Теплообмен всегда длится некоторое время, в течение которого температуры тел постепенно выравниваются, пока не наступит термодинамическое равновесие (см. § 6-б). Но возникает вопрос: постоянна ли скорость передачи теплоты между телами или, как говорят в физике, мощность теплообмена?
Рассмотрим опыт. Температура в комнате 20 °С. Нальём в стакан горячей воды и опустим в неё термометр. Будем измерять температуру каждую минуту, отражая её на графике:
 |
В начале опыта разница между температурой воды и окружающей среды была велика, а затем она уменьшалась. Важно: за каждую следующую минуту температура воды падала меньше, чем за предыдущую. Поэтому сделаем вывод: чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем больше его мощность, то есть за единицу времени передаётся больше теплоты, и наоборот. Эту закономерность подметил английский учёный И.Ньютон ещё в конце XVII века.
Обратим внимание: линия графика не опускается ниже 20 °С. То есть вода остывает, но не становится холоднее температуры окружающей среды. Этот и многие другие опыты позволили сформулировать второй закон термодинамики: теплообмен всегда протекает лишь в таком направлении, что теплота самостоятельно переходит только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.
Так устроен окружающий нас мир: невозможно наблюдать явление, когда теплота будет самостоятельно переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Иначе говоря, тепловые явления характеризуются однонаправленностью передачи тепловой энергии.
Особенности теплообмена способом излучения. В современной науке считается, что любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, испускает излучение, мощность которого возрастает при повышении температуры тела. То есть излучение испускают все окружающие нас тела: маленькие и большие, светящиеся и тёмные, горячие и холодные.
Рассмотрим мысленный эксперимент. Пусть рядом находятся два тела с различной температурой. Они оба излучают энергию в окружающее пространство, часть из которой достигает второго тела. То есть существуют потоки энергии как от более горячего тела к более холодному, так и в обратном направлении. Но, поскольку мощности «прямого» и «обратного» излучений различны, более горячее тело получит меньше энергии, чем отдаст, поэтому станет остывать; более холодное тело, напротив, отдаст меньше энергии, чем получит, поэтому начнёт нагреваться. В результате теплообмен излучением будет подчиняться второму закону термодинамики, что мы и наблюдаем.
 |
В заключение проделаем опыт с прибором «куб Лесли». Это металлический ящик, одна грань которого выкрашена чёрной краской, вторая – белой, третья – серой краской, а четвёртая отполирована до зеркального блеска. Внутрь наливают кипяток. Поднося ладонь на равное расстояние к различным граням, несложно заметить, что чёрная грань сильно излучает тепло, а остальные грани – слабее.
Ещё в XIX веке немецкий физик Г. Кирхгоф установил закон, из которого следует, что тела, более интенсивно излучающие энергию, также более интенсивно будут её поглощать. Это можно подтвердить опытом с тем же «кубом Лесли». Выльем воду, оставив стенки куба изнутри влажными, а затем поставим вокруг четыре одинаковых зажжённых свечи на равных расстояниях от граней. Наблюдая за скоростью высыхания внутренних стенок, мы заметим, что сначала высохнет та стенка, которая снаружи чёрная; остальные стенки высохнут заметно позже.