Физика теплообмена

Тепло – это энергия движения молекул. Температура газа определяется средней скоростью составляющих его молекул: чем быстрее они движутся, тем горячее газ, чем медленнее – тем холоднее. В твердых телах молекулы связаны друг с другом, и ученые часто представляют их как совокупность соединенных между собой пружин: чем выше температура, тем выше амплитуда колебания пружины, чем ниже – тем меньше. При абсолютном нуле (–273° С) колебаний почти нет. Вы, возможно, удивитесь, почему «почти», ведь, по идее, при абсолютном нуле колебаний не должно быть вообще. Причина объясняется причудами квантовой физики, согласно которой невозможно точно измерить положение и скорость частицы в данный момент времени (знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга). Чем точнее вы пытаетесь определить, где в данный момент находится частица, тем неопределеннее для вас становится ее скорость (импульс) – и наоборот. Таким образом, согласно принципу Гейзенберга, незначительная вибрация молекул в твердом теле сохраняется всегда, даже при абсолютном нуле.

Тепло передается от одного объекта к другому путем теплопроводности, конвекции и излучения. Теплопроводность – это процесс, при котором тепло передается между двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте (например, кожа и воздух). Если они обладают разными температурами, тепло будет передаваться от более теплого участка к более холодному. Проще говоря, молекулы более горячего объекта сталкиваются с молекулами более холодного, повышая их скорость и в то же время замедляя свою. Теплопроводностью называется также способность материала проводить тепло. Так, у дерева теплопроводность ниже, чем у меди, поэтому к медным кастрюлям приделывают деревянные ручки. Антиподом теплопроводности выступает изо– ляция – противостояние передаче тепла. У воздуха и перьев низкая теплопроводность (и высокая степень изоляции) – именно поэтому простеганные (чтобы задержать воздух) пуховые одеяла так хорошо греют.

Передача тепла в текучей среде (в воде и в воздухе) повышается в результате конвекции. Вот наглядный пример: представьте, что вы резко погрузились в ванну с холодной водой. Вода, соприкасающаяся с вашей кожей, будет постепенно нагреваться. Если затем нагревшуюся воду вновь заменит холодная, процесс повторится – произойдет нагревание новых слоев воды (и дальнейшее охлаждение тела). Процесс, при котором вода, соприкасающаяся с кожей, постоянно обновляется, и будет конвекцией. Обусловлен он тем, что теплые слои воды поднимаются вверх (поскольку они легче холодных). Температурная разница между слоями воды в ванне означает, что циркуляция будет идти непрерывно – теплые слои будут подниматься, а холодные опускаться, обеспечивая непрерывное обновление воды, соприкасающейся с кожей, и облегчая теплопередачу.

В отличие от теплопроводности и конвекции, объясняющихся довольно просто, излучение ставило ученых в тупик не одно столетие. Любое тело испускает электромагнитное излучение, и чем тело горячее, тем излучение выше. Излучение охватывает весь электромагнетический спектр, однако пик его зависит от поверхностной температуры тела, и когда тело нагревается, излучение смещается в сторону коротковолнового.

От длины волны зависит, будем ли мы воспринимать излучение как цветовое или как тепловое. Длинноволновое излучение для нас невидимо, мы ощущаем его только как тепло: так, например, мы чувствуем жар от огня, который давно потух. Это так называемое инфракрасное излучение. При повышении температуры объекта длина волны наиболее обширного пучка излучения переходит в видимый спектр, и объект начинает светиться. Коричневый, бурый цвет сменяется по мере увеличения температуры и уменьшения длины волны красным, оранжевым, желтым и, наконец, белым (отсюда выражения «до белого каления», «раскаленный добела»). Логично было бы предположить, что цветовая гамма будет соответствовать цветам спектра, поэтому после желтого должен идти зеленый и синий. Однако, раскалив в огне обычную железную кочергу, мы легко убеждаемся в обратном. Происходит это потому (как уже отмечалось выше), что кочерга испускает излучение, охватывающее сразу весь электромагнитный спектр, и только длина волны, при которой происходит пиковое излучение, изменяется вместе с температурой. Более того, общий объем излучения значительно повышается с подъемом температуры, поэтому объем испускаемого длинноволнового излучения тоже возрастает. Таким образом, свечение раскаленной кочерги – это комбинация различных электромагнитных волн, поэтому, как солнечный свет, оно кажется белым, и раскаленная добела кочерга будет гораздо горячее, чем тускло-красная или догорающие угли.