Введение
Мы постоянно сталкиваемся с тепловыми явлениями: зимой надеваем теплую одежду, чтобы не замёрзнуть; греемся горячим чаем или сидя возле батареи. Летом обмахиваемся веером, когда нам жарко; бросаем кубики льда в воду, чтобы та остыла. В каждом из этих процессов происходит изменение внутренней энергии тел.
Вспомним, что внутренняя энергия тела состоит из потенциальной и кинетической энергии его молекул.
Начнем передавать телу энергию. Если тело при этом переходит из одного агрегатного состояния в другое, например, лёд плавится и превращается в воду (см. рис. 1), то это означает, что изменяется потенциальная энергия молекул (кинетическая энергия при этом не меняется – температура не растёт).
Рис. 1. Изменение потенциальной энергии
Если же тело нагревается (увеличивается температура тела) – это следствие увеличения кинетической энергии молекул (см. рис. 2).
Рис. 2. Изменение кинетической энергии
Переданная при этом телу энергия идет на увеличение как потенциальной энергии (расстояние между молекулами увеличивается), так и кинетической (температура растёт) (см. рис. 3).
Рис. 3. Увеличение потенциальной и кинетической энергий
Сегодня мы остановимся на вопросе, как именно можно передать телу энергию, каким образом она сообщается телу.
Как можно передать энергию молекуле? Можно выделить два основных способа: первый назовем механическим – это совершение механической работы (см. рис. 4).
Рис. 4. Совершение механической работы
Второй способ, который принципиально отличается от механического, – электромагнитное излучение, о нем мы поговорим чуть позже (см. рис. 5).
Рис. 5. Электромагнитное излучение
Способы изменения внутренней энергии
Поговорим о механическом способе: чтобы передать молекуле энергию, нужно, чтобы с ней столкнулась более быстрая молекула (обладающая большей кинетической энергией) (см. рис. 6).
Рис. 6. Столкновение молекул
Рассмотрим такой пример: человек держит чашку с горячим чаем. Рассмотрим место контакта чашки с рукой. Частицы чашки непрерывно движутся, сталкиваются с частицами кожи и передают им часть кинетической энергии. Внутренняя энергия кожи повышается, и мы чувствуем тепло (см. рис. 7).
Рис. 7. Теплопроводность
Такой способ изменения внутренней энергии называется теплопроводностью.
Согреть руки можно и по-другому: подставить их под струю воздуха из тепловентилятора (см. рис. 8).
Рис. 8. Конвекция
Механизм такой же: молекулы воздуха сталкиваются с молекулами, из которых состоит кожа, и передают им часть энергии.
Но как молекула с большей энергией оказалась возле кожи? В случае с чашкой её молекулы передавали энергию «по цепочке», сталкиваясь с соседними молекулами. Нагретый воздух переместился сам, то есть энергия перенеслась вместе с самим веществом – воздухом. Такой случай, когда энергия переносится вместе с самим веществом, рассматривают как отдельный вид теплопередачи. Его назвали конвекцией (и можно считать частным случаем теплопроводности).
Согреть руки можно и без источника тепла, просто потерев их одна о другую (см. рис. 9).
Рис. 9. Потирание рук
Как и в предыдущих случаях, частицы взаимодействуют между собой и передают энергию. Но в этом случае взаимодействие частиц мы можем описать с помощью силы – силы трения (см. рис. 10).
Рис. 10. Выполнение работы
Сила трения выполняет работу 
, и это увеличивает внутреннюю энергию кожи рук. Таким образом, выполнение работы – это ещё один способ изменить внутреннюю энергию тела.
Описанные способы изменения энергии связаны со столкновением частиц. А как мы получаем энергию от Солнца? Земля и Солнце не контактируют, от Солнца не исходит поток горячего воздуха, как от тепловентилятора. Если здесь, на Земле, мы окружены воздухом, то космический корабль находится в безвоздушном пространстве и всё равно нагревается (см. рис. 11).
Рис. 11. Космический корабль в безвоздушном пространстве
Здесь задействован отдельный механизм передачи энергии, для которого не нужен контакт с веществом. Этот способ назвали излучением (см. рис. 12).
