Ako sa prenáša teplo

Vedeli ste, že varná platňa vyžaruje elektromagnetické žiarenie? Ale že vaše telo je tiež vysielačom vĺn z infračerveného rozsahu? Ako to, že sú zariadenia, ktoré dokážu vidieť v noci aj v podmienkach úplného nedostatku svetla?

Pri zjednodušovaní budeme pri vysvetľovaní prenosu tepla používať niektoré pojmy: teplota, pohyb tepla, tepelná energia (teplo) a infračervené žiarenie. Teplota je množstvo tepelnej energie materiálu, miera jeho priemernej kinetickej energie vyplývajúcej z pohybu atómov a molekúl zložiek. Infračervené žiarenie predstavuje oblasť elektromagnetického spektra s vlnovými dĺžkami medzi 0,7 a 300 µm. Pohyb tepla je pohyb tepelnej energie z jedného miesta na druhé alebo, odbornejšie povedané, výmena vnútornej energie (energia spojená s pohybom častíc) medzi systémami zapojenými do výmeny tepla. Teplo má tendenciu prechádzať z teplejšieho miesta na chladnejšie. Takto sa napríklad vzduchové hmoty pohybujú z jednej oblasti do druhej a niekedy vytvárajú silný vietor, keď je teplotný rozdiel veľký. Prenos tepla sa uskutočňuje tromi spôsobmi: žiarením, konvekciou a vedením. Na mikroskopickej úrovni tepelná energia (teplo) znamená kinetickú energiu častíc materiálu. Čím vyššie je tepelné miešanie (vibrácie a lineárny pohyb častíc), tým vyššia je teplota.

Pretože teplo je forma energie, meria sa v jouloch.

1 Joule = 1 N * m = 1 kg m/s2 * m
1 kalória je ekvivalent energie potrebnej na zvýšenie teploty jedného gramu destilovanej vody z 19,5 na 20,5 ° C.
1 kalória = 4 186 joulov
1 vysoká kalória = 1 000 kalórií

Atómy a molekuly sú v neustálom pohybe. V kvapalinách a plynoch sa atómy pohybujú veľmi rýchlo a narazia do seba a do okrajov nádoby, v ktorej sú; navyše vibrujú. V pevných látkach sa atómy nemôžu veľmi pohybovať, sú zachytené v štruktúre matice špecifickej pre každý typ pevnej látky, ale namiesto toho vibrujú.

Objekty vyžarujú žiarenie, keď elektróny vyššej energie z vyššej atómovej úrovne klesnú na nižšiu hladinu energie. Stratu energie spôsobujú emisie fotónov, vozidiel elektromagnetického žiarenia. Atómy tiež absorbujú energiu, elektróny sa začnú pohybovať rýchlejšie a niekedy stúpajú na vyššie úrovne. Všetky predmety vyžarujú alebo absorbujú žiarenie. Ak je emisia energie vyššia ako absorpcia energie, teplota objektu klesá a ak je emisia nižšia ako absorpcia, teplota objektu sa zvyšuje.

K prenosu pomocou elektromagnetického žiarenia dochádza, keď sa teplo prenáša z jedného tela na druhé bez toho, aby sa obidve telá dotýkali. Varná platňa alebo oheň ohrieva vašu ruku bez toho, aby ste sa platne dotkli alebo ju položili na oheň. Neviditeľné elektromagnetické vlny, ktoré sú väčšinou z infračerveného žiarenia, prenášajú teplo z varnej dosky k vám. Vaša ruka absorbuje žiarenie a v dôsledku toho sa zahreje.

Všetky materiály vyžarujú tepelnú energiu v množstve určenom ich teplom (prístroje nočného videnia na základe detekcie tepla vyžarovaného ľudským telom nevyžarujú, ale iba prijímajú infračervené žiarenie a premieňajú ho na žiarenie z viditeľného spektra). Tepelná energia sa v tomto prípade prenáša fotónmi, vozidlami elektromagnetického žiarenia akejkoľvek frekvencie. Ak sú teploty dvoch telies identické, prestáva už dochádzať k výmene tepla, čím sa nastolí stav tepelnej rovnováhy.

Kde sa stretávame s týmto typom prenosu tepla?

Slnko ohrieva Zem slnečným žiarením
Žiarovka vyžaruje teplo
Oheň vydáva elektromagnetické vlny, cez ktoré sa ohrievame.

