Давайте начнем обсуждение с возвращения к нашему мысленному эксперименту, в котором металлическая банка с горячей водой была помещена в пенопластовый стакан с холодной водой. Тепло передается от горячей воды к холодной воде до тех пор, пока оба образца не будут иметь одинаковую температуру. В этом случае передачу тепла от горячей воды через металлическую банку к холодной воде иногда называют теплопроводностью. Кондуктивный тепловой поток включает передачу тепла из одного места в другое в отсутствие какого-либо потока материала. Нет ничего физического или материального, перемещающегося из горячей воды в холодную. Только энергия передается от горячей воды к холодной воде. Кроме потери энергии, от горячей воды не остается ничего другого. И кроме прироста энергии в холодную воду больше ничего не входит. Как это произошло? Какой механизм делает возможным кондуктивный поток тепла?

Такой вопрос относится к уровню частиц. Чтобы понять ответ, мы должны думать о материи как о состоящей из мельчайших частиц атомов, молекул и ионов. Эти частицы находятся в постоянном движении; это дает им кинетическую энергию. Как упоминалось ранее в этом уроке, эти частицы перемещаются по пространству контейнера, сталкиваясь друг с другом и со стенками своего контейнера. Это известно как поступательная кинетическая энергия и является основной формой кинетической энергии для газов и жидкостей. Но эти частицы также могут колебаться вокруг фиксированного положения. Это дает частицам колебательную кинетическую энергию и является основной формой кинетической энергии для твердых тел. Проще говоря, материя состоит из маленьких шевелений и маленьких хлопушек. Вигглеры — это те частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Они обладают колебательной кинетической энергией. Бэнгеры — это те частицы, которые движутся через контейнер с поступательной кинетической энергией и сталкиваются со стенками контейнера.

Стенки контейнера представляют собой периметр образца материи. Подобно тому, как периметр вашей собственности (как в случае недвижимости) является самым дальним расширением собственности, так и периметр объекта является самым дальним расширением частиц в образце материи. По периметру маленьких сопел сталкиваются с частицами другого вещества — частицами контейнера или даже окружающего воздуха. Даже закрепленные по периметру вигглеры немного стучат. Находясь по периметру, их покачивание приводит к столкновениям с частицами, находящимися рядом с ними; это частицы контейнера или окружающего воздуха.

На этом периметре или границе столкновения маленьких сопел и вигглеров являются упругими столкновениями, при которых общая кинетическая энергия всех сталкивающихся частиц сохраняется. Чистый эффект этих упругих столкновений заключается в передаче кинетической энергии через границу частицам на противоположной стороне. Более энергичные частицы теряют немного кинетической энергии, а менее энергичные частицы приобретают немного кинетической энергии. Температура является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают частицы в образце вещества. Таким образом, в среднем в объекте с более высокой температурой с большей кинетической энергией больше частиц, чем в объекте с более низкой температурой. Поэтому, когда мы усредняем все столкновения вместе и применяем принципы, связанные с упругими столкновениями, к частицам в образце вещества, логично заключить, что объект с более высокой температурой потеряет часть кинетической энергии, а объект с более низкой температурой приобретет некоторую кинетическую энергию. . Столкновения наших маленьких сопел и вигглеров будут продолжать передавать энергию до тех пор, пока температуры двух объектов не станут одинаковыми. Когда это состояние теплового равновесия достигнуто, средняя кинетическая энергия частиц обоих объектов равна. При тепловом равновесии количество столкновений, приводящих к выигрышу энергии, равно количеству столкновений, приводящих к потере энергии. В среднем нет чистой передачи энергии в результате столкновений частиц на периметре.

На макроскопическом уровне тепло — это передача энергии от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой. На уровне частиц тепловой поток можно объяснить с точки зрения чистого эффекта столкновений целой группы маленьких сопел . Нагрев и охлаждение являются макроскопическим результатом этого явления на уровне частиц. Теперь давайте применим этот вид частиц к сценарию с металлической банкой с горячей водой, расположенной внутри пенопластового стакана с холодной водой. В среднем частицы с наибольшей кинетической энергией имеют частицы горячей воды. Будучи жидкостью, эти частицы движутся с поступательной кинетической энергией и ударяются о частицы металлической банки. Когда частицы горячей воды ударяются о частицы металлической банки, они передают энергию металлической банке. Это нагревает металлическую банку. Большинство металлов являются хорошими теплопроводниками, поэтому они довольно быстро нагреваются по всему объему банки. Банка принимает почти ту же температуру, что и горячая вода. Будучи твердым телом, металлическая банка состоит из маленьких шевелек . Вигглеры по внешнему периметру металла могут стучать по частиц в холодной воде. Столкновения между частицами металла и частицами холодной воды приводят к передаче энергии холодной воде. Это медленно нагревает холодную воду. Взаимодействие между частицами горячей воды, металлической банки и холодной воды приводит к передаче энергии наружу от горячей воды к холодной воде. Средняя кинетическая энергия частиц горячей воды постепенно уменьшается; средняя кинетическая энергия частиц холодной воды постепенно увеличивается; и, в конце концов, тепловое равновесие будет достигнуто в точке, когда частицы горячей и холодной воды будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию. На макроскопическом уровне можно было бы наблюдать снижение температуры горячей воды и повышение температуры холодной воды.

Механизм, в котором тепло передается от одного объекта к другому через столкновения частиц, известен как теплопроводность. При проведении нет чистой передачи физического материала между объектами. Ничто материальное не перемещается через границу. Изменения температуры полностью объясняются как результат выигрыша и потери кинетической энергии при столкновениях.

Мы обсудили, как тепло передается от одного объекта к другому посредством теплопроводности. Но как он проходит через объем объекта? Например, предположим, что мы достаем из шкафа керамическую кофейную кружку и ставим ее на столешницу. Кружка находится при комнатной температуре – может быть, при 26°C. Затем предположим, что мы наполняем керамическую кофейную кружку горячим кофе с температурой 80°C. Кружка быстро нагревается. Энергия сначала поступает в частицы на границе между горячим кофе и керамической кружкой. Но затем она течет через объем керамики ко всем частям керамической кружки. Как происходит теплопроводность в самой керамике?

Механизм передачи тепла через объем керамической кружки описан аналогично предыдущему. Керамическая кружка состоит из набора упорядоченно расположенных шевелек. Это частицы, которые колеблются вокруг фиксированного положения. Когда керамические частицы на границе между горячим кофе и кружкой нагреваются, они приобретают кинетическую энергию, которая намного выше, чем у их соседей. Когда они извиваются более энергично, они врезаются в своих соседей и увеличивают свою кинетическую энергию колебаний. Эти частицы, в свою очередь, начинают более энергично раскачиваться, а их столкновения с соседями увеличивают их кинетическую энергию колебаний. Процесс передачи энергии с помощью маленькой сосиски продолжается от частиц внутри кружки (в контакте с частицами кофе) к внешней стороне кружки (в контакте с окружающим воздухом). Вскоре вся кофейная кружка станет теплой, и ваша рука это почувствует.

Этот механизм проводимости за счет взаимодействия между частицами очень распространен в керамических материалах, таких как кофейная кружка. Работает ли это так же в металлических предметах? Например, вы, вероятно, замечали высокие температуры, достигаемые металлической ручкой сковороды, поставленной на плиту. Горелки на плите передают тепло металлической сковороде. Если ручка сковороды металлическая, она тоже нагревается до высокой температуры, достаточно высокой, чтобы вызвать сильный ожог. Передача тепла от сковороды к ручке сковороды происходит за счет теплопроводности. Но в металлах механизм проводимости несколько сложнее. Подобно электропроводности, теплопроводность в металлах возникает за счет движения свободные электроны . Электроны внешней оболочки атомов металла распределены между атомами и могут свободно перемещаться по объему металла. Эти электроны переносят энергию от сковороды к ручке сковороды. Детали этого механизма теплопроводности в металлах значительно сложнее, чем приведенное здесь обсуждение. Главное, что нужно понять, это то, что передача тепла через металлы происходит без какого-либо движения атомов от сковороды к ручке сковороды. Это квалифицирует передачу тепла как класс теплопроводности.

Является ли теплопроводность единственным средством теплопередачи? Может ли тепло передаваться через объем тела другими способами, кроме теплопроводности? Ответ положительный. Модель передачи тепла через керамическую кофейную кружку и металлическую сковороду включала теплопроводность. Керамика кофейной кружки и металл сковороды — твердые тела. Передача тепла через твердые тела происходит путем теплопроводности. Это в первую очередь связано с тем, что твердые тела имеют упорядоченное расположение частиц, которые зафиксированы на месте. Жидкости и газы не очень хорошие проводники тепла. На самом деле они считаются хорошими теплоизоляторами. Тепло обычно не проходит через жидкости и газы посредством теплопроводности. Жидкости и газы — это жидкости; их частицы не закреплены на месте; они перемещаются по большей части образца материи. Модель, используемая для объяснения переноса тепла через объем жидкостей и газов, включает конвекцию. Конвекция — это процесс переноса тепла из одного места в другое за счет движения жидкостей. Движущаяся жидкость несет с собой энергию. Жидкость течет из места с высокой температурой в место с низкой температурой.

Чтобы понять конвекцию в жидкостях, давайте рассмотрим передачу тепла через воду, которая нагревается в кастрюле на плите. Конечно, источником тепла является горелка печки. Металлический горшок, в котором находится вода, нагревается горелкой печи. Когда металл нагревается, он начинает отдавать тепло воде. Вода на границе с металлическим поддоном становится горячей. Жидкости расширяются при нагревании и становятся менее плотными. Так как вода на дне горшка становится горячей, ее плотность уменьшается. Разница в плотности воды между дном и верхом горшка приводит к постепенному образованию циркуляционные токи . Горячая вода начинает подниматься наверх кастрюли, вытесняя более холодную воду, которая была там изначально. А более холодная вода, которая была наверху горшка, движется ко дну горшка, где она нагревается и начинает подниматься. Эти циркуляционные потоки медленно развиваются с течением времени, обеспечивая путь для передачи энергии нагретой воде со дна горшка на поверхность.

Конвекция также объясняет, как электрический обогреватель, размещенный на полу холодильной камеры, нагревает воздух в комнате. Воздух, находящийся возле змеевиков нагревателя, нагревается. По мере нагревания воздух расширяется, становится менее плотным и начинает подниматься вверх. Когда горячий воздух поднимается вверх, он отталкивает часть холодного воздуха в верхней части комнаты в сторону. Холодный воздух перемещается в нижнюю часть помещения, заменяя поднявшийся горячий воздух. Когда более холодный воздух приближается к обогревателю в нижней части комнаты, он нагревается от обогревателя и начинает подниматься вверх. И снова медленно формируются конвекционные потоки. По этим путям проходит воздух, разнося с собой энергию от обогревателя по всему помещению.

Конвекция является основным методом передачи тепла в таких жидкостях, как вода и воздух. Часто говорят, что в таких ситуациях теплоты поднимаются на . Более подходящее объяснение состоит в том, что нагретая жидкость поднимается вверх . Например, когда нагретый воздух поднимается от обогревателя на пол, он уносит с собой более энергичные частицы. Поскольку более энергичные частицы нагретого воздуха смешиваются с более холодным воздухом у потолка, средняя кинетическая энергия воздуха у потолка помещения увеличивается. Это увеличение средней кинетической энергии соответствует повышению температуры. Конечным результатом подъема горячей жидкости является передача тепла из одного места в другое. Конвекционный способ теплопередачи всегда предполагает перенос тепла движением вещества. Это не следует путать с теорией калорий, обсуждавшейся ранее в этом уроке. В теории калорий теплота была жидкостью, а движущаяся жидкость была теплотой. Наша модель конвекции рассматривает тепло как передачу энергии, которая является просто результатом движения более энергичных частиц.

