Физика

Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлебку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия сгорающих дров переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. Другими словами, происходит теплообмен.

На рисунке представлены три способа теплообмена: теплопроводность, излучение и конвекция. Путем теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлебки. Путем излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и его одежды. А путем конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром.

Еще в конце XVII века английский физик И. Ньютон обнаружил простую закономерность: мощность теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты).

У этой общей закономерности есть простой частный случай: если температуры тел не отличаются, то мощность теплообмена будет равна нулю. Другими словами, если тела имеют равные температуры, то теплообмена не будет вообще. Например, если в воду с температурой 0 °С бросить кусок льда такой же температуры, то передача теплоты между ними происходить не будет: ни лед не начнет таять, ни вода не станет замерзать вокруг льда.

Теплообмен теплопроводностью. Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и стальную – укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Опыты показывают, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Все газы очень медленно передают теплоту. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твердых тел и газов. Тела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, мех, вата, поролон, синтепон и др. Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называюся теплопроводниками. К ним, в первую очередь, относятся все металлы – в твердом и жидком состоянии.

На рисунке вы видите радиатор, служащий для ускорения охлаждения процессора настольного компьютера. Процессор 1 вместе с другими микросхемами укреплен на плате 2. К верхней части процессора плотно прижат радиатор 3 – ребристая металлическая деталь. Теплота, выделяющаяся в процессоре, путем теплопроводности распространяется по ребрам радиатора и рассеивается в окружающем пространстве.

Теплообмен конвекцией. На рисунке вы видите тень руки с зажженной спичкой. Волнистые тени над пламенем - это струйки поднимающегося теплого воздуха. Такие тени легко получаются на стене темной комнаты при освещении спички фонариком.

Явление возникновения струй или потоков в нагреваемых или охлаждаемых жидкостях и газах называется конвекцией. Кроме того, с точки зрения термодинамики конвекция – это способ теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится потоками неравномерно нагретых веществ.

Теплоообмен конвекцией часто встречается в быту. Например, отопительные батареи-радиаторы располагаются вблизи пола под подоконником. Поэтому нагреваемый ими воздух, поднимаясь вверх, смешивается с холодным воздухом, опускающимся от окна. В результате в комнате устанавливается почти равномерная температура. Этого не происходило бы, если бы батареи располагались у потолка. Конвективные потоки возникают и внутри кастрюль с жидкостями, которые нагреваются на кухонной плите.

Теплообмен излучением. Известно, что летом в черной футболке лучше не выходить на улицу, потому что она сильно нагревается под лучами Солнца; в белой футболке заметно прохладнее. Это и многие другие наблюдения приводят нас к обобщению: темные тела лучше поглощают излучение, чем светлые. Особенно плохо поглощают лучистую энергию отполированные, зеркальные тела, так как основную долю падающего на них излучения (например, света) они отражают обратно.

В XIX веке немецкий физик Г. Кирхгоф установил закон, из которого следует, что тела, интенсивно поглощающие энергию, также интенсивно будут ее излучать. Рассмотрим пример, подтверждающий эту закономерность.

Проделаем опыт с физическим прибором "куб Лесли". Одна грань куба выкрашена черной краской, вторая – белой краской, а третья – отполирована до зеркального блеска (куб металлический). Внутрь наливают кипяток. Поднося ладонь на равное расстояние к различным граням, нетрудно заметить, что черная грань сильно излучает тепло, а белая и зеркальная грани – гораздо слабее.

Излучение испускают все тела: большие и маленькие, твердые и жидкие, горячие и холодные, светящиеся и темные. Однако при повышении температуры мощность теплового излучения всех тел увеличивается, то есть ежесекундно тело начинает излучать больше теплоты. Например, горячий чайник ежесекундно отдает окружающей среде больше теплоты, чем теплый чайник – проверьте на опыте!

Второй закон термодинамики. Взгляните еще раз на все рисунки в этом параграфе. У вас не вызывает удивления, что теплота переходит от спички – к воздуху, от Солнца – к мальчикам, от куба Лесли – к ладоням? Конечно, ничего удивительного нет! Эти и другие многие наблюдения приводят нас к обобщению, что самостоятельно теплота переходит только от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой, но не наоборот. Так гласит второй закон термодинамики. Он указывает на однонаправленность и, следовательно, необратимость явлений теплообмена.