§ 7. Теплообмін. Види теплопередачі

Коли похолодає, ми вмикаємо опалення. Незважаючи на те, що джерела тепла (батареї, печі, калорифери і т.п.) знаходяться у цілком конкретних місцях (під вікном, на кухні або іншій кімнаті), у кімнаті стає тепло. Яким чином передається теплота? У грубці горить вогонь, грубка нагрівається, теплим стає повітря в кімнаті. Повітря в кімнаті може нагрітися і завдяки сонячному випромінюванню, що проникає через вікна. Нагрівання, охолодження тіл відбувається завдяки теплообміну.

Теплообмін — це самочинний необоротний процес переносу енергії від тіл з вищою температурою до тіл з більш низькою температурою. Цей процес відбувається без виконання роботи. З досвіду та курсів природознавства, географії ви знаєте, що теплообмін або теплопередача може відбуватися в процесі теплопровідності, переміщенням шарів рідини чи газу (конвекції) та випромінюванням.

Розглянемо кожен із способів теплопередачі.

Наприклад, як передається теплота по дротині, один кінець якої нагрівається на полум’ї (мал. 18)?

Швидкість коливального руху частинок металу, що стикається з полум’ям, збільшується, температура його підвищується. Внаслідок взаємодії частинок

збільшується швидкість руху сусідніх частинок. Так вся дротина нагрівається.

Теплопровідністю називають процес передачі енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих внаслідок теплового руху і взаємодії частинок, що складають тіло. Як бачите, під час теплопровідності речовина не переноситься, тільки енергія.

Різні речовини мають різну теплопровідність. В одній і тій же квартирі підлогу ми відчуваємо прохолодною, килим теплим, а підлогу у ванній кімнаті — холодною.

Метали мають велику теплопровідність, значно більшу, ніж, наприклад, скло (мал. 18). У рідини теплопровідність менша, у газів вона ще менша, оскільки молекули в газах розміщені далеко порівняно з відстанню між частинками рідини чи металу.

Поганими провідниками тепла є дерево, корок, пінопласт, цегла та ін. Різні теплоізоляційні матеріали використовують, щоб запобігти великих втрат тепла у житлових будинках.

Пояснимо тепер явище конвекції. Ви знаєте з 7 класу про об’ємне розширення тіл. При нагріванні газ або рідина розширюються. При цьому зменшується їхня густина. Унаслідок цього шари рідини чи газу з меншою густиною і вищою температурою витісняються холодними шарами. Цим і обумовлюється конвекція. З цих причин при наявності у якомусь місці джерела тепла від нього в оточуючому середовищі виникають теплові потоки — повітряні (зокрема, атмосферні) або рідинні, з’являються морські та океанічні течії. Прикладами таких гігантських течій є, наприклад, течія Гольфстрім, утворена значною мірою сильним прогріванням води у Мексиканській затоці, Kypo Cio (тепла течія у північній частині Тихого океану).

Маломасштабними конвективними тепловими потоками є потоки, які виникають у приміщеннях унаслідок існування різних температур.

Конвекція — це теплообмін в газах, рідинах внаслідок перенесення енергії потоками речовини.

Ви вже знаєте, що Сонце — джерело світла і теплоти. У той же час нам відомо, що воно знаходиться за мільйони кілометрів від Землі, далеко за межами її атмосфери. Тому передача теплоти у цьому випадку відбувається    завдяки    випромінюванню

електромагнітних хвиль.

Ми вже говорили, що тепло від Сонця на Землю і інші планети приходить через космічний простір, тобто фактично через вакуум. Отже, у цьому випадку ні про теплопровідність, ні про теплову конвекцію мова йти не може. Тут ми маємо справу з тепловим випромінюванням. Теплообмін може відбуватися шляхом випромінювання і поглинання енергії. Шзніше ви дізнаєтеся, що не тільки джерела світла випромінюють енергію, її енергію випромінюють всі тіла.

Світлі і блискучі поверхні добре відбивають теплове випромінювання, темні і нерівні поверхні його добре поглинають. На цій фізичній закономірності будують, наприклад, сонячні колектори (мал. 20 а), теплиці (мал. 20 б).

Основною частиною сонячного колектора (1) є чорна жорстка труба з водою (колектор). Зверху вона покрита тонким шаром скла, щоб її можна було утримувати чистою та сприяти поглинанню випромінювання. Сонячне випромінювання нагріває колектор і воду в ньому. Тепла вода з колектора протікає через змійовик у бойлері (резервуар з водою) (2) і нагріває її. Тепла вода з бойлера використовується для різних потреб, наприклад, опалення. У теплиці сонячні промені через скло попадають всередину, де нагрівають повітря і освітлюють рослини.

Процес зміни внутрішньої енергії тіла без виконання ним або над ним роботи називають теплопередачею або теплообміном. Теплопередача може здійснюватися теплопровідністю, конвекцією, випромінюванням.

1. У чому полягає процес теплопередачі? 2. Якими способами здійснюється теплопередача? 3. Наведіть приклади теплопередачі. 4. Що таке теплопровідність?

5.    У чому полягає явище конвекції? 6. Чому випромінюванням можна змінити внутрішню енергію тіла? ? 1. Чому влітку носять одяг, як правило, світлих тонів?

2. Чому в термосі добре зберігається гаряча вода і так же добре зберігається холодна вода? 3. Дві палички однакових розмірів мають кімнатну температуру. Одна паличка мідна, друга дерев’яна. Яка з паличок буде здаватись холоднішою, коли доторкнутись до них рукою? Чому? 4. Двигун автомобіля часто має водяне охолодження. Який фізичний принцип лежить у його основі? 5. Чому батареї опалення ставлять під вікном?

6.    На дні пробірки тримають лід. Воду у верхній частині пробірки гріють. Зверху вода кипить, а лід на дні залишається. Чому?

1. Покажіть роль знань про види теплопередачі на прикладі світового кругообігу води та руху води у Світовому океані. 2. Розгляньте мал. 19. Проаналізуйте будову термоса (корок — «стоп конвекція», дзеркало — «геть випромінювання!», вакуум — «ні теплопровідності!» і т.д.)

Виконай проект

«Енерговитрати в житлі», «Можливості зменшення енерговитрат в житлі», «Сонячний колектор для теплиці».

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз