§ 6. Види теплообміну та їх використання в побуті й техніці

Теплопровідність

Конвекція

Променевий теплообмін

ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ. Теплові явища, з якими ми стикаємося в природі й побуті, пов’язані з передачею теплоти від одних тіл до інших, тобто з теплообміном. Як відбувається теплообмін між тілами?

Розглянемо особливості передачі теплоти на досліді. Металевий стрижень закріпимо одним кінцем у штативі. Прикріпимо вздовж нього воском кілька металевих цвяхів. Спиртівкою нагріватимемо вільний кінець стрижня. Через деякий час він почне нагріватися, і віск, що утримує цвяхи, буде танути. Першим відпаде цвях, розташований найближче до кінця стрижня в полум’ї спиртівки. За ним по черзі відпадатимуть наступні цвяхи (рис. 6.1).

Ми побачили, що теплота від полум’я спиртівки передається металевому стрижню й поступово цвяхам на ньому. Як відбувається цей процес? У полум’ї спиртівки молекули повітря мають значну кінетичну енергію, яка суттєво більша, ніж кінетична енергія хаотичного руху атомів кристалічної ґратки стрижня. Під час зіткнення молекули повітря передають енергію її атомам. Спочатку збільшується швидкість хаотичного руху атомів кристалічної ґратки й, відповідно, температура частини стрижня над спиртівкою. Поступово атоми з більшою енергією передають її частину сусіднім атомам. Підвищується температура наступних частин металевого стрижня. Через деякий час температура всіх частин стрижня стає однаковою. Передачу енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих шляхом безпосередньої взаємодії мікрочастинок називають теплопровідністю.

Теплопровідність — це передача теплоти від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, зумовлена хаотичним рухом мікрочастинок речовини.

Теплопровідність відбувається без перенесення речовини з однієї частини тіла до іншої.

Від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої внутрішня енергія передається за рахунок особливостей молекулярної будови речовини. Мікрочастинки твердих тіл коливаються відносно стану рівноваги, й досить рідко відбувається їх перехід з одного шару речовини в інший. З підвищенням температури певної ділянки тіла збільшується інтенсивність коливань частинок речовини, їхня кінетична та потенціальна енергія зростає. Збільшується кількість та посилюється інтенсивність співударів цих частинок із частинками сусідніх, холодніших шарів з нижчою температурою. Частинки з більшою енергією передають її надлишок сусіднім частинкам, енергія яких зростає, а температура підвищується. Потім енергія передається до наступного шару. Такий процес передачі енергії відбувається достатньо повільно.

Теплопровідність супроводжується передачею внутрішньої енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих без перенесення речовини.

Саме метали мають найбільшу теплопровідність, яка у сотні та тисячі разів більша, ніж в інших речовин. Найкраще проводять тепло мідь та срібло. Висока теплопровідність металів пов’язана з особливостями їх будови та зумовлена, на відміну від інших твердих тіл, не лише хаотичними тепловими коливаннями у вузлах кристалічної ґратки, а й тим, що між ґратками є багато вільних електронів, які утворюють так званий електронний газ, що й забезпечує високу теплопровідність.

На ділянці з вищою температурою частина електронів отримує більшу кінетичну енергію. Ці електрони легко долають проміжки між йонами. Стикаючись із йонами в холодніших шарах металу, електрони передають їм надлишок своєї енергії, що зумовлює підвищення температури в цій ділянці. Поступово внутрішня енергія передається більш холодної ділянки.

Варто зазначити, що теплопровідність металів значно перевищує теплопровідність рідин та газів. Наприклад, теплопровідність води у 330 разів менша, ніж у міді. А теплопровідність повітря, в свою чергу, у 25 разів менша, ніж у води.

Яке значення має теплопровідність у природі та техніці? Вам, напевно, доводилося чути від старших, що сувора зима без снігу надзвичайно небезпечна для пшениці, посіяної восени (озимини). Сніг погано проводить тепло, оскільки він пухкий і між його кристачиками міститься багато повітря, яке має невелику теплопровідність. Тому під снігом посіви озимої пшениці надійно захищені до весни (рис. 6.2).

Теплопровідність газів є наслідком хаотичного невпорядковано-го теплового руху їх атомів або молекул. Швидкі молекули газу з шарів із вищою температурою переміщуються у холодніші шари. Молекули, що рухаються з меншими швидкостями, переходять у більш нагріті шари, заміщуючи швидкі молекули. При цьому середня кінетична енергія теплового хаотичного руху молекул газу в нагрітому шарі зменшується, а відповідно, знижується температура газу. Тому гази погано проводять тепло. Завдяки незначній теплопровідності газів їх широко використовують при виготовленні теплоізоляційних матеріалів.

