§ 8. Види теплообміну

При теплопровідності переміщення самої речовини не відбувається, передається лише енергія.

Існують три види теплообміну або теплопередачі: теплопровідність. конвекція, випромінювання. Розглянемо фізичний механізм цих процесів.

► 1. Теплопровідність. Теплопровідність - це перенесення енергії в речовині від більш нагрітих її частин до менш нагрітих, обумовлений хаотичним тепловим рухом атомів і молекул.

Звернемося до дослідів. Мідну дротину одним кінцем закріпимо у штативі (рис. 49, а). Знизу до дротини за допомогою воску прикріпимо дрібні цвяхи. Другий кінець дротини нагріватимемо на спиртівці. Побачимо, що по мірі нагрівання дротини цвяхи по черзі (від кінця, що нагрівається) відпадатимуть, оскільки розм’якшується віск, який їх утримує.

Як саме передається енергія дротиною? При нагріванні дротини зростає інтенсивність коливного руху атомів кристалічної гратки міді в місці нагрівання. Внаслідок взаємодії атомів послідовно збільшується швидкість коливального руху сусідніх мікрочастинок. Так поступово підвищується температура кожної наступної частини дротини, а, отже, внутрішня енергія.

Змінимо схему досліду (рис. 49, б). Візьмемо дві дротини - мідну і стальну, і повторимо дослід. Як видно з рисунка, мідна дротина нагрівається швидше, ніж стальна. А, отже, теплопровідність

міді вища ніж теплопровідність сталі.

Теплопровідність рідин характеризується перенесенням енергії молекулами рідини. Перенесення енергії відбувається при безпосередніх зіткненнях молекул, шляхом передачі коливань від одних частинок до інших. Теплопровідність рідин залежить, зокрема, від їх густини та міжмолекулярної відстані.

У газах механізм теплопровідності пов’язаний з хаотичним тепловим рухом молекул. Молекули з більш нагрітих місць газу при зіткненні під час руху з молекулами сусідніх, менш нагрітих місць, передають їм частину своєї енергії. У процесі теплопровідності різниці температур в газі вирівнюються.

У різних речовин теплопровідність неоднакова. З’ясуємо це на окремих прикладах. Спробуйте тримати металеву турку за ручку у процесі приготування кави - ви майже одразу відчуєте, що вона сильно нагрілася. Проте сірник, який горить, можна тримати доти, поки полум’я не дійде до пальців. Саме через різні значення теплопровідності металеве тіло здається людині холоднішим, ніж пластмасове.

► 2. Конвекція. Конвекція - вид теплообміну, обумовлений перенесенням речовини внаслідок переміщення нагрітих потоків рідин або газів.

Із досвіду відомо, що, тримаючи руку над конфоркою газової плити, де горить газ, або над увімкненою електричною плитою ми відчуваємо теплі струмені

повітря, що свідчить про перенесення тепла. Як це відбувається? Повітря, яке стикається з гарячою поверхнею плити, нагрівається і розширюється. Густина розширеного повітря менша від густини холодного, тому шар теплого повітря піднімається вгору під дією виштовху-вальної архімедової сили. Так, струмені теплого повітря обертають паперову стрічку (рис. 50), розміщену над настільною лампою.

Механізм конвекції пояснює той факт, що рідини і гази нагрівають, як правило, знизу. Проведемо дослід. Нагріватимемо воду у верхній частині пробірки (рис. 51, а). При цьому конвекція води у пробірці не відбувається: верхні теплі шари не можуть опускатись вниз і перенести енергію, а тому вода знизу залишається холодною. Оскільки вода має малу теплопровідність, то треба було б довго чекати, щоб вода в нижній частині нагрілася. Тому воду в пробірці нагрівають знизу (рис. 51, б). З тих самих причин завжди знизу нагрівається й повітря.

Оскільки конвекція пов’язана з переносом речовини (окремих шарів речовини), то вона може відбуватися лише у рідинах і газах. У твердих тілах конвекція неможлива.

