Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

Теплоотдача и теплопередача, теплопроводность

Теплообмен между телами может происходить кондукцией — переходом тепла от более нагретых частиц к менее нагретым, конвекцией — переносом тепла в жидкости или газе, вызванным перемещением частиц под влиянием неравномерности температур в разных точках объема (естественная конвекция), или перемешиванием (искусственная конвекция) и радиацией (излучением), т.е. превращением тепловой энергии тела в лучистую и передачей ее в окружающее пространство.

Различают два вида теплообменных процессов: теплоотдачу и теплопередачу:

теплоотдача процесс теплообмена между твердой стенкой и обтекающей ее жидкой или газообразной средой; теплопередача — процесс теплообмена между двумя средами, жидкими или газообразными, разделенными твердой перегородкой.

В теплообменных устройствах используются одновременно различные виды теплообмена, подчиняющиеся различным законам.

Количество тепла Q, проходящее в единицу времени через плоскую стенку толщиной 5 в результате теплопроводности, определяется уравнением закона Фурье

где Xt — коэффициент теплопроводности, Вт/м град;

F — площадь стенки, м 2 ;

  • 5 — толщина стенки, м;
  • *ст’ *ст — температура поверхностей стенки, град.

Преобразуем выражение (14.1) следующим образом:

Эта формула аналогична закону Ома в электротехнике: разность температур (температурный напор) играет роль разности потенциалов ЭДС; количество тепла Q, проходящего в единицу времени,

соответствует силе тока; величину R = можно считать тепловым сопротивлением. *

При последовательном прохождении тепла через ряд стенок (или слоев) их тепловые сопротивления, аналогично электрическим сопротивлениям при последовательном включении, складываются:

Формула для количества тепла, проходящего через ряд слоев, примет вид

где / — номер слоя.

Если поверхности всех слоев одинаковы (плоская многослойная стенка), то

Тепловое сопротивление и количество тепла, проходящего через однородную цилиндрическую стенку (стенку трубы) длиной / (рис. 14.1), определяется по формуле

Рис. 14.1. Распределение температур в цилиндрической стенке

Из полученного выражения следует, что при постоянном коэффициенте Х< разность температур на границах концентрических слоев стенки пропорциональна логарифму отношения диаметров. Изменение температуры по толщине цилиндрической стенки выразится логарифмической кривой (см. рис. 14.1):

для круглой стенки R =-In—.

Это выражение аналогично формуле для плоской стенки и может быть представлено как

где F — поверхность цилиндра, имеющего средний логарифмический диаметр:

Средний логарифмический диаметр всегда несколько меньше

среднего арифметического ^ +с *2 , для тонких труб разница не-

значительна; при dx/d2 = 1,4 составляет 1 %, при dx/d2 = 2 — около 4 %, а при d/d2 = 3 — примерно 10 %. При расчетах достаточно брать средний арифметический диаметр. Тогда формула для теплового потока через цилиндрическую стенку примет вид

Наиболее часто при расчете теплообменных устройств встречается случай передачи тепла от одной жидкости к другой через стенку. На рис. 14.2 показано распределение температуры при теплопередаче через плоскую многослойную стенку, а на рис. 14.3 через цилиндрическую многослойную.

Рис. 14.2. Распределение температуры через плоскую многослойную стенку

Рис. 14.3. Распределение температур через цилиндрическую многослойную стенку

Количество тепла Q, передаваемое от жидкости к стенке, определяется выражением

где а — коэффициент теплоотдачи, Вт/м 2 град;

F — площадь теплоотдачи, м 2

/ж, /ст — температура соответственно жидкости и стенки, град.

Коэффициент теплоотдачи at определяется свойствами материала стенки, а также зависит от рода жидкости, ее состояния, скорости движения, величины и формы поверхности стенки. Перепишем формулу (14.4) в виде

где R =—!— — тепловое сопротивление при переходе тепла от жидкости к а a F стенке.

