Справочник автора/Теплопередача

Материал из Posmotre.li
Перейти к: навигация, поиск

Теплота — это энергия хаотического движения частиц, но относительно недавно считалось, что это особое вещество — теплород, которым предметы могут обмениваться; ныне эта теория опровергнута, но она в принципе давала довольно адекватную картину, и немалая часть терминологии от неё осталась. Есть три основных способа передачи тепла:

  • Теплопроводность (кондукция) — передача тепла между соседними частицами, лучше всего происходит в кусках металла, плохо — в газах, совсем никак — в вакууме. Некоторые сплошные среды проводят тепло очень плохо, но большинство дешёвых теплоизоляторов просто содержат много пор с воздухом, по узким мостикам между которыми теплу трудно просачиваться. Скорость прогрева ограниченна и не очень велика, если не происходит взрывного разрушения вещества — как бы жарко ни горело на поверхности земли, в герметичном бункере на глубине двух метров заметят это не скоро (зато могут свариться живьём, когда там уже давно всё погасло).
  • Конвекция — перенос тепла с массами вещества, происходит в жидкостях и газах. Бывает вынужденная, когда их чем-либо специально перемешивают, и свободная, когда нагретые объёмы всплывают в менее нагретых за счёт разницы плотностей (для этого нужна гравитация, также действует центробежная сила). Примеры свободной конвекции — тяга в печной трубе, большинство движений воздуха в атмосфере, всплытие пузырьков при кипении, подтягивание воздуха к горящему пламени. Если тепло передаётся сверху вниз, то, соответственно, свободной конвекции почти не наблюдается, теплообмен гораздо хуже. Конвекция происходит тем активней, чем больше пространства для движения, поэтому стеклопакет бережёт тепло лучше, чем рама с большим пространством между стёклами.
  • Излучение (радиация в общем смысле этого слова) — обмен энергией через электромагнитное поле, происходит в прозрачных для данного вида лучей средах, лучше всего — в вакууме. В полупрозрачной среде энергия лучей убывает с удалением от источника в геометрической прогрессии (при этом происходит нагрев этой среды). Излучают и поглощают тела на одних и тех же длинах волн; при этом одноатомные газы поглощают только определённую длину волны, двухатомные — спектр из очень узких полос, трёхатомные газы, жидкости и твёрдые тела — сплошные спектры (поэтому парниковый эффект зависит в основном не от азота и кислорода, которых в атмосфере 99 %, а от H2O и CO2). По спектру можно понять, что именно там нагрето и до какой температуры. Тела, наилучшим образом излучающие/поглощающие, выглядят чёрными, наихудшим — белыми (в данных лучах; снег за пределами видимого спектра очень чёрный). Для справки, интенсивность передачи энергии между телами обычно примерно пропорциональна разности четвёртых степеней их температур по Кельвину; по этой причине лучистый теплообмен имеет в технике первостепенное значение для либо очень высоких, либо очень низких температур.

Для конвекции хороша как можно более ребристая поверхность (лишь бы среда проходила в щели между рёбрами), для излучения важны только видимые внешние размеры объекта. Радиаторы для теплоотвода термоэлектрогенераторов (источник энергии для вакуума в виде гранатки с плутонием) — это стержни с восемью приваренными вдоль пластинами; конвективный теплообменник котла выглядит как лапша из труб, на каждую из которых наварили побольше пластин и спиральных рёбер. Гляньте на отопительный прибор в вашей комнате и поймите, радиатор это или конвектор (на практике в большинстве приборов в том или ином соотношении работают оба принципа; исключение — потолочное отопление, которое действует почти исключительно излучением и даёт в обитаемой части помещения очень ровные по высоте температуры). Да, кстати, известная теорема — на любом расстоянии от бесконечной излучающей плоскости интенсивность излучения одинакова (если нет поглощающей среды, разумеется). С конвекцией от больших поверхностей интереснее — там нагретые массы поднимаются отдельными потоками, часто характерными грибками-термиками (да, ядерный гриб — это явление той же природы).

Конвективные течения видны глазами, если горячие зоны светятся или содержат дым, а также за счёт того, что показатель преломления света в воздухе зависит от температуры. А вот лучистая энергия «сбоку» не видима, если нет рассеивающей среды типа пыльной взвеси или тумана, но как же не показать выстрел из космического лазера красивым зелёным лучом, ещё и вытягивающимся к цели на глазах у зрителя (более реалистичная картина «яркая тучка — и пых!» не слишком интуитивно понятна).