§ 31. Виды теплообмена

Определения и обозначения

Теплопередача — передача внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Проще говоря, тепло переходит туда, где температура ниже, и этот процесс продолжается, пока температуры не сравняются. Понятие помогает описывать нагревание и охлаждение тел. Оно также позволяет объяснить, почему горячий чай остывает в комнате.

Теплопроводность — передача энергии от частицы к частице без перемещения вещества в целом. Частицы взаимодействуют друг с другом и передают энергию соседним частицам. Поэтому один конец металлического стержня может нагреть другой, хотя металл не течёт и не перемещается целиком. Это понятие нужно, чтобы сравнивать материалы и выбирать утеплители.

Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа. Здесь тепло перемещается вместе с движущимся веществом, поэтому нагретый слой может перенести энергию в другую часть комнаты или сосуда. Конвекция объясняет циркуляцию воды при нагревании и движение тёплого воздуха от батареи. Она возможна в текучих веществах, части которых могут перемещаться.

Тепловое излучение — передача энергии электромагнитными волнами, возможная в вакууме. Для такого переноса телам не нужно соприкасаться, а между ними может не быть воздуха. Так энергия Солнца достигает Земли через космическое пространство. Это понятие важно, когда нужно объяснить теплообмен на расстоянии.

Как это устроено

Если соприкоснулись тела с разной температурой, частицы более нагретого тела в среднем обладают большей энергией. При взаимодействии они передают часть энергии частицам менее нагретого тела. Поэтому общий перенос направлен от горячего к холодному, а не наоборот. Когда температуры становятся одинаковыми, направленная передача между телами прекращается: наступает тепловое равновесие.

При теплопроводности частицы не стоят неподвижно: они колеблются или движутся и взаимодействуют с соседями. Более энергичные частицы передают часть своей энергии менее энергичным, и такой обмен постепенно распространяется по веществу. В металлах передаче помогают также свободные электроны, поэтому многие металлы хорошо проводят тепло. В дереве и пластмассе такого переноса меньше, а воздух между частицами мешает быстрой передаче энергии.

В жидкостях и газах частицы могут перемещаться вместе с целыми слоями вещества, поэтому в них возможна конвекция. При нагревании жидкость или газ обычно расширяются: та же масса занимает больший объём и становится менее плотной. Тёплый слой поднимается, а более холодный и плотный опускается на его место. Возникает движение потоков, которое переносит энергию по всему объёму; в твёрдом теле такие потоки не образуются.

Тепловое излучение переносит энергию электромагнитными волнами, поэтому между источником и получателем не требуется непосредственный контакт. Волны могут распространяться и без материальной среды — в вакууме. Когда излучение поглощается телом, энергия волн увеличивает внутреннюю энергию этого тела, и оно нагревается. Так энергия проходит от Солнца к Земле через космическое пространство.

В повседневных ситуациях тепло часто передаётся сразу несколькими способами. Например, в кастрюле энергия от конфорки проходит через металл теплопроводностью, вода перемешивается конвекцией, а поверхность посуды отдаёт энергию окружающим телам излучением. Один способ может быть главным, но остальные тоже вносят вклад. Поэтому, разбирая процесс, полезно отдельно искать контакт между частями, движение вещества и передачу излучением.

Сравнение видов теплообмена

Сначала определите, что переносит энергию: взаимодействие частиц, потоки вещества или электромагнитные волны. Затем посмотрите на строку о перемещении вещества и сравните пример с рассматриваемой ситуацией. В реальном теплообмене таблица помогает выделить основной способ, даже если одновременно действуют и другие.

Разбор задач

Задача 1. Определите основной вид теплообмена при нагревании металлической ложки в горячем чае, движении воздуха от батареи и нагреве поверхности Земли солнечными лучами. В каждом случае нужно понять, каким путём энергия достигает выбранного тела или его части. Не следует считать, что любой нагрев происходит только при контакте.

1. Ложка соприкасается с чаем, а энергия распространяется по металлу от погружённой части к ручке. Основной вид — теплопроводность.
2. Нагретый у батареи воздух становится менее плотным и поднимается. Энергию переносит движущийся газ, значит, это конвекция.
3. Солнечные лучи доходят до Земли через космическое пространство. Энергию передаёт излучение.

