Как происходит передача тепла

Свечение раскаленного металла

Теплообмен, или теплопередача — это физический процесс при котором переносится тепло от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить напрямую при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), при перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и при излучении тепла.

Теплопроводность

Что такое тепло? На физическом уровне тепло — это движение атомов и молекул. При абсолютном нуле нет никакого движения, но с ростом температуры молекулы и атомы, из которых состоит вещество, начинают двигаться. Отталкиваясь друг от друга, они стремятся уравнять свои скорости, таким образом, передают температуру от теплых объектов (или частей объекта) к холодным.

Абсолютный нуль

Самая низкая температура, которая возможна — это -273,15°C. Эта точка называется «Абсолютным нулем» и является точкой отсчета абсолютной температурной шкалы Кельвина (при этом сама шкала Кельвина соответствует шкале Цельсия).

Теоретически, при абсолютном нуле вообще отсутствует тепловое движение атомов и молекул, и они занимают четко упорядоченное положение в узлах кристаллической решетки. Но на практике такая температура недостижима. Самая низкая температура, полученная на сегодняшний день учеными в лаборатории всего на две миллиардные части градуса выше абсолютного нуля (2•10-9).

То, насколько быстро происходит передача тепла от объекта к объекту или внутри объекта зависит от их плотности и того, как упорядочены атомы в веществе. Например, у металлов атомы упакованы в плотную кристаллическую решетку, у них коэффициент теплопроводности очень высокий — металлы быстро отдают и получают тепло. И наоборот, большую часть объема газа составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не встретятся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошим теплоизолятором. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где почти абсолютный вакуум, тепло передается только путем излучения.

Конвекция

Конвекция - это процесс переноса тепла за счет перемешивания вещества. Этот процесс может быть как естественным, так и вызванным искусственно. Естественный процесс конвекции происходит из-за того, что нагретые газ или жидкость более легкие, чем холодные, и поэтому они постепенно поднимаются наверх. Принудительную конвекцию вы сами создаете каждый раз, когда дуете на ложку с супом, чтобы быстрее охладить его, или когда в вашем компьютере включается вентилятор для охлаждения процессора.

Излучение нагретого тела: цвет

Видимый цвет излучения зависит от температуры, до которой нагреты тела. Черные тела при нагреве будут иметь цвет в соответствии с табличкой ниже:

T Цвет
480 °C Слабое темно-красное свечение
580 °C Темно-красный
730 °C Ярко-красный, переходящий в оранжевый
930 °C Ярко-оранжевый
1,100 °C Бледно-оранжевый, переходящий в желтый
1,300 °C Желтоватый белый
> 1,400 °C Белый

Излучение тепла

Тепловое излучение - это один из видов электро-магнитного излучения, которое испускают заряженные частицы (из которых состоят все атомы) любых тел с положительной (абсолютной) температурой. Бо́льшая часть энергии теплового излучения передается в невидимом для глаза инфракрасном диапазоне, а почти вся оставшаяся энергия передается в виде видимого излучения. И хотя тепловое излучение не всегда можно увидеть, его легко почувствовать кожей, например, поднеся руку на некоторое расстояние к батарее. Вся энергия, получаемая Землей от Солнца передается именно излучением (в вакууме, который нас разделяет, отсутствуют теплопроводность и конвекция).