Теплові явища, з якими ми стикаємося в природі й побуті, пов’язані з передачею теплоти від одних тіл до інших, тобто з теплообміном. Як відбувається теплообмін між тілами? 

Теплообмін може здійснюватися різними способами. 

Така передача енергії в результаті безпосередньої взаємодії частинок здійснюється шар за шаром. Зрозуміло, що ніякого перенесення речовини при цьому не відбувається.  

Ви, напевно, помічали, що одні речовини проводять тепло краще, ніж інші. Так, якщо помістити в склянку з гарячим чаєм дві чайні ложки — сталеву та мідну, то мідна нагріється набагато швидше. Це означає, що мідь краще проводить тепло, ніж сталь.

Досліди показали, що найкращими провідниками тепла є метали. Деревина, скло, чимало видів пластмас проводять тепло значно гірше, саме тому ми можемо, наприклад, тримати запалений сірник доти, доки полум’я не торкнеться пальців.

Погано проводять тепло й рідини (винятком є розплавлені метали). Проведемо дослід. Покладемо на дно пробірки з холодною водою шматочок льоду, а щоб лід не спливав, притиснемо його важком. Нагріватимемо на спиртівці верхній шар води. Через певний час вода поблизу поверхні закипить, а лід унизу пробірки ще не розтане.

Ще гірше за рідину проводять тепло гази. І це легко пояснити. Відстань між молекулами газів набагато більша, ніж відстань між молекулами рідин і між молекулами твердих тіл. Отже, зіткнення частинок і, відповідно, передавання енергії від однієї частинки до іншої відбуваються рідше.

Скловолокно, вата, хутро дуже погано проводять тепло, оскільки, по-перше, між їхніми волокнами є повітря, по-друге, ці волокна погано проводять тепло самі по собі. 

Конвекція — це вид теплопередачі, що здійснюється шляхом перенесення енергії потоками рідини або газу. 

Ви знаєте, що на будь-яке тіло, що міститься всередині рідини (або газу), діє архімедова. сила. У нашому випадку таким тілом є невеликий об’єм самої рідини поблизу дна колби. При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина — зменшується. Тому нагріті шари води розширюються й піднімаються угору під дією архімедової сили, виштовхуючись знизу струменями холодної води. Так поступово прогріватимуться й рухатимуться угору ті шари, що перед цим опустилися. 

У твердих речовинах цей вид теплопередачі неможливий. 

Розрізняють природну і примусову конвекції. 

Конвекція в природі й техніці. Явище конвекції відіграє важливу роль у природі й техніці. Завдяки природній конвекції відбувається постійне перемішування повітряних мас — виникають конвекційні потоки в атмосфері — вітри.

Прикладом конвекції в атмосфері Землі є берегові бризи. Механізм їх утворення пояснюється конвекцією повітряних мас. Удень суходіл прогрівається Сонцем швидше, ніж вода. Тому повітря над суходолом прогрівається сильніше, ніж над морем. Густина повітря над суходолом зменшується, утворюється область низького тиску, а над морем утримується область підвищеного тиску. Більш холодне повітря інтенсивно рухається з моря в бік зниженого тиску — до берега (дме вітер, який називають денним бризом). Уночі суходіл охолоджується швидше, ніж море. Над суходолом створюється область підвищеного тиску, й охолоджене повітря рухається в бік області зі зниженим тиском — до моря. Так званий нічний бриз дме із суходолу на море.

Через нерівномірне нагрівання води виникають постійні течії у водах річок, морів, океанів. Океанські течії, як і вітри, відіграють значну роль у формуванні клімату на нашій планеті.

Щоб краще пропікалося тісто в духовій шафі, прогрівалися продукти в мікрохвильовій печі або охолоджувалися робочі деталі комп’ютера, двигуна автомобіля, використовують вентилятори, які зумовлюють вимушену конвекцію.

Особливістю теплопровідності та конвекції є передача теплоти в певному середовищі за допомогою мікрочастинок речовини. Чи замислювалися ви над тим, яким чином тепло від Сонця потрапляє на Землю? Адже ці небесні тіла розділяє вакуум, де концентрація мікрочастинок незначна й вони не можуть забезпечити передавання теплоти. Виявляється, що в природі існує ще один вид теплообміну, який не потребує молекул та атомів. Він зумовлений перетворенням внутрішньої енергії тіла в енергію теплового, або променевого, випромінювання.

Променевий теплообмін — це процес перенесення внутрішньої енергії від одного тіла до іншого внаслідок випускання, поширення та поглинання випромінювання.

• Середня температура тіла людини 36,6 °С підтримується організмом за різноманітних умов життя і діяльності людини. У тканинах і органах тіла безперервно відбуваються процеси окиснення, що супроводжуються виділенням теплоти. Більша частина енергії, яка отримується від перетравлення харчових продуктів, затрачається на механічну роботу, виконання якої також супроводжується виділенням тепла в організмі. Усе це тепло розсіюється тілом людини в навколишнє середовище.

• Самопочуття людини значною мірою залежить від кількості теплоти, яку втрачає організм. Залежно від призначення приміщення, виду виконуваної роботи і вологості повітря нормальною для людини може бути температура навколишнього середовища від 11 до 23 °С. Низькі температури прискорюють процеси вироблення теплоти в організмі. Високі - спричиняють посилення потовиділення, яке є засобом регулювання температури організму. Однак організм людини здатний підтримувати власну температуру сталою тільки за зміни температури навколишнього середовища в невеликих межах. Наприклад, для людини, яка перебуває в стані спокою, у вологому повітрі температура тіла починає підвищуватися за температури повітря вище від 30 °С, а в сухому - від 40 °С.

• Особливо чутливий організм людини до інтенсивності випромінювання. Негативно впливає на нього випромінювання гарячих предметів. Значний вплив на самопочуття людини має температура поверхонь приміщень, з якими тіло людини обмінюється теплом унаслідок випромінювання. Зміна температури стін від 20 до 10 °С спричиняє збільшення випромінювання тіла людини (виділення тілом тепла) на 30 %.

1. Що називають теплопровідністю речовини?

2. Наведіть приклади речовин із різною теплопровідністю.

3. Поясність особливості теплопровідності металів.

4. Наведіть приклади конвекції в природі.

5. Поясніть, чому рідини та гази нагрівають знизу.

6. Чи можлива конвекція у твердих тілах?

7. Чи може відбуватися конвекція в кабіні космічного корабля в умовах невагомості?

8. Наведіть приклади використання конвекції в побуті та техніці.

9. Що називають променевим теплообміном?

10. Як відбувається променевий теплообмін?

11. Яке значення має променевий теплообмін у природі та техніці?

Вправа

1(п). Поясніть, чому для теплоізоляції використовують пінополістирол, газоблоки, пористу цеглу.

2(п). Поясніть, чому в жарку погоду доцільно вдягати світлий одяг.

3(c). Чому нагрівний елемент електрочайника розташовують унизу приладу?

4(c). Поясніть, як зміниться ефективність роботи електричного конвектора, якщо його розташувати високо над підлогою.

5(д). Який зі способів теплопередачі може бути використаний для обігріву космічного корабля в умовах невагомості?

6(д). Чому кондиціонери розміщують біля стелі, адже вони теж можуть використовуватися для обігріву?