Передача тепла в газах и твердых телах
С процессами передачи тепловой энергии человек сталкивается много раз каждый день: во время приготовления пищи, нагрева или охлаждения воды, воздуха и проч.
Разберемся, как и почему тепло передается от одного тела к другому.
В газах и жидкостях тепловая энергия передается в результате конвекции.
Конвекция
Что представляет из себя тепло с физической точки зрения? Как известно, все физические тела в нашем мире состоят из молекул и атомов, которые находятся в постоянном движении - чем быстрее колеблются молекулы, тем выше температура тела (можно сказать и по-другому - чем выше температура тела, тем интенсивнее движутся его молекулы). Плотность газа и жидких сред намного меньше плотности твердых тел - говоря другими словами, расстояние между соседними молекулами в газах и жидкостях во много раз больше, чем в твердых телах. Во время нагревания газа или жидкости, молекулы начинают двигаться быстрее, что в еще большей степени снижает плотность среды - чем выше температура газа (жидкости), тем он (она) менее плотна, а значит, более легка. Именно по этой причине теплая вода и воздух поднимаются вверх, а на их место опускаются более холодные массы, которые нагреваясь, также в свою очередь устремляются вверх, освобождая место для очередной порции холодных масс. Данный процесс называется конвекцией.
Процесс конвекции наглядно можно проследить во время нагревания кастрюли с водой, если бросить в нее, например, мелкую вермишель, которая будет вместе с нагретыми потоками воды подниматься вверх, а затем, с холодной водой - снова опускаться на дно.
Процессы конвекции достаточно широко используются в промышленности, например, в металлургии имеются конвекционные печи, в которых плавление стали осуществляется при помощи конвекции. В быту конвекционной печью является электрическая или газовая духовка, в которой продукты нагреваются за счет циркуляции горячих воздушных потоков. А вот, в микроволновой печи принцип нагрева принципиальной другой, он основан на трении молекул друг о друга.
Теплопроводность
В отличие от газов и жидкостей, твердые тела имеют более плотную кристаллическую решетку, в которой соседние элементы обладают более прочными связями. По этой причине, конвекция в твердых телах принципиально невозможна (она начинается только при очень высоких температурах, когда твердое тело переходит в другое фазовое состояние - жидкость). Основная передача тепловой энергии в твердых телах происходит за счет теплопроводности.
Во время нагревания какой-либо части твердого тела, молекулы, находящиеся вблизи источника тепловой энергии, по мере их нагрева начинают двигаться все быстрее и быстрее. Соударяясь с соседними молекулами, они передают им часть своей энергии, заставляя их колебаться более интенсивно. В свою очередь, эти молекулы, соударяясь уже со своими соседями, передают тепло дальше. Такая цепная реакция передачи тепловой энергии в жесткой кристаллической решетке твердого тела и называется теплопроводностью.
Поскольку разные твердые тела обладают различными кристаллическими решетками, в которых различны плотность, степень связи с соседними узлами и проч., то и твердые тела обладают различной теплопроводностью, который выражается коэффициентом теплопроводности.
Коэффициент теплопроводности является справочной величиной, он экспериментально определен для многих твердых тел.
Никогда не задумывались над вопросом, почему при одинаковой температуре различные тела на ощупь кажутся более холодными или теплыми? Напрмер, если при температуре 10°C прикоснуться к металлическому и деревянному предмету, то первый будет более холодным. Нюанс заключается в их разной теплопроводности - металлы обладают большей теплопроводностью, по сравнению с деревом, поэтому, гораздо быстрее отводят тепловую энергию от теплых пальцев. То же самое происходит (но в другую сторону) при температурах, превышающих температуру тела человека. Например, железный предмет, нагретый до 60°C на ощупь будет казаться более горячим, чем деревянный.
Для изучения теплопроводности следует учитывать различные их свойства (площадь, линейные размеры, время нагрева и проч.). Физики остановились на четырех величинах:
- Q ∝ ΔT - кол-во переданной тепловой энергии Q пропорционально разнице температур ΔT (чем выше разница температур, тем интенсивнее передается тепло).
- Q ∝ А - кол-во переданной тепловой энергии Q пропорционально площади поперечного сечения А.
- Q ∝ 1/L - кол-во переданной тепловой энергии Q обратно пропорционально длине тела L.
- Q ∝ t - кол-во переданной тепловой энергии Q пропорционально времени воздействия тепла.
Таким образом, передачу тепловой энергии в твердых телах можно выразить формулой:
Q = (kAΔTt)/L
k - коэффициент теплопроводности, некая постоянная величина, которая является уникальной для конкретного твердного тела (измеряется в Дж/с·м·°C).
Используя формулу расчета теплопроводности, можно определить, например, кол-во тепловой энергии, которое будет передано от одного конца стальной кочерги, которая опущена в горячую золу, к другому - за который держится человек, за 1 секунду, при следующих исходных данных:
- kстали = 14,0 Дж/с·м·°C
- L = 100 см
- A = 4 см2
- ΔT = 500°C
Q = (kAΔTt)/L Q = [(14)·(4·10-4)·(500)·1]/1 = 3,2 Дж.
Можно констатировать, что сторона ручки кочерги, за которую держится человек, будет нагреваться со скростью 3,2 Дж/сек.
Из сказанного выше, становится понятно, почему, например, для утепления домов применяют пенопласт, а не металл.
