Рассмотрим различные виды теплопередачи.

С помощью теплопроводности энергия может передаваться от одного тела к другому, а может и внутри одного тела. Обязательное условие при этом – разность температур. Если взять два тела разной температуры и сделать так, чтобы они соприкасались, то энергия будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому (см. рис. 19).

Рис. 19. Два тела с разной температурой

Если нагревать один край железного стержня, то тепло будет передаваться к другому его краю (см. рис. 20).

Рис. 20. Распространение тепла по стрежню

В итоге весь стержень нагреется, но один край нагреется позже. При этом чем больше разность температур, тем быстрее происходит теплопередача.

Как долго держать подмышкой термометр?

Когда мы болеем, то измеряем температуру тела. Самые распространенные термометры – ртутные (см. рис. 21).

Рис. 21. Ртутный термометр

Как долго нужно с ними сидеть? Вы наверняка слышали разные варианты ответов: 5 минут, 10, 7. Какой правильный? Давайте разберемся.

Чтобы термометр показал температуру тела, он должен нагреться до этой температуры. Как только мы взяли термометр при комнатной температуре, между ним и телом начинается теплопередача через теплопроводность (см. рис. 22).

Рис. 22. Теплопередача

Разность температур сначала может достигать 15 градусов, поэтому теплопередача протекает быстро, и через 5 минут его температура может отличаться от температуры тела на несколько десятых градуса. Такой точности достаточно, чтобы понять, болен ли человек. Оставим термометр еще на 5 минут. Разность температур мала, скорость теплопередачи мала, и за это время термометр нагреется еще на пару десятых градуса. То есть он покажет температуру немного точнее, чем после первых пяти минут.

Поэтому, когда мы выбираем время измерения температуры, речь идет о точности в десятые доли градуса. А основная часть тепла передается за первые минут пять.

Разные вещества по-разному передают тепло: одни хорошо, другие плохо. Так, обычно металлы хорошо проводят тепло, или говорят, «обладают хорошей теплопроводностью» (см. рис. 19). А дерево, наоборот, имеет плохую теплопроводность (см. рис. 23).

Рис. 23. Плохая теплопроводность

Почему у металлов высокая теплопроводность?

Ученые заметили, что высокой теплопроводностью обладают вещества, которые хорошо проводят ток. Нам еще предстоит подробно изучить, что такое электрический ток, но пока остановимся на базовых вещах. Что объединяет проводники электрического тока? В них есть заряженные частицы, которые свободно перемещаются в веществе, и, если приложить к проводнику напряжение, эти частицы будут двигаться направленно (см. рис. 24).

В металлах такие свободные заряженные частицы – это электроны, которые оторвались от атомов (обычно по одному-два от каждого атома) (см. рис. 25).

Рис. 25. Металлы

Будем считать, что электрическое притяжение электрона к атому не влияет на их движение, электроны свободны.

Обратим внимание: в металлах есть свободные электроны, и металлы хорошо проводят тепло (см. рис. 20) – это может быть как-то связано?

Масса электрона примерно в 56 000 раз меньше массы атома железа (берем в качестве примера), но скорость движения электрона в сотни раз больше скорости перемещения атома. Скорость в формуле для кинетической энергии возводится в квадрат, а электрона в десятки тысяч раз больше, чем атома. Так что электрон обладает кинетической энергией , сопоставимой с кинетической энергией атома, и может при столкновении передавать ему энергию. Получается, свободные электроны могут участвовать в процессе теплопроводности.

Есть кусок металла, который локально подогревается, в этом месте увеличилась кинетическая энергия частиц, в том числе свободных электронов (см. рис. 26).

Электроны хаотично движутся с большой скоростью, поэтому часть из них оказывается в ненагретой части металла и там сталкивается с частицами вещества, передавая им часть энергии. Это не направленный поток быстрых электронов, это самопроизвольное «перемешивание» электронов при хаотичном движении внутри вещества, подобное диффузии. И более медленные электроны, оказавшись в нагреваемой области вещества, при столкновениях увеличивают свою кинетическую энергию и могут так же попасть в ненагретую область и отдать там энергию.

Конечно, перенос энергии электронами происходит не мгновенно: хоть их скорость и велика, они постоянно сталкиваются друг с другом, с атомами, что замедляет их «перемешивание». И передача энергии от соседнего атома к соседнему тоже никуда не исчезает. Но все равно с помощью свободных электронов теплота в проводниках передается в несколько раз быстрее, чем от атома к атому.

В остальных веществах такого дополнительного механизма передачи энергии нет, и их теплопроводность ниже.

Но, даже не задумываясь о причинах, это можно использовать.

Ручки сковородок обычно делают из дерева или из других материалов с плохой теплопроводностью. Если бы они были металлическими, то из-за теплопроводности тепло быстро бы передалось к ручке и о нее можно было бы обжечься.

У воздуха, если в нем нет потоков, которые приводят к возникновению конвекции, теплопроводность мала, поэтому прослойка неподвижного воздуха между стеклами в окне – хороший теплоизолятор. А если поставить третье стекло, то таких прослоек воздуха будет две – теплоизоляция улучшится (см. рис. 27).

Рис. 27. Двойной стеклопакет

Заметьте: здесь не так важен третий слой стекла, как вторая прослойка воздуха.

Мы говорили, что конвекция возникает вследствие перемещения вещества. Когда же оно может возникнуть? Его можно создать искусственно – перемешать чай в чашке; включить тепловентилятор. В чашке мы создали движение чая, более холодные и более теплые слои чая перемешались и передали друг другу тепло, как при теплопроводности. Направленное движение воздуха в комнате вызывается вентилятором (см. рис. 28).

Рис. 28. Работа вентилятора

Теплый воздух нагревается внутри вентилятора, а затем переносится с помощью конвекции по дому.

Кроме того, конвекция может происходить и по естественным причинам. Например, из-за действия силы тяжести и силы Архимеда. Холодный воздух тяжелее теплого (плотность теплого воздуха меньше, так как молекулы дальше друг от друга), поэтому он будет опускаться вниз, а горячий – подниматься и переносить тепло вверх (см. рис. 29).

Это называется естественной конвекцией. Теперь мы можем объяснить, почему батареи ставят в нижней части комнаты. Ведь тогда из-за естественной конвекции тепло будет распространяться по всей комнате (см. рис. 30).

А вот кондиционеры крепят вверху, под самым потолком, ведь обычно их используют для охлаждения помещений (см. рис. 31).

Холодный воздух будет опускаться вниз, и температура понизится во всей комнате. Использовать же кондиционер на обогрев менее эффективно (см. рис. 32).

Рис. 32. Работа на обогрев

Теплый воздух остается вверху. Вниз передача возможна только благодаря теплопроводности, но воздух тепло проводит плохо. Поэтому греться от кондиционера получится, если направить поток воздуха прямо на себя.