Теплообмін • Джеймс Трефіл, енциклопедія «Двісті законів світобудови»
Теплота може передаватися за допомогою теплопровідності, конвекції чи випромінювання.
Другий початок термодинаміки говорить, що теплота завжди передається від більш гарячого тіла холоднішому, проте про механізм теплопередачі там не йдеться ні слова. Проте характер перенесення теплоти дуже важливий з інженерно-фізичної точки зору, і не дивно, що механізми теплообміну стали важливим предметом досліджень у першій половині дев'ятнадцятого сторіччя. Як вже згадано в інструкції, було відкрито три способи теплообміну, і за кожним із них стоїть унікальний фізичний процес.
Теплопровідність
Покладіть загнутий кінець залізної кочерги в камін, що горить, — і вже через пару хвилин ви не зможете доторкнутися до її вільного кінця, хоча він знаходиться на значній відстані від полум'я. А відбувається це в результаті того, що будь-який метал має високу теплопровідність, і жар вогню від розігрітого кінця кочерги дуже швидко поширюється по всій її довжині.
А зумовлена висока теплопровідність металу наступним: атоми металу організовані в тривимірну кристалічну решітку і постійно вібрують біля свого середнього положення. Атоми зануреного у вогонь кінця кочерги під впливом зіткнення з молекулами вугілля, що швидко рухаються, і розпеченого газового полум'я швидко розігріваються і починають вібрувати значно інтенсивніше. Дуже скоро температура кочерги, що прогрівається, практично порівнюється з температурою полум'я, про що можна судити по тому, що метал розігрівається до червона.
Одночасно самі термічно збуджені атоми, стикаючись із сусідніми атомами, передають останнім енергію теплового руху, і ті, у свою чергу, також дуже швидко розігріваються до температури, близької дотемпературу горіння. При цьому, віддавши свою теплову енергію сусідам, атоми зануреного в полум'я кінця кочерги практично відразу компенсують її за рахунок безперервного надходження теплової енергії, що виділяється при горінні.
Таким чином, за допомогою ланцюжка міжатомних взаємодій теплота швидко поширюється вгору по ручці кочерги, постійно поповнюючись за рахунок енергії згоряння дров, поки не досягне рукояті, яку ви тримаєте в долоні, і тоді ви, відчувши, як вона нагрілася, змушені будете випустити кочергу, щоб уникнути опіку.
Таким чином, теплопровідність є механізмом теплового обміну за допомогою зіткнення між окремими атомами або молекулами теплопровідної речовини. Тобто тепловий рух поширюється по речовині, проте самі атоми або молекули залишаються жорстко закріпленими всередині його структури, і перенесення речовини як такої ми не спостерігаємо.
Рівняння, що описує механізм теплопровідності, виглядає так:
деQ —кількість теплової енергії, що передається,А —площа перерізу теплопровідного тіла, ΔT— різниця температур між двома точками, аR-тепловий опірматеріалу, що характеризує, наскільки він гальмує теплопередачу. У наведеному вище прикладі з кочергою, одним кінцем опущеної в камін, ΔTдорівнює різниці між температурою полум'я на одному кінці і кімнатною температурою повітря на іншому,А —площі перерізу залізного прута, з якого зроблена кочерга, аRвизначається властивостями металу. В цілому ж, наведена формула підказує, що чим більша різниця температур і чим більша площа поперечного перерізу, тим більша кількість теплоти передаватиметься. У той же час, при фіксованих значенняхрізниці температур і площі поперечного перерізу кількість теплоти, що передається, буде обернено пропорційно тепловому опору, тобто, чим воно вище, тим повільніше буде нагріватися рукоять. Тому матеріали з високими значеннямиR(наприклад, азбест, скловолокно або пух) є хорошимиутеплювачами.
Тепер уявіть собі каструлю із водою на плиті. Спочатку вода поводиться нерухомо, і теплота від нижніх шарів до верхніх передається за допомогою теплопровідності. У міру нагрівання, проте, характер теплопередачі змінюється, оскільки запускається процес, який називаєтьсяконвекцією.