► 3. Теплове випромінювання. Теплове випромінювання - вид теплообміну, обумовлений перетворенням частини внутрішньої енергії тіла в енергію випромінювання. Теплове випромінюван-

ня притаманне твердим тілам, рідинам

о

і газам. Його називають ще променевим теплообміном.

Істотною відмінністю теплового випромінювання від інших видів теплообміну є те, що воно відбувається між тілами за відсутності в середовищі між ними атомів і молекул.

З тепловим випромінюванням ми зустрічаємось повсякденно - сидячи біля багаття, каміна, гарячої батареї, підносячи руку до увімкненої лампи.

Розглянемо механізм теплообміну шляхом теплового випромінювання. Воно відбувається за рахунок внутрішньої енергії тіла, яке випромінює енергію і одночасно охолоджується. Коли випромінювання поглинається іншим тілом, його внутрішня енергія зростає - тіло нагрівається. Таким чином, за допомогою теплового випромінювання здійснюється передача енергїі від більш нагрітих тіл до менш нагрітих.

Теплове випромінювання нагрітих тіл можна спостерігати на дослідах із демонстраційним теплоприймачем (термоскопом), який показано на рис. 52. Теплоприймач - це герметично запаяний металевий циліндр, з’єднаний гумовою трубкою з U-подібним рідинним манометром. Один бік теплоприймача є чорним (рис. 52, а), а другий - дзеркальним (рис. 52, б). В U-подібній трубці при відкритих обох колінах рідина (підфарбована вода) встановлюється на однаковому рівні (тому що це сполучені посудини).

Якщо перед теплоприймачем із темною поверхнею розмістити посудину з гарячою водою, то за різницею рівнів рідини в манометрі буде спостерігатися зростання тиску (рис. 52, а). На тій же відстані від посудини з гарячою водою розмістимо теплоприймач дзеркальною поверхнею до неї - знову спостерігатимемо зростання тиску, але значно менше, ніж в першому випадку (рис. 52, б). Отже, внаслідок променевого теплообміну між посудиною з гарячою водою і теплоприймачем, останній нагрівається та нагріває наявне в ньому повітря. Тиск повітря у теплоприймачі і трубці стає більшим за атмосферний, що й фіксується рідинним манометром.

Виконаний дослід дозволяє сформулювати ще один важливий висновок: чорна поверхня поглинає більшу частину теплового випромінювання від нагрітого тіла, ніж дзеркальна.

Лід теж випромінює тепло, але ж нам здається, що від нього поширюються холодні потоки. Це пояснюється тим, що рука випромінює більше тепла, ніж поглинає від льоду, оскільки температура руки є вищою. З підвищенням температури теплове випромінювання стає більш інтенсивним, оскільки зростає швидкість теплового руху атомів і молекул.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Які три види теплообміну ви знаєте?

2.    Що називають теплопровідністю? Який механізм теплопровідності? У яких випадках слід враховувати теплопровідність тіл?

3.    Що таке конвекція? Наведіть приклади конвекції в рідинах і газах. Чи можлива конвекція у твердих тілах?

4.    Що називають тепловим випромінюванням (променевим теплообміном)? Чим відрізняється теплове випромінювання від інших видів теплообміну?

6.    Який одяг краще одягати влітку - світлий чи темний? З чим це пов’язане?

7.    Чому сніг захищає рослини у грунті від вимерзання?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 7.

1.    Користуючись рис. 53, поясніть механізм прогрівання повітря у приміщеннях. За рахунок чого утворюється неперервна циркуляція повітря у кімнаті, яка супроводжується перенесенням енергії і прогріванням усього її об’єму? Чому біля стелі кімнати завжди тепліше?

2.    У кухні знаходяться два однакові алюмінієві чайники, які містять однакову кількість води при температурі 90°С. Один з них закопчений, а другий - чистий. Поясніть, у якому з чайників вода швидше охолоне?

3.    Які ґрунти за однакових умов швидше нагріваються на сонці - піщані чи чорноземи? Відповідь обґрунтуйте.

4.    Чому для захисту від морозів використовується хутряний одяг?

5.    Поясніть, чи виконується робота і чи здійснюється теплообмін підчас вибуху у космічному просторі?

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут