Теплопередача

Как правило, температура двух тел старается уравняться, т. е. тело с большей температурой согревает более холодное тело, а тело с меньшей температурой охлаждает более теплое. Если сесть на камень, он покажется холодным. Ощущение холода обусловлено тем, что тепловая энергия переносится от человека на камень. Через некоторое время камень уже не кажется холодным, поскольку он получил тепловую энергию от человека и нагрелся, а соприкасающийся с камнем участок тела человека немного остыл. Происходит выравнивание температуры камня и человека. В процессе выравнивания температуры энергия всегда переносится с теплого тела на более холодное. Это явление называется теплопередачей. Процесс происходит до тех пор, пока температура не сравняется, т. е. пока не будет достигнуто теплового равновесия.

Ручка ложки, помещенной в чашку горячего чая, нагревается несмотря на то, что находится в напитке не полностью. Это явление можно объяснить при помощи одного из видов теплопередачи – теплопроводности. Теплопроводность – это перенос определенного количества тепла между двумя соприкасающимися телами или внутри тела с теплого участка на более холодный. В горячем чае молекулы воды очень быстро двигаются и ударяются о ложку, передавая ей тепловую энергию. Чем теплее твердое тело, тем сильнее колеблются его частицы. Поскольку в ложке частицы находятся очень близко друг к другу, колебание переносится с одной частицы на другую. Тепло поступает из теплой части ложки в холодную, уравнивая температуру. Колебание частиц ускоряется и в той части ложки, которая не находится в чае. При теплопроводности тепло переносится дальше вследствие столкновения частиц друг с другом, однако процесс не сопровождается движением вещества.

Когда мы заходим в море в жаркий и безветренный летний день, то ощущаем, что ближе к поверхности вода теплее, чем на дне. Холодная вода более плотная, и она опускается на дно благодаря действию силы тяжести. Подобный перенос тепловой энергии, когда слои жидкости или газа в веществе двигаются под воздействием силы тяжести, называется конвекцией.

Конвекция происходит в жидкостях и газах. Течение Гольфстрим, берущее начало в Карибском море, переносит теплую воду, которая достигает западного побережья Норвегии. Западные ветра переносят нагревшийся над морем воздух через Скандинавию в Эстонию. Вместе с Гольфстримом движется огромное количество тепловой энергии. Температура достигающей побережья Норвегии воды составляет менее $20°C\mathrm{,}$ но этого достаточно, чтобы зимы в Эстонии были в среднем теплее, чем в расположенной на той же широте Сибири. Теплый воздух приносит в Эстонию облака, сформировавшиеся в результате испарения морской воды.

Вода переносит тепловую энергию лучше воздуха, поэтому воду используют в системах отопления. В котле теплая (т. е. более легкая) вода поднимается вверх и поступает по трубам в радиаторы. В то же время более плотная холодная вода движется из радиаторов обратно в котел – т. е. происходит конвекция воды. Установленный ближе к полу радиатор нагревает воздух в помещении. Более легкий теплый воздух от радиатора поднимается к потолку, а более холодный воздух опускается ближе к полу – происходит конвекция воздуха.