§ 7. Види теплообміну

Щоб створювати ефективні системи нагрівників та холодильників, потрібно знати особливості процесів теплообміну між різними тілами.

Існує три типи теплообміну між тілами і частинами одного й того самого тіла: теплопровідність, конвекція та випромінювання.

Теплопровідність. Якщо ви візьметесь рукою за один кінець металевого стрижня, а другий піднесете до полум’я спиртівки або газового пальника, то через лічені хвилини він прогріється настільки, що далі його не можна буде утримати у руці (мал. 1.22, а). Це є наслідком того, що у металів висока теплопровідність. Від розігрітого кінця стрижня тепло швидко поширюється по всій його довжині. Як же відбувається передача тепла від однієї частини стрижня до іншої? Атоми металу (іони), розміщені у вузлах кристалічної ґратки, коливаються навколо своїх станів рівноваги. Коли ми вводимо кінець стрижня у полум’я спиртівки, атоми, які знаходяться на його поверхні, взаємодіють з атомами газів і часточок полум’я, які мають великі швидкості (мал. 1.22, б). Унаслідок цієї взаємодії швидкість їх коливань і енергія зростають.

Атоми, енергія яких зростає за рахунок співударів із часточками полум’я, взаємодіють з іншими, сусідніми атомами стрижня. Поступово змінюються швидкості коливань і енергія теплового руху усіх атомів стрижня. Завдяки низці міжатомних взаємодій тепло швидко поширюється від одного кінця стрижня до іншого. Збільшення енергії атомів на другому з кінців стрижня призводить до підвищення його температури. Настає момент, коли його вже не можна втримати в руці, щоб не обпектися. Такий процес передачі теплоти називають теплопровідністю.

Теплопровідність — це збільшення кінетичної енергії руху атомів або молекул, з яких складається тіло, внаслідок їх взаємодії між собою у напрямку від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих.

Унаслідок теплопровідності швидкість теплового руху атомів змінюється, проте самі атоми (молекули) залишаються на своїх місцях, і речовина не переноситься.

Швидкість теплопередачі за рахунок теплопровідності залежить від особливостей взаємодії молекул і атомів речовини та є різною для різних речовин. Переконаємося у цьому за допомогою простого досліду. Однакові за розміром стрижні, виготовлені з алюмінію, міді й сталі, закріплено в металевій шайбі (мал. 1.23). Стрижні мають по кілька лунок, розташованих на однакових відстанях. Лунки заповнюють воском або пластиліном і в них вставляють однакові цвяхи. Шайбу нагрівають у полум’ї спиртівки, від неї нагріваються і стрижні. Внаслідок нагрівання стрижнів віск у лунках плавиться, і цвяхи відпадають. Першими відпадають цвяхи на мідному стрижні, потім на алюмінієвому і, нарешті, на залізному. Дослід доводить, що із цих трьох речовин у міді найкраща теплопровідність, а в заліза найгірша.

Висока теплопровідність металів дає змогу використовувати їх для виготовлення кухонного посуду (каструлі, сковорідки), батарей опалення, радіаторів автомобілів, прасок та інших виробів, які повинні швидко нагріватися і передавати тепло іншим тілам (повітрю, страві, що вариться, білизні).

Низькою є теплопровідність дерева, багатьох пластмас, гуми, паперу, пінобетону, пінопласту. Ці матеріали використовують для виготовлення ручок паяльників, кухонного посуду, застосовують у будівництві для теплоізоляції приміщень.

У рідин теплопровідність значно менша, ніж у металів. Якщо пробірку з холодною водою тримати за денце, нагріваючи

у полум’ї спиртівки лише її верхню частину, то вода у верхній частині скоро закипить, а в нижній — ледь нагріється (мал. 1.24). Якщо на дно пробірки з водою помістити шматочок льоду, закріпивши його так, щоб він не спливав, і нагрівати верхню частину пробірки, то вода в пробірці теж закипає, а лід не встигає повністю розплавитися.

Ще меншу теплопровідність мають гази. Саме тому для теплоізоляції будинків, холодильників

використовують пористі матеріали: пінопласт, мінеральну вату (мал. 1.25), піно- і газобетон, цеглу з порожнинами (мал. 1.26). Теплий одяг шиють з бавовни, хутра та ін. У порожнинах і між волокнами цих матеріалів утримується повітря, теплопровідність якого низька. Для збереження тепла в будинках вікна виготовляють із подвійними і потрійними склопаке-тами, між якими є повітряний прошарок (мал. 1.27).

