Теплообмен теплопроводностью

Турист остановился  отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлебку в котелке, и самого туриста. Физик по этому  поводу скажет: внутренняя энергия  сгорающих дров переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. Другими словами, происходит теплообмен.

На рисунке  представлены три способа теплообмена: теплопроводность, излучение и конвекция. Путем теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлебки. Путем излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и его одежды. А путем конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром. Существует три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. 

Теплообмен теплопроводностью

Теплопроводностью называется явление передачи энергии  от более нагретых участков тела к  менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. 
 

Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность

 
Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и  стальную – укрепим так, чтобы  их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним  маленькие гвоздики. Мы увидим, что  с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной. 

Опыты показывают, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.  
 
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

Среди изоляторов лишь алмаз обладает большой теплопроводностью.

Все газы очень медленно передают теплоту. Явление теплопроводности газов аналогично диффузии. Оба эти явления суть следствия беспорядочного теплового движения молекул (или атомов) газа.

Теплопроводность  жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твердых тел и газов. Тела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, мех, вата, поролон, синтепон и др. Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называюся теплопроводниками. К ним, в первую очередь, относятся все металлы – в твердом и жидком состоянии.

На рисунке  представлен радиатор, служащий для ускорения охлаждения процессора настольного компьютера. Процессор 1 вместе с другими микросхемами укреплен на плате 2. К верхней части процессора плотно прижат радиатор 3 – ребристая металлическая деталь. Теплота, выделяющаяся в процессоре, путем теплопроводности распространяется по ребрам радиатора и рассеивается в окружающем пространстве.

Теплообмен конвекцией.

 Слово «конвекция»  образовано от греческого слова convectio — доставка. Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа. 
 
Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать вверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.

Так устанавливается  круговорот жидкости, сопровождающийся переносом энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным  образом возникает конвекция  в газах.

На рисунке тень руки с зажженной спичкой. Волнистые тени над пламенем - это струйки поднимающегося теплого воздуха. Такие тени легко получаются на стене темной комнаты при освещении спички фонариком. 

Такой процесс часто называется естественной конвекцией. Для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

Кроме естественной конвекции, возможна и принудительная конвекция. При принудительной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.  
 
Явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется конвекцией. Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ. 
Теплообмен конвекцией часто встречается в быту. Например, отопительные батареи-радиаторы располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом, опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти равномерная температура. Этого не происходило бы, если бы батареи располагались у потолка. Конвективные потоки возникают и внутри кастрюль с жидкостями, которые нагреваются на кухонной плите.  
 
Явление конвекции весьма распространено в природе. Типичными примерами конвекции в атмосфере являются ветры, в частности бризы и муссоны. Нагреваясь над одними участками Земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу. Явление это весьма сложное. На процесс естественной конвекции накладывается ряд факторов, в частности суточное вращение Земли, рельеф местности, влияние морских течений и т. д. Но в основе ветрообразования лежит именно явление конвекции. Особенно прост и нагляден механизм возникновения берегового бриза. Днем суша прогревается быстрее воды, у которой теплоемкость очень велика. Поэтому температура суши выше температуры воды. Нагретый над сушей воздух поднимается вверх, на его место поступает холодный воздух с моря, и у поверхности Земли ветер дует с моря на берег. Ночью картина меняется на противоположную: земля быстрее остывает, вода сохраняет более высокую температуру, и ветер у поверхности Земли направлен с берега в сторону моря. 

 
С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов (железа, никеля и т. п.) в виде очень плотной жидкой массы. Радиус ядра равен примерно 3500 км. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера общей толщиной около 2900 км, состоящие из горных пород в твердом состоянии (слово «литосфера» образовано от греческого lithos — камень и sphaira — шар). Самый верхний слой литосферы, толщиной в среднем 60—70 км,— это земная кора. Литосфера состоит из отдельных плит, которые как бы плавают на поверхности мантии. Дело в том, что вещество мантии находится под колоссальным давлением литосферы и приобретает за счет этого свойства очень вязкого, но все же текучего вещества. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в разных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов. Там, где литосферные плиты расходятся, возникают океанические впадины. В других местах, где плиты сталкиваются и одна из них наползает на другую, образуются горные массивы. При этом возникают неустойчивые участки с очень большими напряжениями — сейсмические зоны. При переходе этих участков в более устойчивое состояние происходят землетрясения. Вещество мантии обладает колоссальной вязкостью, поэтому скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно мала и скорость перемещения литосферных плит (около 2—3 см за год). Однако за геологические эпохи порядка десятков миллионов лет литосферные плиты могут переместиться на сотни и тысячи километров.

