Тепловое движение и внутренняя энергия. Способы теплопередачи

Все тела состоят из непрерывно и хаотически движущихся частиц — молекул и атомов. Это непрекращающееся движение называют тепловым движением. Скорость движения молекул определяет температуру тела: чем быстрее движутся частицы, тем выше температура.

Внутренняя энергия (U) — это суммарная кинетическая энергия хаотического теплового движения всех молекул тела плюс потенциальная энергия их взаимного притяжения и отталкивания.

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, его массы, агрегатного состояния и объема, но не зависит от механического движения тела как целого или его положения относительно Земли.

Внутреннюю энергию любого физического тела можно изменить двумя принципиально различными путями:

1. Совершением механической работы:

• Работа над телом (сжатие газа в насосе, трение спички о коробок, удары молота) увеличивает внутреннюю энергию тела и его температуру.

• Работа самого тела (расширение газа с толканием поршня) уменьшает внутреннюю энергию, газ при этом охлаждается.

2. Теплопередачей (теплообменом) — процессом передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения механической работы.

Теплопроводность — вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передается от более нагретых участков тела к менее нагретым благодаря соударению соседних микрочастиц без перемещения самого вещества.

Сравнение теплопроводности сред:

• Металлы (серебро, медь, алюминий) обладают наивысшей теплопроводностью благодаря наличию свободных электронов.

• Жидкости проводят тепло значительно слабее металлов (кроме жидкой ртути).

• Газы обладают чрезвычайно малой теплопроводностью из-за больших расстояний между молекулами.

• Вакуум (пустота, отсутствие частиц) вообще не способен передавать тепло теплопроводностью.

Пористые и волокнистые материалы (шерсть, мех, пух, пенопласт, сухой снег) содержат в порах неподвижный воздух и служат превосходными теплоизоляторами.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия переносится самими струями и потоками жидкости или газа.

Механизм конвекции: при нагревании снизу нижние слои среды расширяются, их плотность уменьшается (ρ = m/V), и под действием архимедовой выталкивающей силы горячие струи поднимаются вверх. Холодные, более плотные верхние слои опускаются вниз, образуя замкнутый циркуляционный поток. В твердых телах конвекция невозможна из-за фиксированного положения атомов в кристаллической решетке!

Конвекция в природе и технике: возникновение ветров (дневные и ночные морские бризы, пассаты), атмосферные циклоны, тяга в дымоходных трубах, водяное отопление в домах (батареи всегда ставят внизу под окнами, а форточки — вверху).

Излучение (лучистый теплообмен) — процесс передачи тепла с помощью электромагнитных волн (преимущественно инфракрасного диапазона).

Излучение — единственный вид теплопередачи, не требующий наличия материальной среды и свободно распространяющийся через абсолютный вакуум. Именно излучением колоссальная энергия Солнца передается Земле через 150 миллионов километров космической пустоты!

Зависимость излучения от поверхности:

• Темные, матовые и шероховатые поверхности сильнее излучают и сильнее поглощают лучистую энергию.

• Светлые, белые и зеркально блестящие поверхности отражают падающие лучи и излучают крайне слабо.

Устройство термоса Дьюара: двойная стеклянная или стальная колба с откачанным между стенками воздухом (глубокий вакуум исключает теплопроводность и конвекцию), а внутренние поверхности покрыты зеркальным слоем серебра для отражения теплового излучения.