Сучасні віконні системи мають подвійне та потрійне скло з повітряними прошарками (6.3, а).

Сьогодні у будівництві широко використовуються спеціальна цегла з отворами для повітря (6.3, б) і газоблоки з пористою структурою (6.3, в). Стіни будинків утеплюють пінополістирольними плитами (6.3, г).

Малу теплопровідність мають дерево, пластик, тканина. Тому ручки кухонного посуду виготовляють із дерева та пластику, а гарячий чайник із металевою ручкою знімають із плити за допомогою ганчірки.

Отже, різні речовини мають не однакову теплопровідність.

КОНВЕКЦІЯ. На відміну від металів, у рідинах та газах теплообмін може супроводжуватися перенесенням речовини — конвекцією.

Конвекція — теплообмін у рідинах та газах, який супроводжується перенесенням речовини.

Щоб спостерігати конвекцію, закріпимо в штативі скляну трубку у формі прямокутника. Заповнимо її водою та додамо кілька частинок перманганату калію. Нагріватимемо спиртівкою трубку в певному місці. Помітимо, як у воді виникають конвекційні потоки: рідина весь час перемішується (рис. 6.4).

Холодні (зафарбовані) шари води опускаються донизу, а нагріті піднімаються догори. Тобто відбувається перенесення речовини.

Розглянемо, чому це відбувається. Рідина у нижній частині скляної трубки нагрівається і внаслідок цього її густина зменшується, а об’єм збільшується. Відповідно збільшується й архімедова сила, що діє на нагріті шари рідини. Тому вони піднімаються вгору, витісняючись холодними шарами рідини.

Подібним чином відбувається конвекція струменів повітря. Завдяки природній конвекції постійно перемішуються повітряні маси, у зв’язку з чим виникають конвекційні потоки в атмосфері — вітри. Прикладом конвекції в атмосфері Землі є берегові бризи. Механізм їх утворення пояснюється конвекцією повітряних мас. Удень суша прогрівається Сонцем швидше, ніж вода. Тому повітря над сушею прогрівається сильніше, ніж над морем. Густина повітря над сушею зменшується, утворюється зона низького тиску, а над морем утримується зона підвищеного тиску. Холодніше повітря інтенсивно рухається з моря у бік зниженого тиску до берега, дме вітер, який називають денним бризом. Уночі суша охолоджується швидше, ніж море. Над нею формується область підвищеного тиску, і охолоджене повітря рухається в бік області зі зниженим тиском, до моря. Так званий нічний бриз дме із суші на море (рис. 6.5).

Рідини та гази нагрівають, як правило, знизу. При нагріванні згори конвекція не відбуватиметься, оскільки верхні шари з меншою густиною (більш нагріті) не опускаються донизу і не відбувається перемішування. Крім того, конвекція можлива за умови, що між частинами речовини є різниця температур.

Тому радіатори водяного опалення та електричні конвектори-обігрівачі встановлюють поблизу підлоги (рис. 6.6).

Прохолодніше повітря опускається донизу, нагрівається та піднімається вгору. Завдяки природній конвекції повітря прогрівається рівномірно й у кімнаті підтримується стала температура.

Вимушена конвекція використовується в системах охолодження двигунів автомобілів, жарових і сушильних шафах (рис. 6.7).

ПРОМЕНЕВИЙ ТЕПЛООБМІН. Особливістю теплопровідності та конвекції є передача теплоти в певному середовищі за допомогою мікрочастинок речовини. Чи замислювалися ви над тим, яким чином тепло від Сонця потрапляє на Землю? Адже ці небесні тіла розділяє вакуум, де концентрація мікрочастинок незначна й вони не можуть забезпечити передавання теплоти. Виявляється, що в природі існує ще один вид теплообміну, який не потребує молекул та атомів. Він зумовлений перетворенням внутрішньої енергії тіла в енергію теплового, або променевого, випромінювання.

Променевий теплообмін — це процес перенесення внутрішньої енергїі від одного тіла до іншого внаслідок випускання, поширення та поглинання випромінювання.

Процес випромінювання та поглинання теплоти відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії тіла.

