Передача тепла або теплообмін (теплопередача) – це процес поширення внутрішньої енергії в просторі з різними температурами.
Теплопровідність – це здатність речовин і тіл проводити енергію (тепло) від частин з високою температурою до частин з низькою.
Така здатність існує внаслідок руху частинок. Енергія може передаватися між тілами і всередині одного тіла. Нагріваючи в полум’ї один кінець цвяха, ми ризикуємо обпектися об інший його кінець, що не знаходиться в полум’ї.
Електрони, що нагріваються на ділянці цвяха над вогнем, рухаються активніше і через зіткнення віддають тепло повільним електронам в частині, яка не піддається нагріванню.
Види теплообміну і способи передачі тепла
У фізиці виділяють кілька видів теплообміну:
- Теплопровідність – це властивість матеріалів передавати через свій об’єм потік тепла шляхом обміну енергією руху частинок.
- Конвекція – це перенесення тепла, що здійснюється шляхом переміщенням нерівномірно прогрітих ділянок середовища (газу, рідини) в просторі.
- Випромінювання (у випадку теплопровідності) – це перенесення тепла в вакуумі або газовому середовищі за допомогою електромагнітними хвилями.
Розглянемо сутність і призначення кожного з видів теплообміну (теплопередачі).
Теплопровідність
У більшості випадків види теплообміну тісно пов’язані і проходять одночасно. Конвекція завжди доповнюється теплопровідністю, оскільки при русі об’єму середовища завжди є взаємодія частинок з різними температурами. Такий процес має назву конвективного теплообміну.
Прикладом такого типу теплообміну (теплопередачі) є охолодження гарячого чаю, налитого в холодну металеву кружку. Віддача тепла може супроводжуватися його випромінюванням, тоді в перенесенні теплоти беруть участь всі три види:
- теплопровідність;
- конвекція;
- теплове випромінювання.
Розглянемо теплопровідність більш детально.
Цей вид теплообміну притаманний твердим тілам, але присутній так само й у рідинах і газах.
Різні тіла і речовини мають різну теплопровідність. Кількісним показником теплопровідності служить коефіцієнт теплопровідності, він позначається буквою λ (лямбда). Чим вище щільність, вологість і температура тіла, тим більше λ.
Проведення тепла відбувається шляхом взаємодій між частинками. Кінцевою метою процесу буде вирівнювання внутрішньої температури по всьому тілу. Теплопровідність рідин менше, ніж у твердих тіл, у газів – менше, ніж у рідин. Причиною є велика відстань між молекулами в рідинах, особливо в газах.
Низька теплопровідність повітря здавна використовується при виготовленні подвійних віконних рам. Теплопровідність повітря набагато нижче теплопровідності скла. Повітряний прошарок між склами захищає від зимової холоднечі.
Шерсть, пух, волосся, жир мають дуже низьку теплопровідність. Саме тому ми не мерзнемо взимку в теплих шкарпетках, песці можуть спати на снігу, а моржі виживають в умовах Арктики коштом жирового прошарку.
У таблиці наведені приклади матеріалів, речовин і середовищ з найменшою і найбільшою теплопровідністю.
Виходячи з даних, наведених в таблиці, можна зробити деякі висновки:
- У вакуумі тепло не проводиться (його теплопровідність дорівнює нулю). Передача тепла у вакуумі може відбуватися за допомогою випромінювання. Таким способом тепло сонця доходить до нашої планети.
- Матеріал з найвищою теплопровідністю називається графен, який активно використовується в наноелектроніці.
- Метали теж досить теплопровідні. Відомо, як швидко нагрівається металева ложка в гарячому супі.
- Будівельні матеріали мають низьку теплопровідність, що і обумовлює їх використання для зведення теплих і надійних жител.
З поняттям теплопровідності тісно пов’язане поняття теплоємності.
Теплоємність
Теплоємністю називають кількість тепла, яке поглинуло тіло (речовина), щоб його температура підвищилася на 1 градус. Дійсно, для підвищення температури металевого стрижня на 1 градус, необхідно, щоб він володів теплопровідністю для рівномірного нагрівання всього обсягу.
Знання про теплопровідність речовин і матеріалів необхідні в будівництві, промисловості, побуті.
Конвекція
При конвекції енергія передається потоками, що виникають в різних середовищах.
Залежно від причини виникнення, процеси цього типу теплообміну (теплопередачі) ділять на природну і вимушену конвекцію:
- Природна конвекція виникає під впливом природних сил: нерівномірного прогріву, сили тяжіння. Процеси природної конвекції відбуваються на планеті щохвилини. Поява хмар, формування атмосферних фронтів, циклонів і антициклонів в атмосфері можливо завдяки цьому процесу. Води Світового океану так само схильні до процесів конвекції, в результаті утворюються океанічні течії. Рух тектонічних плит так само обумовлений конвективними процесами.
- Вимушена конвекція – це залежить від присутності зовнішніх сил. Наприклад, при помішуванні ложкою гарячий чай остигає саме внаслідок цього явища.
Випромінювання
Випромінювання тепла є електромагнітним процесом. Тепло виділяють будь-які тіла, температура яких вище 0 К.
Тепло випромінюється тілами завдяки тому, що будь-яка речовина складається з молекул і атомів, а вони, своєю чергою, із заряджених протонів і електронів. Таким чином, будь-яке тіло пронизане електромагнітним полем.
