§ 9. Променевий теплообмін

Думки вголос

Я зможу дати відповіді на запитання: як відбувається передача тепла променевим теплообміном від джерела до оточуючих тіл.

Наше життя завжди пов’язане із різними джерелами теплової енергії і залежить від них. Сонце — джерело життя на Землі. Вона отримує енергію Сонця з відстані 150 млрд км крізь космічний вакуум. Зрозуміло, що теплопередача при цьому не може здійснюватися шляхом теплопровідності або конвекції.

Як відбувається передача тепла від Сонця до Землі?

Таке саме питання виникає, коли ми сидимо біля вогнища і відчуваємо, як його тепло передається нам (мал. 46).

Адже між полум’ям і нашим тілом є шар повітря, який має низьку теплопровідність, отже, тепло передається нам не за рахунок теплопровідності. Та й конвекцією в цьому випадку пояснити передачу тепла не можна, оскільки конвекційні струмені тепла піднімаються вгору, а з нашого боку до вогнища притікає холодне повітря. Отже, йдеться ще про один вид теплопередачі, який називають випромінюванням, для якого непотрібна наявність будь-якого проміжного середовища між тілом і нагрівником.

Як вивчатимемо цей вид теплопередачі?

Для дослідження нам знадобиться теплоприймач (мал. 47, б) — металева плоска кругла коробка, один бік якої дзеркальний, а другий — покритий чорною фарбою. З'єднаємо його за допомогою гумової трубки з манометром (мал. 47, а). Розмістимо на деякій відсталі від теплоприймача ввімкнений електронагрівач (мал. 47, в). Невдовзі манометр покаже, що тиск повітря всередині теплоприймача збільшився внаслідок його нагрівання від стінки коробки, температура якої підвищилася через променевий теплообмін з електронагрівачем.

Якщо теплоприймач повернути до нагрівана чорним боком, а потім дзеркальним, то можна пересвідчитися, що темні тіла поглинають теплові промені краще, ніж світлі. Дослідження показують, що теплову енергію випромінюють усі тіла, що мають температуру, більшу за абсолютний нуль (абсолютний нуль дорівнює -273 °С).

Що вища температура тіла, то більше енергії передає воно шляхом випромінювання. Ми не бачимо проміння оком, але сприймаємо його шкірою як тепло, що надходить від джерела. У нашому досліді розжарений нагрівач є потужним джерелом теплового проміння, яке й сприйняв теплоприймач.

Випромінювання — це вид теплообміну, який може відбуватися без проміжного середовища між тілами і зумовлений випусканням і поглинанням ними теплового проміння.

Результати дослідів, подібних до нашого, доводять, що тіла з темною поверхнею краще випромінюють і поглинають теплове проміння. Тіла, які мають світлу та блискучу поверхню, випромінюють і поглинають енергію гірше, ніж темні.

Це пояснює, для чого одні предмети фарбують темними фарбами, а інші роблять блискучими. Наприклад, чайник з блискучою поверхнею довше зберігає воду теплою, тому що така поверхня менше випромінює тепла, ніж темна. Влітку ми переважно носимо світлий одяг, а взимку — темний.

Сонячне проміння має велике значення для життя на Землі (мал. 48). Температура поверхні Сонця » 6000-7000 °С. До Землі доходить вагома частина сонячного проміння: за 1 с » 10¹⁷ Дж сонячної енергії (для порівняння за 1 с реактор атомної електростанції виробляє IO⁹ Дж енергії).

Вивчення сонячного випромінювання пояснює різні природні явища.

•    Поверхня Землі та всі тіла на її поверхні поглинають видиме світло від Сонця і потім самі стають джерелами невидимого теплового проміння.

•    Ґрунт, покритий рослинами, прогрівається сонячним промінням гірше.

•    Хмари відбивають назад теплове проміння ґрунту, тим самим зменшуючи його втрати. Тому у ясну погоду охолодження ґрунту сильніше, ніж у хмарну погоду.

•    У теплицях скляні або плівкові рами дуже добре пропускають видиме сонячне світло вдень, а вночі пагано пропускають назовні теплове проміння ґрунту, тому він не замерзає.

Кількість енергії у вакуумі, що досягає поверхні Землі, у 6000 разів більша від потреби в енергії людей усього світу, а навчилися ми її використовувати дуже мало. Проблема енергії стоїть у світі дуже гостро — нестача вугілля, природного газу веде до зниження добробуту людей. Наше завдання — навчитися використовувати на користь людей енергію Сонця (мал. 49).

А ти знаєш?

Курці щороку викурюють, тобто викидають в атмосферу, 720 т синильної кислоти, 384 000 т аміаку, 108 000 т нікотину, 600 000 т дьогтю й понад 500 000 т чадного газу. Загальна маса недопалків на Землі за рік становить 2 520 000 т. Тютюновий дим, що накопичується в атмосфері Землі, затримує ультрафіолетове проміння Сонця.

Підсумки

•    Усі тіла за температури, більшої за абсолютний нуль, випромінюють теплову енергію. Цей вид передачі тепла називають променевим теплообміном.

•    Що більша температура джерела, то більша променева передача тепла.

•    Тіла мають властивість поглинати теплову енергію. Ця властивість у темних тіл більша, а у світлих менша.

•    У вакуумі передача теплової енергії відбувається променевим теплообміном.

Перевір свої знання

1*. Чому в старому чайнику, після того як його зняли з нагрівана, вода остигає повільніше, ніж в такому самому новому?

2*. Що забезпечує добрі теплоізоляційні властивості зовсім не схожих між собою матеріалів таких, як цегла і вовна?

З*. Господарці необхідно закип’ятити воду в каструлі. Бажаючи економити електроенергію, вона зменшила потужність електроплити. Чи досягне господарка своєї мети?

4*. В кімнату з вулиці занесли в пакеті лід. Чи прискориться танення льоду, якщо пакет загорнути в пухову хустку?

5*. Чому у світлому чайнику вода довше зберігає високу температуру, ніж в темному?

6*. Чому крила літаків фарбують срібною фарбою, а прилади сонячних батарей на штучних супутниках Землі, навпаки, темним кольором?

7*. Чому показання вуличного термометра на сонячній стороні будинку відрізняються від показань в тіні будинку?

8**. Чим відрізняється механізм теплопровідності від променевого теплообміну?

9**. Чому хмари не падають?

IO^iwf. Для чого потрібні подвійні віконні рами? Чи стане в приміщенні тепліше, якщо проміжки між рамами збільшити?

Il^iwf*. Запалену свічку піднесли до щілини між вхідними дверима в будинок — полум’я відхилилось назовні. Коли проводили цей дослід — влітку чи взимку?

12***. Запропонуй проект «Як можна використати енергію Сонця для обігріву власного будинку?»

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко