Теплопроводность, конвекция и излучение

Ручка ложки нагревается в чае, над батареей движется воздух, а солнечный свет проходит через почти пустой космос. Как энергия преодолевает эти три разных пути?

Один конец металлической ложки оставим в горячем чае. Через некоторое время нагреется и ручка, хотя металл из чашки к пальцам не перетёк. Частицы передают энергию при взаимодействии с соседями; в металле существенен также перенос подвижными электронами. Такой перенос энергии без потока вещества как целого называют теплопроводностью. Более холодные участки получают энергию от более горячих, и разность температур постепенно уменьшается.

Почему деревянная ручка защищает пальцы лучше металлической той же формы? Энергия проходит по разным материалам с разной скоростью. Металлы обычно хорошие проводники, а неподвижный воздух проводит тепло слабо. Поры утеплителя удерживают воздух и мешают его общему движению. Оберни утеплителем лёд: он будет медленнее таять. Этот мысленный опыт показывает, что утеплитель замедляет обмен в обе стороны, а не производит теплоту.

Теперь проследим за окрашенной струйкой воды в нагреваемом сосуде. Она перемещается вместе с нагретой водой: энергия едет с самой порцией вещества. Перенос внутренней энергии потоками жидкости или газа называется конвекцией. Это отличается от передачи вдоль неподвижной ложки. В обычном твёрдом теле частицы не могут образовать такой свободный поток; там тепло может распространяться, но не этим механизмом.

Почему воздух над батареей обычно поднимается? При нагревании он расширяется, и та же масса занимает больший объём: плотность уменьшается. Более плотная окружающая среда в поле тяжести выталкивает эту порцию вверх, как вода выталкивает менее плотное тело. На освободившееся место приходит холодный воздух. Это естественная конвекция. Если убрать тяжесть, именно такой подъём исчезнет; правило также требует, чтобы нагрев уменьшал плотность.

А что будет, если нагретый воздух надо направить вниз? Вентилятор может создать поток вопреки направлению естественного подъёма. Насос делает то же с водой в отоплении. Это вынужденная конвекция: движение среды создаёт внешнее устройство. И при естественной, и при вынужденной конвекции энергия переносится вместе с веществом; различается причина движения. Поэтому движение воздуха не всегда объясняется тем, что он теплее окружающего.

Между Солнцем и Землёй нет сплошного вещества, которое передавало бы энергию от соседа к соседу. Значит, нужен третий механизм. Тепловое излучение переносит энергию электромагнитными волнами и может распространяться через вакуум. Тело как испускает, так и поглощает излучение; при равновесии эти передачи компенсируются. Термин «электромагнитные волны» пока обозначает этот способ переноса — его устройство изучим позже.

Поставим на солнце одинаковые светлую и тёмную поверхности. Если тёмная поглощает больше падающего света при остальных равных условиях, её нагрев окажется сильнее; отражённая энергия в тело не поступает. Блестящие поверхности часто хорошо отражают. Но видимый цвет относится только к видимому свету: он не сообщает автоматически, как материал поглощает невидимое тепловое излучение. Поэтому свойства покрытия надо связывать с тем излучением, которое сравнивают.

Как честно проверить два утеплителя? Нужны одинаковые сосуды и порции воды, одинаковые начальные температуры и условия вокруг. Меняем только утеплитель и сравниваем охлаждение за одно время t в секундах. Меньшее падение температуры означает меньшую потерю энергии одинаковой порцией воды. В реальном сосуде одновременно возможны теплопроводность, конвекция и излучение, поэтому один удачный слой не обязательно перекрывает все пути.

Почему термосу полезны вакуумный зазор, отражающие стенки и плотная пробка?

Сначала перечислим пути энергии: через газ между стенками, излучением между поверхностями и через горловину с твёрдыми соединениями.

В вакуумном зазоре мало частиц, поэтому резко ослаблены теплопроводность газа и конвекция. Излучение через вакуум проходит, и против него нужны отражающие стенки.

Плотная пробка препятствует обмену через горловину. Твёрдые соединения всё же проводят энергию, поэтому спустя долгое время содержимое меняет температуру.

Детали термоса уменьшают разные пути теплопередачи. Поэтому он сохраняет и горячее, и холодное, но не изолирует содержимое навсегда.

При теплопроводности передаётся энергия между частицами, при конвекции перемещается сама жидкость или газ.

Естественный подъём нагретой среды связан с плотностью и тяжестью; насос или вентилятор создаёт поток иначе.

Излучение проходит и через вакуум, поэтому для полной теплоизоляции мало убрать воздух.

Теперь рассчитаем, сколько энергии нужно для заданного нагревания.