Види теплообміну у фізиці

Розділ фізики, що вивчає теплообмін і її види, ґрунтується на механічній теорії теплоти, що була висунута у XVIII столітті вченим М. В. Ломоносовим.

Сучасні дослідники активно застосовують цей процес в різних сферах життєдіяльності людини, наприклад, в техніці, авіації та ракетобудуванні. У школі таку тему проходять на уроках фізики у восьмому класі.

Опис процесу теплообміну

Теплообмін являє собою один з найважливіших фізичних процесів, що складається з декількох простих перетворень. Під час нього теплота переноситься від одного об’єкта до іншого або всередині тіла при наявності різниці температур.

Теплова енергія присутня в наступних середовищах:

• гази;
• рідина;
• тверде тіло.

Передача тепла – це мимовільний процес, що проходить у вільному просторі. Енергія поширюється від тіл, які мають високу температуру, до тіл з меншим показником.

Дослідження, проведені вченими, говорять, що теплообмін занадто складний для розгляду його у вигляді одного процесу. У зв’язку з цим фізичне явище було розділене на три наступні види:

• теплопровідність;
• конвекція;
• випромінювання.

Характеристика теплопровідності

Теплопровідність – це передача енергії від об’єкта до об’єкта або від однієї частини якогось фізичного тіла до іншої за допомогою теплового руху молекул і атомів. Необхідно відзначити, що при цьому явищі речовина не переміщається, а передається лише внутрішня енергія. Спостерігати теплопровідність дозволяє наступний дослід:

• До стрижня з металу на віск прикріплено кілька цвяхів.
• Один кінець стрижня міцно фіксують в штативі, а інший починають нагрівати.
• Через деякий час цвяхи по черзі відпадають.

Це відбувається через плавлення воску, яке викликає підвищення температури металу. Той факт, що цвяхи відпали не одночасно, свідчить про поступове нагрівання стрижня. Отже, внутрішня енергія тіла в міру свого збільшення передавалася від гарячого кінця до холодного.

Передача тепла має ще одне пояснення, що базується на внутрішній будові речовини. Частинки кінця стрижня, що нагріваються, через зовнішній вплив збільшують свою енергію. В результаті їх коливання стає більш інтенсивним, через що частина отриманого потенціалу молекули передають сусіднім частинкам, які теж починають коливатися швидше. Процес передачі енергії поступово охоплює весь стрижень. Результатом збільшення енергії стає підвищення температури об’єкта.

Теплопровідність різних речовин відрізняється, навіть існують спеціальні таблиці, що містять інформацію про цю якість фізичних тіл.

Наприклад, якщо на дно пробірки з водою опустити шматок льоду, а її верхній кінець нагріти, то незабаром вода, що знаходиться поруч з джерелом вогню, закипить, хоча лід збереже свій стан. З цього випливає, що у води погана теплопровідність. Цієї якістю відрізняються всі рідини.

Газоподібні речовини мають ще більш низьку теплопровідність. Довести дане твердження можна дослідним шляхом:

• У штативі закріплюють пробірку, в якій знаходиться повітря.
• Під нею ставлять запалену спиртівку.

Якщо в пробірку опустити палець, то тепло відчуватися не буде. Експеримент дозволяє зробити висновок, що повітря, як і інші гази, погано передає внутрішню енергію.

Найкращими провідниками теплоти вважаються металеві тіла, а до найгірших відносяться сильно розріджені гази. Причиною цього є їх молекулярна будова. Частинки газоподібних речовин розташовані на великих відстанях один від одного, а тому стикаються рідко, через що передача теплоти відбувається значно повільніше, ніж у твердих тілах.

Рідини за рівнем теплопровідності знаходяться між газами і твердими об’єктами.

Опис конвекції

Конвекція є ще одним способом передачі теплоти. Її сутність полягає в перенесенні внутрішньої енергії шарами рідких або газоподібних речовин.

Оскільки конвекція відбувається тільки при переміщенні речовин, здійснюватися такий процес може лише в рідинах і газах.

Відомо, що фізичні тіла в цих двох станах погано проводять тепло, але завдяки конвекції їх все ж можна нагріти. Ефективне застосування цього процесу можна спостерігати в холодну пору року, коли в приміщеннях, обладнаних батареями парового опалення, повітря зігрівається. Цей тип теплообміну можна спостерігати при проведенні простого досліду:

• На дно наповненої водою колби акуратно опускають кристал марганцевокислого калію.
• Ємність нагрівають в тому місці, де лежить сіль марганцевої кислоти.
• Через деякий час з дна починають підійматися пофарбовані струмені води.
• Піднявшись у верхні шари, струмені опускаються.

Нижній шар рідини при нагріванні розширюється, що призводить до збільшення його об’єму і зменшення щільності. Під впливом архімедової сили нагріта частина речовини переміщається вище. На місце, що звільнилося опускається холодна рідина, яка в міру нагрівання підіймається. В цьому випадку внутрішня енергія передається рухомими вгору потоками води.

