§ 32. Теплопроводность. Конвекция. Теплопередача излучением

Определения и обозначения

Теплопередача — это изменение внутренней энергии тела без совершения работы. Энергия при этом переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Так можно объяснить, почему холодная ложка нагревается в горячем чае. Направление перехода энергии помогает отличать теплопередачу от других способов изменения внутренней энергии.

Теплопроводность — передача энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым при взаимодействии частиц, без переноса вещества. Частицы передают энергию соседним, поэтому постепенно нагревается всё тело. Это определение нужно, чтобы распознавать передачу тепла внутри твёрдого предмета. Например, металлический стержень может нагреться на конце, удалённом от источника тепла.

Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа, возникающий при перемещении нагретых и холодных слоёв. Вместе с энергией движется и само вещество. Понятие конвекции помогает объяснить перемешивание воды при нагревании и движение тёплого воздуха в комнате. Она возможна там, где вещество может течь.

Тепловое излучение — перенос энергии электромагнитными волнами, который возможен и в вакууме. Волны испускаются телами и могут распространяться там, где нет воздуха или другой материи. Это понятие объясняет, как энергия Солнца достигает Земли. Для излучения материальная среда не требуется.

Как это устроено

При теплопроводности частицы нагретого участка получают больше энергии и интенсивнее колеблются или движутся. Сталкиваясь и взаимодействуя с соседями, они передают им часть энергии, а те — следующим частицам. Поэтому тепло распространяется от горячей области к холодной. Частицы остаются около своих мест или перемещаются лишь беспорядочно, а не направленно от одного края тела к другому: целый кусок вещества не переносится.

В жидкости или газе нагретые слои обычно расширяются. То же количество вещества занимает больший объём, поэтому его плотность становится меньше, чем у более холодных слоёв рядом. Под действием выталкивания тёплый слой поднимается, а холодный опускается и занимает его место. Такое круговое перемещение образует конвекционный поток, который разносит энергию по жидкости или газу.

Для конвекции необходимо, чтобы само вещество могло перемещаться и образовывать потоки. В жидкости и газе слои могут течь и менять положение, а в твёрдом теле частицы не перемещаются такими потоками. В вакууме вещества вообще нет, поэтому там нечему двигаться и переносить энергию конвекцией. В твёрдых телах тепло может распространяться теплопроводностью, но конвекции в них не возникает.

Тепловое излучение испускают тела, обладающие внутренней энергией; его переносчиками служат электромагнитные волны. Такие волны распространяются в пространстве и не нуждаются в частицах воздуха, воды или другого вещества. Поэтому между Солнцем и Землёй энергия проходит через почти пустое космическое пространство. Дойдя до тела, излучение поглощается и может увеличить его внутреннюю энергию.

Способ передачи удобно определять по тому, что происходит с веществом. В металлическом стержне энергия проходит от нагретого конца к холодному главным образом теплопроводностью, хотя металл в целом не движется. В кастрюле нагретая снизу вода поднимается, а более холодная опускается — это конвекция. Земля получает энергию от Солнца излучением, потому что между ними нет сплошной материальной среды.

Сравнение способов теплопередачи

Пользуясь таблицей, сначала спроси себя, перемещается ли вещество. Если оно движется потоками, это конвекция; если энергия передаётся между частицами без такого движения — теплопроводность. Когда энергия идёт электромагнитными волнами, в том числе через вакуум, речь идёт об излучении.

Разбор задач

Нагрев металлического стержня

К одному концу металлического стержня приложили источник тепла. Нужно определить, каким способом энергия дойдёт до другого конца. Представим, что стержень остаётся неподвижным и не переносится целиком.

1. Стержень — твёрдое тело, поэтому потоки вещества внутри него не возникают.
2. Частицы у нагретого конца получают энергию и передают её соседним частицам.
3. Так энергия постепенно распространяется вдоль стержня без перемещения металла целиком.

Ответ: тепло дойдёт до другого конца главным образом теплопроводностью.

Нагрев воды снизу

В кастрюле нагревают воду снизу. Требуется объяснить, почему вода в верхней части тоже становится тёплой. Здесь важно проследить не только передачу энергии между частицами, но и движение слоёв воды.

1. Вода у дна получает энергию и нагревается, при этом обычно расширяется.
2. Её плотность становится меньше, поэтому тёплая вода поднимается вверх.
3. Более холодная и плотная вода опускается вниз, нагревается и тоже начинает подниматься; возникают потоки.

Ответ: верхняя часть прогревается благодаря конвекции: движущаяся вода переносит туда энергию.

Энергия Солнца для космического аппарата

Космический аппарат получает энергию от Солнца через пространство, в котором почти нет вещества. Нужно выяснить, какой способ теплопередачи подходит для такой ситуации. Сравним его с двумя другими способами.

1. Теплопроводность требует передачи энергии между частицами вещества, а конвекция — движения потоков вещества.
2. В пространстве между Солнцем и аппаратом нет сплошной среды, поэтому эти два механизма не могут перенести энергию на всём пути.
3. Тепловое излучение распространяется электромагнитными волнами и не нуждается в материальной среде.

Ответ: энергия проходит от Солнца к аппарату тепловым излучением.

Типичные ошибки

Ошибка: называть конвекцией любое распространение тепла в жидкости или газе. Такое объяснение упускает главное — движение вещества потоками; тепло может передаваться в жидкости и без описания конвекционного потока. Ошибку допускают, потому что связывают конвекцию просто с нагреванием жидкости. Проверь себя: если слои не перемещаются, говорить о конвекции нельзя.

Ошибка: считать, что при теплопроводности частицы переносятся от горячего края тела к холодному. На деле передаётся энергия, а частицы не движутся всем потоком в одном направлении. Это заблуждение возникает из-за слов «тепло дошло до другого конца». Проверь себя: спроси, переместилось ли само вещество или только энергия передавалась между его частицами.

Ошибка: утверждать, что излучение возможно только при наличии воздуха. Воздух не нужен для распространения электромагнитных волн, поэтому излучение проходит и через вакуум. Ошибку можно связать с тем, что многие виды волн мы наблюдаем в окружающей среде. Проверка простая: если бы излучению был необходим воздух, энергия Солнца не достигала бы Земли через космос.

Ошибка: считать, что в каждой ситуации действует только один способ теплопередачи. В действительности несколько механизмов могут сочетаться, например излучение от нагретого предмета и конвекция воздуха около него. Разделять процессы удобно для объяснения, но это не значит, что остальные обязательно отсутствуют. Проверь себя: ищи отдельно перенос энергии частицами, потоками вещества и излучением.

Связь с другими темами

Для изучения теплопередачи нужно знать, что температура связана с тепловым состоянием тела, а внутренняя энергия может изменяться. Эти знания помогают понять, почему нагревание одного участка приводит к передаче энергии соседним участкам или другому телу. Тема пригодится при изучении тепловых явлений и при объяснении устройства теплоизоляции. Ею также пользуются, разбираясь в отоплении и охлаждении помещений и приборов.

Что запомнить

• При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
• Теплопроводность передаёт энергию без переноса вещества.
• Конвекция происходит в жидкостях и газах и сопровождается переносом вещества.
• Тепловое излучение переносит энергию электромагнитными волнами.
• Излучение возможно в вакууме.
• В одной ситуации могут одновременно участвовать несколько способов теплопередачи.