Теплопередача. Виды теплопередачи

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей.  Без совершения работы тела могут нагреваться и остывать. Без совершения работы могут перемешиваться теплые и холодные слои жидкостей и газов. Без совершения работы  может изменяться внутренняя энергия тела путем излучения, в том числе и через пустоту - вакуум. Рассмотрим  виды теплопередачи.

Теплопроводность – явление передачи энергии от  более нагретой части тела к менее нагретой в результате теплового движения и взаимодействия  частиц, из которых состоит тело.

Можно провести опыт, сконструировав установку: на треноге помещается кольцо из тонкой   оцинкованной жести.  В кольцо  под углом 120 градусов вставляются (прикрепляются) три проволоки (медь, алюминий и сталь) в виде спиц, предварительно нужно окунуть их в расплавленный воск от старых свечей. Пока  воск на них застывает, нужно прикрепить хотя бы через сантиметр сапожные гвоздики шляпками к стержню. Три начала спиц близко расположены в середине кольца. Зажжем спиртовку (или таблетку сухого спирта), поместим на подставке   так, чтобы три начала спиц одинаково нагревались. И наблюдаем: через некоторое время начинает таять воск  и первыми начинают отпадать гвоздики на медной спице, чуть позже – на алюминиевой и ещё позже – на железной.

Металлы обладают хорошей теплопроводностью,  плохой теплопроводностью обладают  пластмасса, резина, стекло, дерево, плексиглас, большинство изоляторов.

Второй вид теплопередачи – конвекция.

Конвекция – процесс теплообмена, осуществляемый путём переноса энергии потоками жидкости или газа. Проведём опыт: в колбу налить подкрашенную  воду: капнуть раствора медного купороса или кристаллик марганцовки и снизу на спиртовке (или таблетка сухого спирта , или свеча) нагревать колбу. Через некоторое время можно заметить перемещение слоёв воды снизу вверх (а потом и по кругу).

Воздух – плохой проводник тепла, но  он в комнате нагревается  сам и, перемешивая тёплые и холодные слои, нагревает  всю комнату. Под окнами находятся батареи центрального отопления. Здесь прикоснувшиеся к чугунной батарее, слои теплого воздуха по закону Архимеда, вытесняются холодными и поднимаются вверх. На освободившееся место  подходят холодные слои, прикасаясь к поверхности батареи, нагреваются, и опять идут вверх и т.д. Слои теплого и холодного воздуха перемешиваются и нагревают всю комнату.

Третий вид теплопередачи -  излучение. Излучение – перенос энергии от одного тела к другому, обусловленный процессами испускания, распространения, рассеяния и поглощения электромагнитного излучения. Можно показать  распространение солнечного света и тепла, проговорив, что излучение передаётся и через вакуум. Светлая поверхность отражает излучение, а темная поглощает. Поэтому летом нужно использовать светлую одежду, а зимой – темную. Поэтому самолеты  и ракеты красят светлой краской, цистерны с перевозимым топливом – то же красят в светлые тона.

Трубы больших котельных строят высокими для того, чтобы «тяга» была лучше: столб теплого воздуха в трубе быстрее поднимается вверх, на его место снизу в топку быстрее поступает воздух с новой порцией кислорода и топливо горит лучше, нагрев воды быстрее, снабжение горячей водой квартир в системе центрального отопления – более уверенное. В термосе учитываются все три вида теплопередачи, чтобы горячий чай дольше не остывал: колба устанавливается на пластмассе, пробка – из пробкового дерева, т.к. у него  теплопроводность минимальная, из двустенной колбы выкачан воздух, чтобы  исключить конвекцию; и внутренняя поверхность колбы посеребрена, чтобы отражать внутрь тепловое излучение.