Пользуясь уравнениями (14.3) и (14.5), напишем ряд выражений, соответствующих условиям рис. 14.3:

где Fa, Fb, Fc — средние поверхности слоев цилиндрической стенки.

Суммируем эти равенства и, исключая промежуточные температуры, получим

В случае плоской стенки поверхности всех слоев одинаковы и выражение можно преобразовать так:

где к =-г-J-г- — коэффициент теплопередачи (в данном слу-

  • 1 Ъ а Ъ ь Ъ с 1
  • —+—+— + —+—

а, X X, X ос»

1 а b с 2

чае для трехслойной стенки), Вт/м 2 -град.

Отдельные слагаемые в выражении коэффициента теплопередачи представляют собой тепловые сопротивления для 1 м 2 поверхности и называются термическими сопротивлениями.

При теплопередаче через тонкую чистую металлическую стенку термическое сопротивление стенки мало по сравнению с сопротивлениями теплоотдачи l/ а 1 | b 1 | cl!__1_

a. A. d A,,d. A, d a

1 a a b b с c 22

сенный к поверхности F] (в данном случае — наружной);

А, =—— — коэффициент теплопередачи, отне-

, о d. I

  • —+-a-L+ JlA.++_L
  • a,d. A, d A,,d, A. d

    11 a a b b с c 2 сенный к поверхности F2 (внутренней).

    В формулах для к принято располагать термические сопротивления по движению потока тепла, индексом 1 отмечать более нагретую жидкость, а индексом 2 — менее нагретую.

    В реальных теплообменных устройствах температура жидкостей или газов по обе стороны разделяющей их стенки изменяется при движении жидкости вдоль стенки и тепловом обмене. Для расчетов вводится понятие среднего температурного напора, который зависит от начальных и конечных температур обеих жидкостей — охлаждающей и охлаждаемой. Средний температурный напор вычисляется по формуле

    где t2 разность температур жидкостей на одном конце теплообменного аппарата, трубы или стенки, град;

    ДГ| — разность температур жидкостей на другом конце аппарата, трубы или стенки, град.

    Теплопроводность и теплопередача это одно и тоже

    Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

    Теплопроводность

    Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

    Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

    Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

    Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

    Конвекция

    Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

    Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

    Читайте также  Чем можно закрыть батареи отопления?

    Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

    Излучение

    Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

    Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

    Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

    Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

    Виды теплопередач: теплопроводность, конвекция, излучение

    Содержимое разработки

    Добрый день, уважаемые ребята. В данной презентации я собрала для вас основной материал трех параграфов. Вам необходимо законспектировать и приготовиться к проверочной по следующим параграфам: 18, 19, 20, 21, 22, 23 будет только теория. Всех кто не выполнит в понедельник на я классе, будет делать у меня в кабинете в назначенное время. На следующей неделе онлайн урок

    • Всякое тело обладает внутренней

    энергией, потому что состоит

    2. Внутренняя энергия тела

    не зависит ни от механического

    движения тела, ни от положения

    тела относительно других тел.

    3. Внутренняя энергия тела зависит

    от его агрегатного состояния

    и температуры.

    Теплопередача – это

    процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом

    Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучения

    Способы изменения внутренней энергии

    Теплопроводность

    Теплопроводность

    • это явление передачи внутренней

    энергии от одного тела к другому

    (или от одной части тела к другой)

    Частицы при взаимодействии

    передают энергию

    от одной к другой

    При теплопроводности

    не происходит переноса вещества

    от одного конца тела к другому

    Виды теплопередачи. Теплопроводность.

    • Теплопроводность — перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т.п.), который приводит к выравниванию температуры тела.

    Не сопровождается переносом вещества !

    Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ , так и для жидкостей и газов .

    Закипание воды в бумажном стакане

    Виды теплопередачи. Теплопроводность.