С явлением конвекции  связаны процессы  глобальной циркуляции атмосферных масс воздуха. Все ветры вызваны конвекционными потоками, возникающими из-за того, что большая часть энергии Солнца попадает на Землю вблизи экватора. Когда воздух нагревается, он расширяется и поднимается, а взамен к экватору устремляется поток более холодного и плотного воздуха. Так образуется ветер. 
 С явлением конвекции связаны процессы парения птиц . Разные участки земной поверхности нагреваются неодинаково. Из-за этого неодинаково нагревается и воздух у поверхности. Более теплые и менее плотные массы воздуха создают восходящие потоки, в которых могут долго парить птицы и планеры.  Мастерство планериста заключается в умении находить такие потоки и с их помощью преодолевать большие расстояния.  
С явлением конвекции связаны процесс  дымообразования из труб и кратеров вулканов. Дым  из печной трубы  или кратера вулкана имеет высокую температуру и низкую плотность, поэтому поднимается вверх. По мере остывания дым может  снова опускаться в нижние слои атмосферы. Вот почему трубы, через которые выбрасываются вредные вещества, стараются делать как можно более высокими. 
С явлением конвекции связаны процесс  охлаждение продуктов в холодильнике. Газ фреон, циркулирующий по трубкам холодильника,  охлаждает воздух в верхней части холодильной камеры. Холодный воздух, опускаясь, охлаждает продукты, а затем снова поднимается вверх. Раскладывая продукты в холодильнике, старайтесь не затруднять циркуляцию воздуха. Решетка сзади холодильника предназначается для отвода тепла, образующегося при сжатии газа в компрессоре.  Механизм ее охлаждения также конвективный, поэтому надо оставлять пространство за холодильником свободным для конвективных потоков. С явлением конвекции связана работа отопительной системы дома. Отопительная система жилого дома также работает с помощью конвекции. Горячая вода, поступающая в дом, или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по жилым помещениям,  отдавая тепло в радиаторах или конвекторах. 

Лучистый теплообмен или солнечное излучение

Существует  источник энергии, играющий очень важную роль в природе — солнечное излучение. Солнце — основа жизни на Земле; оно поддерживает на Земле теплый климат. За счет энергии солнечного излучения в зеленых листьях растений происходит синтез углеводов (крахмала) из неорганических веществ — оксида углерода (IV) и воды. За счет этой же энергии далее идет синтез белков и жиров. Растения служат пищей для животных, которые фактически используют при этом энергию солнечного излучения. 
 

Сжигая каменный уголь, торф, нефть, газ, дрова и другие виды топлива, мы используем энергию  солнечного излучения, запасенную древними растениями или другими организмами. Круговорот воды в природе, атмосферная циркуляция — все это результат нагрева отдельных участков Земли солнечным излучением.  
 
Передача энергии в этом случае происходит с помощью лучистого теплообмена, с которым мы часто встречаемся в быту.  
 
Если вы зажжете настольную лампу и подставите руку, то почувствуете тепло. Точно так же путем лучистого теплообмена мы ощущаем тепло от костра, нагретой печи, раскаленного куска металла или тлеющих углей, инфракрасных обогревателей и т. д.  
 
Этот вид теплообмена не связан ни с теплопроводностью и ни с конвекцией. Лучистый теплообмен имеет другую природу. Лучистый теплообмен хорошо происходит и в вакууме, т. е. в пространстве, где практически нет вещества.  
 
Что же такое лучистый теплообмен? Лучистым теплообменом называется процесс переноса энергии от одного тела к другому с помощью электромагнитного излучения. Характер излучения существенно зависит от температуры тела. Но все ли тела одинаково нагреваются с помощью электромагнитного излучения, которое они поглощают? Темные тела лучше нагреваются излучением, чем блестящие. Мощность излучения зависит не только от температуры излучающего тела, но и от его цвета. Сильнее всего излучают при данной температуре черные тела, гораздо слабее — белые или зеркальные.