Топлообмен

Топлоoбменът е процес, при който две тела с различни температури обменят топлина. Тялото с по-висока температура отдава топлина на тялото с по-ниска температура. Процесът протича докато температурите на двете тела се изравнят (топлинно равновесие).

Условията за протичане на топлообмен са наличие на контакт между две тела и разлика в температурите им.

При топлообменът става обмен на вътрешна енергия между двете тела с различни температури. По-топлото тяло понижава своята температура, а по-студеното тяло повишава своята температура. Промяната на температурата на телата води до промяната и на вътрешната им енергия.

Топлопроводност

 Основна статия: Топлопроводност

При топлопроводността (наричана още кондукция) се осъществява пренос на топлина между две части на едно тяло с различна температура. Топлинната енергия се предава от частта на тялото с по-висока температура (т.е. с повече топлинна енергия) към частта на тялото, където температурата е по-ниска. Процесът продължава докато температурата в цялото тяло се изравни. Топлопровеждане протича винаги когато съществуват температурни разлики в една система от непрекъсната материя.

Топлинната енергия всъщност е кинетичната енергия на трептящите градивни частици на материята. Топлопроводността съответно представлява пренос на тази кинетична енергия и се осъществява при хаотичните сблъсъци на частиците.

Конвекция

 Основна статия: Конвекция

Конвекцията е топлообмен подпомогнат от механичното движение на частиците в рамките на флуид (газ или течност). Тя винаги е съпровождана от топлопроводност. За разлика от твърдите тела, веществото във флуидите може да се движи свободно в своя обем което способства за по-интензивна топлопроводност.

За това някои смятат, че обмена на топлина при конвекцията става на макро ниво. За разлика от топлопроводността (при твърдите тела), за които се счита, че обменът става на микро ниво.

Естествената или свободна конвекция се дължи на архимедова сила|архимедовите сили възникващи поради разлика в плътността на части от флуида с различни температури. По-топлата част има по-малка плътност, съответно е по-лека, и затова започва конвективното и придвижване нагоре. В резултат по-топлите частици на флуида влизат в контакт с много по-студените частици в горния слой на флуида при което съпровождащата топлопроводност е много по-интензивна. При липса на конвекция частиците влизат в контакт само със съседните на тях, между които има по-малка температурна разлика съответно по-бавна топлопроводност. Тъй като архимедовите сили възникват само в гравитационно поле така и естествената конвекция също е невъзможна без наличието на такова поле.

Принудената конвекция, от своя страна, се дължи на механичното разбъркване на флуида посредством бъркалки, вентилатори, помпи и др.

Лъчение

Топлообменът чрез лъчение се дължи на топлинното излъчване на телата и последващото поглъщане на тази енергия от други тела. Излъчване настъпва заради постоянните взаимни сблъсъци на градивните частици на нагрятото тяло, вследствие на което те преминават в състояние с по-висока енергия. При последващото им връщане в по-нискоенергетично състояние, се освобождава енергия във вид на фотони. Тези фотони могат да се погълнат от друго тяло при което то повишава своята температура. Всички тела с температура над абсолютната нула излъчват топлина, така че резултатния топлообмен зависи както от скоростта на излъчване на отделните тела в една система, така и от тяхната поглъщателна способност. Големината на излъчваната енергия е правопропорционална на лицето на излъчващото тяло и на четвърта степен на неговата абсолютна температура.

Чрез лъчение се извършва топлообмен между Слънцето и Земята.

Исторически развитие на схващанията за топлообмен

Преди време се е считало, че топлинната енергия не се преобразува от един вид в друг. Смятало се е, че топлината се съдържа в особен вид материя – топлород. Това вещество подобно на флуид просто се преливало от едно тяло в друго. Думата калория идва именно от тук – с calorie на латински се означава топлород.

Примери за топлообмен

Топлообменът е от голямо значение за науката и практиката. Като се започне от направата на дрехи и се стигне до обмена на топлина в Слънцето. Субективното ни усещане за топло и студено, което е приближение на реалната температура на също се влияе от способността на телата да обменят топлина. Например зимните дрехи задържат въздух в дебелите си стени, който е лош проводник на топлина. Ако намокрим дрехите си, ни става студено заради по-голямата топлопроводимост на водата която е изместила въздуха в дрехите. Вятърът представлява конвективно движение на въздуха което способства за ускоряване на топлообмена и затова в студено и ветровито време ни е по-студено отколкото когато не е ветровито.

Вижте също

• Топлина
• Температура
• Градус
• Критерий на Нуселт
• Коефициент на топлопредаване
• Коефициент на топлопреминаване