Справочник автора/Теплопередача
Теплота — это энергия хаотического движения частиц, но относительно недавно считалось, что это особое вещество — теплород, которым предметы могут обмениваться; ныне эта теория опровергнута, но она в принципе давала довольно адекватную картину, и немалая часть терминологии от неё осталась. Есть три основных способа передачи тепла:
- Теплопроводность (кондукция) — передача тепла между соседними частицами, лучше всего происходит в кусках металла, плохо — в газах, совсем никак — в вакууме. Некоторые сплошные среды проводят тепло очень плохо, но большинство дешёвых теплоизоляторов просто содержат много пор с воздухом, по узким мостикам между которыми теплу трудно просачиваться. Скорость прогрева ограниченна и не очень велика, если не происходит взрывного разрушения вещества — как бы жарко ни горело на поверхности земли, в герметичном бункере на глубине двух метров заметят это не скоро (зато могут свариться живьём, когда там уже давно всё погасло).
- Конвекция — перенос тепла с массами вещества, происходит в жидкостях и газах. Бывает вынужденная, когда их чем-либо специально перемешивают, и свободная, когда нагретые объёмы всплывают в менее нагретых за счёт разницы плотностей (для этого нужна гравитация, также действует центробежная сила). Примеры свободной конвекции — тяга в печной трубе, большинство движений воздуха в атмосфере, всплытие пузырьков при кипении, подтягивание воздуха к горящему пламени. Если тепло передаётся сверху вниз, то, соответственно, свободной конвекции почти не наблюдается, теплообмен гораздо хуже (классическая иллюстрация в «Занимательной физике» Перельмана — кипячение воды, прилагая нагрев к верхней части наклонной пробирки, в то время как на её дне сохраняется прижатый гайкой кусок льда). Конвекция происходит тем активней, чем больше пространства для движения, поэтому стеклопакет бережёт тепло лучше, чем рама с большим пространством между стёклами.
- Излучение (радиация в общем смысле этого слова) — обмен энергией через электромагнитное поле, происходит в прозрачных для данного вида лучей средах, лучше всего — в вакууме. В полупрозрачной среде энергия лучей убывает с удалением от источника в геометрической прогрессии (при этом происходит нагрев этой среды). Излучают и поглощают тела на одних и тех же длинах волн одинаково (иначе б возможны были вечные двигатели 2 рода); при этом одноатомные газы поглощают только определённую длину волны, двухатомные — спектр из очень узких полос, трёхатомные газы, жидкости и твёрдые тела — сплошные спектры (поэтому парниковый эффект зависит в основном не от азота и кислорода, которых в атмосфере 99 %, а от H2O и CO2). По спектру можно понять, что именно там нагрето и до какой температуры. Тела, наилучшим образом излучающие/поглощающие, выглядят чёрными, наихудшим — белыми (в данных лучах; снег за пределами видимого спектра очень чёрный). Интенсивность передачи энергии между телами обычно примерно пропорциональна разности четвёртых степеней их температур по Кельвину; по этой причине лучистый теплообмен имеет в технике первостепенное значение для либо очень высоких, либо очень низких температур. Сам парниковый эффект заключается в том, что тепловое излучение с поверхности не может быстро и свободно уйти в космос, тепло последовательно передается от слоя к слою атмосферы, превращая теплоотдачу излучением теплопередачей «теплопроводностью».
Для конвекции хороша как можно более ребристая поверхность (лишь бы среда проходила в щели между рёбрами), для излучения важны только видимые внешние размеры объекта. Радиаторы для теплоотвода термоэлектрогенераторов (источник энергии для вакуума в виде гранатки с плутонием) — это стержни с восемью приваренными вдоль пластинами; конвективный теплообменник котла выглядит как лапша из труб, на каждую из которых наварили побольше пластин и спиральных рёбер. Гляньте на отопительный прибор в вашей комнате и поймите, радиатор это или конвектор (на практике в большинстве приборов в том или ином соотношении работают оба принципа; исключение — потолочное отопление, которое действует почти исключительно излучением и даёт в обитаемой части помещения очень ровные по высоте температуры). Да, кстати, известная теорема — на любом расстоянии от бесконечной излучающей плоскости интенсивность излучения одинакова (если нет поглощающей среды, разумеется). С конвекцией от больших поверхностей интереснее — там нагретые массы поднимаются отдельными потоками, часто характерными грибками-термиками (да, ядерный гриб — это явление той же природы).
Конвективные течения видны глазами, если горячие зоны светятся или содержат дым, а также за счёт того, что показатель преломления света в воздухе зависит от температуры. А вот лучистая энергия «сбоку» не видима, если нет рассеивающей среды типа пыльной взвеси или тумана, но как же не показать выстрел из космического лазера красивым зелёным лучом, ещё и вытягивающимся к цели на глазах у зрителя (более реалистичная картина «яркая тучка — и пых!» не слишком интуитивно понятна).