Рис. 12. Излучение
Энергия передается между частицами с помощью электромагнитных волн. Одна частица излучает эти волны, волны несут в себе энергию. Другая частица поглощает излучение и получает эту энергию (см. рис. 5). Подробнее об электромагнитных волнах вы узнаете позже.
Мы узнали о различных способах изменения внутренней энергии. Эти способы удобно классифицировать следующим образом:
- за счёт выполнения механической работы;
- за счёт передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому – этот способ назвали теплопередачей.
А теплопередачу можно осуществить тремя способами: это теплопроводность, конвекция (поговорили, что между ними общего и почему их рассматривают отдельно) и излучение.
Механическая работа
Работа может быть выполнена над телом, в этом случае его внутренняя энергия увеличивается. Например, на тормозящий автомобиль действует сила трения. Она выполняет работу, внутренняя энергия шин увеличивается. Этому есть подтверждение – если после экстренной остановки автомобиля потрогать его шины, они будут сильно нагреты (см. рис. 13).
Рис. 13. Экстренная остановка
Они даже немного плавятся, поэтому и оставляют следы торможения на дороге. Есть и другие примеры.
- Работу может выполнять сила сопротивления воздуха. Из-за этого в атмосфере нагреваются и даже могут сгорать метеориты. Иногда мы слышим в новостях о спутниках: «Сгорел в верхних слоях атмосферы» (см. рис. 14).
Рис. 14. Сила сопротивления воздуха
- Работа, выполненная силами при неупругих деформациях и столкновениях, увеличивает внутреннюю энергию. Это вы можете заметить, если будете сгибать и разгибать проволоку: прежде чем сломаться, место сгиба нагреется (см. рис. 15).
Рис. 15. Силы при неупругих деформациях
Примеры нагревания при трении
Известна история о французском лётчике времен Первой мировой войны, который во время полета поймал рукой немецкую пулю. Это вполне возможно (см. рис. 16): пуля со временем теряет скорость и может двигаться с такой же скоростью, что и самолёт.
Рис. 16. История о французском лётчике
Если они при этом летят в одном направлении, то друг относительно друга они неподвижны. На что мы обратим внимание, говоря о тепловых явлениях, – пуля из-за трения о воздух сильно нагревается. Поэтому, если бы лётчик поймал её голыми руками, то получил бы ожог.
Горки в аквапарке поливают водой, чтобы уменьшить трение между горкой и кожей (см. рис. 17).
Рис. 17. Уменьшение силы трения
Это нужно не только для того, чтобы нам веселее было съезжать с большей скоростью. Без воды из-за работы силы трения выделилось бы тепло, достаточное для ожога.
Тепло, которое выделяется при трении, используют даже для сварки металлов.
Бобслеисты надевают под комбинезон противоожоговую рубашку. Дело всё в том, что они спускаются с горы с очень большой скоростью, более 100 км/ч, и если боб перевернётся, то спортсмен будет скользить по льду на спине или животе. А от трения о лёд может выделиться достаточное количество теплоты, чтобы получить сильный ожог.
При выполнении работы над телом его энергия увеличивается. Если же само тело выполняет работу, его внутренняя энергия будет уменьшаться. Так, при расширении газ выполняет работу и его внутренняя энергия уменьшается. На этом принципе основана работа углекислотного огнетушителя: углекислый газ, покидая огнетушитель под давлением, расширяется и охлаждается до –70 °С (см. рис. 18).
Рис. 18. Работа огнетушителя
Поэтому при использовании огнетушителя нельзя прикасаться к металлическому раструбу – можно получить обморожение.
Виды теплопередачи
Рассмотрим различные виды теплопередачи.
С помощью теплопроводности энергия может передаваться от одного тела к другому, а может и внутри одного тела. Обязательное условие при этом – разность температур. Если взять два тела разной температуры и сделать так, чтобы они соприкасались, то энергия будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому (см. рис. 19).
Рис. 19. Два тела с разной температурой
Если нагревать один край железного стержня, то тепло будет передаваться к другому его краю (см. рис. 20).
Рис. 20. Распространение тепла по стрежню
В итоге весь стержень нагреется, но один край нагреется позже. При этом чем больше разность температур, тем быстрее происходит теплопередача.
Как долго держать подмышкой термометр?
Когда мы болеем, то измеряем температуру тела. Самые распространенные термометры – ртутные (см. рис. 21).