Чашка з гарячим чаєм випромінює теплову енергію, поступово охолоджуючись. Її внутрішня енергія та, відповідно температура, зменшується. Склянка води на сонці нагрівається, поглинаючи теплове випромінювання, її внутрішня енергія, а отже, температура, збільшується.

Для спостереження особливостей теплового випромінювання проведемо дослід. U-подібний манометр (стовпчики зафарбованої рідини в обох колінах однакові) з’єднаємо з теплоприймачем на штативі. На одному рівні з теплоприймачем розташуємо підставку. Якщо масивну гирю нагріти до високої температури (300— 500 °С) і встановити на підставку, то через деякий час рівновага стовпчиків манометра порушиться. Тобто в теплоприймачі збільшиться тиск. Унаслідок променевого теплообміну між гарячою гирею та теплоприймачем підвищиться температура повітря, а отже, й тиск у ньому, зміну якого покаже манометр (рис. 6.8).

Унікальним природним джерелом енергії, що забезпечує існування всього живого на нашій планеті, є Сонце. Завдяки променевому теплообміну його енергія надходить до Землі, підтримує кругообіг води в природі та циркуляцію повітряних мас, фотосинтез, що є основою життєдіяльності рослинних організмів. За рік Сонце випромінює приблизно 1,2—10^3<1 Дж енергії, з яких лише 0,000 000 002 % отримує Земля.

Перспективи майбутньої екологічно чистої енергетики пов’язують саме з використанням енергії Сонця (рис. 6.9).

Співвідношення випромінюваної та поглинутою енергії залежить від температури, стану та кольору поверхні тіла. Тіло випромінює тим більше енергії, чим вища його температура.

Тіла з чорними шорсткими поверхнями випромінюють і поглинають більше енергії, ніж тіла з білими та гладенькими поверхнями, нагріті до однакової температури. Тому спеціальні матеріали з відбивними поверхнями використовують для зменшення втрат теплового випромінювання. Наприклад, тепловідбивні екрани з фольги або порилексу розташовують за радіаторами водяного опалення в кімнаті (рис. 6.10). Таким чином стіна ізолюється від нагрівана й тепло зберігається в кімнаті.

Теплову енергію випромінюють та поглинають усі тіла при будь-якій температурі, вищій від абсолютного нуля. Навіть шматок льоду випромінює тепло. Проте ми не відчуваємо цього, піднісши до нього р>чсу, оскільки рука випромінює більше тепла, ніж поглинає.

Людина й тварини теж є джерелами теплового випромінювання (рис. 6.11).

«Побачити» його можна за допомогою спеціальних пристроїв — тепловізорів (їх ще називають приладами нічного бачення) (рис. 6.12).

На дисплеї тепловізора відображається розподіл температури досліджуваного об'єкта у вигляді кольорової гами, де певному діапазону температур відповідає визначений колір.

Головне в цьому параграфі

Теплопровідність — це передача теплоти від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, зумовлена хаотичним рухом мікрочастинок речовини. Теплопровідність супроводжується передачею внутрішньої енергії від більш нагрітих до менш нагрітих тіл без перенесення речовини.

Конвекція — теплообмін у рідинах та газах, який супроводжується перенесенням речовини.

Променевий теплообмін — процес перенесення внутрішньої енергії від одного тіла до іншого внаслідок випускання, поширення та поглинання випромінювання.

Запитання для самоперевірки

1.    Що називають теплопровідністю речовини?

2.    Наведіть приклади речовин із різною теплопровідністю.

3.    Поясність особливості теплопровідності металів.

4.    Наведіть приклади конвекції в природі.

5.    Поясніть, чому рідини та гази нагрівають знизу.

6.    Чи можлива конвекція у твердих тілах?

7.    Чи може відбуватися конвекція в кабіні космічного корабля в умовах невагомості?

8.    Наведіть приклади використання конвекції в побуті та техніці.

9.    Що називають променевим теплообміном?

10.    Як відбувається променевий теплообмін?

11.    Яке значення має променевий теплообмін у природі та техніці?

Вправа до § 6

1(п). Поясніть, чому для теплоізоляції використовують пінополістирол, газоблоки, пористу цеглу.

2(п). Поясніть, чому в жарку погоду доцільно вдягати світлий одяг. 3(c). Чому нагрівний елемент електрочайника розташовують унизу приладу?

4(c). Поясніть, як зміниться ефективність роботи електричного конвектора, якщо його розташувати високо над підлогою.

5(д). Який зі способів теплопередачі може бути використаний для обігріву космічного корабля в умовах невагомості?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко