§ 212. Различные виды процессов, при которых происходит передача теплоты

В предыдущих параграфах мы часто говорили о передаче теплоты как о процессе, при котором меняется внутренняя энергия тела. Рассмотрим теплопередачу более подробно.

Прежде всего надо отметить, что при отсутствии работы теплопередача всегда идет в определенном направлении: внутренняя энергия горячего тела уменьшается, а внутренняя энергия холодного тела увеличивается. Только при особых обстоятельствах, при непременном условии совершения работы внешней силой, могут происходить процессы, при которых температура горячего тела повышается, а температура холодного тела становится еще более низкой. Мы вернемся к этому вопросу при рассмотрении действия так называемых холодильных машин (§ 327). Чем больше разность температур тел, тем интенсивней при прочих одинаковых условиях протекает процесс теплопередачи от горячего тела к холодному. Когда же температуры тел уравниваются, теплопередача прекращается и наступает так называемое тепловое равновесие.

Какие же процессы ведут к выравниванию температур тел? Их известно несколько.

1. Когда нагревается холодная вода в кастрюле, поставленной на горячую плиту, происходит передача теплоты сквозь металлические стенки кастрюли. Способность тел производить передачу теплоты называют их теплопроводностью. От чего зависит количество теплоты, передаваемой через какую-нибудь стенку? Прежде всего от разности температур по обе стороны стенки. Чем эта разность больше, тем большее количество теплоты передается через стенку за определенный промежуток времени. Затем это количество теплоты зависит от площади стенки. Вода в кастрюле с большим дном нагревается, как известно, скорее, чем в кастрюле с меньшим дном. Далее, легко убедиться на опыте, что количество теплоты, передаваемой за единицу времени через стенку при определенной разности температур, тем больше, чем тоньше стенка.

Наконец, теплопередача сильно зависит от материала стенки. Для характеристики теплопередачи различных материалов пользуются понятием теплопроводности. Теплопроводностью , называют величину, показывающую, какое количество теплоты передается за единицу времени сквозь единичную площадь стенки единичной толщины при разности температур между поверхностями стенки, равной одному кельвину. В СИ единицей теплопроводности является ватт на метр-кельвин . Если, например, теплопроводность алюминия равна , то это означает, что через каждый квадратный метр алюминиевой стенки при разности температур 1 К и при толщине стенки 1 м передается 210 Дж теплоты в течение 1 с. Не останавливаясь на способах определения теплопроводности, которые довольно сложны, приведем значения теплопроводности некоторых веществ (табл. 6). Обращает на себя внимание большая сравнительно с другими веществами теплопроводность металлов. Напомним, что электропроводность металлов тоже значительно превосходит электропроводность других веществ. Весьма мала теплопроводность газов.

Таблица 6. Теплопроводность некоторых веществ

2. В жидкостях и в газах, кроме теплопроводности, теплопередача часто осуществляется конвекцией, т. е. механическим перемещением нагретых частей. Почти всегда при соприкосновении жидкости или газа с твердыми стенками, имеющими более высокую или более низкую температуру, в жидкости возникают течения: нагревшаяся жидкость (или газ) поднимается вверх, а охладившаяся опускается вниз (рис. 368). Этот процесс происходит вследствие уменьшения плотности жидкости или газа при повышении их температуры.

Рис. 368. Конвекционные струи жидкости

Легко понять, что конвекционные течения в жидкостях и газах возникают тем легче, чем больше их температурные коэффициенты расширения. Имеет также значение вязкость жидкостей и газов: большая вязкость, естественно, затрудняет возникновение конвекционных течений. В очень узких слоях, например в слое воздуха между двумя близко расположенными оконными стеклами, конвекционные течения слабы. Если конвекционные течения возникли, они очень способствуют быстрому прогреванию жидкостей и газов; при отсутствии конвекции (например, в случае, когда вверху расположена нагретая жидкость, а внизу — охлажденная) прогревание и жидкостей и газов крайне замедляется вследствие их ничтожной теплопроводности.

Конвекционные течения в атмосфере не только играют большую роль для теплопередачи, но и обусловливают ветры. Они вызывают постоянное перемешивание воздуха, благодаря чему воздух в разных местах поверхности Земли имеет практически один и тот же состав. Конвекционные течения в атмосфере поддерживают процесс горения, обеспечивая приток кислорода к пламени и удаляя продукты сгорания.

Конвекционные течения жидкости и газа широко используют в технике (напомним водяное отопление помещений). Однако в технике естественные конвекционные течения часто оказываются недостаточными. В таких случаях прибегают к принудительной конвекции посредством насосов (например, охлаждение генераторов электрического тока посредством продувания воздуха или водорода).

Кроме конвекционных течений, возникновение которых связано с тепловым расширением жидкости или газа, возможны иные причины перемешивания, а следовательно, и быстрого прогревания их. Например, при течении по трубе легко возникает турбулентное движение, при котором слои текущей жидкости интенсивно перемешиваются (§ 193).

В условиях невесомости конвекционные течения исчезают. Поэтому, например, в условиях невесомости невозможно горение (если не обеспечена искусственная, тяга): продукты горения не удаляются от пламени, и оно гаснет вследствие недостатка кислорода. Перемешивание же благодаря турбулентности течения происходит в условиях невесомости так же, как и в обычных условиях.

3. Кроме теплопередачи посредством теплопроводности и конвекционных течений, огромное значение в природе и технике имеет теплопередача посредством испускания и поглощения излучения. Поднося руку к нагретому утюгу мы даже снизу (где подтекает холодный воздух) чувствуем «жар». Утюг испускает лучи и потому охлаждается, а рука поглощает лучи и потому нагревается. Эти лучи — не что иное, как электромагнитные волны, о которых будет идти речь далее. Здесь мы не будем подробно говорить об испускании и поглощении лучей. Упомянем только, что передача теплоты через пространство, в котором отсутствует вещество, например от Солнца к Земле, осуществляется исключительно посредством испускания и поглощения излучения.

4. Кроме теплопроводности, конвекции и излучения, существует много других процессов, при которых горячие тела охлаждаются, а холодные нагреваются: испарение и конденсация, термоэлектрические явления и т. д. Об этих явлениях мы будем говорить дальше.

212.1. Где температура накаленного волоска электролампы выше: у поверхности волоска или в середине его?

212.2. Положите на листок белой бумаги булавку или конторскую скрепку. Подержите листок над зажженной свечой до тех пор, пока бумага не станет желтеть и обугливаться. Затем сбросьте булавку. На пожелтевшей бумаге виден белый след булавки (рис. 369). Объясните явление.

Рис. 369. К упражнению 212.2

212.3. Теплопроводность дерева вдоль волокон больше, чем поперек их (табл. 6). Почему это так?

212.4. Теплопроводности латуни и цинка почти одинаковы. Удельные теплоемкости их тоже почти равны. Плотность латуни заметно больше плотности цинка. Какая из двух кружек со стенками одинаковой толщины быстрее прогреется при наливании кипятка: латунная или цинковая?

212.5. Если капнуть воды на горизонтальную накаленную плиту, то капелька долго держится, почти не испаряясь. Если сделать это при слабо накаленной плите, то капелька почти мгновенно с шипением испарится. Объясните явления.

212.6. Предположим, что найдена жидкость, температурный коэффициент расширения которой при любой температуре равен нулю. Как вела бы себя эта жидкость, если ее налить в металлическую кастрюлю и поставить на накаленную плиту?

212.7. Приклейте маленький огарок свечи на дно стеклянной банки. Зажгите огарок, накройте банку крышкой и последите за пламенем в двух случаях: а) банка покоится; б) банка свободно падает с высоты 2-3 м на мягкую кучу песка (чтобы банка не разбилась при падении). Объясните разницу в форме и яркости пламени в этих двух случаях.

212.8. Почему продувание через электрические машины водорода сильнее охлаждает их, чем продувание такой же массы воздуха?