Klasifikácia prenosu tepla uvedená vyššie samozrejme neznamená, že v prírode nájdeme buď prenos žiarenia, alebo vedenie alebo konvekciu. Ako je znázornené na fotografii nižšie, tieto tri typy môžu veľmi dobre koexistovať.

Vedenie je prenos tepla medzi dvoma materiálmi, ktoré prichádzajú do vzájomného kontaktu. Molekulárna kinetická energia materiálu (oblasti materiálu) sa prenáša na iný materiál (jeho oblasti) s nižšou kinetickou energiou prostredníctvom zrážok zložiek. Táto metóda je najdôležitejším typom prenosu tuhých látok. Napríklad, ak si trúfate dotknúť sa platne, prenos tepla prebehne veľmi rýchlo kvôli veľkému teplotnému rozdielu medzi varnou doskou a rukou a podľa toho budete podľa toho trpieť. Týmto spôsobom môžete tiež vysvetliť, prečo sa rukoväť kanvice, s ktorou si pripravujete ranný čaj, ak nie je vyrobená z materiálu s nízkym indexom tepelnej vodivosti alebo nie je tepelne izolovaná, rýchlo zahreje a budete potrebovať uterák. kanvicu zdvihnúť zo sporáka. V tomto prípade sa atómy rukoväte dostanú do stavu vibrácií, ktoré sa zrážkou rýchlo prenesú na susedné atómy.

Niektoré látky sú dobrými vodičmi tepla, napríklad: striebro, oceľ, železo, meď, zatiaľ čo iné sú dobrými izolátormi, napríklad drevom, papierom alebo vzduchom.

Na fotografii nižšie je znázornenie pohybu atómov zahriatej pevnej látky, prevzaté z webovej stránky pbs.org.

Tepelná konvekcia predstavuje prirodzený pohyb tepla; tento typ prenosu platí pre plyny alebo kvapaliny. Ako ste si mohli všimnúť vo svojom dome, teplý, menej hustý vzduch má tendenciu stúpať a studený klesať. Tento princíp je ilustrovaný napríklad prevádzkou rúry na pečenie, kde je vzduch ohrievaný horákom, a potom stúpa k hornej časti pece, kde sa ochladzuje, opäť klesá dole a cyklus pokračuje, kým nie je jedlo pripravené.

Konvekcia je to, čo koordinuje napríklad pohyb kvapaliny v kanvici. Keď plameň kachlí pôsobí na dno kanvice, voda sa ohrieva, vnútorné miešanie je viditeľné voľným okom a zväčšuje svoj objem, zatiaľ čo chladnejšia a hustejšia voda na povrchu klesá, podľa rovnakého cyklu, aký som už popísal vyššie. v prípade vzduchu vo vnútri rúry.

Kde stretávame konvekciu?

Vzduchový balón funguje na princípe, že horúci vzduch je ľahší ako studený vzduch
V kachle na drevo alebo drevené uhlie
Vzduchové prúdy rešpektujú princíp prúdenia
Pohyb vzduchu vo vašom vlastnom dome
Pohyb vody z hrnca na sporáku ho zahrial.

Môžu ľudia svietiť v tme?

Áno, aj keď nemáte dostatok svetla, ak máte obyčajné zariadenie na nočné videnie, budete mať to potešenie vidieť seba samého okolo seba bez toho, aby ste museli používať baterku! Ale buďte opatrní, uvidíte iba to, čo vyžaruje teplo, teda infračervené žiarenie. My ľudia vyžarujeme elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou asi 10 mikrometrov. Na obrázku nižšie vidíte fotografiu dieťaťa, ktoré urobila infračervená agentúra NASA. To, čo vidíme, je samozrejme výsledok transformácie prístroja z infračerveného na svetlo (pochopenie svetelným elektromagnetickým žiarením z viditeľného spektra), pretože ľudské oko, ako ste si pravdepodobne uvedomili, zachytáva iba vlny z malej oblasti elektromagnetického spektra.

Letný prestup tepla a tričko

Čierne materiály majú vlastnosť absorbovať infračervené žiarenie oveľa rýchlejšie ako biele. Preto, ak máte v lete radi čiernu farbu, malo by vám vyhovovať aj teplo, pretože vaša košeľa sa zahreje oveľa rýchlejšie ako vaša kolegyňa v bielom. Ak je čierna v móde, čiernej sa aj tak nevzdávajte ....

Môžete komentovať pomocou účtu na webe, prostredníctvom FB, Twitteru alebo Google alebo ako návštevník (bez registrácie). Pre návštevníkov sú komentáre mierne (schválené správcom).