§ 5. Теплопередача в природе и технике

Определения и обозначения

Теплопередача — изменение внутренней энергии тела без совершения работы. Энергия при этом переходит от более нагретого тела или его части к менее нагретому. Это понятие помогает объяснить, почему предметы нагреваются или остывают при контакте и обмене энергией.

Теплопроводность — передача энергии от одной части тела к другой без переноса вещества. Соседние частицы взаимодействуют и передают энергию, оставаясь на своих местах. Особенно хорошо тепло проводят металлы, поэтому материал важно учитывать при выборе посуды, деталей и теплоизоляции.

Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа, возникающими при перемещении самого вещества. Нагретые и холодные слои движутся и уносят энергию вместе с собой. Это понятие нужно, чтобы объяснять, например, нагрев воздуха в комнате или движение воды при кипении.

Тепловое излучение — передача энергии электромагнитными волнами. В отличие от теплопроводности и конвекции, для него не требуется материальная среда. Поэтому излучение помогает объяснить передачу энергии через пустое пространство, в том числе от Солнца к Земле.

Как это устроено

Теплопередача возникает, когда температуры тел или частей одного тела различаются. Частицы более нагретого тела в среднем обладают большей энергией и при взаимодействии передают часть этой энергии менее нагретым частицам. Самопроизвольное направление передачи — от более нагретого к менее нагретому; процесс продолжается, пока температуры не выровняются.

При теплопроводности энергия распространяется через взаимодействие соседних частиц, но вещество в целом не перемещается. Частицы колеблются и воздействуют на соседей, передавая им энергию. В металлах перенос дополнительно ускоряют свободные электроны, которые могут перемещаться внутри металла и передавать энергию, поэтому металлические предметы быстро нагреваются.

При конвекции нагретые слои жидкости или газа расширяются. То же количество вещества занимает больший объём, поэтому плотность — масса единицы объёма — уменьшается, и тёплый слой поднимается. Более холодный и плотный слой опускается на его место; повторение этого движения создаёт потоки, которые переносят энергию по жидкости или газу.

Тепловое излучение переносит энергию электромагнитными волнами, а не движущимися частицами вещества. Поэтому между источником излучения и телом-получателем не обязательно должно быть вещество. Излучение распространяется в вакууме, и именно так энергия Солнца проходит космическое пространство и достигает Земли.

В природе и технике теплопроводность, конвекция и излучение часто действуют одновременно. Батарея нагревает воздух рядом с собой и отдаёт энергию окружающим предметам излучением, а тепло распространяется по стенкам и деталям теплопроводностью. Для обогрева важно направлять потоки тёплого воздуха в помещение, а для сохранения тепла используют материалы, плохо проводящие тепло, воздушные прослойки и отражающие поверхности.

Способы теплопередачи в природе и технике

Сначала определите, перемещается ли вещество: если да, речь идёт о конвекции. Если вещество не переносится, выясните, передаётся ли энергия через частицы тела или электромагнитными волнами. Таблица помогает сравнить способы и выбрать подходящий для объяснения конкретного явления.

Разбор задач

Металлическая и деревянная ложки одинаковое время находятся в горячей воде. Какая ложка быстрее нагреется снаружи и почему?

Решение. Нужно сравнить не температуру воды, а способность материалов передавать энергию вдоль ложки. Горячая вода передаёт энергию погружённым частям, а дальше она распространяется к ручке.

1. Определяем способ передачи от погружённой части к наружной: это теплопроводность, потому что вещество ложки в целом не перемещается.
2. Сравниваем материалы: металл проводит тепло значительно лучше дерева.
3. Делаем вывод: энергия быстрее дойдёт по металлической ложке до её наружной части.

Ответ: быстрее нагреется металлическая ложка. Дерево хуже проводит тепло, поэтому нагрев его наружной части будет медленнее.

Объясните, как нагревается воздух в комнате от батареи и почему тёплый воздух поднимается.

Решение. Здесь важно проследить, как меняются свойства воздуха при нагревании и как из-за этого возникает его движение. Тепло от батареи сначала передаётся воздуху рядом с её поверхностью.

1. Воздух у батареи нагревается и расширяется: то же количество воздуха занимает больший объём.
2. Из-за расширения плотность этого воздуха становится меньше, чем плотность более холодного воздуха в комнате.
3. Менее плотный тёплый воздух поднимается, а холодный опускается и занимает его место. Так образуются потоки, которые разносят тепло по комнате.

Ответ: воздух нагревается у батареи и распространяет тепло конвекцией. Тёплый воздух поднимается, потому что после расширения его плотность становится меньше.

Нужно сохранить горячий напиток в термосе. Объясните, как его устройство уменьшает теплопередачу каждым из трёх способов.

Решение. Чтобы напиток оставался горячим, нужно уменьшить передачу энергии наружу всеми тремя способами. Для каждого способа в устройстве термоса предусмотрена своя преграда.

1. Вакуум между стенками почти не содержит частиц вещества, поэтому теплопроводность через него резко уменьшается. В нём также не могут возникать конвективные потоки, поскольку для них нужна движущаяся жидкость или газ.
2. Отражающие поверхности возвращают значительную часть теплового излучения обратно внутрь термоса, уменьшая передачу энергии волнами.
3. Крышка закрывает отверстие и ограничивает обмен нагретого воздуха с окружающей средой. Она также мешает утечке тепла через горлышко.

Ответ: вакуум уменьшает теплопроводность и конвекцию, отражающие стенки — тепловое излучение, а крышка ограничивает теплообмен с воздухом. Полностью остановить передачу энергии нельзя, но термос значительно замедляет остывание напитка.

Типичные ошибки

Иногда считают, что тепло самопроизвольно идёт от холодного тела к горячему. Так можно подумать, наблюдая, как холодный предмет нагревается рядом с тёплым, но энергия при этом переходит именно от тёплого предмета к холодному. Проверьте себя: укажите, какое тело теряет энергию, а какое получает её.

Теплопроводность путают с конвекцией, потому что оба способа приводят к нагреванию удалённых частей. При теплопроводности вещество в целом не перемещается, а при конвекции энергию уносят движущиеся потоки. Чтобы различить их, спросите себя, перемещается ли сам воздух или жидкость.

Конвекцию иногда приписывают твёрдым телам. Ошибка возникает, если любое распространение тепла называют потоком, но конвективные потоки требуют движения вещества и возникают в жидкостях и газах. Проверьте, может ли вещество свободно перемещаться: в твёрдом теле конвекции нет.

Некоторые думают, что для теплового излучения обязательно нужна среда. Обычно тепло передаётся в окружающем нас воздухе, поэтому легко связать перенос энергии с воздухом, однако излучение распространяется и в вакууме. Пример-проверка — энергия Солнца, которая достигает Земли через космическое пространство.

Связь с другими темами

Чтобы изучать теплопередачу, нужно знать, что температура характеризует нагретость тела, а внутренняя энергия может изменяться. Тема также связывает тепловые явления с изменением плотности при нагревании и движением жидкостей и газов: это объясняет конвекцию. Понимание трёх способов переноса энергии пригодится при изучении теплоизоляции, отопительных систем и тепловых двигателей, где важно управлять нагреванием и охлаждением.

Что запомнить

• Теплопередача возникает при разности температур.
• Энергия самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность не сопровождается переносом вещества.
• Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа.
• Тепловое излучение может распространяться в вакууме.
• В реальных ситуациях способы теплопередачи часто действуют одновременно.