Якщо кількість молекул у тому чи іншому об’ємі газу зменшувати, знижуючи його тиск, то його теплопровідність теж буде зменшуватися, адже зменшиться кількість молекул, які взаємодіють. Тому розріджені гази є гарними теплоізоля-торами, а у вакуумі передача теплоти завдяки теплопровідності взагалі неможлива.

Конвекція. Розглядаючи теплообмін у різних речовинах, ми зауважили, що у рідин та газів низька теплопровідність. Проте увімкнуті батареї опалення досить швидко прогрівають повітря в кімнаті. Небагато часу потрібно й для того, щоб нагріти воду в чайнику. Зверніть увагу, рідини і гази, як правило, нагрівають знизу: посудину з рідиною розміщують над вогнем; батареї опалення кріплять до нижньої частини стіни.

Як же передається тепло рідинами та газами? Проведемо простий дослід. У колбу наллємо воду. Кілька дрібок легкорозчинного фарбника помістимо в маленький пакетик із пористого паперу, вкладемо туди дробинку або інший тягарець і, зав’язавши отвір, вкинемо на дно колби. Це потрібно для того, щоб фарбник розчинявся поволі.

Почнемо підігрівати колбу над полум’ям. Через деякий час побачимо забарвлені струмені, які піднімаються в центрі колби з пакетика до поверхні рідини і, досягнувши її, опускаються донизу біля стінок. Цей процес називають конвекцією(від лат. сопуееНо — перенесення, доставка).

На дні колби вода починає прогріватися знизу за рахунок теплопровідності скла колби, й відбувається її розширення. Внаслідок розширення густина теплої води стає меншою, ніж шарів холодної води, що її оточують, і вона піднімається вгору. Пригадайте, якщо густина тіла менша, ніж густина рідини, воно спливає.

З боку оточуючої холодної води, густина якої перевищує густину води, яка прогрілася, починає діяти виштовхувальна сила. Місце теплої води займає холодна вода, яка теж прогрівається і, у свою чергу, піднімається вгору.

У верхніх шарах температура нижча. Унаслідок взаємодії молекул теплої води з молекулами оточуючої холоднішої води їх кінетична енергія зменшується, потік теплої води поступово охолоджується, густина води знову збільшується, і біля стінок колби вона знову опускається до дна (мал. 1.28). За рахунок такого переміщення вода поступово прогрівається в усьому об’ємі. Такі самі процеси відбуваються й під час нагрівання інших рідин.

Гази, як і рідини, під час нагрівання теж розширюються, а їхня густина зменшується. На тепле повітря, відповідно до закону Архімеда, починає діяти виштовхувальна сила. Густина повітря, яке, наприклад, контактує з гарячою батареєю в кімнаті, зменшується, й воно піднімається вгору, а його місце займає холодне повітря. Піднімаючись до стелі, тепле повітря поступово охолоджується й опускається донизу. Так виникають конвекційні потоки повітря і відбувається його перемішування та нагрівання (мал. 1.29).

Нагрівання рідин і газів відбувається завдяки конвекції: утворенню потоків речовини та її перемішуванню.

Конвекційні потоки повітря над увімкнутою електричною плиткою, лампочкою чи батареєю опалення можна виявити, скориставшись легкою паперовою змійкою або млинком, встановленим на вістря голки. Потоки теплого повітря й газів, що

піднімаються, добре видимі в тіньовій проекції. Якщо, скориставшись освітлювачем для тіньового проектування (або діапроектором), спрямувати на екран широкий пучок світла і в нього ввести, наприклад, запалену спиртівку або свічку, то на екрані можна спостерігати тіні від струменів нагрітого повітря й газів, які утворилися під час горіння. Розмістивши над полум’ям пластину, можна побачити, як вони її обтікають, піднімаючись угору (мал. 1.30).

Конвекція — дуже поширений у природі вид теплообміну. У земній атмосфері виявом конвекції є вітри. Сонячні промені, досягаючи Землі, нагрівають її поверхню неоднаково. Наприклад, у літні дні суходіл нагрівається швидше й до вищої температури, ніж вода в морі. Пригадайте, пісок на пляжі, асфальт, каміння у літній сонячний день нагріваються так, що на них неможливо ступити босою ногою, а вода має нижчу температуру. Тому повітря над суходолом нагрівається істотніше. Тепле повітря піднімається вгору, а його місце займає холодніше повітря. Так виникають конвекційні потоки повітря на узбережжі великих водойм, наприклад морські вітри — бризи, що дмуть на узбережжі морів і великих озер. Удень вітер (денний бриз) дме з моря на суходіл (мал. 1.31), а вночі, навпаки, нічний бриз дме з суходолу в бік моря. Суходіл охолоджується швидше, ніж вода в морі чи великому озері. Якщо ви купалися рано-вранці або пізно увечері, то знаєте, що температура води й повітря над нею в цей час вища за температуру суходолу й повітря над ним. Тому холод-

ніше повітря з суходолу починає переміщуватися до моря, займаючи місце більш теплого повітря, яке піднімається вгору (мал. 1.32).

