§ 7. Теплопроводность

ТРИ ВИДА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И СУЩНОСТЬ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Внутреннюю энергию любого тела можно изменить двумя принципиальными путями: совершением механической работы или теплопередачей. Если работа не совершается, обмен тепловой энергией между телами или частями одного тела происходит за счёт теплопередачи. В физике различают три фундаментальных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и излучение. Первым и наиболее наглядным из них является теплопроводность.

Классический опыт со спицей наглядно демонстрирует постепенное распространение тепла в твёрдом теле. Если к металлическому стержню с помощью расплавленного воска прикрепить в ряд несколько мелких гвоздиков, а затем начать нагревать один из его концов на пламени спиртовки, воск начнёт постепенно плавиться. Гвоздики станут отпадать строго по очереди: сначала те, что расположены в непосредственной близости к пламени, а затем всё более удалённые. Это доказывает, что внутренняя энергия не передаётся мгновенно по всему объёму тела, а распространяется от более нагретых участков к менее нагретым последовательно шаг за шагом.

Аналогичное явление наблюдается в повседневной жизни, когда в стакан с горячим чаем опускают холодную металлическую ложку. Через короткое время ручка ложки становится горячей, в то время как вода в стакане слегка остывает.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ: ПОЧЕМУ НЕТ ПЕРЕНОСА ВЕЩЕСТВА

С точки зрения молекулярно-кинетической теории механизм теплопроводности объясняется непрерывным тепловым движением и соударением микрочастиц. В нагреваемом конце металлического стержня атомы и ионы кристаллической решётки начинают совершать более интенсивные колебания. Сталкиваясь со своими более «холодными» соседями, они передают им часть кинетической энергии, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, раскачивают следующие слои частиц, распространяя тепловое возбуждение дальше вдоль стержня.

В случае с ложкой частицы горячей воды, обладающие высокой кинетической энергией, бомбардируют холодную поверхность металла. При соударениях они отдают часть импульса атомам ложки, ускоряя их колебания, после чего энергия распространяется по телу ложки от погружённой части к свободной ручке.

Главный физический закон теплопроводности: при теплопроводности происходит исключительно передача внутренней энергии, но никогда не происходит переноса самого вещества. Атомы и молекулы твёрдого тела остаются привязанными к своим положениям равновесия и не путешествуют вдоль стержня. Если бы теплопроводность сопровождалась переносом вещества, то нагреваемый металлический прут истончался бы у горячего конца и утолщался на холодном, чего в реальности никогда не происходит.

• Теплопроводность — это процесс передачи внутренней энергии от более нагретых тел (или частей тела) к менее нагретым за счёт теплового движения и непрерывного взаимодействия микрочастиц, происходящий без переноса вещества.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ В РАЗЛИЧНЫХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ

Способность передавать внутреннюю энергию у разных веществ кардинально различается. Это легко подтверждается сравнительным экспериментом: если закрепить гвоздики на двух одинаковых по размеру стержнях — медном и стальном — и одновременно нагревать их концы в одном пламени, то на медном стержне гвоздики опадут значительно быстрее. Медь обладает в разы более высокой теплопроводностью, чем сталь.

• Твёрдые тела (металлы): обладают наивысшей теплопроводностью среди всех материалов. Это связано с наличием в металлах огромного количества свободных электронов. Электроны не привязаны к конкретным узлам кристаллической решётки, двигаются с огромными скоростями сквозь толщу металла и практически мгновенно переносят тепловую энергию по всему объёму тела. В неметаллических твёрдых телах (дерево, стекло, кирпич, фарфор) свободных электронов нет, поэтому они проводят тепло слабо. Например, горящую деревянную спичку можно спокойно держать в руках, пока пламя не подойдёт к пальцам на расстояние нескольких миллиметров.
• Жидкости: за исключением жидких металлов (таких как ртуть), жидкости проводят тепло очень плохо. Молекулы жидкости расположены дальше друг от друга, чем в твёрдых телах, и не связаны жёсткой решёткой. Знаменитый опыт со льдом убедительно доказывает этот факт: на дно пробирки кладут кусочек льда, прижав его металлической гайкой, чтобы он не всплывал, наливают воду и нагревают верхний край пробирки в пламени горелки. Вода у горлышка бурно закипает и испаряется, в то время как лёд на дне остаётся абсолютно целым и даже не начинает таять.
• Газы и вакуум: расстояния между молекулами газов в десятки раз превышают размеры самих молекул, поэтому их соударения происходят сравнительно редко. Теплопроводность газов ничтожно мала. Если поместить сухую пробирку открытым концом вниз и нагревать её запаянное дно, палец у открытого края долгое время не почувствует тепла. Наименьшей теплопроводностью обладает предельно разреженный газ — вакуум, где перенос тепла теплопроводностью невозможен в принципе из-за отсутствия материальных частиц.

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ В ТЕХНИКЕ, БЫТУ И ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Человек научился виртуозно комбинировать вещества с высокой и низкой теплопроводностью для решения практических задач:

• Кулинария и посуда: днища кастрюль, сковород и радиаторов изготавливают из металлов с максимальной теплопроводностью (медь, алюминий, чугун) для быстрого и равномерного прогрева. Напротив, ручки посуды делают из материалов с низкой теплопроводностью (древесина, термостойкий пластик, бакелит), чтобы человек не обжёг руки. Тарелки и чашки формуют из глины и фарфора, что позволяет долго сохранять пищу горячей и безопасно держать посуду в ладонях.
• Строительство и энергосбережение: жилые дома возводят из пористого кирпича, газобетона и древесины — материалов, наполненных микроскопическими полостями с неподвижным воздухом. Окна оснащают двойными и тройными герметичными стеклопакетами. Металлические трубы систем отопления и хладопроводы обязательно покрывают плотным слоем теплоизоляции (минеральная вата, пенополиуретан), чтобы предотвратить бесполезную утечку энергии в окружающую среду.
• Одежда и теплоизоляторы: шерсть, пух, мех, войлок и синтепон защищают человека от мороза не за счёт собственных волокон, а благодаря неподвижному воздуху, запертому в их пористой структуре. Воздух служит великолепным природным барьером для теплопроводности.
• Биологическая адаптация животных: в живой природе сохранение тепла жизненно необходимо. Птицы в сильные холода распушают перья, задерживая вокруг тела толстый слой воздуха. Теплокровные обитатели холодного климата подчиняются морфологическому правилу Аллена: животные Арктики (полярный песец) имеют короткие уши, лапы и приземистое тело, чтобы минимизировать площадь теплоотдачи. Напротив, обитатель раскалённой пустыни Сахара — лисичка фенек — снабжена гигантскими ушами, пронизанными густой сетью кровеносных сосудов, которые работают как эффективные радиаторы охлаждения организма.