Рис. 21. Ртутный термометр
Как долго нужно с ними сидеть? Вы наверняка слышали разные варианты ответов: 5 минут, 10, 7. Какой правильный? Давайте разберёмся.
Чтобы термометр показал температуру тела, он должен нагреться до этой температуры. Как только мы взяли термометр при комнатной температуре, между ним и телом начинается теплопередача через теплопроводность (см. рис. 22).
Рис. 22. Теплопередача
Разность температур сначала может достигать 15 градусов, поэтому теплопередача протекает быстро, и через 5 минут его температура может отличаться от температуры тела на несколько десятых градуса. Такой точности достаточно, чтобы понять, болен ли человек. Оставим термометр ещё на 5 минут. Разность температур мала, скорость теплопередачи мала, и за это время термометр нагреется ещё на пару десятых градуса. То есть он покажет температуру немного точнее, чем после первых пяти минут.
Поэтому, когда мы выбираем время измерения температуры, речь идёт о точности в десятые доли градуса. А основная часть тепла передаётся за первые минут пять.
Разные вещества по-разному передают тепло: одни хорошо, другие плохо. Так, обычно металлы хорошо проводят тепло, или говорят, «обладают хорошей теплопроводностью» (см. рис. 19). А дерево, наоборот, имеет плохую теплопроводность (см. рис. 23).
Рис. 23. Плохая теплопроводность
Почему у металлов высокая теплопроводность?
Ученые заметили, что высокой теплопроводностью обладают вещества, которые хорошо проводят ток. Нам ещё предстоит подробно изучить, что такое электрический ток, но пока остановимся на базовых вещах. Что объединяет проводники электрического тока? В них есть заряженные частицы, которые свободно перемещаются в веществе, и, если приложить к проводнику напряжение, эти частицы будут двигаться направленно (см. рис. 24).
Рис. 24. Проводники
В металлах такие свободные заряженные частицы – это электроны, которые оторвались от атомов (обычно по одному-два от каждого атома) (см. рис. 25).
Рис. 25. Металлы
Будем считать, что электрическое притяжение электрона к атому не влияет на их движение, электроны свободны.
Обратим внимание: в металлах есть свободные электроны, и металлы хорошо проводят тепло (см. рис. 20) – это может быть как-то связано?
Масса электрона примерно в 56 000 раз меньше массы атома железа (берём в качестве примера), но скорость движения электрона в сотни раз больше скорости перемещения атома. Скорость в формуле для кинетической энергии 
возводится в квадрат, а 
электрона в десятки тысяч раз больше, чем атома. Так что электрон обладает кинетической энергией , сопоставимой с кинетической энергией атома, и может при столкновении передавать ему энергию. Получается, свободные электроны могут участвовать в процессе теплопроводности.
Есть кусок металла, который локально подогревается, в этом месте увеличилась кинетическая энергия частиц, в том числе свободных электронов (см. рис. 26).
Рис. 26. Нагревание металла
Электроны хаотично движутся с большой скоростью, поэтому часть из них оказывается в ненагретой части металла и там сталкивается с частицами вещества, передавая им часть энергии. Это не направленный поток быстрых электронов, это самопроизвольное «перемешивание» электронов при хаотичном движении внутри вещества, подобное диффузии. И более медленные электроны, оказавшись в нагреваемой области вещества, при столкновениях увеличивают свою кинетическую энергию и могут так же попасть в ненагретую область и отдать там энергию.
Конечно, перенос энергии электронами происходит не мгновенно: хоть их скорость и велика, они постоянно сталкиваются друг с другом, с атомами, что замедляет их «перемешивание». И передача энергии от соседнего атома к соседнему тоже никуда не исчезает. Но все равно с помощью свободных электронов теплота в проводниках передаётся в несколько раз быстрее, чем от атома к атому.
В остальных веществах такого дополнительного механизма передачи энергии нет, и их теплопроводность ниже.
Но, даже не задумываясь о причинах, это можно использовать.
Ручки сковородок обычно делают из дерева или из других материалов с плохой теплопроводностью. Если бы они были металлическими, то из-за теплопроводности тепло быстро бы передалось к ручке и о неё можно было бы обжечься.
