"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Теплопередача — это переход внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Она объясняет, почему нагреваются ложка в чае, вода в кастрюле и воздух у батареи. Энергия может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы различаются тем, движется ли вещество, нужна ли среда и какую роль играют свойства поверхности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Теплопередача — перенос внутренней энергии от более нагретого тела или его части к менее нагретой. Благодаря этому тело может нагреваться или остывать без совершения механической работы. Термин обозначает общий процесс, который происходит разными способами.
Теплопроводность — передача энергии без переноса вещества, происходящая при непосредственном взаимодействии частиц. Более быстрые частицы передают часть энергии соседним, менее быстрым частицам. Это понятие помогает объяснить нагрев твёрдого тела от одного края к другому.
Конвекция — перенос теплоты потоками жидкости или газа. При этом перемещаются сами слои вещества, поэтому тепло переносится вместе с ними. Так объясняется нагрев воды в кастрюле и движение воздуха в комнате.
Тепловое излучение — передача энергии электромагнитными волнами, возможная и в вакууме. Среда между телами для такого переноса не обязательна. Благодаря излучению Земля получает энергию от Солнца.
При теплопроводности вещество в целом не перемещается: его частицы лишь колеблются или движутся около своих положений. Более быстрые частицы сталкиваются с соседними и передают им часть энергии, поэтому энергия постепенно распространяется от горячего участка к холодному. В результате нагревается всё тело, хотя его частицы не переносятся потоком из одного конца в другой.
Теплопроводность зависит от строения вещества. В металлах есть частицы, которые могут быстро переносить энергию через кристаллическую решётку, поэтому металлическая ложка нагревается по всей длине. В дереве и пластмассах передача между частицами идёт хуже, а воздух содержит далеко расположенные частицы, поэтому проводит тепло особенно плохо.
Конвекция возникает, когда разные слои жидкости или газа нагреваются неодинаково. Нагретый слой расширяется, его плотность уменьшается, и под действием выталкивания он поднимается. На его место опускается более холодный и плотный слой, поэтому появляются замкнутые конвекционные потоки.
Конвекция возможна только в жидкостях и газах, потому что в них отдельные объёмы вещества могут свободно перемещаться относительно друг друга. В твёрдом теле частицы связаны и не образуют таких потоков. При нагревании снизу поток поднимается, охлаждается сверху и возвращается вниз, поддерживая циркуляцию.
Тепловое излучение переносит энергию электромагнитными волнами, поэтому ему не нужны частицы воздуха или другой среды. Любое нагретое тело излучает энергию, но количество поглощённого и испущенного тепла зависит от поверхности. Тёмные и матовые поверхности обычно лучше поглощают и излучают излучение, а светлые и блестящие сильнее отражают его.
| Свойство | Теплопроводность | Конвекция | Тепловое излучение |
|---|---|---|---|
| Как передаётся энергия | При взаимодействии частиц без перемещения вещества | Потоками перемещающегося вещества | Электромагнитными волнами |
| В каких средах возможна | В твёрдых телах, жидкостях и газах | Только в жидкостях и газах | В среде и в вакууме |
| Особенности и примеры | Нагрев металлического стержня от одного конца | Циркуляция воды при нагревании | Солнечный свет и тепло костра |
| Происходит ли перенос вещества | Нет, в целом вещество не перемещается | Да, движутся слои жидкости или газа | Нет, энергию переносит излучение |
| Роль цвета и состояния поверхности | Главное значение имеет материал | Главное значение имеют движение и плотность | Тёмные матовые поверхности поглощают и излучают лучше |
Сначала определите, перемещается ли вещество: это сразу помогает отличить конвекцию от теплопроводности. Если между телами нет среды, остаётся тепловое излучение. В реальных процессах способы могут сочетаться, поэтому в таблице нужно искать преобладающий механизм.
Условие. Металлическая ложка опущена в горячий чай. Нужно определить, какой вид теплопередачи преобладает при нагревании ложки.
Ответ. Преобладает теплопроводность. Конвекция участвует в движении самого чая, но не является главным способом распространения тепла внутри металлической ложки.
Условие. Вода нагревается снизу, но через некоторое время горячими становятся верхние слои. Нужно объяснить это явление.
Ответ. Верхние слои нагреваются благодаря конвекции. Внутри воды образуются потоки, переносящие энергию от дна к поверхности.
Условие. Человек получает тепло от костра на расстоянии, а металлический предмет рядом с ним нагревается иначе. Нужно назвать участвующие виды теплопередачи.
Ответ. В явлении участвуют излучение, конвекция и теплопроводность. Для человека на расстоянии особенно заметно излучение, а для нагрева самого металлического предмета — излучение с последующей теплопроводностью.
Ошибка: считать любой перенос теплоты конвекцией. Её допускают, потому что слово связано с привычным движением воздуха, но конвекция требует движения именно жидкости или газа. Проверьте, есть ли поток вещества; если его нет, ищите теплопроводность или излучение.
Ошибка: утверждать, что при теплопроводности переносится вещество. Частицы действительно движутся и взаимодействуют, но тело в целом не течёт и не перемещается. Спросите себя, меняется ли положение всего слоя вещества, а не отдельных частиц.
Ошибка: считать, что излучение невозможно без воздуха. Излучение переносится электромагнитными волнами и проходит через вакуум. Примером проверки служит передача энергии от Солнца к Земле.
Ошибка: путать причину и направление теплопередачи. Самопроизвольно энергия идёт от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот. Сравните температуры тел до начала процесса и только потом определяйте направление.
До изучения темы нужно знать, что такое внутренняя энергия и температура, а также понимать движение и взаимодействие частиц вещества. Эти представления объясняют, почему частицы передают энергию и почему изменяется плотность нагретого слоя.
С темой количества теплоты виды теплопередачи связаны напрямую: количество теплоты показывает, сколько энергии тело получило или отдало, а виды теплопередачи объясняют, каким способом это произошло.
Дальше знания пригодятся при изучении тепловых двигателей, теплоизоляции, климата и бытовых нагревательных приборов. Везде нужно определить, какой способ переноса энергии используется и как его усилить или уменьшить.
Почему твёрдые тела не участвуют в конвекции?
Конвекция связана с перемещением потоков вещества. Части твёрдого тела не могут свободно перемещаться, поэтому в нём возможна теплопроводность, но не конвекция.
Почему металлическая ручка быстро нагревается, а деревянная — медленно?
Металл хорошо проводит тепло: энергия быстро передаётся между его частицами вдоль ручки. Дерево имеет низкую теплопроводность, поэтому нагрев распространяется медленнее.
Может ли тепло передаваться в космосе?
Да, тепло может передаваться в космосе посредством теплового излучения. Для излучения не нужны воздух или другая среда, поэтому энергия Солнца достигает Земли через вакуум.
Почему батареи отопления обычно устанавливают под окнами?
Нагретый у батареи воздух поднимается и создаёт конвекционный поток. Он прогревает комнату, а расположение под окном помогает уменьшить поступление холодного воздуха от стекла.
Как определить, какой вид теплопередачи преобладает в конкретном явлении?
Нужно выяснить, что именно переносит энергию. Если вещество не перемещается и взаимодействуют соседние частицы, это теплопроводность; движение жидкости или газа указывает на конвекцию, а передача волнами — на излучение.
Виды теплопередачи
