Теплообмен

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.

Другие заметки по физике

Готовимся к сдаче устного экзамена по физике: Билет №2.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция,
излучение. Опыты, иллюстрирующие эти явления. Объяснение этих явлений на основе
знаний о молекулярном строении вещества. Их учет и использование в быту.

Теплопроводность

При опускании
металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился
тоже горячим => внутренняя энергия может быть передана от одних тел к другим,
  от одной части тела к другой. Например,
если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в
руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.

Явление передачи
внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому
при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Если внести в огонь
конец деревянной палки, то он воспламенится. Другой конец палки, находящийся
снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой
теплопроводностью. 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.

Выясним, как происходит
передача энергии по телу. Скорость колебательного движения частиц тела увеличивается
в той его части, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы
постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения
соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части тела и т. д.

При теплопроводности не
происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Если взять пробирку с
водой и нагревать ее верхнюю часть, то вода у поверхности скоро закипит, а у
дна пробирки за это время она только нагреется => у жидкостей теплопроводность
невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это
объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях
друг от друга, чем в твердых телах.

Если сухую пробирку
наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх , то палец при этом
долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами
газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Следовательно, теплопроводность
у газов еще меньше.

Итак, 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
изготавливают из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих
плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют помещения от охлаждения.

Конвекция

Помещая руку над горячей
плитой или над горящей электриче­ской лампочкой, можно почувствовать, что над
ними поднимаются теплые струи воздуха. 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.

Такие же явления мы
наблюдаем и при нагревании жидкости снизу. Нагретые слои жидкости — менее
плотные и поэтому более легкие — вытесняются вверх более тяжелыми, холодными
слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагрева­ются
от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому
движению вся вода равномерно прогревается.

Конвекция – явление
переноса
энергия самими струями газа или жидкости.

В отапливаемой комнате
благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а холодного
опускается вниз. Поэтому у потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола.

Для того чтобы в
жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.

Конвекция в твердых
телах происходить не может. Частицы в твердых телах колеблются около
определенной точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим
при нагревании твердых тел в них не могут образовываться потоки вещества.
Энергия в твердых телах может передаваться теплопроводностью.

Излучение

Основным источником
тепла на Земле является Солнце. Земля находится от него на расстоянии 15·10⁷ км.
Все это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное
вещество.

Как известно, в вакууме
перенос энергии путем теплопроводности почти невозможен. Не может происходить
он и за счет конвекции. В данном случае передача энергии происходит путем излучения.

Излучение – это явление
переноса энергии тепловыми лучами.

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 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.

Способность тел
по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так,
поверхность воздушных шаров, крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы
они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать
солнечную энергию, например, в приборах, установленных на искусственных
спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в темный цвет.

Какой тип теплопередачи происходит в жидкостях и газах?

••• Jupiterimages/Photos.com/Getty Images

Обновлено 25 апреля 2017 г.

Автор: Петр Соловьев

Теплопередача происходит по трем основным механизмам: теплопроводность, при которой сильно колеблющиеся молекулы передают свою энергию другим молекулам с меньшей энергией ; конвекция, при которой объемное движение жидкости вызывает течения и водовороты, способствующие перемешиванию и распределению тепловой энергии; и излучение, когда горячее тело излучает энергию, которая может воздействовать на другую систему посредством электромагнитных волн. Конвекция и теплопроводность являются двумя наиболее известными способами передачи тепла в жидкостях и газах.

Общая проводимость

Электропроводность обычно возникает в твердых телах. Электрические плиты используют кондуктивный теплообмен, чтобы довести кастрюлю с водой до кипения: тепловая энергия передается от горячей горелки к холодной кастрюле, в результате чего температура воды повышается. Проводимость происходит из-за вибрации молекул. В твердом веществе атомы, очень плотно расположенные в решетчатых структурах, имеют очень мало свободы для перемещения в пространстве. По мере того как горелка нагревается, атомы в металле начинают вибрировать все быстрее и быстрее по мере увеличения их энергии. Когда вы ставите кастрюлю с прохладной водой на горелку, вы создаете температурный градиент — место, куда течет тепло. Поскольку энергия течет от горячих предметов к более холодным, вибрирующие атомы горелки передают часть своего тепла атомам, из которых состоит металл вашего горшка с водой. Это заставляет атомы горшка вибрировать, передавая свою энергию воде.