Подібним чином відбувається передача теплоти і в газах. Так, якщо паперову вертушку розміщують над джерелом тепла, то вона починає обертатися. Лопаті об’єкта приходять в рух тому, що найменш щільні шари нагрітого повітря підіймаються через виштовхувальну силу, що вплив на них, водночас холодні шари опускаються, займаючи місце теплих. Це пересування повітря змушує вертушку обертатися.

Визначення випромінювання

Останнім видом теплообміну є випромінювання. Його можна відчути, піднісши руку до включеної електричної лампочки, батареї опалення, спіралі нагрітої електроплити, гарячої праски і т. д. Дослідним шляхом виявити випромінювання можна наступним чином:

• Металевий теплоприймач, що має блискучі і чорні поверхні, закріплюють в штативі.
• До нього приєднують манометр.
• У посудину, одна сторона якої пофарбована в білий колір, а інша — в чорний, наливають окріп.
• Ємність з водою повертають до чорної поверхні теплоприймача спочатку білою, а потім чорною стороною.
• В обох випадках рівень води в коліні манометра знижується.
• Але слід звернути увагу, що коли до теплоприймача звернена чорна сторона посудина, рідини в коліні менше.

Зміна рівня води в манометрі пояснюється тим, що повітря, що знаходиться в теплоприймачі, починає розширюватися. Але розширення газу можливе тільки при нагріванні, значить, речовина отримала від ємності з окропом енергію.

Відомо, що у повітря погана теплопровідність, а конвекції в цій ситуації немає, оскільки посудина розташована на одному рівні з теплоприймачем, отже, ємність випромінює теплову енергію.

Крім того, дослід свідчить, що від темної сторони посудини виходить більший потенціал, ніж від білої. Це підтверджує різний рівень рідини в манометрі.

Чорна поверхня не тільки віддає велику кількість енергії, але і приймає її більше. Експериментальним доказом цього твердження може служити включена електрична плита, до якої спочатку підносять світлу сторону теплоприймача з приєднаним до нього манометром, а потім темну. У другому випадку рівень рідини в вимірювальному приладі буде нижче, ніж в першому.

Наведені досліди підтверджують той факт, що чорні тіла поглинають і випускають енергію значно краще, ніж білі. А світлі, своєю чергою, погано випромінюють і поглинають її, але добре відбивають.

Саме тому в літню пору люди вважають за краще одягати світлий одяг, а будинки, що розташовані в теплих країнах, часто фарбують в білий колір.

У природі основним прикладом теплообміну у вигляді випромінювання можна вважати енергію, передану Землі Сонцем. Оскільки простір між зіркою і планетою заповнено космічним вакуумом, то енергетичний потенціал не може бути переданий ні за допомогою конвекції, ні шляхом теплопровідності. Це означає, що такий вид теплообміну не залежить від будь-якого середовища, випромінювання має здатність вільно проходити навіть через вакуум.

Закон охолодження Ньютона і коефіцієнти

Найчастіше рідини і гази нагріваються або охолоджуються, стикаючись з поверхнею різних твердих об’єктів. Такий процес обміну теплом називають тепловіддачею, а поверхня, що переносить тепло, отримала назву «поверхня теплообміну» або «тепловіддача».

Розрахувати швидкість тепловіддачі можна за допомогою емпіричного рівняння тепловіддачі, заснованого на законі охолодження Ньютона. Якщо процес встановився, то рівняння виглядає наступним чином:

Q = α*F*(tр — tст)*τ

де:

• Q – потік тепла;
• α – коефіцієнт тепловіддачі, який показує, скільки теплоти отримує або віддає теплоносій 1 м² в якийсь відрізок часу, якщо температурна різниця між складовими дорівнює 1 °C (ця величина дає характеристику швидкості пересування тепла в теплоносії, вона залежить від режиму переміщення, фізичних властивостей теплоносія, геометрії каналів, стану поверхні, що віддає енергію);
• F – тепловіддаюча поверхня;
• tр – температура речовини;
• tст – температура стінки;
• τ – час.

При розгляді процесу теплообміну у твердій стінці обов’язковою умовою є різниця між температурами поверхонь. Вона утворює тепловий потік, який спрямований від площини з високою температурою до поверхні з меншою температурою. Якщо процес встановився, то закон Фур’є приймає вигляд:

Q = λ*F*(t’ст — t”ст)/δ

де:

• Q – тепловий потік;
• λ – коефіцієнт теплопровідності, який показує, скільки тепла проходить за часову одиницю через якийсь відрізок тепловіддаючої поверхні, якщо температура опускається на 1 °C на одиницю довжини нормалі щодо ізотермічної поверхні (це фізична характеристика, яка визначає здатність речовини до теплопровідності, що залежить від його природи, структури та інших показників);
• F – поверхня стінки;
• t’ст — t”ст — температурна різниця між поверхнями стінки;
• δ – товщина стінки.

Найчастіше для вирішення завдань з фізики необхідно зробити розрахунок теплообміну за формулами, що відповідають різним видам процесу. Така різниця пояснюється різними фізичними характеристиками речовин, а також особливостями методів передачі теплоти.