Ответ: ложка нагревается теплопроводностью, воздух от батареи переносит энергию конвекцией, а Земля получает энергию излучением.

Задача 2. Почему металлическая ручка кастрюли нагревается, а деревянная или пластмассовая остаётся сравнительно холодной? Сравнивать нужно не внешний вид материалов, а способность передавать энергию. При этом ручки находятся рядом с горячей кастрюлей и получают от неё тепло.

1. Тепло от стенки может распространяться по ручке теплопроводностью. У металла теплопроводность высокая, поэтому его части быстро передают энергию друг другу.
2. Дерево и пластмасса проводят тепло хуже. Энергия распространяется по таким ручкам медленнее, поэтому их дальние части нагреваются не так быстро.
3. Проверьте объяснение по механизму: ручка не переносит тепло потоками вещества, а энергия проходит по материалу. Значит, различие вызвано прежде всего разной теплопроводностью.

Ответ: металлическая ручка быстро нагревается, а деревянная или пластмассовая служит более удобной, потому что хуже проводит тепло.

Задача 3. Объясните, зачем в термосе используют двойные стенки, вакуум между ними и блестящую поверхность. Термос должен замедлять теплообмен между напитком и окружающей средой. Каждая часть конструкции уменьшает один или несколько способов передачи энергии.

1. Двойные стенки разделяют содержимое и наружную поверхность. Пространство между ними уменьшает прямую передачу энергии через материал.
2. В вакууме почти нет частиц, которые могли бы передавать тепло теплопроводностью, и нет вещества для конвекции. Поэтому два этих способа становятся намного слабее.
3. Блестящая поверхность хорошо отражает тепловое излучение, уменьшая его поглощение и отдачу. Это дополняет действие вакуумного промежутка.

Ответ: двойные стенки и вакуум ослабляют теплопроводность и конвекцию, а блестящая поверхность уменьшает теплообмен излучением.

Типичные ошибки

• Считать, что тепло передаётся только при соприкосновении тел. Так думают, потому что многие знакомые примеры связаны с контактом, например нагрев ложки в чае. Но энергия может переноситься потоками вещества и излучением без соприкосновения тел. Проверьте себя: если тела не касаются, рассмотрите движение воздуха или передачу излучением.

• Называть любое движение жидкости или газа конвекцией. Само движение ещё не доказывает, что происходит перенос энергии из-за разности температур. Конвекция связана с потоками вещества, которые переносят тепло; например, перемешивание жидкости может быть вызвано внешним воздействием. Проверьте, есть ли тёплые и холодные слои и переносится ли энергия вместе с потоком.

• Утверждать, что излучение невозможно без воздуха. Такое представление возникает из опыта, когда тепло передаётся через нагретый воздух. Однако электромагнитные волны распространяются и в вакууме. Чтобы проверить себя, вспомните, что именно так солнечная энергия достигает Земли.

• Путать теплопроводность с перемещением вещества. При теплопроводности энергия переходит между частицами, но вещество в целом не течёт от горячей части к холодной. Путаница появляется из-за слова «передача», которое можно связать с перемещением целого тела. Проверьте себя: если поток вещества переносит энергию, это конвекция, а не теплопроводность.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теплообмене, нужно знать, что такое внутренняя энергия, температура и тепловое равновесие, а также как движутся частицы вещества. Эти знания понадобятся при изучении тепловых двигателей, отопления, охлаждения, теплоизоляции и бытовых приборов. Разные виды переноса энергии помогают объяснять ветер и морские течения: нагревание и охлаждение воздуха или воды вызывает перемещение слоёв. Излучение объясняет нагрев поверхности Земли солнечными лучами.

Что запомнить

• Тепло передаётся от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность происходит без перемещения вещества.
• Конвекция связана с движением потоков жидкости или газа.
• Излучение возможно в вакууме.
• Металлы обычно хорошо проводят тепло, а дерево, пластмассы и воздух — плохо.
• В одном процессе могут одновременно участвовать несколько видов теплообмена.