Нагріваючись поблизу дна вода розширюється. Відповідно, питома вага придонної розігрітої води виявляється легшою, ніж вага рівного об'єму води в поверхневих шарах. Це призводить всю водну систему всередині каструлі в нестабільний стан, який компенсується за рахунок того, що гаряча вода починає спливати до поверхні, а на її місце опускається прохолодніша вода.
Однак процес цей одним актом не обмежується, оскільки, обмінявшись місцями, гаряча і прохолодна вода дуже швидко обмінюються і ролями, через те, що вода, що опустила на дно, швидко розігрівається і розширюється, а гаряча, що спливла, — швидко остигає і ущільнюється за рахунок випромінювання (див.нижче). Внаслідок цього ситуація нестабільності повторюється і шари води знову змінюються місцями.
Неважко побачити, що така ситуація, по суті, призводить до постійної нестабільності води в каструлі, і починається безперервна циркуляція водної маси: розігріта вода з дна спливає, витісняючи воду з поверхні, що остигає. В результаті ми спостерігаємо циркулярні потоки, які прийнято називатиконвекційними струмами(див.малюнок). Придивітьсяуважно до поверхні води в каструлі при її закипанні - і ви побачите конвекцію в дії: прозорі області - це вода, що піднімається з дна, а бульбасті - це місця, звідки вода щойно пішла на дно, залишивши на поверхні накип.
Конвекційні струми - дуже поширений у природі спосіб теплообміну. Конвекція відбувається у надрах Сонця, у шарі між ядром і короною, саме вона доставляє до поверхні світила теплову енергію, що виробляється в ході реакції термоядерного синтезу (див.Еволюція зірок). Безперервна конвекція відбувається у земній мантії, у результаті ми спостерігаємо рух тектонічних плит. Конвекційні атмосферні потоки визначально позначаються на кліматі нашої планети, переносячи тепло з екваторіальних широт у приполярні разом із повітряними і океанічними масами. Навіть лише на рівні окремо взятого великого міста конвекція призводить до значних переміщень атмосферних верств: перегрітий асфальт у центрі міста у разі грає роль конфорки під дном каструлі, якщо повернутися до вихідного прикладу. Фактично завдяки конвекції в містах встановлюється особливий мікроклімат.
Узагальнюючи, підкреслимо, що конвекція, по суті, є теплообміном за допомогою перенесення речовини. Нагромадивши теплоту в одному місці, речовина-носій переносить його в холодніше і там віддає навколишньому середовищу. У цьому корінна відмінність конвекції від теплопровідності, коли речовина-провідник тепла залишається на місці.
На відміну від двох попередніх видів теплообміну при променевому перенесенні тепла речовина — будь вона у твердому, рідкому чи газоподібному стані — не задіяна зовсім. У цьому випадку теплообмін здійснюється через те, що будь-яка матерія, що має температуру вище абсолютного нуля, випромінює енергію внавколишнє середовище (див.Закон Стефана-Больцмана). Тип випромінювання залежить від температури тіла. Це неважко зрозуміти на повсякденному досвіді: метал у кузні спочатку розжарюється до червона, потім до жовто-жовтогарячого кольору і, нарешті, практично добіла. Це свідчить про підвищення температури речовини, тому що чим вища температура, тим коротша довжина хвиль, що випромінюються. Відносно холодні тіла випромінюють в інфрачервоному діапазоні хвиль, і ми їхнього випромінювання не бачимо, а лише відчуваємо, як теплове. Найгарячіші тіла випускають також невидиме випромінювання в мікрохвильовому діапазоні.
Можливо, найзнаменитішим прикладом відкриття невидимого випромінювання стало відкриття реліктового мікрохвильового фону космічного випромінювання, яке стало одним із основних підтверджень правильності гіпотези Великого вибуху. По суті, цей фон випромінюється всьому Всесвіту в його сукупності, оскільки він розширюється і поступово остигає, втрачаючи свою колосальну середню температуру.