Теплопередача. Теплота сгорания

Теперь стоит подробнее остановиться на процессе теплопередачи. Важнейшей идеей здесь является то, что при соприкосновении тел разной температуры, внутренняя энергия более горячего уменьшается, а более холодного – увеличивается. (Обратный процесс возможен только с совершением внешней механической работы, как в бытовом холодильнике). Причем по модулю изменения энергий тел равны. Если мы будем делать эксперимент по проверке этого утверждения, то мы должны позаботиться о том, чтобы сделать нашу систему замкнутой, то есть, оградить ее от механических, тепловых, электромагнитных воздействий со стороны окружающих тел. Для избавления от работы внешних тел поместим наши тела в закрытый сосуд постоянного объема. Однако помимо этого, необходимо защититься от тепловых воздействий. Если это сделать, получится калориметр, примером которого служит обычный термос

Если бы он был идеальным, то тепловых потерь не было бы, и равновесная температура тел внутри него оставалась бы неизменной. Опыт убеждает нас в том, что если температура содержимого калориметра отличается от внешней, то постепенно она будет к ней приближаться. Возникнет тепловой поток, направленный от более горячего тела к более холодному.

Теплопроводность – процесс переноса тепла в среде без переноса вещества. Например, если взять металлический стержень, заизолировать его боковую поверхность, а торцы поддерживать при разных температурах, то вдоль стержня возникнет тепловой поток, то есть через любое поперечное сечение будет переноситься тепловая энергия.

Количество тепла, переносимое в единицу времени через сечение, называется тепловым потоком . (буквой t будем обозначать время, а t – температуру). Тепловой поток направлен в сторону убывания температуры. С точки зрения молекулярно-кинетической теории перенос тепла на микроскопическом (молекулярном) уровне легко объясняется. Между молекулами существует взаимодействие, чем оно сильнее, тем легче передается энергия их хаотического теплового движения. Подобно цепочке связанных пружинками шариков. Чем жестче пружины, тем эффективнее передача энергии колебаний крайнего шарика дальше по цепочке. Поэтому тела с сильным межчастичным взаимодействием (например, металлы), обладают высокой теплопроводностью, а газы (и пористые тела) – слабой. Поэтому, обернув боковую поверхность стержня ватой, мы добьемся распространения тепла вдоль стержня.

Согласно теории теплопроводности Фурье, тепловой поток между телами прямо пропорционален разности их температур. Если на торцы стержня подать разность температур Dt, то . Как тепловой поток зависит от размеров стержня? Ясно, что он пропорционален площади сечения. Если мы возьмем стержень вдвое большего сечения, его можно рассматривать как два параллельных исходных стержня. Поэтому тепловой поток возрастет в два раза. Если же увеличить длину исходного стержня в 2 раза, оставив сечение исходным, то поток уменьшится в два раза.

Действительно, получилось два исходных стержня, на каждом из которых падает лишь половина «приложенной» разности температур. Поэтому и поток уменьшится в 2 раза. Формула Фурье для потока тепла через цилиндрический проводник имеет вид

Коэффициент κ, который зависит от свойств материала, называется коэффициентом теплопроводности. Например, у меди он очень высокий (390 Вт/м⁰С), медь – очень хороший проводник тепла, а у пенопласта – всего 0.05 Вт/м⁰С. Почему, когда вы берете со стола медную гайку и кусок пенопласта, первый предмет «холодный», а второй – «теплый»? Будут ли такими же ощущения, если их нагреть до 36.6 ⁰С?

Вот почему в термосе делают двойные стенки, между которыми откачивают воздух: разреженный газ – плохой проводник тепла.

Теплопроводность – процесс происходящий на молекулярном уровне, поэтому он весьма медленный. Однако, если в среде возможно движение вещества (жидкости и газы), то есть более эффективный способ передачи тепла. Для этого нужно привести вещество в движение, и с массовыми потоками тепло будет переноситься из одной области в другую. Это конвекция. Массовые потоки можно организовать принудительно (вентилятором) или с помощью силового поля. Например, в поле силы тяжести нагретый воздух будет подниматься вверх под действием силы Архимеда со стороны более тяжелого холодного воздуха. Поэтому нагреватели воздуха устанавливают внизу комнаты. Конвективные процессы так же усиливаются с увеличением разности температур. В твердых телах конвекция невозможна.

Еще один тип теплопередачи связан с тепловым излучением. Все тела излучают электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне. Этот процесс происходит всегда, причем с увеличением температуры увеличивается мощность излучения. Кроме того, сильно нагретые тела начинают испускать волны видимого диапазона (начинают светиться). Инфракрасное излучение невидимо, но его можно почувствовать по нагреву поверхности, которой оно поглощается. При этом энергия электромагнитных волн переходит в тепловую энергию тела. Темные тела испускают и поглощают энергию волн гораздо лучше, чем светлые. Поэтому внутреннюю поверхность термоса делают зеркальной.- она хорошо отражает падающее излучение и слабо излучает сама. Электромагнитное излучение может распространяться даже в вакууме, где другие способы теплопередачи невозможны.

Закон остывания Ньютона. Если взять нагретое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, оно будет монотонно остывать, при этом будут задействованы все виды теплопередачи, и строгое описание ее будет весьма сложным. Однако при небольших разностях температур можно считать, что полный тепловой поток пропорционален разности температур тела и окружающей среды. Этот закон получен из опыта, он приближенный и не является фундаментальным. Так как , то скорость убывания температуры тела можно представить в виде .К – постоянный коэффициент. Легко сообразить, что скорость убывания температуры нагретого тела будет уменьшаться, а сама температура будет зависеть от времени примерно так