Теплообмен и второй закон термодинамики

Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлёбку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия сгорающих дров переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. Другими словами, происходит теплопередача.

На рисунке представлены три способа теплопередачи: тепло¬проводность, излучение и конвекция. Путём теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлебки. Путём излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и его одежды. А путем конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром. И чем жарче горит пламя, тем интенсивнее (с большей мощностью) происходит теплопередача.

Мощность теплопередачи между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Эту закономерность подметил английский физик И. Ньютон ещё в конце XVII веке. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты).

У этой закономерности есть частный случай: если температуры тел не отличаются, то мощность теплопередачи будет равна нулю. Другими словами, если тела имеют равные температуры, то теплообмен происходить не будет. Например, если в воду при 0 °С бросить кусок льда такой же температуры, то передачи теплоты между ними не будет: ни лёд не начнет таять, ни вода не станет замерзать вокруг льда.

Теплопередача теплопроводностью. Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и стальную – укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Этот опыт показывает, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называюся теплопроводниками. К ним, в первую очередь, относятся все металлы – в твёрдом и жидком состоянии. Тела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, мех, вата и др.

Опыты показывают, что все без исключения газы передают теплоту очень медленно. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твёрдых тел и газов.