Всяко материално тяло има такивахарактерна като топлина, която може да се увеличава и намалява. Топлината не е материално вещество: като част от вътрешната енергия на веществото, тя възниква от движението и взаимодействието на молекулите. Тъй като топлината на различните вещества може да се различава, протича процесът на предаване на топлина от по-топло вещество към вещество с по-малко топлина. Този процес се нарича пренос на топлина. В тази статия ще разгледаме основните видове топлообмен и механизмите на тяхното действие.
Топлообмен или процес на пренос на температура,може да възникне както в материята, така и от едно вещество в друго. В този случай интензивността на топлообмена до голяма степен зависи от физическите свойства на материята, температурата на веществата (ако няколко вещества участват в топлообмена) и законите на физиката. Топлопредаването е процес, който винаги е едностранен. Основният принцип на топлопредаването е, че най-нагрятото тяло винаги отделя топлина на обект с по-ниска температура. Например, когато гладите дрехите, гореща ютия отделя топлина на панталона, а не обратното. Топлопредаването е зависимо от времето явление, което характеризира необратимото разпространение на топлината в пространството.
Механизмите на термично взаимодействие на веществата могат да приемат различни форми. В природата има три вида топлообмен:
Нека разгледаме изброените видове топлообмен по-подробно.
Най-често топлопроводимостта се наблюдава в твърдо веществотела. Ако под въздействието на някакви фактори в едно и също вещество се появят области с различни температури, то топлинната енергия от по-топлия район ще отиде към студената. В някои случаи подобно явление може дори да се наблюдава визуално. Например, ако вземем метален прът, да речем, игла, и го загреем на огън, след известно време ще видим как топлинната енергия се пренася по иглата, образувайки блясък в определена област. Освен това, на място, където температурата е по-висока, сиянието е по-ярко и, обратно, когато t е по-ниско, е по-тъмно. Топлопроводимостта може да се наблюдава и между две тела (халба горещ чай и ръка)
Интензивността на топлообмена зависиот много фактори, чието съотношение беше разкрито от френския математик Фурие. Тези фактори включват преди всичко температурния градиент (съотношението на температурната разлика в краищата на пръта към разстоянието от единия до другия край), площта на напречното сечение на тялото, както и коефициент на топлопроводимост (той е различен за всички вещества, но най-висок се наблюдава за металите). Най-значимият коефициент на топлопроводимост се наблюдава за мед и алуминий. Не е изненадващо, че тези два метала се използват по-често при производството на електрически проводници. Следвайки закона на Фурие, топлинният поток може да бъде увеличен или намален чрез промяна на един от тези параметри.
Конвекция, характерна предимно за газове итечности, има два компонента: междумолекулна топлопроводимост и движение (разпространение) на средата. Механизмът на действие на конвекцията е следният: когато температурата на течното вещество се повиши, неговите молекули започват да се движат по-активно, а при липса на пространствени ограничения обемът на веществото се увеличава. Последицата от този процес ще бъде намаляване на плътността на веществото и неговото движение нагоре. Поразителен пример за конвекция е движението на въздух, нагрят от радиатор от батерията към тавана.
Разграничаване между свободна и принудителна конвективнавидове топлообмен. Преносът на топлина и движението на масата в свободен тип се дължи на хетерогенността на веществото, т.е. гореща течност се издига над студената естествено без въздействието на външни сили (например отопление на помещение чрез централно отопление) . При принудителна конвекция движението на масата става под въздействието на външни сили, например разбъркване на чай с лъжица.
Лъчист или радиационен топлообмен можевъзникват без контакт с друг предмет или вещество, поради което е възможно дори в безвъздушно пространство (вакуум). Радиационният топлообмен е присъщ на всички тела в по-голяма или по-малка степен и се проявява под формата на електромагнитни вълни с непрекъснат спектър. Поразителен пример за това са слънчевите лъчи. Механизмът на действие е следният: тялото непрекъснато излъчва определено количество топлина в околното пространство. Когато тази енергия удари друг обект или вещество, част от нея се абсорбира, втората част преминава през нея, а третата се отразява в околната среда. Всеки обект може както да излъчва топлина, така и да абсорбира, докато тъмните вещества са способни да поемат повече топлина от светлите.
В природата видовете процеси на топлообмен са рядкостсе намират отделно. Много по-често те могат да се наблюдават съвкупно. В термодинамиката тези комбинации дори имат имена, да речем, топлопроводимост + конвекцията е конвективен топлопренос, а топлопроводимостта + топлинното излъчване се нарича радиационно проводим топлопренос. Освен това се разграничават такива комбинирани видове топлообмен, като:
Преносът на топлина в природата играе огромна роля и не го правиограничена от нагряването на земното кълбо от слънчевите лъчи. Обширните конвекционни течения, като движението на въздушните маси, до голяма степен определят времето на цялата ни планета.
Топлинната проводимост на земното ядро води до появатагейзери и вулканични изригвания. Това са само няколко примера за глобален топлопренос. Заедно те образуват видовете конвективен топлопренос и радиационно проводимите видове топлопренос, необходими за поддържане на живота на нашата планета.
Топлината е важна съставка на почти всичкипроизводствени процеси. Трудно е да се каже кой тип човешки топлообмен се използва най-вече в националната икономика. Вероятно и трите едновременно. Благодарение на процесите на пренос на топлина металите се топят, произвежда се огромно количество стоки, от ежедневни предмети до космически кораби.
Са изключително важни за цивилизациятатермични единици, способни да преобразуват топлинната енергия в полезна мощност. Сред тях са бензинови, дизелови, компресорни, турбинни агрегати. За своята работа те използват различни видове топлообмен.
