Передача тепла в газах і твердих тілах
З процесами передачі теплової енергії людина стикається багато разів щодня: під час приготування їжі, нагрівання або охолодження води, повітря та ін.
Розберемося, як і чому тепло передається від одного тіла до іншого.
У газах і рідинах теплова енергія передається в результаті конвекції.
Конвекція
Що вдає із себе тепло з фізичної точки зору? Як відомо, всі фізичні тіла в нашому світі складаються з молекул і атомів, які знаходяться в постійному русі – чим швидше коливаються молекули, тим вище температура тіла (можна сказати і по-іншому – чим вище температура тіла, тим інтенсивніше рухаються його молекули). Щільність газу і рідких середовищ набагато менше щільності твердих тіл – кажучи іншими словами, відстань між сусідніми молекулами в газах і рідинах у багато разів більше, ніж в твердих тілах. Під час нагрівання газу або рідини, молекули починають рухатися швидше, що в ще більшою мірою знижує щільність середовища – чим вище температура газу (рідини), тим він (вона) менше щільна, а значить, більш легка. Саме з цієї причини тепла вода і повітря піднімаються вгору, а на їх місце опускаються більш холодні маси, які нагріваючись, також в свою чергу спрямовуються вгору, звільняючи місце для чергової порції холодних мас. Даний процес називається конвекцією.
Процес конвекції наочно можна простежити під час нагрівання каструлі з водою, якщо кинути в неї, наприклад, дрібну вермішель, яка буде разом з нагрітими потоками води підніматися вгору, а потім, з холодною водою – знову опускатися на дно.
Процеси конвекції досить широко використовуються в промисловості, наприклад, в металургії є конвекційні печі, в яких плавлення сталі здійснюється за допомогою конвекції. У побуті конвекционной піччю є електрична або газова духовка, в якій продукти нагріваються за рахунок циркуляції гарячих повітряних потоків. А ось, в мікрохвильовій печі принцип нагріву принципової інший, він заснований на терті молекул одна об одну.
Теплопровідність
На відміну від газів і рідин, тверді тіла мають більш щільну кристалічну решітку, в якій сусідні елементи мають більш міцними зв’язками. З цієї причини, конвекція в твердих тілах принципово неможлива (вона починається тільки при дуже високих температурах, коли тверде тіло переходить в інше фазовий стан – рідина). Основна передача теплової енергії в твердих тілах відбувається за рахунок теплопровідності.
Під час нагрівання будь-якої частини твердого тіла, молекули, що знаходяться поблизу джерела теплової енергії, у міру їх нагрівання починають рухатися все швидше і швидше. Соударяясь з сусідніми молекулами, вони передають їм частину своєї енергії, змушуючи їх коливатися більш інтенсивно. У свою чергу, ці молекули, вдаряючись вже зі своїми сусідами, передають тепло далі. Така ланцюгова реакція передачі теплової енергії в жорсткій кристалічній решітці твердого тіла і називається теплопровідністю.
Оскільки різні тверді тіла володіють різними кристалічними гратами, в яких різні щільність, ступінь зв’язку з сусідніми вузлами і ін., То і тверді тіла мають різну теплопровідність, який виражається коефіцієнтом теплопровідності.
Коефіцієнт теплопровідності є довідковою величиною, він експериментально визначено для багатьох твердих тіл.
Ніколи не замислювалися над питанням, чому при однаковій температурі різні тіла на дотик здаються більш холодними або теплими? Напрмер, якщо при температурі 10 ° C доторкнутися до металевого і дерев’яного предмету, то перший буде більш холодним. Нюанс полягає в їх різної теплопровідності – метали володіють більшою теплопровідністю, порівняно з деревом, тому, набагато швидше відводять теплову енергію від теплих пальців. Те ж саме відбувається (але в іншу сторону) при температурах, що перевищують температуру тіла людини. Наприклад, залізний предмет, нагрітий до 60 ° C на дотик буде здаватися більш гарячим, ніж дерев’яний.
Для вивчення теплопровідності слід враховувати різні їх властивості (площа, лінійні розміри, час нагріву та ін.). Фізики зупинилися на чотирьох величинах:
Q α ΔT – кількість переданої теплової енергії Q пропорційно різниці температур ΔT (чим вище різниця температур, тим інтенсивніше передається тепло).
Q α А – кількість переданої теплової енергії Q пропорційно площі поперечного перерізу А.
Q α 1 / L – кількість переданої теплової енергії Q обернено пропорційно довжині тіла L.
Q α t – кількість переданої теплової енергії Q пропорційно часу впливу тепла.
Таким чином, передачу теплової енергії в твердих тілах можна виразити формулою:
Q = (kAΔTt) / L
K – коефіцієнт теплопровідності, якась постійна величина, яка є унікальною для конкретного твердного тіла (вимірюється в Дж / с – м – ° C).
Використовуючи формулу розрахунку теплопровідності, можна визначити, наприклад, кількість теплової енергії, яке буде передано від одного кінця сталевий кочерги, яка опущена в гарячу золу, до іншого – за який тримається людина, за 1 секунду, при наступних вихідних даних:
Kсталі = 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.
Можна констатувати, що сторона ручки кочерги, за яку тримається людина, буде нагріватися зі скрость 3,2 Дж / сек.
Зі сказаного вище, стає зрозуміло, чому, наприклад, для утеплення будинків застосовують пінопласт, а не метал.
(2 votes, average: 3.00 out of 5)