Когда тепловая энергия передается от одной системы к другой посредством рассеивания тепла, это явление называется теплопередачей.
Это можно сделать тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Проводимость против конвекции против излучения
В разница между проводимостью, конвекцией и излучением о способе передачи тепла из зоны с более высокой кинетической энергией в зону с более низкой кинетической энергией. При кондукции это происходит за счет прямого физического контакта между двумя объектами. С другой стороны, конвекция возникает, когда тепло передается за счет движения молекул. Радиация не требует физического контакта между двумя объектами, как другие методы.
Таблица сравнения проводимости, конвекции и излучения (в табличной форме)
| Параметр сравнения | Проведение | Конвекция | Радиация |
|---|---|---|---|
| Определение | Процесс передачи тепла между объектами посредством прямого физического контакта. | Процесс передачи тепла через текучую среду, такую как жидкости или газ. | Процесс передачи тепла электромагнитными волнами. |
| Метод | Тепло передается из-за столкновения молекул, когда твердые тела контактируют друг с другом. | Тепло передается потоком жидкостей. | Тепло передается через излучение, излучаемое телами, без необходимости в среде. |
| Причина | Тепло перемещается из области с высокой температурой в область с низкой температурой. | Тепло перемещается из области с низкой плотностью в область с высокой плотностью. | Энергия, излучаемая телами посредством вращательных и колебательных движений атомов и молекул. |
| Середина | Нагретые твердые тела. | Вмешивающееся вещество, подобное жидкостям. | Электромагнитные волны. |
Что такое проводимость?
Процесс передачи тепла через прямой контакт между двумя объектами называется теплопроводностью.
Когда молекулы одного объекта поглощают тепловую энергию, они начинают быстро двигаться, и при этом они вступают в контакт с соседними объектами, и происходит передача энергии.
Чтобы проводимость произошла, необходимо иметь в виду некоторые факторы.
Первый - это температурный градиент, который описывает направление, в котором течет тепло, и скорость передачи. Процесс передачи от горячего источника к холодному источнику (или источнику, лишенному тепловой энергии) продолжается до тех пор, пока оба тела не достигнут состояния теплового равновесия.
Еще один важный фактор - размер задействованных объектов. Более крупные объекты требуют большего количества тепла для нагрева, но в то же время они быстрее теряют тепло. Это потому, что чем больше их площадь поверхности, тем больше они контактируют с открытым воздухом. Также необходимо учитывать физические свойства объектов.
Если вы используете деревянную ложку во время готовки, вы заметите, что ложка не нагревается. Это потому, что дерево - плохой проводник.
Однако, если вы воспользуетесь металлической ложкой, тепло будет передаваться к ней очень быстро, потому что металл является хорошим проводником. Плохие проводники еще называют изоляторами. Они предотвращают утечку энергии от источника.
Например, белые медведи могут выжить в арктических регионах, потому что их мех служит изолятором, удерживающим тепло внутри тела.
Что такое конвекция?
Когда происходит массовое движение жидкости из-за того, что нагретая жидкость удаляется от источника тепла, она несет с собой энергию. Это тоже форма теплопередачи, и она называется конвекцией.
Этот процесс происходит потому, что тепло снижает плотность жидкостей, таких как воздух и вода. Потеря плотности заставляет жидкость подниматься, создавая конвекционные токи, которые могут передавать энергию.
По мере того, как нагретые слои жидкости поднимаются, более холодные слои, которые все еще сохраняют свою плотность, опускаются к источнику тепла, пока они не нагреются и не начнут подниматься.
Есть два вида конвекции - самопроизвольная и вынужденная. В первом случае конвекция возникает естественным образом из-за плавучести. Разница в температуре вызывает разницу в плотности.
Например, когда тепло от солнца нагревает землю, море поглощает большую часть энергии, но для того, чтобы нагреться, требуется больше времени, чем на суше.
Следовательно, воздух над сушей теряет плотность быстрее, что приводит к созданию области низкого давления над прибрежными районами. Но область над морем имеет более высокое давление, и это заставляет воздух перемещаться из области с более высоким давлением в область с более низким давлением, то есть с моря на сушу.
Вот почему ветер у моря обычно сильнее. Принудительная конвекция вызывается внешним источником, например вентилятором или гейзером. Это связано с законом охлаждения Ньютона, уравнение для которого выглядит следующим образом:
P = dQ / dt = hA (Т-Т0)
Здесь P = dQ / dt - скорость передачи тепла. H - коэффициент конвективной теплоотдачи. A - площадь поверхности материала, который подвергается воздействию.
T относится к температуре объекта в жидкости, а T0 относится к температуре жидкости, которая подвергается процессу конвекции.
Что такое радиация?
В отличие от теплопроводности и конвекции, которые требуют физического контакта между двумя телами, излучение - это передача тепла, которая происходит, даже когда тела не контактируют или разделены в пространстве.
Все во Вселенной состоит из атомов, которые вместе образуют молекулы. Вращение и вибрация атомов и молекул гарантирует, что все вещества продолжают излучать энергию посредством электромагнитного излучения.
Электроны с высокой энергией на высоких атомных уровнях опускаются на уровни, где энергия ниже. Всякая энергия, теряемая по пути, испускается как электромагнитное излучение.
Когда энергия поглощается атомом, его электроны поднимаются на более высокие энергетические уровни. Следовательно, когда скорость поглощения энергии уравновешивается скоростью, с которой она выделяется, температура вещества не изменится.
Если первое больше, чем второе, температура повысится, а если ниже, то температура также снизится.
Типичный пример передачи тепла посредством излучения - солнце. Он не контактирует с другими планетами и не имеет физической среды для передачи тепла.
Тем не менее, мы можем чувствовать его тепло благодаря испускаемому им электромагнитному излучению, которое позволяет его лучам достигать Земли.
Основные различия между проводимостью, конвекцией и излучением
Вывод
Проводимость, конвекция и излучение - важные понятия при изучении термодинамики.
Проще говоря, тепло, передаваемое от горячего объекта или горячей области к холодному объекту в этой области, является теплопроводностью.
Тепло передается посредством движения потоков жидкости путем конвекции, а тепло, передаваемое посредством электромагнитных волн, без какой-либо среды, является излучением.
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0142727X94000144
- https://asmedigitalcollection.asme.org/heattransfer/article-abstract/85/4/318/414710
