Теплообмін

Теплообмін — це мимовільний (т. е. здійснюється без примусу) процес передачі теплоти, що відбувається між тілами з різною температурою.

Можна сказати, що теплообмін — один із способів зміни внутрішньої енергії тіла. Розрізняють три види теплопередачі: теплопровідність, конвекцію і променистий теплообмін.

Теплопровідність.

Теплопровідність — це вид теплопередачі, при якому відбувається безпосередня передача енергії від частинок (молекул, атомів) більш нагрітої частини тіла до частинкам його менш нагрітої частини.

Розглянемо ряд дослідів з нагріванням твердого тіла, рідини і газу.

Закріпимо в штативі товстий мідний дріт, а до дроту прикріпимо воском або пластиліном кілька гвіздків. При нагріванні вільного кінця дроту в полум’ї спиртівки віск плавиться, і гвоздики поступово відпадають від дроту. Причому спочатку відпадають ті, що знаходяться ближче до полум’я, потім по черзі всі інші. Пояснюється це наступним чином. Спочатку збільшується швидкість руху тих частинок металу, які знаходяться ближче до полум’я. Температура дроту в цьому місці підвищується. При взаємодії цих частинок з сусідніми швидкість останніх також збільшується, внаслідок чого підвищується температура наступній частині дроту. Потім збільшується швидкість руху таких частинок і т. д., поки не прогріється вся дріт.

Слід пам’ятати, що при теплопровідності сама речовина не переміщається уздовж тіла, переноситься лише енергія.

Розглянемо тепер теплопровідність рідин. Візьмемо пробірку з водою. Покладемо в неї шматочок льоду і станемо нагрівати верхню частину пробірки. Вода у поверхні скоро закипить. Лід на дні пробірки за цей час майже не розтане. Значить, у рідин теплопровідність невелика, за винятком ртуті і рідких металів.

Це пояснюється тим, що в рідинах молекули розташовані на великих відстанях один від одного, ніж у твердих тілах.

Досліджуємо теплопровідність газів. Суху пробірку одягнемо на палець і нагріємо в полум’ї спиртівки денце. Палець при цьому довго не відчуває тепла.

Це пов’язано з тим, що відстань між молекулами газу ще більше, ніж у рідин і твердих тел. Отже, теплопровідність газів ще менше.

Отже, теплопровідність різних речовин різна.

Найбільшою теплопровідність мають метали, особливо срібло і мідь. Якщо теплопровідність різних речовин порівнювати з теплопровідність міді, то виявиться, що у заліза вона менше приблизно в 5 разів, у води — 658 разів, у пористого цегли — 848 раз, у свіжого снігу — майже в 4000 разів, у вати, тирси й овечої вовни — майже в 10 000 разів, а у повітря вона менше приблизно у 20 000 разів. Поганою теплопровідністю мають також волосся, пір’я, папір, пробка та інші пористі тіла. Це пов’язано з тим, що між волокнами цих речовин міститься повітря. Самою низькою теплопровідністю має вакуум (звільнене від повітря простір). Пояснюється це тим, що теплопровідність — це перенесення енергії від однієї частини тіла до іншої, який відбувається при взаємодії молекул або інших частинок. У просторі, де немає часток, теплопровідність здійснюватися не може.

Якщо виникає необхідність захистити тіло від охолодження або нагрівання, то застосовують речовини з малою теплопровідністю. Так, ручки для каструль, сковорідок виготовляють з пластмаси. Будинки будують з колод чи цегли, що володіють поганою теплопровідністю, а отже, захищають приміщення від охолодження. Застосування вакууму в якості теплоізоляційного матеріалу» засноване пристрій термоса, або посудини Дьюара, який був винайдений в 1892 р. англійським ученим Джеймсом Дьюаром.

Конвекція. Конвективний теплообмін.

Конвекція (від лат. convectio — доставка) — це перенесення маси в результаті переміщення газу або рідини.

Існують різні види конвекції. Ми розглянемо вільну і вимушену конвекції.

Вільна конвекція в газі або рідини виникає тоді, коли є невеликі області, в яких щільність відрізняється від щільності основної навколишнього їх маси речовини. Тоді в умовах земного тяжіння під дією сили Архімеда ці області починають переміщатися. Прикладом вільної конвекції є всім відоме рух повітря в приміщенні, в якому топиться піч, є радіатор або інший джерело тепла.

Пояснимо сказане на прикладі.

Помістивши руку над гарячою плитою або палаючої електричною лампочкою, можна відчути, що над ними піднімаються теплі струмені повітря. Невелика паперова вертушка, поставлена над полум’ям свічки або електричною лампочкою, під дією нагрітого повітря піднімається починає обертатися.

