"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Теплообмен — передача внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Он объясняет нагревание Земли Солнцем, движение воздуха и воды, работу батарей, радиаторов и термосов. Энергия передаётся тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Понимание этих способов помогает объяснить природные явления и управлять нагреванием или охлаждением в технике.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Теплообмен — передача внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Например, горячий чай отдаёт энергию окружающему воздуху. Это понятие помогает описывать нагревание и охлаждение тел.
Теплопроводность — передача энергии от частицы к частице без переноса вещества. Один конец металлической ложки нагревается, хотя сама ложка не движется. Так объясняют нагревание ручек, стенок и деталей.
Конвекция — перенос теплоты потоками жидкости или газа. При этом перемещаются сами слои вещества. Термин нужен, чтобы отличать движение нагретой воды или воздуха от передачи энергии внутри неподвижного тела.
Тепловое излучение — передача энергии электромагнитными волнами, возможная без вещества между телами. Поэтому тепло от Солнца достигает Земли через космическое пространство. Излучение также происходит от любого нагретого тела.
Теплообмен направлен от более горячего тела к более холодному, потому что частицы горячего тела в среднем обладают большей энергией движения. При соприкосновении они передают часть энергии соседним частицам. Когда температуры выравниваются, преимущественное направление передачи исчезает, и наступает тепловое равновесие.
При теплопроводности вещество в целом не перемещается: энергия передаётся через взаимодействие соседних частиц. В твёрдых телах частицы колеблются около определённых положений, поэтому такой способ особенно заметен в металлах. Жидкости и газы тоже проводят тепло, но обычно значительно хуже.
Конвекция возможна только там, где вещество может перемещаться, то есть в жидкостях и газах. Нагретый слой расширяется, его плотность уменьшается, и под действием выталкивания он поднимается. На его место опускается более холодный и плотный слой, поэтому возникают круговые потоки.
Излучение переносит энергию электромагнитными волнами и не требует воздуха, воды или другого вещества. Чем сильнее нагрето тело, тем заметнее его тепловое излучение. Тёмные поверхности обычно лучше поглощают и излучают энергию, а светлые и блестящие чаще отражают её.
Солнечное излучение нагревает поверхность Земли неравномерно: суша и вода, экватор и полюса получают разное количество энергии. Воздух над тёплым участком расширяется и поднимается, а его место занимает более холодный воздух, образуя ветер. Неравномерный нагрев воды также вызывает перемещение водных масс и морские течения.
| Способ теплообмена | Как передаётся энергия | Пример в природе | Пример в технике | Как усилить или уменьшить |
|---|---|---|---|---|
| Теплопроводность | От частицы к частице без переноса вещества | Прогревание почвы от поверхности | Нагревание металлической ручки | Усилить металлом; уменьшить деревом, воздухом или пенопластом |
| Конвекция | Потоками жидкости или газа | Ветер, движение воды | Отопление комнаты, тяга в дымовой трубе | Усилить свободным движением потоков; уменьшить перегородками и крышками |
| Тепловое излучение | Электромагнитными волнами | Нагревание Земли Солнцем | Работа инфракрасного обогревателя | Усилить тёмной поверхностью; уменьшить блестящей отражающей поверхностью |
В таблице сначала определите, перемещается ли вещество, передаются ли энергия через частицы или используются волны. Затем сравните пример с условиями, необходимыми для выбранного способа. В реальных устройствах несколько способов теплообмена часто действуют одновременно.
Условие. Определите, каким способом тепло от Солнца достигает поверхности Земли. Между светилом и нашей планетой находится почти пустое космическое пространство. Значит, нужно проверить, какой способ не требует вещества.
Ответ: тепло от Солнца достигает Земли тепловым излучением.
Условие. Объясните, почему вода в кастрюле нагревается при подогреве снизу, а металлическая ручка становится горячей. Нужно рассмотреть разные вещества и их движение. В воде возникают потоки, а ручка остаётся неподвижной.
Ответ: вода нагревается главным образом конвекцией, а металлическая ручка — теплопроводностью.
Условие. Объясните, как термос уменьшает потери теплоты. Нужно найти конструктивные элементы, препятствующие каждому из трёх способов теплообмена. Термос не создаёт абсолютную изоляцию, а только замедляет обмен.
Ответ: термос одновременно ограничивает теплопроводность, конвекцию и излучение с помощью вакуумного промежутка, пробки и отражающих поверхностей.
Ошибка: называть любой перенос теплоты конвекцией. Её допускают, потому что слово связывают просто с движением тепла. Проверьте себя: перемещается ли жидкость или газ целыми слоями; если нет, это не конвекция.
Ошибка: считать, что излучение возможно только при наличии воздуха. Так думают из-за привычных примеров с нагреванием воздуха. Проверьте условие: электромагнитные волны могут идти через вакуум.
Ошибка: путать теплопроводность с перемещением вещества. При теплопроводности частицы передают энергию соседям, но тело в целом не течёт и не движется. Спросите себя, есть ли поток вещества; если его нет, возможна теплопроводность.
Ошибка: утверждать, что тепло само переходит от холодного тела к горячему. Самопроизвольный теплообмен идёт в обратную сторону, от горячего к холодному. Переход в сторону более высокой температуры возможен только при внешнем воздействии, например в холодильнике.
До изучения теплообмена нужно знать внутреннюю энергию, температуру и тепловое равновесие. Изменить внутреннюю энергию можно работой или теплопередачей. Поэтому способы теплообмена связывают наблюдаемые нагревание и охлаждение с движением частиц.
В природе солнечный нагрев поверхности Земли вызывает движение воздуха и воды. Так возникают ветры, круговорот воды и морские течения. Эти явления показывают, что излучение, конвекция и теплопроводность часто действуют совместно.
Дальше знания понадобятся для расчёта количества теплоты и изучения тепловых двигателей. Они применяются при проектировании отопления и теплоизоляции зданий. Понимание теплообмена помогает уменьшать потери энергии и делать приборы эффективнее.
Почему между Солнцем и Землёй возможен теплообмен, если в космосе почти нет вещества?
Солнечная энергия передаётся тепловым излучением — электромагнитными волнами. Для такого переноса не нужна материальная среда, поэтому излучение распространяется через почти пустое космическое пространство.
Почему металлические предметы кажутся холоднее деревянных при одинаковой температуре?
Металл лучше проводит тепло, поэтому быстрее отводит энергию от руки. Дерево проводит тепло хуже, и кожа теряет энергию медленнее, хотя температуры предметов одинаковы.
Почему батареи отопления обычно устанавливают под окнами?
Окно часто является местом охлаждения воздуха и утечки теплоты. Батарея нагревает воздух снизу, возникают конвекционные потоки, и возле окна образуется тёплая воздушная завеса.
Можно ли считать кипение воды примером только одного способа теплообмена?
Нет, при кипении действуют сразу несколько способов. Вода перемещается потоками, тепло передаётся конвекцией, а от нагретой стенки к воде — также теплопроводностью; поверхность ещё и излучает энергию.
Как термос уменьшает потери теплоты?
Двойные стенки с разреженным пространством между ними уменьшают теплопроводность и конвекцию. Блестящая поверхность снижает тепловое излучение, а пробка препятствует обмену с воздухом.
§ 32. Примеры теплообмена в природе и технике
