2.2.3 Теплопередача как способ изменения внутренней энергии без совершения работы. Конвекция, теплопроводность, излучение

Существует несколько способов, позволяющих изменить внутреннюю энергию тела, одним из которых является теплопередача.

Стоит отметить, что в момент совершения теплопередачи работа над рассматриваемой системой не производится.

 

Если взять длинный железный стержень и держать один его конец над огнем, то со временем он нагреется полностью и держать его в руках будет невыносимо. Что же происходит с рассматриваемым телом с точки зрения физики?

Те атомы стержня, что находятся над огнем, начинают двигаться под действием температуры, то есть начинает увеличиваться их кинетическая энергия. Данное движение начинает переходить на соседние атомы и так по всей длине. Это объясняется с точки зрения механики - одна структурная единица начинает передавать импульс другой, тем самым передавая кинетическую энергию.

Процесс теплопроводности в различных веществах отличается. Таким образом, лучшими проводниками тепла являются металлы, самыми лучшими проводниками можно назвать золото и медь. Чуть хуже тепло проводит жидкость. Самыми плохими проводниками являются газы, их порой даже называют изоляторами. Именно поэтому окна делаются из нескольких стеклопакетов, между которыми находится воздух.

Для улучшения теплоизоляционных свойств домов используют пенопласт, кирпич, вата - они имеют пористую структуру, в порах которых содержится воздух. По такому же принципу в зимний период температуру нашего тела поддерживают с помощью меха, хлопка и других материалов, которые позволяют удерживать тепло на поверхности тела и предотвращают проникновение холода.

Несмотря на то, что воздух плохо проводит тепло, в наших домах благодаря батареям, наперекор погодным условиям, тепло. Это объясняет конвекция. 

Возле батареи воздух начинает нагреваться, благодаря чему расширяется и становится легче. С помощью выталкивающей силы он перемещается в верхние части комнаты. При этом холодный воздух снова поступает к батареям и с ним происходят те же процессы. Таким образом холодные и теплые слои начинают перемещаться по комнате потоками.

Этот процесс свойственный не только газам, но и жидкостям. По тому же принципу происходит нагревание жидкости в чайнике. Нижние слои воды нагреваются и перемещаются благодаря выталкивающей силе на поверхность, на их место перемещаются холодные слои.

Из-за большой силы взаимодействия между частицами твердого тела, в них конвекция не происходит.

Стоит обратить внимание на местоположение батарей - они обязательно должны находиться в нижней части комнат, иначе конвекция происходить не будет, и теплый воздух так и останется под потолком.

Что касается летнего кондиционирования воздуха, кондиционер следует располагать в верхней части комнаты - он выпускает холодный воздух, который опускается вниз комнаты.

По какой причине на нашей Земле тепло? На этот вопрос достаточно просто ответить - благодаря Солнцу. Однако, как этот процесс объясняется с точки зрения физики? Вокруг нас существует постоянное магнитное поле, которое вызвано изменением электрического. В результате этого Землю окутывают электромагнитные волны.

Любая электромагнитная волна, вне зависимости от своей частоты, имеет энергию. Однако некоторые определенные частоты имеют наибольшую энергию, вызывающую излучение, способное нагреть тела вокруг себя.

По такому принципу происходит нагревание пищи в микроволновках.