Передача тепла происходит за счет трех основных механизмов: теплопроводности, когда сильно колеблющиеся молекулы передают свою энергию другим молекулам с более низкой энергией; конвекция, при которой объемное движение жидкости вызывает потоки и водовороты, способствующие перемешиванию и распределению тепловой энергии; и излучение, когда горячее тело излучает энергию, которая может воздействовать на другую систему посредством электромагнитных волн. Конвекция и теплопроводность - два наиболее известных метода передачи тепла в жидкостях и газах.
Общая проводимость
Проводимость обычно возникает в твердых телах. В электрических плитах используется кондуктивный теплообмен, чтобы довести воду до кипения: тепловая энергия передается от горячей горелки к холодной кастрюле, в результате чего температура воды повышается. Проводимость происходит из-за вибрации молекул. В твердом веществе атомы, очень плотно расположенные в решетчатые структуры, имеют очень небольшую свободу передвижения в пространстве. Когда горелка нагревается, атомы в металле начинают вибрировать все быстрее и быстрее, поскольку их энергия увеличивается. Когда вы ставите холодную кастрюлю с водой на конфорку, вы создаете температурный градиент - место, куда будет течь тепло. Поскольку энергия перетекает от горячих предметов к более холодным, вибрирующие атомы горелки передают часть своего тепла атомам, из которых состоит металл вашей кастрюли с водой. Это заставляет атомы горшка вибрировать, передавая свою энергию воде.
Проводимость в газах и жидкостях
Электропроводность больше характерна для твердых тел, но в принципе она может - и происходит - в жидкостях и газах, но не очень хорошо. Поскольку молекулы жидкости обладают большей свободой движения, чем в твердых телах, вероятность того, что колеблющиеся молекулы столкнутся с другой и передадут энергию по жидкости, меньше. Фактически, воздух - такой плохой проводник, что его используют для изоляции домов. У некоторых энергоэффективных окон есть «воздушные промежутки» между ними, которые создают воздушный карман между внутренней частью дома и холодным наружным воздухом. Поскольку воздух не очень хорошо проводит тепло, больше тепла остается внутри дома, поскольку воздух затрудняет выход этой тепловой энергии наружу.
Конвекция
Конвекция на сегодняшний день является наиболее эффективным и распространенным способом передачи тепла через жидкости и газы. Это происходит, когда некоторые области жидкости становятся более горячими, чем другие, в результате чего в жидкости возникают токи, которые перемещают ее для более равномерного распределения тепла. Представьте себе дом зимой. Возможно, вы заметили, что на чердаке всегда очень тепло, а в подвале - прохладно. Это происходит потому, что когда воздух нагревается, он становится светлым и поднимается к потолку. Холодный воздух намного тяжелее и падает на пол. Когда горячий воздух движется к потолку, а холодный падает, эти два типа воздуха сталкиваются и смешиваются, вызывая тепло от теплого рукава передается более прохладному воздуху и таким образом распределяется по комнате.
Радиация
Излучение возникает, когда тело становится достаточно горячим, чтобы излучать электромагнитную энергию. Солнце - классический пример лучистой теплопередачи: оно очень далеко в космосе, но достаточно горячее, чтобы вы могли почувствовать его тепло. Вы чувствуете это тепло из-за радиации, и даже в прохладный день солнце кажется теплым. Электромагнитная энергия может проходить через пустое пространство и вызывать нагрев целевого объекта издалека. Радиационная теплопередача в жидкостях и газах обычно не происходит.