Виды теплопередачи. Количество теплоты

Утром в термос залили кипяток — вечером он всё ещё обжигает губы. Кружка с тем же чаем остыла за полчаса. Разгадка в устройстве термоса: между двумя стенками колбы выкачан воздух, а поверхность блестит, как зеркало. Так перекрыты сразу все пути, которыми тепло покидает горячее тело. Передачу энергии от горячего тела к холодному без переноса вещества называют теплопередачей, и её количество в физике умеют считать в джоулях.

Три вида теплопередачи

Теплопроводность — энергия передаётся от частицы к частице: алюминиевая ложка в кипятке обжигает губы через полминуты, деревянная — никогда. Металлы проводят тепло отлично, воздух и дерево плохо, вот почему ручки кастрюль делают из пластика. Конвекция — перенос тепла потоками: нагретый слой жидкости или газа расширяется, становится легче и всплывает, холодный опускается. Так греется вода в кастрюле и воздух у батареи. Излучение — перенос энергии электромагнитными волнами, и вакуум ему не помеха: Солнце греет Землю через 150 млн км пустоты. Тёмные поверхности поглощают излучение лучше светлых.

Теплопроводность: смотрим в таблицу

Скорость передачи тепла у материалов различается в тысячи раз, и физики измерили это числами. Теплопроводность в таблице ниже дана в ваттах на метр-кельвин: чем больше число, тем быстрее материал проводит тепло и тем страшнее схватить ручку из этого материала.

Из таблицы сразу видно три житейских хода. Ручки кастрюль делают из дерева или пластика — в сотни раз худших проводников, чем металл. Внутри шерстяного свитера и в пухе зимней куртки заперт воздух — один из лучших изоляторов. А кирпичная стена с числом 0,7 держит тепло дома в сотни раз лучше стальной. По этой же логике устроены двойные рамы окон: между стёклами заперт неподвижный слой воздуха, и он почти не выпускает тепло на улицу. В снежной норке спасались полярные туристы — снег с его запертым воздухом греет лучше многих палаток.

Конвекция: почему батареи ставят под окном

Нагретая жидкость или газ расширяются, становятся легче и всплывают вверх, а холодные слои опускаются на их место — так возникает круговорот потоков. Поэтому батареи отопления висят под окнами: тёплый воздух от них поднимается, растекается по комнате и выталкивает холодный слой от окна вниз к радиатору. Замкнётся этот круг — и комната прогреется вся, а не только полка над батареей.

Те же потоки работают и в природе. Днём суша греется быстрее моря, воздух над ней всплывает, и на его место дует ветер с моря — дневной бриз. Ночью картина переворачивается, и ветер тянет обратно. А в твёрдом теле конвекции не бывает: слоям не по чему течь, там работает только теплопроводность.

Куда дует сквозняк, тоже подсказывает конвекция: тёплый воздух комнаты уходит через верх открытой форточки, а холодный с улицы стелется по полу. Так циркулируют и печи с каминами — тёплый воздух в трубе всплывает и тянет за собой дым, поэтому без тяги печка не разгорится.

Излучение: чёрное греется быстрее белого

Любое тело, даже холодное, посылает электромагнитные волны, а при нагреве излучение резко растёт — сначала как невидимое инфракрасное, при сильном жаре и как свечение. Излучению не нужно вещество, поэтому его теплопередача доходит через вакуум: Солнце греет Землю через 150 миллионов километров пустоты.

Тёмные поверхности поглощают излучение лучше светлых — чёрная машина на солнце раскаляется сильнее белой, а в белой одежде летом прохладнее. Работает и обратная сторона: горячая тёмная поверхность и излучает сильнее. Именно поэтому радиаторы часто красят в тёмный цвет, а корпус термоса блестит — зеркальная стенка отражает лучи обратно к чаю.

Излучение труднее всего поймать рукой, но проще всего увидеть: раскалённая спираль электроплитки светится и греет лицо на расстоянии, а инфракрасные камеры ловят тепло тел даже в темноте. Батарея излучает постоянно — у стены за радиатором всегда теплее, чем у противоположной.

Количество теплоты: считаем в джоулях

Количество теплоты $Q$ — энергия, которую тело получило или отдало при теплопередаче. Для нагрева работает формула $Q=cm\Delta t$: здесь c — удельная теплоёмкость (сколько энергии нужно 1 кг вещества на нагрев 1 °C), m — масса, Δt — изменение температуры. У воды c = 4200 Дж/(кг·°C) — одна из самых больших в таблице, поэтому вода долго греется и медленно остывает. Пример: нагреваем 2 кг воды с 20 до 100 °C. Здесь Δt = 80 °C, значит Q = 4200 · 2 · 80 = 672 000 Дж. Остывая, вода отдаёт ровно столько же.

Ты схватил металлическую ручку сковороды и обжёгся, а деревянная ручка остаётся почти холодной: металл проводит тепло быстро, дерево — плохо. В термосе между стенками вакуум, поэтому тепло не уходит ни теплопроводностью, ни конвекцией, и чай остаётся горячим часами.

Песок, вода и калория: кто греется быстрее

У песка удельная теплоёмкость около 800-900 Дж/(кг·°C) — почти в пять раз меньше, чем у воды. Поэтому на пляже днём песок обжигает ноги, а море остаётся прохладным: одни и те же 4200 Дж поднимают температуру килограмма воды на один градус, а килограмма песка — сразу на пять. Вечером всё наоборот: вода остывает медленно и отдаёт тепло берегу, поэтому у больших водоёмов климат мягче.

Из тех времён, когда про джоули ещё не договорились, пришла старая единица — калория: столько энергии нужно, чтобы нагреть 1 г воды на 1 °C, это примерно 4,2 Дж. Отсюда и «калории» на упаковках продуктов. Запись 4200 Дж/(кг·°C) означает то же самое на каждый грамм: у воды теплоёмкость рекордная, поэтому в батареи льют воду, а медный паяльник со своими 400 Дж/(кг·°C) греется за секунды.

Словарь урока

Теплопередача#

передача энергии от горячего тела к холодному без переноса вещества

Теплопроводность#

передача энергии от частицы к частице без потоков

Конвекция#

перенос тепла потоками жидкости или газа

Излучение#

перенос энергии электромагнитными волнами, работает в вакууме

Количество теплоты#

энергия, полученная или отданная телом при теплопередаче, в джоулях

Удельная теплоёмкость#

энергия для нагрева 1 кг вещества на 1 °C

Разбор типовой задачи

Как это спрашивают на проверочных

• определи вид теплопередачи по описанию: ложка, бриз, жар костра
• почему ручку кастрюли делают пластиковой
• рассчитай Q по формуле cmΔt с данными из таблицы
• какой вид теплопередачи не работает в вакууме и почему
• почему свитер греет не сам, а удерживает воздух

В задачах на Q = cmΔt выписывай данные столбиком: масса, изменение температуры, теплоёмкость. Забыть перевести литры в килограммы или взять Δt за конечную температуру — две самые частые ошибки на один балл. А в вопросах «какой вид теплопередачи» держи в голове короткий тест: контакт — поток — лучи.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, клик по картинке — на весь экран, ←/→ — листать, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема