт о конвекции. Если вещество в целом не движется, проверьте, передаются ли энергия от частицы к частице или электромагнитными волнами. Последний признак особенно полезен для задач о вакууме.
Определим, где рассматривается передача энергии: от конца ложки к её ручке, то есть внутри одного твёрдого тела. Металл между этими частями не течёт и не движется общим потоком. Значит, конвекция не описывает этот процесс.
Горячая вода нагревает погружённую часть ложки. Частицы и свободные электроны в металле передают энергию соседним участкам, поэтому постепенно нагревается и ручка. Это передача энергии внутри тела без общего переноса вещества.
Ответ: от погружённого конца к ручке тепло передаётся теплопроводностью.
Воздух рядом с радиатором получает энергию и нагревается. При нагревании он расширяется, поэтому его плотность становится меньше, чем у окружающего более холодного воздуха. Более лёгкий слой поднимается вверх.
На место поднявшегося тёплого воздуха перемещается более холодный и плотный воздух. Он приближается к радиатору, нагревается и тоже поднимается. Так возникают потоки воздуха, переносящие энергию по комнате.
Ответ: тёплый воздух поднимается из-за меньшей плотности, а холодный опускается и замещает его; происходит конвекция.
Сначала учитываем условия: между Солнцем и аппаратом находится вакуум, то есть среда, в которой нет вещества. Теплопроводность требует передачи энергии между частицами вещества. Конвекция требует потоков вещества, которые могли бы перемещаться от Солнца к аппарату.
Ни частиц для теплопроводности, ни перемещающихся потоков для конвекции в вакууме нет. Однако электромагнитные волны могут распространяться без материальной среды и достигать аппарата. Поглощая эти волны, корпус получает энергию и нагревается.
Ответ: энергия от Солнца передаётся излучением; теплопроводность и конвекция в вакууме не подходят.
Ошибочно считать, что конвекция происходит в твёрдых телах. Так думают, потому что нагрев твёрдых предметов часто сопровождается другими процессами передачи энергии. Проверьте себя: если вещество не может двигаться потоком, конвекции нет.
Теплопроводность иногда путают с конвекцией, поскольку оба способа переносят энергию. При теплопроводности вещество в целом не перемещается, а при конвекции движутся его потоки. Чтобы не ошибиться, задайте вопрос: перемещается ли слой жидкости или газа?
Неверно утверждать, что для любой передачи тепла нужна материальная среда. Такое представление возникает из наблюдений за нагреванием предметов при соприкосновении. Проверьте условие: если между источником и телом вакуум, передать энергию может излучение.
Иногда предполагают, что в одном процессе действует только один способ теплопередачи. Это упрощение удобно, но реальные тела могут одновременно проводить тепло, нагревать окружающий воздух и излучать энергию. Сравните условия и решите, какой способ преобладает, не исключая остальные.
Для понимания теплопередачи нужно знать, что температура связана с тепловым состоянием тела, а внутренняя энергия может изменяться. При теплопередаче энергия переходит от более нагретых частей к менее нагретым, хотя сами способы такого перехода различаются. Эти представления помогают разбирать тепловые явления.
Понятия пригодятся при изучении отопления и теплоизоляции: можно объяснить движение воздуха у батареи и выбор материалов, которые хуже проводят тепло. Они также помогают понять энергетический обмен между Солнцем и Землёй. В частности, излучение позволяет энергии преодолеть вакуум космоса.
Почему металлическая ложка нагревается быстрее деревянной?
Металл хорошо проводит тепло: энергию внутри него передают колебания частиц и свободные электроны. Дерево проводит тепло значительно хуже, поэтому его часть, удалённая от горячей воды, нагревается медленнее.
Почему тёплый воздух поднимается вверх?
При нагревании воздух расширяется, поэтому его плотность уменьшается. Более лёгкий тёплый воздух поднимается, а плотный холодный опускается, образуя конвекционные потоки.
Может ли тепло передаваться через вакуум?
Да, энергия передаётся через вакуум излучением — электромагнитными волнами. Так солнечная энергия достигает Земли.
Чем теплопроводность отличается от конвекции?
При теплопроводности энергия передаётся от частиц к частицам без общего перемещения вещества. При конвекции энергию переносят потоки самой жидкости или газа.
Могут ли несколько способов теплопередачи действовать одновременно?
Да, в реальных ситуациях способы теплопередачи часто сочетаются. Например, радиатор нагревает воздух и излучает энергию, а внутри его материала тепло распространяется теплопроводностью.
§ 4. Теплопроводность, конвекция, излучение
