Конвекция. Излучение

На прошлом уроке мы с вами подробно рассмотрели один из видов теплопередачи — теплопроводность. Давайте вспомним, что теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой при их непосредственном контакте.

Ещё раз обратим внимание на то, что при теплопроводности не происходит переноса вещества.

Однако существуют и другие виды теплопередачи — это конвекция и излучение. Именно этим явлениям и будет посвящён наш с вами сегодняшний урок.

Мы уже знаем, что газы и жидкости обладают плохой теплопроводностью. Однако возникают закономерные вопросы: почему же нагревается вода в кастрюле, поставленной на включённую плиту? И почему же прогревается воздух в комнате от батарей водяного отопления?

Ответим на первый вопрос, проделав следующий опыт. Нальём в колбу воду и аккуратно опустим на дно несколько кристалликов марганцовки. Затем поставим колбу на спиртовку так, чтобы её пламя касалось колбы в том месте, где лежат кристаллики.

Через некоторое время мы с вами увидим, как со дна колбы начнут подниматься окрашенные струйки воды. А достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.

Наблюдаемое нами явление можно объяснить следующим образом. Нижний слой воды нагревается от стенки колбы. Вы знаете, что при увеличении температуры тело начинает расширяться. Вследствие чего уменьшается плотность тела. На этот тёплый слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает его вверх. На место тёплого слоя опускается холодный слой воды. После нагревания, этот слой воды также начнёт двигаться вверх, а его места займёт новый слой. И так будет происходить до тех пор, пока температура воды не выровняется по всему своему объёму. Таким образом, энергия переносится посредством поднимающихся потоков жидкости.

А кто из вас не замечал такую картину: в морозное утро дым из печной трубы серебристым столбом поднимается вверх?

Найдём объяснение и этому факту. Нагретый в печной трубе воздух становится легче холодного, и по закону Архимеда холодный воздух, подтекая под нагретую часть, заставляет его подниматься вверх. При таком перемещении нагретого объёма вещества и переносится теплота.

В рассмотренных нами примерах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи — конвекцию.

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками жидкости или газа, то есть сопровождается переносом вещества.

Конечно же у вас может возникнуть закономерный вопрос: а возможна ли конвекция в твёрдых телах? Очевидно, что нет, так как конвекция связана с переносом вещества. А в твёрдом теле вещество не может перемещаться по объёму.

Конвекция обуславливает множество явлений природы и процессов, происходящих в повседневной жизни. Так, например, благодаря конвекции создаётся нужная тяга в печах и каминах, чтобы полностью сжечь в них топливо. Для создания нужной тяги даже в очень небольших котельных трубы делают высотой в несколько десятков метров.

А, самой высокой дымовой трубой в мире является труба Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане. Её высота равна 420 м.

Экибазстузская ГРЭС-2

Примером использования конвекции является система водяного отопления домов. Вы наверняка замечали, что отопительные батареи в основном размещаются внизу (под окнами).

Это сделано для того, чтобы ускорить конвекцию воздуха в помещении. Холодный воздух от окна спускается вниз, где он соприкасается с батареями. Получив от них теплоту, он поднимается вверх, уступая место холодному воздуху. В результате такой конвекции и происходит прогревание воздуха по всему объёму комнаты.

Конвекцией объясняются ночные и дневные ветры — бризы, возникающие на берегах морей и океанов.

На берегу водоёмов в жаркий летний день вода нагревается Солнцем медленнее, чем суша, так как вода обладает малой теплопроводностью. Это вызывает понижение давления воздуха над сушей. Поэтому холодный воздух перемещается с водоёма на сушу. Это — дневной бриз.

Дневной бриз

Ночью же наоборот, суша охлаждается быстрее, чем вода. Поэтому ночной бриз дует от суши к водоёму.

Ночной бриз

Рассмотренные примеры — это примеры естественной конвекции. Когда же естественной конвекции недостаточно, то используют вынужденную конвекцию. При вынужденной конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил. Примерами такой конвекции могут служить движение воздуха в помещении под действием вентилятора. Или добыча нефти из глубинных слоёв Земли при помощи мощных насосов.

Добыча нефти

Проведём такой опыт. Возьмём теплоприёмник — это металлическая коробочка, одна сторона которой блестящая, а другая покрыта матовой чёрной краской. Внутри коробочки находится воздух.

Установим вертикально электрическую плитку, а возле неё укрепим теплоприёмник, соединённый с манометром. И начнём нагревать плитку.

Через некоторое время мы заметим, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, начнёт понижаться, что говорит о нагревании воздуха внутри теплоприёмника и повышении вследствие этого его давления.

Могло ли это произойти за счёт теплопроводности воздуха? Очевидно, нет, так как теплопроводность воздуха мала, а теплота к приёмнику была перенесена достаточно быстро.

Тогда может быть это произошло за счёт конвекции? Опять нет, так как конвекционные потоки идут вверх.

Оказывается, существует ещё один способ передачи теплоты — излучение. Его главной особенностью является то, что оно возможно не только в среде, но и в вакууме. Значит, основным способом переноса теплоты от электрической плитки к теплоприёмнику было излучение. Нагревание воздуха в теплоприёмнике произошло потому, что он поглотил энергию, переданную излучением. Любое тело излучает энергию. Но эта энергия зависит от многих факторов, в частности от температуры тела. Чем она выше, тем больше энергии излучает тело, и наоборот.

А теперь зададимся вопросом, одинаково ли излучают и поглощают тела? Чтобы на него ответить, проведём такой опыт. Возьмём два теплоприёмника и укрепим их на одинаковом расстоянии от сосуда, в котором находится вода, так, чтобы черные поверхности теплоприёмников были обращены к сосуду.

Присоединим к теплоприёмникам манометры. Обратите внимание, что одна из стенок сосуда покрашена чёрной, а другая белой краской. Будем нагревать сосуд с водой на плитке и проследим за изменением уровней жидкостей в коленах манометра, присоединённого к теплоприёмникам. Через некоторое время уровень жидкости в колене манометра, соединённом с левым теплоприёмником, понизится, что говорит о большем нагревании в нём воздуха, чем в правом приёмнике.

Так как левый теплоприёмник получил теплоту, излучаемую чёрной поверхностью сосуда, то можно сделать важный вывод о том, что чёрные поверхности излучают больше энергии, чем белые.

Тогда возникает закономерный вопрос: а одинаково ли поглощают энергию черные и белые поверхности? Опять ответим на вопрос с помощью опыта. В схему предыдущего опыта внесём небольшие изменения. Заменим сосуд на другой, полностью окрашенный в чёрный цвет, а правый теплоприёмник повернём к сосуду белой стороной. Опять нагреем сосуд с водой и будем следить за уровнями жидкостей в коленах манометра.

Можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённого с левым теплоприёмником, ниже, чем в другом колене. Значит, температура воздуха в этом теплоприёмнике выше, чем во втором. Но оба теплоприёмника поглощали энергию от одного сосуда, только один теплоприёмник был повернут к нему чёрной поверхностью, а другой — белой. Значит, чёрная поверхность поглощает энергии больше, чем белая.

Именно поэтому, в летний солнечный день в чёрной одежде значительно жарче, чем в белой.

На основании проделанных опытов и наблюдений можно утверждать, что черные поверхности при равной температуре и поглощают, и излучают энергии больше, чем белые.