"Введение в естественно-научные предметы", Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С.
Теплопередача — переход энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Благодаря ей нагреваются ложка в чае, воздух возле батареи и поверхность Земли под солнечными лучами. Тепло передаётся тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Они различаются тем, передаётся ли энергия между соседними частицами, переносится ли потоками жидкости или газа либо распространяется волнами. Понимание этих способов помогает объяснить нагревание и охлаждение тел, работу отопления и сохранение тепла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Теплопередача — передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому без переноса вещества целиком. Например, горячий чай отдаёт энергию ложке, а та нагревается. Это понятие помогает объяснять, почему меняется температура тел, даже если они не соприкасаются напрямую.
Теплопроводность — передача тепла при соприкосновении частиц вещества. Частицы нагретого участка передают энергию соседним, но само вещество целиком не перемещается от горячего места к холодному. Так можно понять, почему нагревается вся металлическая ложка, хотя в чае находится только её часть.
Конвекция — перенос тепла потоками жидкости или газа. В этом случае вместе с энергией перемещаются сами нагретые слои вещества. Понятие нужно, чтобы объяснять движение тёплого воздуха в комнате или воды при нагревании.
Тепловое излучение — передача тепла электромагнитными волнами, которая возможна и без воздуха. Источник излучения передаёт энергию телу, даже если между ними нет непосредственного контакта. Этот способ объясняет, как солнечная энергия достигает Земли через космическое пространство.
Если соприкасаются тела с разной температурой, энергия переходит от более нагретого к менее нагретому. Горячее тело при этом отдаёт энергию, а холодное получает её. Поэтому со временем их температуры могут сблизиться: одно тело остывает, другое нагревается. Это не означает, что тепло и температура — одно и то же: температура показывает степень нагретости, а при теплопередаче энергия переходит между телами.
При теплопроводности частицы горячего участка вещества передают энергию соседним частицам. Частицы не уносят всё вещество в сторону, а лишь взаимодействуют с соседями, поэтому тепло постепенно распространяется вдоль предмета. В твёрдом теле частицы расположены близко друг к другу и могут эффективно передавать энергию. В воздухе частицы находятся дальше друг от друга, поэтому теплопроводность обычно слабее, чем в металле.
При конвекции важны не только взаимодействия частиц, но и движение самих слоёв жидкости или газа. Воздух у батареи нагревается, расширяется и становится менее плотным, поэтому поднимается вверх. Более холодный и плотный воздух опускается, чтобы занять его место. Так возникают потоки, которые переносят энергию и постепенно нагревают воздух в разных частях комнаты.
Тепловое излучение переносит энергию от источника к телу электромагнитными волнами. Для этого не нужны соприкасающиеся тела или обязательное движение вещества между ними. Поэтому излучение может распространяться через пространство без воздуха, как от Солнца к Земле. Когда волны поглощаются телом, энергия передаётся ему, и оно нагревается.
В реальной ситуации несколько способов теплопередачи могут действовать одновременно. Например, горячий предмет нагревает соприкасающийся с ним воздух, воздух начинает двигаться, а сам предмет отдаёт часть энергии излучением. Чтобы назвать главный способ, нужно посмотреть, что именно переносит тепло: соседние частицы, потоки жидкости или газа либо волны. Такой вопрос помогает не путать виды теплопередачи и выбрать подходящее объяснение.
| Вид теплопередачи | Как передаётся тепло | Где происходит | Пример |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | От частицы к соседним частицам без переноса вещества целиком | В твёрдых телах, жидкостях и газах | Нагревание металлической ложки в чае |
| Конвекция | Движущимися потоками вещества | В жидкостях и газах | Подъём тёплого воздуха от батареи |
| Тепловое излучение | Электромагнитными волнами | Может происходить и в пустоте | Нагревание Земли солнечными лучами |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, что переносит энергию: частицы, движущаяся жидкость или газ либо волны. Затем сверьте свой вывод с местом, где происходит передача, и с примером. Если в ситуации встречаются сразу несколько способов, выбирайте тот, который лучше всего объясняет главный перенос тепла.