У воздуха, если в нём нет потоков, которые приводят к возникновению конвекции, теплопроводность мала, поэтому прослойка неподвижного воздуха между стеклами в окне – хороший теплоизолятор. А если поставить третье стекло, то таких прослоек воздуха будет две – теплоизоляция улучшится (см. рис. 27).
Рис. 27. Двойной стеклопакет
Заметьте: здесь не так важен третий слой стекла, как вторая прослойка воздуха.
Мы говорили, что конвекция возникает вследствие перемещения вещества. Когда же оно может возникнуть? Его можно создать искусственно – перемешать чай в чашке; включить тепловентилятор. В чашке мы создали движение чая, более холодные и более тёплые слои чая перемешались и передали друг другу тепло, как при теплопроводности. Направленное движение воздуха в комнате вызывается вентилятором (см. рис. 28).
Рис. 28. Работа вентилятора
Тёплый воздух нагревается внутри вентилятора, а затем переносится с помощью конвекции по дому.
Кроме того, конвекция может происходить и по естественным причинам. Например, из-за действия силы тяжести и силы Архимеда. Холодный воздух тяжелее тёплого (плотность тёплого воздуха меньше, так как молекулы дальше друг от друга), поэтому он будет опускаться вниз, а горячий – подниматься и переносить тепло вверх (см. рис. 29).
Рис. 29. Естественная конвекция
Это называется естественной конвекцией. Теперь мы можем объяснить, почему батареи ставят в нижней части комнаты. Ведь тогда из-за естественной конвекции тепло будет распространяться по всей комнате (см. рис. 30).
Рис. 30. Работа батарей
А вот кондиционеры крепят вверху, под самым потолком, ведь обычно их используют для охлаждения помещений (см. рис. 31).
Рис. 31. Работа кондиционера
Холодный воздух будет опускаться вниз, и температура понизится во всей комнате. Использовать же кондиционер на обогрев менее эффективно (см. рис. 32).
Рис. 32. Работа на обогрев
Тёплый воздух остается вверху. Вниз передача возможна только благодаря теплопроводности, но воздух тепло проводит плохо. Поэтому греться от кондиционера получится, если направить поток воздуха прямо на себя.
Конвекция в жидкости
Аналогично происходит естественная конвекция и в жидкости. Поэтому греть воду выгодно снизу: конфорка плиты, нагреватель в электрочайнике находятся под водой, которую мы греем. Нижний слой нагревается, начинает подниматься вверх (см. рис. 33).
Рис. 33. Конвекция в жидкости
Внизу оказывается холодный слой, который нагревается плиткой и тоже поднимается вверх. И так далее. В итоге вся вода прогревается практически равномерно.
Но надо учесть, что чем более вязкая жидкость, тем затруднительнее перемешивать её слои за счет силы Архимеда (см. рис. 34).
Рис. 34. Конвекция в более вязкой жидкости
И естественная конвекция будет менее интенсивной. Поэтому при варке каши или киселя их периодически помешивают – создают искусственную конвекцию.
Если этого не сделать, то нижняя часть каши сильно нагреется, а верхняя останется холодной. Возникнет разница температур, и увеличится передача теплоты между слоями вследствие теплопроводности. Но если теплопроводность вещества плохая, то тепло не будет успевать передаваться от более нагретых слоев к менее нагретым и нижние слои могут подгореть (см. рис. 35).
Рис. 35. Теплопроводность вещества
В вязких жидкостях конвекция слабая, а в твёрдом теле конвекции вообще нет – вещество не перемешивается. Поэтому основную роль в передаче тепла играет теплопроводность. Но если у твёрдого тела плохая теплопроводность, оно может не успеть передать тепло. Тогда между различными частями тела возникнет большой перепад температур. Вспомним, что при увеличении температуры тела расширяются. То есть нагретая часть тела расширится, а холодная останется прежней (см. рис. 36).
Рис. 36. Расширения нагретых тел
В твёрдых телах это может привести к разрушению тела. Так иногда лопается холодный стакан, если в него налить кипяток (см. рис. 37).