Обсуждаемые здесь два примера конвекции — нагрев воды в горшке и нагрев воздуха в комнате — являются примерами естественной конвекции. движущая сила циркуляции жидкости естественна — разница в плотности между двумя точками в результате нагрева жидкости в каком-то источнике. (Некоторые источники вводят понятие выталкивающей силы, чтобы объяснить, почему нагретые жидкости поднимаются вверх. Мы не будем здесь останавливаться на таких объяснениях.) Естественная конвекция распространена в природе. Земные океаны и атмосфера нагреваются за счет естественной конвекции. В отличие от естественной конвекции, принудительная конвекция предполагает перемещение жидкости из одного места в другое с помощью вентиляторов, насосов и других устройств. Многие системы домашнего отопления предполагают принудительное воздушное отопление. Воздух нагревается в печи и продувается вентиляторами через воздуховоды и выбрасывается в помещения через вентиляционные отверстия. Это пример принудительной конвекции. Движение жидкости из горячего места (рядом с печью) в прохладное место (комнаты по всему дому) осуществляется вентилятором. Некоторые печи являются печами с принудительной конвекцией; у них есть вентиляторы, которые подают нагретый воздух от источника тепла в духовку. Некоторые камины усиливают согревающую способность огня, выдувая нагретый воздух из камина в соседнее помещение. Это еще один пример принудительной конвекции.

Последний метод теплопередачи включает излучение. Излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. излучать означает посылать или распространять из центрального места. Будь то свет, звук, волны, лучи, лепестки цветка, спицы колеса или боль, если что-то излучает , то оно выступает или распространяется наружу из источника. Передача тепла излучением предполагает перенос энергии от источника в окружающее его пространство. Энергия переносится электромагнитными волнами и не связана с движением или взаимодействием материи. Тепловое излучение может происходить через материю или через область пространства, свободную от материи (т. е. вакуум). На самом деле тепло, получаемое на Земле от Солнца, является результатом прохождения электромагнитных волн через пустота космоса между Землей и Солнцем.

Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой высвобождается эта энергия, пропорциональна температуре Кельвина (T), возведенной в четвертую степень.

Мощность излучения = k•T ⁴

Чем горячее объект, тем сильнее он излучает. Солнце явно излучает больше энергии, чем горячая кружка кофе. Температура также влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. Объекты при обычных комнатных температурах излучают энергию в виде инфракрасных волн. Будучи невидимыми для человеческого глаза, мы не видим эту форму излучения. Инфракрасная камера способна обнаруживать такое излучение. Возможно, вы видели тепловые фотографии или видео излучения, окружающего человека или животное, или горячую кружку кофе, или Землю. Энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой совокупность или диапазон длин волн. Обычно это называют спектр излучения . При повышении температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются. Более горячие объекты, как правило, излучают более коротковолновое и более высокочастотное излучение. Катушки электрического тостера значительно горячее комнатной температуры и излучают электромагнитное излучение в видимом спектре. К счастью, это удобно предупреждает пользователей о том, что катушки горячие. Вольфрамовая нить лампы накаливания излучает электромагнитное излучение в видимом (и за его пределами) диапазоне. Это излучение не только позволяет нам видеть, но и нагревает стеклянную колбу, содержащую нить накала. Поднесите руку к лампочке (не касаясь ее), и вы также почувствуете излучение лампочки.

Тепловое излучение является формой передачи тепла, поскольку электромагнитное излучение, испускаемое источником, переносит энергию от источника к окружающим (или удаленным) объектам. Эта энергия поглощается этими объектами, что приводит к увеличению средней кинетической энергии их частиц и повышению температуры. В этом смысле энергия передается из одного места в другое с помощью электромагнитного излучения. Изображение справа было сделано тепловизионной камерой. Камера улавливает излучение, испускаемое объектами, и представляет его с помощью цветной фотографии. более горячих цветов представляют области объектов, которые излучают тепловое излучение с большей интенсивностью. (Изображения предоставлены Питером Льюисом и Крисом Уэстом из SLAC Стэндфорда.)

Наше обсуждение на этой странице касалось различных методов теплопередачи. Проводимость, конвекция и излучение были описаны и проиллюстрированы.