Проводимость в газах и жидкостях

Проводимость более характерна для твердых тел, но в принципе она может происходить и происходит в жидкостях и газах, просто не очень хорошо. Поскольку молекулы жидкости обладают большей свободой движения, чем твердые тела, меньше шансов, что вибрирующие молекулы столкнутся с другими и передают энергию по всей жидкости. На самом деле воздух настолько плохой проводник, что его используют для изоляции домов. Между некоторыми энергосберегающими окнами есть «воздушные промежутки», которые создают воздушный карман между внутренней частью дома и холодным наружным воздухом. Поскольку воздух не очень хорошо проводит тепло, больше тепла остается внутри дома, поскольку воздух затрудняет выход этой тепловой энергии наружу.

Конвекция

Конвекция является наиболее эффективным и распространенным способом передачи тепла через жидкости и газы. Это происходит, когда некоторые области жидкости становятся более горячими, чем другие, вызывая токи в жидкости, которые перемещают ее и распределяют это тепло более равномерно. Подумайте о доме в зимнее время. Вы, наверное, заметили, что на чердаке всегда очень тепло, а в подвале обычно прохладно. Это происходит потому, что когда воздух нагревается, он становится легким, заставляя его двигаться вверх к потолку. Холодный воздух намного тяжелее и падает на пол. Когда горячий воздух движется к потолку, а холодный воздух падает вниз, эти два типа воздуха сталкиваются и смешиваются, в результате чего тепло от теплого рукава передается более холодному воздуху и, таким образом, распределяется по комнате.

Излучение

Излучение возникает, когда тело нагревается настолько, что начинает излучать электромагнитную энергию. Солнце — классический пример радиационного теплообмена: оно находится очень далеко в космосе, но достаточно горячо, чтобы можно было почувствовать его тепло. Вы чувствуете это тепло из-за радиации, и даже в прохладный день солнце кажется теплым. Электромагнитная энергия может распространяться через пустое пространство и вызывать нагрев целевого объекта издалека. Радиационный теплообмен обычно не происходит в жидкостях и газах.

Статьи по теме

Об авторе

Петр Соловьев профессионально пишет с 2009 года. Специализируется на химии и физических науках. Соловьев имеет степень бакалавра наук в области биоинженерии Корнельского университета.

Photo Credits

Jupiterimages/Photos.com/Getty Images

Теплопередача (перенос тепла) — tech-science

Теплопередача — это перенос тепловой энергии от более нагретого объекта к более холодному объекту. Различают конвекция , проводимость и излучение .

• 1 Пример 1: здание
• 2 Пример 2: Teacup и вакуумная колба (Thermos)
• 3 Пример 3: графическая карта
• 4 Типы теплопередачи
  • 4. 1. излучение

Пример 1: Здание

На рисунке ниже показано тепловое изображение здания. Благодаря цветовому кодированию четко показано пространственное распределение температуры. В этом случае более холодные области отображаются голубоватыми, а более горячие — красноватыми или белыми. Отсюда можно сделать выводы относительно того, где тепло уходит из здания относительно сильно.

Рисунок: Тепловизионное изображение здания

В то время как в этом случае стены явно относительно прохладные и тепло почти не проникает через них, тепло все больше уходит через оконное стекло наружу. Особенно в холодное время года хочется избежать таких тепловых потоков. Таким образом, интерьер здания не должен чрезмерно нагреваться, что хорошо не только для окружающей среды, но и для вашего кошелька!

Пример 2: Чайная чашка и термос (термос)

В следующем примере показана чашка, наполненная горячим чаем, и для сравнения чай в термосе (термосе). Видно, что в случае с чашкой тепло, очевидно, очень сильно проникает наружу, что приводит к большому нагреву чашки. Однако температура снаружи термоса намного ниже (красная полоса на термосе на тепловом изображении — это всего лишь отражение теплового излучения чашки!). Это свидетельствует о том, что термос эффективно предотвращает поток тепла. Поэтому можно предположить, что в термосе чай остывает не так быстро, как в чашке.

