Виды теплопередачи в физике

Конвекция является ещё одним способом передачи теплоты. Её сущность заключается в переносе внутренней энергии слоями жидких или газообразных веществ.

Поскольку конвекция происходит только при перемещении веществ, осуществляться такой процесс может лишь в жидкостях и газах. Известно, что физические тела в этих двух состояниях плохо проводят тепло, но благодаря концекции их всё же можно нагреть. Эффективное применение этого процесса можно наблюдать в холодное время года, когда в помещениях, оборудованных батареями парового отопления, воздух согревается. Этот тип теплопередачи можно наблюдать при проведении простого опыта:

1. На дно наполненной водой колбы аккуратно опускают кристалл марганцовокислого калия.
2. Ёмкость нагревают в том месте, где лежит соль марганцовой кислоты.
3. Через некоторое время со дна начинают подниматься окрашенные струи воды.
4. Поднявшись в верхние слои, струи опускаются.

Нижний слой жидкости при нагреве расширяется, что приводит к увеличению её объёма и уменьшению плотности. Под воздействием архимедовой силы нагретая часть вещества перемещается выше. На освободившееся место опускается холодная жидкость, которая по мере нагревания поднимается. В этом случае внутренняя энергия передаётся движущимися вверх потоками воды.

Подобным образом происходит передача теплоты и в газах. Так, если бумажную вертушку размещают над источником тепла, то она начинает вращаться. Лопасти объекта приходят в движение потому, что наименее плотные слои нагретого воздуха поднимаются из-за воздействия на них выталкивающей силы, в то же время холодные слои опускаются, занимая место тёплых. Это передвижение воздуха заставляет вертушку вращаться.

Определение излучения

Последним видом теплопередачи является излучение. Его можно почувствовать, поднеся руку к включенной электрической лампочке, батарее отопления, спирали нагретой электроплиты, горячему утюгу и т. д. Опытным путём выявить излучение можно следующим образом:

1. Металлический теплоприёмник, имеющий блестящие и чёрные поверхности, закрепляют в штативе.
2. К нему присоединяют манометр.
3. В сосуд, одна сторона которого окрашена в белый цвет, а другая — в чёрный, наливают кипяток.
4. Ёмкость с водой поворачивают к чёрной поверхности теплоприёмника сначала белой, а затем чёрной стороной.
5. В обоих случаях уровень воды в колене манометра понижается.
6. Но следует обратить внимание, что когда к теплоприёмнику обращена чёрная сторона сосуда, жидкости в колене меньше.

Изменение уровня воды в манометре объясняется тем, что воздух, находящийся в теплоприёмнике, начинает расширяться. Но расширение газа возможно только при нагревании, значит, вещество получило от ёмкости с кипятком энергию. Известно, что у воздуха плохая теплопроводность, а конвекции в этой ситуации нет, поскольку сосуд расположен на одном уровне с теплоприёмником, следовательно, ёмкость излучает тепловую энергию.

Кроме того, опыт свидетельствует, что от тёмной стороны сосуда исходит больший потенциал, чем от белой. Это подтверждает разный уровень жидкости в манометре.

Чёрная поверхность не только отдаёт большое количество энергии, но и принимает её больше. Экспериментальным доказательством этого утверждения может служить включенная электрическая плита, к которой сначала подносят светлую сторону теплоприёмника с присоединённым к нему манометром, а затем тёмную. Во втором случае уровень жидкости в измерительном приборе будет ниже, чем в первом.

Приведённые опыты подтверждают тот факт, что чёрные тела поглощают и испускают энергию значительно лучше, чем белые. А светлые, в свою очередь, плохо излучают и поглощают её, но хорошо отражают. Именно поэтому в летнее время люди предпочитают светлую одежду, а дома, расположенные в тёплых странах, часто красят в белый цвет.

В природе основным примером теплопередачи в виде излучения можно считать энергию, передаваемую Земле Солнцем. Так как пространство между звездой и планетой заполнено космическим вакуумом, то энергетический потенциал не может быть передан ни посредством конвекции, ни путём теплопроводности. Это значит, что такой вид теплопередачи не зависит от какой-либо среды, излучение обладает способностью свободно проходить даже через вакуум.

Закон охлаждения Ньютона и коэффициенты

Чаще всего жидкости и газы нагреваются или охлаждаются, соприкасаясь с поверхностью различных твердых объектов. Такой процесс обмена теплом называют теплоотдачей, а поверхность, переносящая тепло, получила наименование «поверхность теплообмена» или «теплоотдающая».

Рассчитать скорость теплоотдачи можно с помощью эмпирического уравнения теплоотдачи, основанного на законе охлаждения Ньютона. Если процесс установился, то уравнение выглядит следующим образом: Q = α*F*(tж — tст)*τ, где:

• Q — поток тепла;
• α — коэффициент теплоотдачи, показывающий, сколько теплоты получает или отдаёт теплоноситель 1 м² в некий отрезок времени, если температурная разница между составляющими равна 1 °C (эта величина даёт характеристику скорости передвижения тепла в теплоносителе, она зависит от режима перемещения, физических свойств теплоносителя, геометрии каналов, состояния поверхности, отдающей энергию);
• F — теплоотдающая поверхность;
• tж — температура вещества;
• tст — температура стенки;
• τ — время.

При рассмотрении процесса теплопередачи в твёрдой стенке обязательным условием является разница между температурами поверхностей. Она образует тепловой поток, который направлен от плоскости с наиболее высокой температурой к поверхности с меньшим подобным показателем. Если процесс установился, то закон Фурье принимает вид: Q = λ*F*(t'ст — t''ст)/δ, где:

• Q — тепловой поток;
• λ — коэффициент теплопроводности, показывающий, сколько тепла проходит за временную единицу через некий отрезок теплоотдающей поверхности, если температура опускается на 1 °C на единицу длины нормали по отношению к изотермической поверхности (это физическая характеристика, которая определяет способность вещества к теплопроводности, зависящая от его природы, структуры и иных показателей);
• F — поверхность стенки;
• t’ст — t''ст — температурная разница между поверхностями стенки;
• δ — толщина стенки.

Зачастую для решения задач по физике необходимо сделать расчёт теплопередачи по формулам, подходящим для различных видов процесса. Такая разница объясняется разными физическими характеристиками веществ, а также особенностями методов передачи теплоты.