Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

На прошлом уроке мы с вами с вами узнали, что все без исключения тела обладают внутренней энергией, которая представляет собой сумму кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия.

Также мы с вами вспомнили, что изменить внутреннюю энергию тела можно двумя способами: путём совершения механической работы и теплопередачей.

Всего существует три простых (элементарных) механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Рассмотрим эти явления.

Для начала проведём с вами такой опыт. К медному стержню, закреплённому в штативе, с помощью пластилина прикрепим несколько болтиков. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки. Через некоторое время мы увидим, что болтики начнут отпадать от стержня: сначала отпадёт тот болт, который находится ближе к пламени. А затем, поочерёдно, все остальные.

Поскольку болтики отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно. Такая передача энергии происходит в результате столкновения частиц. Она передаётся как бы по цепочке, последовательно слой за слоем. Почему так происходит. Попробуем разобраться, используя ранее полученные знания.

Итак, мы знаем, что в твёрдом теле (например, в металле) потенциальная энергия взаимодействия частиц велика, и они могут совершать колебательные движения около своих положений равновесия. Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню.

Обратите внимание на то, что перемещение вещества в этом случае не происходит. Но при этом передаётся энергия. Так вот, процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.

Так как взаимодействие молекул и тепловое движение у разных веществ неодинаковы, то и теплопроводность веществ разная. Чтобы в этом убедиться модифицируем наш прошлый опыт. К медному стержню прикрепим разветвитель, в который вставим стержни одинакового размера из стали, стекла и дерева. Как и в прошлый раз, с помощью пластилина закрепим болтики на стержнях и зажжём спиртовку. Через некоторое время мы заметим, как первым отпадает болтик от медного стержня. Значит медь — это хороший проводник тепла. Затем отпадает болтик от стержня из стали.

Ждать же, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, приходится очень долго. Отсюда можно сделать вывод о том, что дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность. Напомним, что слабо проводящие теплоту материалы называются теплоизоляторами.

А теперь посмотрим, как проводят теплоты газы. Для этого поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Нетрудно заметить, что нагревание воздуха идёт, но очень медленно, что подтверждается незначительным повышением показания термометра.

Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом. Поэтому, например, сильно разрежённые газы практически не проводят теплоту. Это их свойство применяют, например, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре. Также и современные стеклопакеты делают одно-, двух- и даже трёхкамерными с изолирующим газом в полостях между стёклами с целью уменьшения теплопередачи через остеклённые поверхности.

А теперь давайте с вами выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Для этого возьмём пробирку с водой, на дно которой поместим кусочек льда. А чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему металлическую гайку. Теперь будем нагревать верхнюю часть пробирки в спиртовке.

Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, но лёд на дне при этом не растает. О чём это говорит? Правильно, о том, что теплопроводность воды малая, хотя и больше чем у воздуха. Действительно, теплопроводность воды примерно в 25 раз выше, чем воздуха, но примерно в 670 раз меньше теплопроводности меди.

Но следует помнить, что металлы, находящиеся в жидком состоянии (это, например, медь, олово, ртуть и так далее) обладают очень хорошей теплопроводностью.

И так, из всех рассмотренных нами примеров мы можем сделать вывод о том, что теплопроводность — это свойство тел, и у каждого тела она разная. Например, шерсть, перья и волосы имеют плохую теплопроводность, что вполне логично, так как их основной функцией является защита от холода. Плохая теплопроводность этих веществ объясняется тем, что между их волокнами содержится воздух.

Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности и в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду из которой едят, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью.

Зимние куртки наполняют материалом с плохой проводимостью тепла. Таким образом, тепло нашего тела меньше передаётся окружающему нас холодному воздуху. Вот почему говорят, что «не шуба греет человека, а человек шубу».

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии молекул или других частиц, которых попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе.

Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения. Его главной особенностью является то, что оно возможно не только в среде, но и в вакууме.

Механизм излучения сложен и поэтому с ним вы познакомитесь в старших классах. Здесь же подчеркнём то, что при излучении происходит перенос энергии не частицами вещества, а электромагнитными волнами. Именно поэтому для излучения не требуется среда.

Давайте посмотрим от чего зависит и насколько эффективно идёт излучение в таком опыте. Два теплоприемника соединим с коленами манометра и поднесём их черными сторонами к сосуду с горячей водой, одна половина которого зачернена, а другая — белая.

Как видно уровень жидкости в левом колене манометра стал ниже, чем в правом. Значит, давление в первом теплоприемнике выше, чем во втором. А это говорит нам о том, что воздух в теплоприемнике, обращённом к зачернённой поверхности сосуда, нагрелся сильнее. Следовательно, тела с темной поверхностью излучают больше энергии (теплоты), чем тела со светлой поверхностью. Поэтому тела с темной поверхностью остывают быстрее, чем со светлой.

А теперь видоизменим опыт. К сосуду с горячей водой, вся поверхность которого зачернена, повернём теплоприемники разными сторонами. Как видим, уровень жидкости в левом колене манометра стал ниже. Значит, воздух в теплоприемнике, обращённом к сосуду чёрной стороной, поглотил больше энергии и нагрелся сильнее. Таким образом, тела с темной поверхностью поглощают больше энергии, чем тела со светлой поверхностью, а поэтому и нагреваются быстрее.

На основании наших опытов мы можем сделать вывод о том, что тело, которое больше поглощает энергии, больше и излучает.

Этот факт учитывается в технике и быту. Самолёты, скафандры космонавтов, холодильники и морозильные камеры окрашивают в серебристый или светлые цвета, чтобы они меньше нагревались. В люди стараются носить светлую одежду. А в северных районах иногда лёд на реках окрашивают с самолёта в чёрный цвет ещё до наступления паводка, чтобы избежать бурного ледохода.

А теперь давайте проведём такой опыт. В трубку с холодной водой опустим несколько кристалликов марганцовки. При помощи спиртовки будем нагревать трубку снизу.

Через некоторое время мы увидим, как нагретые нижние слои воды поднимаются вверх. Верхние слои, как более холодные, а значит, более плотные, опускаются вниз, нагреваются и устремляются вверх. Через некоторое время вода нагреется по всему объёму трубки. Так происходит перенос теплоты (энергии) в жидкостях.

Наблюдать перенос теплоты (энергии) в газах, например в воздухе, можно, проделав такой опыт. Зажжём свечу. Нагретый над пламенем свечи воздух перемещается вверх. Поставив на пути пластмассовую пластинку, можно изменить направление потока, что видно на экране.

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

Перенос энергии в жидкостях и газах потоками вещества называется конвекцией.

Отметим, что в твёрдых телах конвекция невозможна, так как 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, например, железобетонная дымовая труба Экибастузской ГРЭС-2 в Казахстане, имея высоту 420 метров, является самой высокой в мире и занесена в Книгу рекордов Гиннесса.