Рисунок: Тепловое изображение чашки и термоса, наполненных горячим чаем

Пример 3: Видеокарта

В отличие от только что упомянутых случаев, существуют также приложения, в которых желательна сильная теплопередача. А именно везде, где необходимо как можно быстрее отводить тепло. Это относится, например, к чипу видеокарты, показанной ниже. Тепло должно отводиться от чипа как можно быстрее, чтобы избежать перегрева. Для этого металлический корпус под названием Прилагается радиатор с ребрами охлаждения, который очень хорошо отводит тепло от чипа и передает его окружающему воздуху. В случае более мощных графических карт с большим тепловыделением также устанавливаются вентиляторы, которые еще быстрее отводят нагретый воздух от охлаждающих ребер.

Рисунок: Теплопередача для охлаждения на примере видеокарт

Типы теплопередачи

Приведенные примеры показывают, что теплопередача имеет особое значение, будь то целенаправленная поддержка теплопереноса в системах охлаждения или целенаправленное предотвращение теплопередачи через стены здания. Чтобы предпринять эффективные действия в каждом конкретном случае, нужно сначала понять различные механизмы теплопередачи. Можно выделить три типа теплопередачи. Они показаны в таблице ниже. Более подробно они будут рассмотрены ниже:

Благодаря пониманию различных механизмов теплопередачи можно принять целенаправленные контрмеры для максимально возможного предотвращения нежелательного переноса тепла. Такие меры по предотвращению теплопередачи также известны как теплоизоляция . Однако, строго говоря, невозможно полностью предотвратить передачу тепла и тем самым обеспечить изоляцию. Теплопередачу можно ограничить только до минимума.

Тепловая конвекция

При тепловой конвекции тепло переносится вместе с потоком вещества. Примером такой передачи тепла за счет тепловой конвекции является система водяного отопления , которая нагревает воду в бойлере, а затем подает ее к радиатору с помощью насоса.

Рисунок: Теплопередача на примере системы центрального отопления

Теплопередача за счет тепловой конвекции возможна только с веществами, обладающими способностью течь. Следовательно, это применимо только к газам и жидкостям (называемым жидкостями ). С другой стороны, в твердых телах тепло не может переноситься потоками, потому что частицы, содержащиеся в них, прочно связаны с определенным местом. Следовательно, передача тепла путем тепловой конвекции невозможна в твердых телах.

Более подробную информацию о передаче тепла за счет тепловой конвекции можно найти в статье по ссылке.

Теплопроводность

При теплопередаче посредством теплопроводности тепло передается через материал. Например, это касается радиатора. Его открытые трубы отводят тепло через материал наружу и выпускают его в воздух помещения.

Рисунок: Цилиндрические трубы отопления радиатора

Теплопроводность происходит не только с твердыми телами, но и с жидкостями и газами. Принцип теплопроводности по существу основан на столкновениях или колебаниях частиц, содержащихся в веществе. Однако частицы не перемещаются макроскопически на большие расстояния, т. е. они не протекают через материал, как в случае теплопроводности. Скорее, тепловая энергия всегда передается только от частицы к частице.

В жидкостях и газах (а также в металлах!) тепловая энергия переносится главным образом при столкновениях частиц (в металлах это электроны электронного газа). С другой стороны, в твердых телах атомы возбуждают друг друга, вызывая колебания один за другим и, таким образом, передают связанную с этим тепловую энергию от атома к атому.

Более подробную информацию о передаче тепла за счет теплопроводности можно найти в статье по ссылке.

Тепловое излучение

Тепловая конвекция и теплопроводность всегда требуют вещества или, скорее, содержащихся в нем частиц для передачи тепла. Перенос тепла на тепловое излучение , с другой стороны, происходит без присутствия вещества или частиц. В этом случае тепло передается электромагнитным излучением, и это тоже через вакуум!

Пример передачи тепла излучением можно увидеть на примере солнца. Его излучение проникает в вакуум космоса и таким образом согревает нашу землю. В принципе, однако, каждое тело излучает определенное количество теплового излучения в зависимости от его температуры (см. также статью Излучение черного тела). Тепловизионные камеры делают это тепловое излучение видимым.