Jaki rodzaj wymiany ciepła występuje w cieczach i gazach?

Przenoszenie ciepła odbywa się za pomocą trzech głównych mechanizmów: przewodzenia, w którym ściśle wibrujące cząsteczki przekazują swoją energię innym cząsteczkom o niższej energii; konwekcja, w której masowy ruch płynu powoduje prądy i zawirowania, które sprzyjają mieszaniu i dystrybucji energii cieplnej; i promieniowanie, gdzie gorące ciało emituje energię, która może oddziaływać na inny system za pomocą fal elektromagnetycznych. Konwekcja i przewodzenie to dwie najważniejsze metody wymiany ciepła w cieczach i gazach.

Przewodnictwo zwykle występuje w ciałach stałych. Blaty kuchenek elektrycznych wykorzystują przewodzące ciepło do zagotowania wody w garnku: energia cieplna jest przekazywana z gorącego palnika do zimnego garnka, powodując wzrost temperatury wody. Przewodzenie dzieje się z powodu wibracji cząsteczek. W substancji stałej atomy, bardzo ciasno ułożone w struktury przypominające kraty, mają bardzo małą swobodę poruszania się w przestrzeni. Gdy palnik się nagrzewa, atomy w metalu zaczynają wibrować coraz szybciej wraz ze wzrostem ich energii. Kiedy umieszczasz zimną wodę na palniku, tworzysz gradient temperatury – miejsce, do którego przepływa ciepło. Ponieważ energia przepływa z gorących rzeczy do chłodniejszych, wibrujące atomy palnika przekazują część swojego ciepła atomom, które tworzą metal twojego garnka z wodą. To powoduje, że atomy garnka wibrują, przenosząc swoją energię do wody.

Przewodzenie jest bardziej powszechne w ciałach stałych, ale w zasadzie może – i zdarza się – zachodzić w cieczach i gazach, ale niezbyt dobrze. Ponieważ cząsteczki płynów mają większą swobodę ruchu niż ciała stałe, jest mniejsze prawdopodobieństwo, że wibrujące cząsteczki zderzą się z innymi i przeniosą energię w całym płynie. W rzeczywistości powietrze jest tak słabym przewodnikiem, że służy do ocieplania domów. Niektóre energooszczędne okna mają między sobą „przestrzenie powietrzne”, które tworzą kieszeń powietrza między wnętrzem domu a zimnym powietrzem z zewnątrz. Ponieważ powietrze nie przewodzi ciepła zbyt dobrze, więcej ciepła pozostaje w domu, ponieważ powietrze utrudnia wydostanie się tej energii cieplnej na zewnątrz.

Konwekcja jest zdecydowanie najbardziej wydajnym i powszechnym sposobem przekazywania ciepła przez ciecze i gazy. Występuje, gdy niektóre obszary płynu nagrzewają się bardziej niż inne, powodując, że prądy w płynie, które go poruszają, rozprowadzają ciepło bardziej równomiernie. Pomyśl o domu zimą. Być może zauważyłeś, że na strychu jest zawsze bardzo ciepło, podczas gdy piwnica jest zazwyczaj chłodna. Dzieje się tak dlatego, że gdy powietrze się nagrzewa, staje się lekkie, powodując jego ruch w górę w kierunku sufitu. Zimne powietrze jest znacznie cięższe i opada na podłogę. Gdy gorące powietrze przesuwa się pod sufit, a zimne opada, te dwa rodzaje powietrza zderzają się i mieszają, powodując ciepło z ciepłego ramienia, aby przenieść do chłodniejszego powietrza, a tym samym rozprowadzić ciepło w całym pomieszczeniu.

Promieniowanie występuje, gdy ciało nagrzewa się na tyle, aby emitować energię elektromagnetyczną. Słońce jest klasycznym przykładem promieniowania cieplnego: znajduje się bardzo daleko w kosmosie, ale jest wystarczająco gorące, aby poczuć jego ciepło. Czujesz to ciepło z powodu promieniowania, a nawet w chłodny dzień słońce grzeje. Energia elektromagnetyczna może przemieszczać się przez pustą przestrzeń i powodować nagrzewanie się obiektu z daleka. Radiacyjne przenoszenie ciepła nie występuje powszechnie w cieczach i gazach.