    • Теплопроводность различных веществ разная .
    • Металлы обладают самой высокой теплопроводностью , причем у разных металлов теплопроводность отличается .
    • Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

    Теплопроводность различных веществ

    • Вещества, имеющие плохую теплопроводность, называются теплоизоляторами

    Лучший изолятор — воздух

    • Теплоизоляционные материалы замедляют движение молекул .
    • Молекулы медленнее всего движутся в сухом воздухе .
    • Поэтому, при производстве строительных материалов используют основной принцип – удержание воздуха в порах или ячейках материала
    • Вот так выглядят при увеличении:

    Базальтовая вата

    Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них

    может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов.

    Низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу. Таковы защитные силы организма!

    . положить на лежащие рядом на столе кусок пенопласта (или дерева) и зеркало ладони, то ощущения от этих предметов будут разными: пенопласт покажется теплее, а зеркало — холоднее.

    Почему? Ведь температура окружающего воздуха одинаковая!

    Стекло — хороший проводник тепла (обладает высокой теплопроводностью), и сразу начнет «отбирать» от руки тепло. Рука будет ощущать холод! Пенопласт хуже проводит тепло. Он тоже будет , нагреваясь, «отбирать» тепло у руки, но медленнее, поэтому и покажется теплее.

    • вид теплопередачи, при котором

    энергия переносится струями

    газа или жидкости.

    Естественная

    Вынужденная

    Самопроизвольное охлаждение, нагревание, перемешивание

    Перемешивание с помощью насоса, мешалки и т.п.

    Жидкости и газы нагревают снизу

    Конвекционные потоки при нагревании воды

    Конвекция при нагревании льда в пробирке

    Принцип действия комнатного отопления

    • Излучение вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью электромагнитных волн (преимущественно инфракрасного диапазона).
    • Может происходить в вакууме

    Свойства излучения

    Количество излучённой или поглощённой энергии

    зависит от площади поверхности тела

    Излучают энергию все тела

    Светлые поверхности

    отражают лучи,

    тёмные — поглощают

    Излучение происходит

    по всем направлениям

    Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному .

    Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают , но и лучше излучают энергию.

    Тела со светлой поверхностью не только меньше поглощают , но и меньше излучают энергию.

    Все виды теплопередачи одновременно!

    Теплопроводность

    Вопрос №1. Чашку с горячим чаем

    переставили со стола на полку.

    Как при этом изменилась внутренняя

    энергия чая?

    Ответ: Внутренняя энергия тела не

    изменилась, т.к. она не зависит от

    положения тела относительно

    других тел.

    Вопрос №2. Автомобиль в процессе движения изменил свою скорость с 36 км/ч на 90 км/ч. Как при этом изменилась его внутренняя энергия?

    Ответ: Внутренняя энергия тела

    не изменилась, т.к. она не зависит

    от механического движения тела.

    3. Если кусок алюминиевой проволоки расклепать на наковальне или быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается. Объясните явление.

    Ответ: Над проволокой совершается механическая работа. Механическая энергия превращается во внутреннюю.

    4. Чем объясняется сильный нагрев покрышек автомобиля во время длительной езды?

    Ответ: Покрышки нагреваются а счёт работы трения при частичном проскальзывании из по полотну дороги, и за счёт работы деформации покрышки при качении.

    В кастрюле с водой, поставленной на электроплиту, теплопередача в воде осуществляется преимущественно

    • излучением и конвекцией
    • конвекцией и теплопроводностью
    • теплопроводностью
    • конвекцией

    Как нагревается вода в чайнике, стоящем на электрической плите?

    • 1. Нагревание воды в чайнике осуществляется в основном за счет поглощения излучения электрической плиты.
    • 2. Нагревание воды в чайнике осуществляется только
    • за счет явления теплопроводности.
    • 3 . Нагревание воды в чайнике происходит за счет явления теплопроводности и конвекции.
    • 4. Нагревание воды в чайнике происходит только за счет конвекции.

    • Параграф 21,22,23 , вопросы, задание №20(2,3,4,5) №21(2,3,4)
    • № 22(1,2,3)

    Виды теплопередачи в физике

    Описание процесса

    Теплопередача представляет собой один из важнейших физических процессов, состоящий из нескольких простых превращений. Во время него теплота переносится от одного объекта к другому или внутри тела при наличии разности температур. Тепловая энергия присутствует в следующих средах:

    • газы;
    • жидкости;
    • твёрдые тела.