Рис. 37. Разрушение стакана
Излучение
Рассмотрим третий способ теплопередачи – излучение. Чаще всего мы сталкиваемся с излучением света от Солнца. Разные тела по-разному поглощают свет. Мы видим отражённый от тел свет, поэтому чем больше тело поглощает свет, тем более тёмным мы его видим. Такое тело получает больше энергии. На даче бак с водой для летнего душа часто красят в тёмный цвет, чтобы он сильнее нагревался на солнце (см. рис. 38).
Рис. 38. Чёрный цвет бака
Белые и зеркальные тела, наоборот, в основном отражают свет, а не поглощают. Поэтому они нагреваются меньше. Соответственно, зимой лучше носить тёмные вещи, а летом – светлые. Тогда зимой ваша одежда будет получать больше тепла от излучения, а летом, наоборот, меньше (см. рис. 39).
Рис. 39. Выбор цвета вещей
Не только Солнце передает тепло излучением: мы чувствуем тепло от лампочки, костра, инфракрасного обогревателя (см. рис. 40).
Рис. 40. Передача тепла
Вообще любой предмет передает тепло через излучение, причём интенсивность передачи зависит от температуры этого тела. Для большинства тел их излучением можно пренебречь. Оно заметно только при больших температурах.
Мы упомянули тепловое излучение от костра. Сидя возле костра, вы чувствуете тепло. Не передается ли теплота через теплопроводность или конвекцию, ведь между нами и костром есть ещё и воздух? Давайте разберёмся.
Теплопроводность в костре есть: тлеющие угли и поленья передают тепло окружающему воздуху (см. рис. 41).
Рис. 41. Теплопроводность костра
Но воздух плохо проводит тепло, поэтому посредством теплопроводности теплота распространялась бы в нашу сторону очень медленно.
Рассмотрим потоки воздуха. Мы уже знаем, что тёплый воздух поднимается вверх. Поэтому если греть руки над костром, решающую роль будет играть конвекция. А вот если сидеть возле костра, нас будет обдувать скорее холодный воздух извне костра (см. рис. 42).
Рис. 42. Конвекция костра
Получается, что греемся мы как раз благодаря третьему виду теплопередачи – излучению.
Итоги
Мы с вами рассмотрели много примеров, когда тепло передаётся от одних тел к другим. При этом изменяется их внутренняя энергия. Но есть случаи, когда нужно избежать изменения энергии. Одним из приборов, которые препятствуют теплопередаче, является термос. Если вы налили в него чай – вы хотите, чтобы он остался горячим.
Зная об особенностях различных видов теплопередачи, мы можем объяснить, как их избежать или уменьшить их эффективность (см. рис. 43).
Рис. 43. Термос
- Теплопроводность. Термос состоит из двух чаш, чаще всего стеклянных, между которыми очень разреженный воздух. Воздух имеет плохую теплопроводность, а разреженный тем более (см. рис. 44).
Рис. 44. Защита от теплопередачи
Это и защищает от данного вида теплопередачи.
- Конвекция. При конвекции тепло переносится движением вещества. Термос очень плотно закрывается – это и защищает термос от движения воздуха из него и внутрь него. То есть защищает от конвекции (см. рис. 45).
Рис. 45. Защита от конвекции
- Излучение. Горячий чай, как и все тела, излучает тепло. Поэтому внутренняя поверхность термоса делается зеркальной – тогда излученной тепло отражается обратно внутрь термоса (см. рис. 46).
Рис. 46. Защита от излучения
Если же летом нужно оставить воду в термосе холодной, нужно избежать нагревания от излучения Солнца. Поэтому внешняя часть термоса также зеркальна.
Шуба как разновидность термоса
Наверное, многие слышали споры о том, греет ли шуба. На первый взгляд, кажется, что греет – мы её для этого и носим. Но на самом деле она не позволяет нашему телу терять тепло, как термос не дает остывать чаю (см. рис. 47).
Рис. 47. Шуба как термос
Даже принцип изоляции похож: в термосе важную роль играет прослойка газа под низким давлением в колбе, а в шубе – прослойка воздуха, которая удерживается мехом. В обоих случаях теплопроводность прослойки невысокая.
Если мы обернем в шубу кусок льда, он долго не будет таять из-за той же теплоизоляции. А в жарких странах часто носят тёплые халаты под палящим солнцем. Конечно, люди в них не греются, а, наоборот, изолируют свое тело от окружающего нагретого воздуха.
