Який тип тепловіддачі відбувається в рідинах та газах?

Передача тепла відбувається за трьома основними механізмами: провідністю, коли жорстко вібруючі молекули передають свою енергію іншим молекулам з меншою енергією; конвекція, при якій об’ємний рух рідини спричинює струми та вихори, що сприяють змішуванню та розподілу теплової енергії; і випромінювання, де гаряче тіло випромінює енергію, яка може впливати на іншу систему через електромагнітні хвилі. Конвекція та провідність - два найбільш відомі методи передачі тепла в рідинах та газах.

Провідність зазвичай відбувається у твердих речовинах. Електроплити використовують електропровідну тепловіддачу, щоб нагріти казан з водою: теплова енергія передається від гарячого пальника до прохолодної каструлі, в результаті чого температура води підвищується. Провідність відбувається через вібрацію молекул. У твердій речовині атоми, розташовані дуже щільно в решітчастих структурах, мають дуже малу свободу пересування в просторі. У міру нагрівання пальника атоми в металі починають вібрувати все швидше і швидше, оскільки їх енергія зростає. Коли ви розміщуєте прохолодну каструлю з водою на конфорці, ви створюєте температурний градієнт - місце, куди може надходити тепло. Оскільки енергія перетікає від гарячих речей до більш прохолодних, вібруючі атоми пальника передають частину свого тепла атомам, що складають метал вашої каструлі з водою. Це змушує атоми горщика вібрувати, передаючи свою енергію воді.

Провідність більш характерна для твердих речовин, але в принципі вона може - і трапляється - відбуватися в рідинах та газах, але не дуже добре. Оскільки молекули рідин мають більшу свободу руху, ніж у твердих тілах, є менша ймовірність того, що вібраційні молекули зіткнуться з іншою і передадуть енергію по всій рідині. Насправді повітря є настільки поганим провідником, що його використовують для утеплення будинків. Деякі енергоефективні вікна мають між собою «повітряні простори», які створюють кишеню повітря між внутрішньою частиною будинку та холодним зовнішнім повітрям. Оскільки повітря не дуже добре проводить тепло, все більше тепла залишається всередині будинку, оскільки повітря ускладнює проникнення теплової енергії назовні.

Конвекція на сьогоднішній день є найефективнішим і найпоширенішим способом передачі тепла через рідини та гази. Це відбувається, коли деякі ділянки рідини нагріваються, ніж інші, викликаючи течії в рідині, які рухають її, щоб розподілити те тепло рівномірніше. Подумайте про будинок у зимовий час. Ви могли помітити, що на горищі завжди дуже тепло, тоді як у підвалі зазвичай прохолодно. Це трапляється тому, що коли повітря нагрівається, воно стає легким, змушуючи рухатися вгору до стелі. Холодне повітря набагато важче і падає на підлогу. Коли гаряче повітря рухається до стелі, а холодне повітря падає, ці два типи повітря стикаються і змішуються, викликаючи тепло від теплої руки передавати більш холодному повітрю і таким чином розподіляти тепло по всій кімнаті.

Випромінювання виникає, коли тіло нагрівається досить, щоб випромінювати електромагнітну енергію. Сонце є класичним прикладом радіаційного теплообміну: воно дуже далеко в просторі, але воно досить жарке, щоб ви могли відчути його тепло. Ви відчуваєте це тепло через радіацію, і навіть у прохолодний день сонце відчуває тепло. Електромагнітна енергія може подорожувати через порожній простір і спричиняти нагрівання цільового об’єкта здалеку. Радіаційний тепловіддача зазвичай не відбувається в рідинах і газах.