    Передача тепла — это самопроизвольный процесс, проходящий в свободном пространстве. Энергия распространяется от объектов, которые имеют высокую температуру, к телам с меньшим показателем. Исследования, проведённые учёными, говорят, что теплопередача слишком сложна для рассмотрения её в виде одного процесса. В связи с этим физическое явление было разделено на три следующие вида:

    • теплопроводность;
    • конвекция;
    • излучение.
    Читайте также  Как отрегулировать терморегулятор на котле отопления?

    Характеристика теплопроводности

    Теплопроводность — это передача энергии от объекта к объекту или от одной части некоего физического тела к другой посредством теплового движения молекул и атомов. Необходимо отметить, что при этом явлении вещество не перемещается, передаётся лишь внутренняя энергия. Наблюдать теплопроводность позволяет следующий опыт:

    1. К стержню из металла на воск прикреплено несколько гвоздей.
    2. Один конец стержня прочно фиксируют в штативе, а другой начинают нагревать.
    3. Спустя некоторое время гвозди по очереди отпадают.

    Это происходит из-за плавления воска, которое вызывает повышение температуры металла. Тот факт, что гвозди отпали не одновременно, свидетельствует о постепенном нагревании стержня. Следовательно, внутренняя энергия тела по мере своего увеличения передавалась от горячего конца к холодному.

    Передача тепла имеет ещё одно объяснение, базирующееся на внутреннем строении вещества. Частицы нагреваемого конца стержня из-за внешнего воздействия увеличивают свою энергию. В результате их колебание становится более интенсивным, из-за чего часть полученного потенциала молекулы передают соседним частицам, которые тоже начинают колебаться быстрее. Процесс передачи энергии постепенно охватывает весь стержень. Результатом её увеличения становится повышение температуры объекта.

    Теплопроводность различных веществ отличается, даже существуют специальные таблицы, содержащие информацию об этом качестве физических тел. К примеру, если на дно пробирки с водой опустить кусок льда, а её верхний конец нагреть, то вскоре вода, находящаяся рядом с источником огня, закипит, хотя лёд сохранит своё состояние. Из этого следует, что у воды плохая теплопроводность. Этим качеством отличаются все жидкости.

    Газообразные вещества имеет ещё более низкую теплопроводность. Доказать утверждение можно опытным путём:

    1. В штативе закрепляют пробирку, в которой находится воздух.
    2. Под ней ставят зажженную спиртовку.

    Если в пробирку опустить палец, то тепло ощущаться не будет. Эксперимент позволяет сделать вывод, что воздух, как и прочие газы, плохо передаёт внутреннюю энергию.

    Наилучшими проводниками теплоты считаются металлические тела, а к наихудшим относятся сильно разреженные газы. Причиной этого является их молекулярное строение. Частицы газообразных веществ расположены на больших расстояниях друг от друга, а потому сталкиваются редко, из-за чего передача теплоты происходит значительно медленнее, чем в твёрдых телах. Жидкости по уровню теплопроводности находятся между газами и твёрдыми объектами.

    Описание конвекции

    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.
    Читайте также  Как правильно утеплить фасад дома пенополистиролом?

    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.

    Глоссарий. Физика

    Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
    Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
    Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
    Теплообмен может осуществляться тремя способами:

    1. теплопроводностью
    2. конвекцией
    3. излучением

    Теплопроводность

    Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
    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.
    При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
    Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
    Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
    Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
    Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
    Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
    Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
    Теплопроводность у различных веществ различна.
    Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. 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, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

    Конвекция

    Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
    Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
    При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
    Различают два вида конвекции:

    • естественная (или свободная)

    Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.

    • вынужденная

    Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
    Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
    Конвекция в твердых телах происходить не может.

    Излучение

    Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
    Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
    Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
    Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.
    Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
    Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.