Теплообмен - основные виды в физике, суть и примеры

Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.

Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.

В начале развития науки о свойствах тел и веществ считалось, что тепло передается путем перетекания «теплорода» между телами. Позже, с развитием физики, теплопроводность получила объяснение взаимодействием частиц вещества. Электроны в нагреваемом над огнем участке гвоздя движутся активнее и через столкновения отдают тепло медленным электронам в части, которая не подвергается нагреванию.

Виды теплообмена и способы передачи тепла

В физике выделяют несколько видов теплообмена:

1. Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.

2. Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.

3. Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.

Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.

Теплопроводность

В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена. 

Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.

Рассмотрим более подробно теплопроводность.

Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.

Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.

Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах. 

Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.

Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.

В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.

Таблица 1

Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:

1. В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.

2. Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.

3. Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.

4. Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.

С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.

Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.

Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.

Конвекция

При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах. 

В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:

1. Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно. Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения. Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.

2. Вынужденная конвекция - зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.

Излучение

Излучение тепла является электромагнитным процессом. Тепло выделяют любые тела, температура которых выше 0 К. 

Тепло излучается телами благодаря тому, что любое вещество состоит из молекул и атомов, а они, в свою очередь, из заряженных протонов и электронов. Таким образом, любое тело оказывается пронизанным электромагнитным полем.