Чай соприкасается с частью ложки и нагревает её. Нужно проследить, как энергия добирается от погружённой части к ручке. Сама ложка остаётся на месте, поэтому ищем способ передачи без перемещения вещества целиком.
Ответ: тепло доходит до ручки главным образом благодаря теплопроводности. Металл не перетекает от чая к ручке: внутри ложки распространяется энергия. Поэтому со временем ручка тоже становится тёплой.
Нужно выяснить, почему воздух не просто нагревается, но и перемещается. Батарея нагревает ближайший к ней воздух, а изменение температуры влияет на его плотность. Разные по плотности слои начинают двигаться и образуют потоки.
Ответ: тёплый воздух поднимается, а холодный опускается из-за различия в их плотности. Движущиеся потоки переносят тепло по комнате. Такой способ теплопередачи называется конвекцией.
В первом случае между источником тепла и Землёй лежит космическое пространство, где почти нет воздуха. Значит, тепло не может прийти обычным потоком воздуха. Во втором случае батарея непосредственно нагревает окружающий воздух, который затем движется по комнате.
Ответ: от Солнца к Земле тепло передаётся в основном тепловым излучением. Батарея согревает воздух в комнате преимущественно благодаря конвекции. В обоих случаях могут действовать и другие виды теплопередачи, но названные способы лучше всего объясняют основной перенос энергии.
Ошибка: считать, что тепло и температура — одно и то же. Их путают, потому что оба понятия связаны с нагреванием, но температура показывает степень нагретости тела, а при теплопередаче энергия переходит между телами. Проверьте себя вопросом: «Что показывает температуру, а что переходит от тела к телу?»
Ошибка: называть конвекцией любое перемещение тепла. Для конвекции обязательно движение жидкости или газа, поэтому перенос энергии между частицами неподвижного твёрдого тела сам по себе конвекцией не является. Проверьте, движется ли поток вещества, а не только распространяется тепло.
Ошибка: думать, что тепловому излучению обязательно нужна среда. Так считают, потому что многие привычные способы передачи тепла происходят рядом с воздухом, однако излучение может распространяться и в пустоте. Проверьте себя примером Солнца: его энергия проходит через космическое пространство до Земли.
Ошибка: считать, что при теплопроводности вещество целиком движется от горячего участка к холодному. Эту ошибку допускают, смешивая распространение тепла с переносом потоком, но при теплопроводности энергию передают соседние частицы. Проверьте, остаётся ли предмет на месте: у ложки в чае перемещается энергия, а не металл.
Для понимания теплопередачи нужно знать, что тела состоят из частиц и могут иметь разную температуру. Эта тема связана с нагреванием и охлаждением тел, изменением их температуры и свойствами материалов: например, разные вещества проводят тепло по-разному. Эти знания помогают объяснить погоду и движение воздуха, работу отопления и способы сохранять тепло. Когда выбирают одежду или утепляют дом, тоже используют представления о передаче тепла.
Почему горячая ложка нагревается в чае?
Чай нагревает ту часть ложки, которая в него погружена. Затем частицы металла передают энергию соседним частицам вдоль ложки, поэтому нагревается и ручка. Это теплопроводность.
Чем теплопроводность отличается от конвекции?
При теплопроводности энергия передаётся от частицы к частице, а вещество целиком не перемещается. При конвекции тепло переносят движущиеся потоки жидкости или газа.
Почему тёплый воздух поднимается вверх?
Воздух возле источника тепла нагревается и расширяется. Он становится менее плотным, чем окружающий холодный воздух, поэтому поднимается, а холодный воздух опускается на его место. Такое движение переносит тепло и называется конвекцией.
Как Солнце нагревает Землю через космос?
Солнце передаёт энергию тепловым излучением. Оно распространяется электромагнитными волнами и может проходить через пространство, где почти нет вещества.
Могут ли в одном случае одновременно происходить разные виды теплопередачи?
Да, разные способы теплопередачи часто действуют вместе. Например, батарея нагревает воздух возле себя, и потоки воздуха разносят тепло по комнате, а сама батарея также отдаёт энергию излучением. Обычно можно назвать способ, который в данной ситуации играет главную роль.
Теплопередача