Конвекційні потоки теплого повітря, що піднімаються, застосовують пілоти безмоторних літальних апаратів (планеристи та дельтапланеристи; мал. 1.33), орли (мал. 1.34) та інші великі птахи, щоб тривалий час утримуватися в повітрі.

Для швидшого нагрівання рідин і газів або, навпаки, їхнього охолодження використовують примусову конвекцію, збільшуючи швидкість потоків рідин і газів за допомогою вентиляторів або просто перемішуючи рідини, гази. Саме тому, щоб швидше охолов чай, його помішують ложкою. Для охолодження в спеку люди застосовують віяла та вентилятори.

Конвекція — це такий вид теплообміну, за якого внутрішня енергія тіла (газу, рідини) збільшується завдяки перенесенню речовини.

Збільшивши внутрішню енергію в одному місці, речовина переміщується в інше, де внутрішня енергія менша. У цьому головна відмінність конвекції від теплопровідності.

Випромінювання. Коли Сонце піднімається на небосхилі, ми відчуваємо його тепло. Сонце — не лише джерело світла. Сонячні промені нагрівають поверхню Землі. Відстань між Сонцем і Землею становить 150 мли км — це космічний простір, в якому неможливі конвекція й теплопровідність.

Піднісши руку до електричної лампочки знизу, ми відчуємо тепло, незважаючи на те, що конвекційний потік нагрітого нею повітря піднімається вгору. На значній відстані відчувається жар від багаття. В цих випадках теплопередача відбувається за рахунок випромінювання. На відміну від теплопровідності та конвекції для випромінювання наявність речовини не має значення.

Усі тіла випромінюють особливі інфрачервоні хвилі. Тіло людини, двигун автомобіля, батарея опалення, електрична праска, склянка гарячого чаю — джерела інфрачервоного випромінювання. На відміну від світла ці теплові хвилі невидимі — їх не сприймає око людини. Чим вища температура тіла, тим більша енергія інфрачервоного випромінювання. Коли інфрачервоне випромінювання потрапляє на поверхню якого-небудь тіла (долоню, поверхню Землі, дах будинку), воно взаємодіє з молекулами і атомами речовини. Це приводить до збільшення енергії молекул і атомів спочатку поверхні, а потім і всього тіла, й відтак до зростання його внутрішньої енергії та температури.

Проведемо дослід. З’єднаємо теплоприймач — плоску круглу коробочку, один бік якої відполіровано до блиску, а інший — пофарбовано чорною фарбою, із манометром і розташуємо так, щоб зачорнена поверхня була обернена до нагрітої електричної плитки із закритим нагрівником або праски, як показано на мал. 1.35.

Конвекційний потік повітря від нагрітої плитки (праски) піднімається вгору й не може нагрівати теплоприймач. Проте за кілька секунд стрілка манометра починає відхилятися. Це свідчить про те, що повітря в теплоприймачі нагрівається і його тиск збільшується. Чорна матова поверхня майже повністю поглинає усі види випромінювання. їх енергія перетворюється на енергію теплового руху молекул тіла. Але саме взаємодія інфрачервоних променів із речовиною найбільше змінює швидкість теплового руху молекул речовини.

Якщо повернути коробочку теплоприймача так, що до плитки буде обернена її відполірована поверхня, нагрівання коробочки помітно зменшиться. Білі дзеркальні поверхні значно менше нагріваються порівняно з чорними, оскільки теплові й інші промені добре відбиваються від них. Інфрачервоні промені краще, ніж видиме випромінювання, відбиваються від металевих поверхонь і добре поглинаються водою та деякими видами скла.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Який спосіб зміни внутрішньої енергії називають теплопередачею?

2.    Які є види теплопередачі?

3.    Як відбувається передача теплоти завдяки теплопровідності?

4.    Який вид теплообміну називають конвекцією?

5.    Чи можлива конвекція в твердих тілах? У вакуумі?

6.    Поясніть, як відбувається конвекція в рідинах та газах?

7.    Як відбувається передача теплоти випромінюванням?

8.    В яких середовищах можлива передача теплоти за рахунок випромінювання?

9.    Чому хутро, пух, пір’я на тілі тварин захищають їх від холоду?

10.    У яких речовин гарна теплопровідність?

11.    Чому радіатори автомобілів виготовляють із металів, які мають гарну теплопровідність?

12.    Чому рідини і гази нагрівають знизу?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко