Виды теплопередачи

Теплопроводность

Опусти в горячий чай стальную ложку, и через полминуты станет горячей ручка. Энергия прошла по металлу от конца к концу, хотя сам металл никуда не двигался.

Внутри происходит вот что. Частицы горячего конца колеблются сильно и раскачивают соседей, те следующих, и так по цепочке.

Такой перенос энергии называют теплопроводностью. Лучше всего он идёт в металлах, где есть свободные электроны.

Хуже всего проводят тепло газы. Воздух, шерсть, пух, снег и пенопласт греют именно потому, что почти не проводят тепло.

Разница между крайностями огромна. Медь проводит тепло примерно в двадцать тысяч раз лучше, чем неподвижный воздух, и на этом построена вся техника утепления.

Почему шуба греет

Шуба не источник тепла. Положи в неё градусник, и через час он покажет комнатную температуру.

Она удерживает энергию тела. Между ворсинками заперт неподвижный воздух, а он тепло почти не проводит.

Птицы зимой распушают перья по той же причине: между ними становится больше воздуха. Снег укрывает озимые поля так же надёжно.

Двойное окно устроено на том же принципе. Греет не стекло, а слой воздуха между стёклами.

Конвекция

Нагрей воду в кастрюле снизу, и нижние слои станут легче и пойдут вверх, а холодные опустятся вниз. Возникнет круговорот.

Перенос энергии вместе с потоками жидкости или газа называют конвекцией. Здесь вещество действительно перемещается.

В твёрдом теле конвекции быть не может: частицы связаны и течь не умеют.

Различают конвекцию свободную и вынужденную. Свободная идёт сама, а вынужденную создают насосом или вентилятором, как в системе отопления дома.

Конвекцией живёт погода. Тёплый воздух над нагретой землёй поднимается, отдаёт влагу в облака и опускается остывшим в другом месте.

Почему батарею ставят под окном

Холодный воздух от окна опускается вниз и тянется по полу. Батарея внизу перехватывает его и отправляет наверх уже тёплым.

Поставь обогреватель под потолком, и тёплый воздух там и останется. Внизу будет холодно.

По той же причине форточку открывают вверху, а морозильную камеру в холодильнике делают сверху: холодный воздух сам пойдёт вниз.

Тяга в печной трубе устроена так же. Горячие газы легче холодного воздуха, они уходят вверх и тянут за собой свежий воздух через поддувало.

Излучение

Костёр греет лицо через воздух, а Солнце греет Землю через пустоту космоса. Ни теплопроводность, ни конвекция здесь не работают.

Энергия переходит излучением, то есть невидимыми лучами. Их испускает любое тело, а горячее испускает намного больше.

Излучение не нуждается в веществе. Оно распространяется и в вакууме, и потому солнечная энергия доходит до нас.

Тёмные шероховатые поверхности поглощают лучи лучше светлых и блестящих. Поэтому летом носят светлую одежду, а бак солнечного нагревателя красят в чёрный цвет.

Проверить это можно опытом с двумя банками. Одну красят чёрным, другую оставляют блестящей, ставят на солнце и через час сравнивают температуру воды внутри.

Термос

В термосе перекрыты все три пути сразу, и на его устройстве удобно проверить весь урок.

Между стенками откачан воздух, поэтому теплопроводность и конвекция почти исключены. Стенки посеребрены и отражают лучи обратно.

Пробка сделана из плохо проводящего материала. Остаётся только тонкое горлышко, через которое энергия и уходит понемногу.

Полностью остановить теплообмен нельзя, но замедлить его на сутки вполне возможно.

Тот же приём работает и в скафандре космонавта. Там тоже несколько слоёв, вакуумный промежуток и отражающая плёнка снаружи.

В природе все три пути работают вместе. Земля получает энергию излучением от Солнца, воздух разносит её конвекцией, а почва прогревается вглубь теплопроводностью.

Что такое внутренняя энергия и количество теплоты, разобрано в уроке «Внутренняя энергия». Считать джоули мы научимся в уроке «Количество теплоты».