§ 30. Виды теплопередачи

Определения и обозначения

Теплопередача — передача внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому, причём вещество целиком не переносится от одного тела к другому. Перемещается энергия, а не само тело. Это общее название процессов, благодаря которым предметы нагреваются или остывают.

Теплопроводность — передача энергии от более нагретых частиц к менее нагретым при непосредственном контакте, без перемещения вещества. Частицы передают энергию соседним частицам, оставаясь около своих положений. Понятие помогает объяснить нагрев металлического стержня от одного конца к другому.

Конвекция — перенос теплоты потоками жидкости или газа, возникающими из-за перемещения нагретых и охлаждённых слоёв. Здесь энергия движется вместе с массами вещества. Так объясняется циркуляция воздуха у батареи и воды при нагревании.

Излучение — передача энергии с помощью электромагнитных волн, возможная без непосредственного контакта тел и без материальной среды. Энергия может проходить даже через вакуум. Поэтому удалённое Солнце согревает Землю.

Как это устроено

Теплопередача направлена от более тёплого тела к более холодному, потому что частицы горячего тела в среднем обладают большей энергией движения. При контакте или обмене излучением часть этой энергии передаётся менее энергичным частицам. Когда температуры выравниваются, направленный поток энергии прекращается: наступает тепловое равновесие.

При теплопроводности соседние частицы взаимодействуют и передают друг другу энергию, хотя всё вещество не перемещается. В металлах есть частицы, способные быстро переносить энергию по всему объёму, поэтому металлы хорошо проводят тепло. Дерево, пластмасса и воздух проводят его значительно хуже, поэтому их используют как теплоизоляторы.

В жидкости или газе нагретый слой расширяется и становится менее плотным, чем окружающее вещество. Под действием силы тяжести он поднимается, а более плотный холодный слой опускается на его место. Такое круговое движение создаёт конвекционный поток, который переносит энергию вместе с веществом.

Излучение переносит энергию электромагнитными волнами, которые распространяются через пространство. Для них не нужны соприкасающиеся тела или частицы воздуха. Солнечный свет проходит через космический вакуум, поглощается поверхностью Земли и превращается во внутреннюю энергию, поэтому планета нагревается.

В обычных ситуациях несколько способов теплопередачи часто действуют одновременно. Например, кастрюля получает энергию от пламени излучением и движущимися газами, а внутри металла она распространяется теплопроводностью. Основным считают тот способ, который в данном процессе переносит наибольшую часть энергии.

Сравнение видов теплопередачи

Сначала найдите главный признак явления: непосредственный контакт частиц, движение вещества или распространение волн. Затем проверьте, нужна ли материальная среда и перемещается ли вещество. Таблица помогает отличить основной способ теплопередачи, хотя в реальности они могут сочетаться.

Разбор задач

Задача 1. Определение основного вида теплопередачи

Нужно определить основной вид теплопередачи при нагреве металлической ложки в горячем чае, воздуха от батареи и Земли от Солнца. Во всех случаях энергия переходит от более горячего источника к более холодному объекту. Решение строится не на названии предмета, а на способе движения энергии.

1. Ложка соприкасается с горячим чаем, а затем энергия распространяется от нагретых участков металла к холодным частицам. Основной вид — теплопроводность.
2. Воздух около батареи нагревается, расширяется и поднимается, а холодный воздух опускается. Возникает конвекция.
3. Между Солнцем и Землёй почти нет вещества, поэтому энергия передаётся электромагнитными волнами. Это излучение.

Ответ: ложка — теплопроводность, воздух у батареи — конвекция, Земля от Солнца — излучение.

Задача 2. Металлическая и деревянная ручки

Металлическая ручка ложки, оставленной в горячей воде, постепенно нагревается, а деревянная ручка — значительно слабее. Нужно объяснить различие через внутреннее строение материалов. Температура воды выше температуры ручек, поэтому энергия направляется от воды к ручкам.

1. В металле частицы и свободные электроны быстро передают энергию соседним участкам.
2. Поэтому тепло от погружённой части металлической ручки быстро распространяется к её концу.
3. В древесине перенос энергии между частицами происходит медленнее, а поры с воздухом дополнительно мешают теплопроводности.

Ответ: металл хорошо проводит тепло, поэтому его ручка нагревается быстрее; дерево является плохим проводником и нагревается слабее.

Задача 3. Устройство термоса

Нужно объяснить, почему в термосе делают двойные стенки, пространство между ними разрежают, а наружную поверхность делают блестящей. Цель конструкции — замедлить как нагрев содержимого, так и его охлаждение. Для этого уменьшают вклад каждого из трёх способов теплопередачи.

1. Разреженное пространство между стенками почти не содержит частиц, поэтому резко ослабляются теплопроводность и конвекция.
2. Двойные стенки разделяют внутреннее содержимое и окружающую среду, оставляя между ними теплоизолирующий промежуток.
3. Блестящая поверхность отражает тепловое излучение и плохо его поглощает, поэтому обмен энергией излучением уменьшается.

Ответ: термос одновременно препятствует теплопроводности и конвекции разреженным промежутком, а излучению — блестящей поверхностью.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что теплопередача всегда означает перенос вещества. Её допускают, потому что при конвекции действительно движутся слои жидкости или газа. Проверьте себя: при теплопроводности и излучении энергия переносится без перемещения тела целиком.

Ошибка: называть конвекцией любое движение воздуха или жидкости. Конвекцией является только движение, сопровождающее перенос теплоты между областями с разной температурой. Спросите себя, переносится ли энергия потоком вещества, а не просто происходит ли механическое движение.

Ошибка: утверждать, что излучение невозможно без воздуха. Так думают, наблюдая нагрев предметов в обычной атмосфере. Проверьте признак: электромагнитные волны распространяются в вакууме, что доказывает нагрев Земли Солнцем.

Ошибка: путать теплопроводность с конвекцией в жидкостях и газах. При теплопроводности энергия передаётся между соседними частицами, а при конвекции перемещаются целые слои вещества. Чтобы не ошибиться, определите, есть ли направленный поток жидкости или газа.

Связь с другими темами

Для понимания теплопередачи нужны знания о внутреннем строении вещества, движении и взаимодействии частиц, температуре и тепловом равновесии. Температура показывает, насколько энергично в среднем движутся частицы, а различие температур вызывает направленный обмен энергией.

Эти сведения пригодятся при изучении нагревательных приборов, теплоизоляции, холодильников, термосов и тепловых двигателей. Во всех таких устройствах выбирают материал и конструкцию, чтобы усилить нужную теплопередачу или уменьшить нежелательную.

Что запомнить

• Теплопередача — передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому.
• Основные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
• При теплопроводности вещество в целом не перемещается.
• Конвекция возможна в жидкостях и газах и связана с движением их слоёв.
• Излучение может распространяться в вакууме.
• В одном явлении могут одновременно участвовать несколько видов теплопередачи.
• Тепловое равновесие устанавливается, когда температуры взаимодействующих тел становятся одинаковыми.