Теплообмен
Теплообмен — это самопроизвольный (т. е. совершаемый без принуждения) процесс теплопередачи, происходящий между телами с разной температурой.
Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и лучистый теплообмен.
Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.
Рассмотрим ряд опытов с нагревом твёрдого тела, жидкости и газа.
Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к ней прикрепим воском или пластилином несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится, и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причём сначала отпадают те, что находятся ближе к пламени, затем по очереди все остальные.
Следует помнить, что при теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела, переносится лишь энергия.
Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмём пробирку с водой. Положим в неё кусочек льда и станем нагревать верхнюю часть пробирки. Вода у поверхности скоро закипит. Лёд же на дне пробирки за это время почти не растает. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и жидких металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твёрдых телах.
Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышко. Палец при этом долго не чувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа ещё больше, чем у жидкостей. Следовательно, теплопроводность газов ещё меньше.
Итак, теплопроводность различных веществ различна.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. Если теплопроводность различных веществ сравнивать с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она меньше примерно в 5 раз, у воды — в 658 раз, у пористого кирпича __ в 848 раз, у свежевыпавшего снега — почти в 4000 раз, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в 10 000 раз, а у воздуха она меньше примерно в 20 000 раз. Плохой теплопроводностью обладают также волосы, перья, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум, так как в пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, ручки для кастрюль, сковородок изготавливают из пластмассы. Дома строят из брёвен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют помещения от охлаждения. На применении вакуума в качестве теплоизоляционного «материала» основано устройство термоса, изобретённого в 1892 г. английским учёным Джеймсом Дьюаром.
Конвекция (от лат. convectio — доставка) — это перенос теплоты в результате перемещения газа или жидкости.
Существуют различные виды конвекции. Мы рассмотрим свободную и вынужденную конвекции.
Свободная конвекция в газе или жидкости возникает тогда, когда имеются небольшие области, в которых плотность отличается от плотности основной окружающей их массы вещества. Тогда в условиях земного тяготения под действием силы Архимеда эти области начинают перемещаться. Примером свободной конвекции является всем известное движение воздуха в помещении, в котором топится печь, имеется радиатор или другой источник тепла.
Это явление можно объяснить таким образом. Часть воздуха, которая соприкасается с источником тепла, нагревается, расширяется и становится менее плотной, чем окружающий её более холодный воздух. Под действием архимедовой (выталкивающей) силы эта более тёплая часть воздуха начинает подниматься вверх. Её место заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция. В результате перемещения более тёплых слоёв воздуха происходит перенос тепла (т.е. энергии), или конвективный теплообмен.
Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости.
Вынужденная конвекция вызывается внешним механическим воздействием на среду. Примерами её являются обычное перемешивание жидкости ложечкой, движение воздуха в комнате под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и т. д. Физические процессы, происходящие при вынужденной конвекции, связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтекание неподвижных моделей потоком воздуха.
Таким образом, конвективный теплообмен может осуществляться в газообразной и жидкой среде, при условии что имеется разность температур между частями этой среды. Для осуществления эффективного конвективного теплообмена в земных условиях жидкости и газы следует прогревать снизу. Если их прогревать сверху, конвекция не происходит, ведь тёплые слои и так находятся сверху, и опуститься ниже холодных, более тяжёлых, они не могут.
В отсутствие силы тяжести (в ракете, спутнике, межпланетном корабле) конвекция наблюдаться не будет.
Конвекция в твёрдых телах происходить не может, поскольку частицы в них колеблются около определённой точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твёрдых тел потоки вещества в них образовываться не могут. Энергия в твёрдых телах передаётся теплопроводностью.
Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.
Например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передаётся от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен.
Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена. Излучают энергию все тела, но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излучённая энергия, достигнув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.
Тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркальной поверхностью.
Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в технике. Например, воздушные шары и крылья самолётов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами. Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в тёмный цвет.
Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:
Возможно эти страницы вам будут полезны:
| Внутренняя энергия в физике |
| Внутренняя энергия идеального одноатомного газа в физике |
| Количество теплоты в физике |
| Работа в термодинамике в физике |