Це явище можна пояснити таким чином. Частина повітря, що стикається з теплою лампою, нагрівається, розширюється і стає менш щільною, ніж навколишній її більш холодне повітря. Під дією до архімедового (виштовхує) сили ця тепла частина повітря починає підніматися вгору. Її місце заповнює холодне повітря. Через деякий час, прогрівшись, цей шар повітря піднімається вгору, поступаючись місцем наступної порції повітря, і т. д. Це і є конвекція. У результаті переміщення тепліших шарів повітря відбувається перенесення тепла (т. е. енергії), або конвективний теплообмін.

Точно так само переноситься енергія і при нагріванні рідини. Нагріті шари рідини, менш щільні і тому більш легкі, витісняються вгору більш важкими, холодними шарами. Холодні шари рідини, опустившись вниз, у свою чергу, нагріваються від джерела тепла і знову витісняються менш нагрітої рідиною. Завдяки такому руху рідина рівномірно прогрівається. Це стає наочним, якщо на дно колби з водою кинути кілька кристаликів перманганату калію, який забарвлює воду в фіолетовий колір.

Вимушена конвекція викликається зовнішнім механічним впливом на середовище. Прикладами її є звичайне перемішування рідини ложечкою, рух повітря в кімнаті під дією вентилятора, протягом рідини в трубі під дією гідронасоса і т. д. Фізичні процеси, що відбуваються при вимушеній конвекції, пов’язаної з рухом тіл з великими швидкостями в атмосфері, моделюються в аеродинамічних трубах, де відтворюється обтікання нерухомих моделей потоком повітря.

Таким чином, конвективний теплообмін може здійснюватися у газоподібному та рідкому середовищі при умові, що є різниця температур між частинами середовища. Для здійснення ефективного конвективного теплообміну в земних умовах в рідинах і газах їх слід прогрівати знизу. Якщо їх прогрівати зверху, конвекція не відбувається, адже теплі шари і так знаходяться зверху і опуститися нижче холодних, важких, вони не можуть.

У відсутність сили тяжіння (в ракеті, супутнику, міжпланетному кораблі) конвекція спостерігатися не буде. Отже, користуватися там, наприклад, сірниками і газовими пальниками не можна: продукти згорання затушат полум’я.

Конвекція в твердих тілах відбуватися не може, оскільки частинки в них коливаються близько певної точки, утримувані сильним взаємним тяжінням. У зв’язку з цим при нагріванні твердих тіл потоки речовини в них утворюватися не можуть. Енергія в твердих тілах передається теплопровідністю.

Променистий теплообмін.

Променистий теплообмін — це теплообмін, при якому енергія переноситься різними променями.

Це можуть бути сонячні промені, а також промені, що випускаються нагрітими тілами, що знаходяться навколо нас.

Так, наприклад, сидячи біля багаття, ми відчуваємо, як тепло передається від вогню нашому тілу. Однак причиною такої теплопередачі не може бути ні теплопровідність (яка у повітря, що знаходиться між полум’ям і тілом, дуже мала), ні конвекція (так як конвекційні потоки завжди спрямовані вгору). Тут має місце третій вид теплообміну — променистий теплообмін.

Візьмемо невелику, закопчену з одного боку, колбу.

Колба

Через пробку в неї вставимо зігнуту під прямим кутом скляну трубку. У цю трубку, яка має вузький канал, введемо підфарбовану рідину. Зміцнивши на трубці шкалу, отримаємо прилад — термоскоп. Цей прилад дозволяє виявити навіть незначне нагрівання повітря в закопчена колбі.

Якщо до темної поверхні термоскопа піднести шматок металу, нагрітий до високої температури, то стовпчик рідини переміститься вправо. Очевидно, повітря в колбі нагрівся і розширився. Швидке нагрівання повітря в термоскопі можна пояснити лише передачею йому енергії від нагрітого тіла. Як і у випадку з багаттям, енергія тут передалася не теплопровідністю і не конвективним теплообміном. Енергія в даному випадку передалася з допомогою невидимих променів, що випускаються нагрітим тілом. Ці промені називають тепловим випромінюванням.

Променистий теплообмін може відбуватися у повному вакуумі. Цим він відрізняється від інших видів теплообміну.

Випромінюють енергію всі тіла: і сильно нагріті, і слабо, наприклад, тіло людини, піч, електрична лампочка. Але чим вище температура тіла, тим сильніше його теплове випромінювання. Излученная енергія, досягнувши інших тіл, частково поглинається ними, а частково відбивається. При поглинанні енергія теплового випромінювання перетворюється у внутрішню енергію тіл, і вони нагріваються.

Світлі і темні поверхні поглинають енергію по-різному. Так, якщо в досвіді з термоскопом повернути колбу до нагрітого тіла спочатку закопчена, а потім світлою стороною, то стовпчик рідини в першому випадку переміститься на більшу відстань, ніж у другому (див. малюнок вище). З цього випливає, що тіла з темною поверхнею краще поглинають енергію (і, отже, сильніше нагріваються), ніж тіло зі світлою або дзеркальною поверхнею.

Тіла з темною поверхнею не тільки краще поглинають, але і краще випромінюють енергію.

ПОДІЛИТИСЯ: