Передача тепла — это распространение тепла от объекта с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Существуют три основных способа передачи тепла. Не так давно открыли четвертый вид. Таким образом, науке на сегодня известны 4 вида или способа передачи теплоты:
- Теплопроводность;
- Конвекция;
- Излучение;
- На основе вакуумных (квантовых) флуктуаций.
Что такое теплопроводность?
Теплопроводность — это способность материала передавать тепловую энергию от одной части материала к другой. Теплопроводность зависит от некоторых факторов, таких как температура, плотность и состав материала.

Некоторые вещества, такие как металлы обладают высокой теплопроводностью и хорошо передают тепло. Другие, такие как термопласт, являются хорошими изоляторами и сохраняют тепло.
Процесс теплопроводности заключается в передаче тепловой энергии от области материала с более высокой температурой к области материала с более низкой температурой. Эта передача происходит благодаря перемещению тепловой энергии между атомами или молекулами материала.
При нагревании материала, его атомы или молекулы начинают колебаться и вибрировать вокруг своих равновесных положений. В результате колебаний атомов или молекул возникают фононы — элементарные возбуждения решетки материала. Фононы могут передавать свою энергию другим фононам, перемещаясь через материал.

Совершая непрерывные хаотические движения, молекулы, атомы, электроны и другие микрочастицы, из которых состоят тела, сталкиваются друг с другом.
Коэффициенты теплопроводности наиболее часто применяемых материалов
Металлы хорошо передают тепло.
Вещество | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) |
Алюминий | 209,3 |
Железо | 74,4 |
Золото | 312,8 |
Латунь | 85,5 |
Медь | 389,6 |
Ртуть | 29,1 |
Серебро | 418,7 |
Сталь | 45,4 |
Чугун | 62,8 |
Более низкой теплопроводностью обладают жидкости.
Материал | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) при 0℃ | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) при 50℃ | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) при 100℃ |
Анилин | 0,0019 | 0,00177 | 0,00167 |
Ацетон | 0,0017 | 0,0016 | 0,0015 |
Бензол | — | 0,00138 | 0,00126 |
Вода | 0,00551 | 0,00648 | 0,00683 |
Масло вазелиновое | 0,00126 | 0,00122 | 0,00119 |
Масло касторовое | 0,00184 | 0,00177 | 0,00172 |
Спирт метиловый | 0,00214 | 0,00207 | — |
Спирт этиловый | 0,00188 | 0,00177 | — |
Толуол | 0,00142 | 0,00129 | 0,00119 |
Газы слабо проводят тепло.
Вещество | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С) |
Азот | 0,00024 |
Кислород | 0,00024 |
Воздух | 0,00024 |
Углекислый газ | 0,00023 |
Гелий | 0,0014 |
Рассмотрим некоторые простые примеры теплопроводности:
- Обжаривание продуктов на сковородке.

Жарка включает передачу теплоты от сковородки к продуктам.
- Ходить по горячему песку.

Песок передаёт тепло нашим ногам, вследствие чего они нагреваются.
- Прикосновение ко льду.

Из-за того, что лёд имеет более низкую температуру, тепло наших рук передаётся к ледяному кусочку.
Теплопроводность важна для работы многих промышленных систем, таких как центральное отопление, автомобильных двигателей, технологических процессов производства и многие другие. Понимание принципов теплопроводности помогает увеличить эффективность систем обогрева и охлаждения, а также снижает расходы на энергию.
Физический смысл теплопроводности заключается в том, сколько тепла передается через единицу площади за единицу времени вдоль единицы расстояния при определенной разности температур. Когда температура на границе двух тел различна, то тепло будет переходить от более горячего тела к менее горячему посредством теплопроводности.
Закон Фурье
Закон Фурье — это закон из области теплопроводности, который устанавливает связь между тепловым потоком через материал и разностью температур на обеих сторонах этого материала. Согласно закону Фурье, тепловой поток в плоской стенке направлен от горячей поверхности к холодной и вычисляется через теплопроводность стенки, разницу температур, её толщину и площадь.

- Т1 и Т2 – более высокая и менее высока температура стенки;
- λ — теплопроводность материала стенки;
- d — толщина стенки;
- S — площадь поверхности стенки.

Коэффициент теплопроводности. Что такое лямбда?
Коэффициент теплопроводности — это физическая величина, которая определяет способность материала передавать тепло через свою структуру. Она выражается в единицах ватт на метр на градус Цельсия Вт/(м°С).
Коэффициент теплопроводности зависит от различных факторов, включая состав материала, структуру, температуру, а также уровень давления и влажности.
Материалы с высоким коэффициентом теплопроводности хорошо проводят тепло и могут быстро распространять тепловые потоки. Такие материалы, как медь и алюминий, обладают высокой теплопроводностью и широко используются во многих инженерных приложениях, таких как производство теплообменных аппаратов, радиаторов, термостатов и т.д.

С другой стороны, материалы с низким коэффициентом теплопроводности медленно передают тепло и могут применяться в качестве тепловой изоляции. Такие материалы, как стекло и керамика, могут обладать низкой теплопроводностью и использоваться в качестве изоляции от тепла.
Важно отметить, что коэффициент теплопроводности также может изменяться в зависимости от условий эксплуатации. Например, при повышении температуры материала его теплопроводность может увеличиваться.
Таким образом, коэффициент теплопроводности является важной характеристикой материалов и играет важную роль в различных инженерных и научных приложениях.
В целом, теплопроводность — это важное свойство материалов, которое имеет широкое применение в различных отраслях науки и техники. Разработка новых материалов с высокой теплопроводностью или материалов с пониженной теплопроводностью продолжает быть одной из ключевых областей исследований в науке и технологии.
Что такое конвекция?
Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества. Явление конвекции имеет огромное значение в природе. В конце 18 века Бенджамин Томпсон открыл это явление. Он дал основу для термофизики.
Для вычислений ученые используют несколько теоретических моделей, из которых наиболее популярной является закон Ньютона-Рихмана.
Закон Ньютона-Рихмана
По закону Ньютона и Рихмана тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур поверхности :
Q = α∙F∙ΔТ
- ΔТ — разность температур между жидкой и твердой стенкой на всей площади поверхности, °С.
- F — поверхность теплообмена, м2
- α— коэффициент теплоотдачи, характеризующий её интенсивность, Вт/(м2°С).
Интенсивность конвекции зависит от:
- разницы температур;
- теплопроводности;
- вязкости среды.
По способу возникновения выделяют 2 вида конвекции:
- естественная
- вынужденная.
Естественная конвекция
Естественная конвекция вызвана изменением плотности среды в результате неравномерного нагрева. Встречается в:
- холодильниках,
- чайниках,
- термосах,
- электроплитах,
- в кастрюле с кипящей водой.

Вынужденная конвекция
Вынужденная конвекция происходит при искусственном создании движения среды, например вентилятором. Встречается в бытовой технике:
- духовых шкафах
- электрических печах;
- микроволновках;
- обогревателях;
- радиаторах;
- при подаче воздуха кулером в системный блок компьютера.

Проявления конвекции можно наблюдать в различных областях науки и техники, включая:
- 1. Жидкость на поверхности Земли. Конвекция может проявляться в движении воды, например, в реках, океанах и морях. Вода поднимается вверх из-за нагрева солнечных лучей и опускается вниз из-за охлаждения. Это приводит к образованию волн и течений, которые перемещают воду и переносят тепло.

- 2. Метеорология. Конвекция играет важную роль в образовании облаков и формировании погоды. Когда воздух нагревается, он становится менее плотным и поднимается вверх. Затем более плотный холодный воздух опускается на его место, образуя облака и осадки.

- 3. Теплотехника. Конвекция используется в системах отопления и охлаждения для передачи тепла от горячих к холодным поверхностям. В радиаторах и конвекторах воздух или жидкость циркулирует через каналы, нагреваясь или охлаждая их в зависимости от температуры.

- 4. Гидродинамика. Конвекция является ключевым фактором в гидродинамике, особенно в турбулентных потоках, где перемешивание происходит за счет перемешивания и взаимодействия различных слоев жидкости.

- 5. Пищевая промышленность. Конвекция имеет важное значение в пищевой промышленности, особенно при выпечке и приготовлении пищи на гриле. Тепло от источника (например, газовой горелки или электрического гриля) передается воздуху, который обдувает пищу, обеспечивая ее равномерное прогревание и жарку.

Что такое тепловое излучение?
Тепловое излучение является одним из основных видов теплопередачи, который играет важную роль в многих научных и технических областях. Оно возникает в результате излучения электромагнитных волн, которые испускаются нагретыми объектами, и может передаваться через вакуум, что делает его особенно полезным для применения в различных условиях.
Тепловое излучение — это процесс передачи тепла через электромагнитные волны, которые испускаются нагретыми объектами. Каждый объект, имеющий температуру выше абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию), испускает тепловое излучение различной длины волн и частоты.
Также тепловое излучение может быть поглощено другим объектом и вызвать его нагрев. Например, когда мы стоим на Солнце, наши тела поглощают тепловое излучение, что приводит к повышению температуры нашей кожи.

Существует несколько факторов, которые влияют на тепловое излучение, включая температуру и характеристики поверхности нагретых объектов.
Как происходит тепловое излучение?
Тепловое излучение происходит за счет передачи энергии электромагнитными волнами. Когда тело нагревается, то начинает испускать энергию в виде электромагнитных волн, а именно — инфракрасного излучения.
Тепловое излучение также может приводить к самоподогреванию тела. Например, при работе с электрической печью, которая генерирует инфракрасное излучение, объекты вблизи печи начинают нагреваться и становятся новым источником теплового излучения.

Тепловое излучение можно классифицировать на основе длины волн электромагнитных волн, которые испускаются нагретыми объектами.
Существуют три основных вида теплового излучения:
- Инфракрасное излучение — это тепловое излучение с длиной волн от 0,78 мкм до 1000 мкм. Именно этот вид излучения используется для передачи тепла в инфракрасных лампах и других технических устройствах.
- Видимое излучение — это тепловое излучение с длиной волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм. Оно воспринимается человеческим глазом как свет. Также этот вид излучения используется для передачи тепла в оптических системах, например, фотонных структурах.
- Ультрафиолетовое излучение — это тепловое излучение с длиной волн от 0,01 мкм до 0,38 мкм. Оно в большинстве случаев не воспринимается человеческим зрением, но может вызывать определенные химические реакции. Оно может использоваться в различных областях науки и техники, например, для дезинфекции и стерилизации.

Каждый вид теплового излучения имеет свойственные ему характеристики и применения в науке и технике. Успешное использование теплового излучения требует участия квалифицированных специалистов, которые могут правильно применять его в соответствии с задачами.
Примеры теплового излучения в различных областях науки и техники.
Примером использования теплового излучения являются инфракрасные лампы, которые широко применяются в промышленности для сушки покрытий, клеев и других материалов. Эти лампы работают на основе инфракрасного излучения и способны быстро нагреть поверхность объекта и высушить его.

Солнечные панели — один из примеров использования теплового излучения. Они работают на основе преобразования солнечной энергии в тепло. Солнечные панели используют инфракрасное излучение для направления тепла на теплоноситель и генерации электрической энергии.

Также тепловое излучение используется в научных исследованиях, в космической и авиационной промышленности, а также в других областях, связанных с передачей тепла.
Закон Стефана-Больцмана
Закон Стефана-Больцмана является одним из основных законов термодинамики, описывающих излучение тела. Он устанавливает связь между мощностью излучения тела и его температурой.
Согласно закону Стефана-Больцмана, мощность излучения тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T этого тела. Формула закона имеет вид:
P = ε∙σ∙A∙T4
- P — мощность излучения,
- A — площадь поверхности излучающего тела,
- T — температура тела в кельвинах,
- σ — постоянная Стефана-Больцмана,
- ε — эмиссионный коэффициент, отражающий способность тела излучать энергию.
Постоянная Стефана-Больцмана имеет значение 5,67∙10-8 Вт/(м2К4).∙Она определяет мощность излучения единичной поверхности абсолютно черного тела при температуре 1 Кельвина.
Понимание закона Стефана-Больцмана имеет большое значение в многих областях науки и техники, включая астрофизику, электротехнику и тепловую инженерию. Он помогает понять процессы теплопередачи и охлаждения, а также использовать солнечную энергию и разрабатывать различные виды светотехники. Несмотря на то, что закон Стефана-Больцмана был открыт более 140 лет назад, он до сих пор остается важным и актуальным для научных исследований и технических разработок.
Четвертый вид передачи энергии – на основе вакуумных флуктуаций
Вакуумные флуктуации — это квантовые флуктуации энергии вакуума, которые могут приводить к передаче тепла между объектами.
Первоначально этот эффект был предложен в 1948 году физиками Ричардом Фейнманом и Джоном Уилером. Они предположили, что вакуумное состояние, которое на первый взгляд кажется пустым, может содержать определенную энергию из-за наличия квантовых флуктуаций поля. Это позволяет объяснить некоторые квантовые явления, такие как эффект Казимира, который был экспериментально подтвержден в 1996 году.
Одним из самых известных экспериментов, связанных с вакуумными флуктуациями, является эксперимент по наблюдению эффекта Казимира. В этом эксперименте две параллельные металлические пластины помещаются вблизи друг друга в вакуумной камере. Из-за наличия вакуумных флуктуаций между пластинами возникает притяжение, что приводит к слабому смещению пластин. Этот эффект, хотя и очень мал, был экспериментально подтвержден несколько раз.
Эффект Казимира — эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии

Кроме того, вакуумная флуктуация играет важную роль в космологии. Она может быть причиной возникновения квантовых флуктуаций в ранней Вселенной, что приводит к наблюдаемым колебаниям температур в космическом микроволновом фоне.
Как работает вакуумная флуктуация?
Вакуумная или квантовая флуктуация происходит благодаря неопределенности энергии в квантовой механике. В квантовых условиях существует вероятность появления электромагнитных полей и частиц во временно-пространственном интервале, который определяется принципами неопределенности Гейзенберга. Это означает, что в течение коротких промежутков времени нарушается закон сохранения энергии, разрешая возникновение пары частиц и античастиц.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно одновременно знать точное положение и точную скорость объекта.

Роль вакуумной флуктуации в науке и технике
Вакуумная флуктуация имеет большое значение для многих областей науки и техники. Она может быть использована для измерения электромагнитных полей, создания новых материалов и устройств, а также исследования квантовой структуры пространства-времени.

Практические примеры использования вакуумной флуктуации
Одним из примеров использования вакуумной флуктуации является создание наночастиц и квантовых точек. Эти материалы имеют уникальные оптические и электронные свойства, которые могут быть использованы в многих областях науки и техники, таких как солнечные батареи, светодиоды и дисплеи.
Также вакуумная флуктуация может быть использована в фундаментальных исследованиях квантовой механики и квантовой структуры пространства-времени. Она может дать ответ на вопросы о том, как происходят элементарные процессы во Вселенной и как работают основные законы природы.
В целом, вакуумная флуктуация — это уникальный квантовый эффект, который играет важную роль в квантовой механике и научных исследованиях. Его понимание и использование открывают новые возможности для создания новых материалов и технологий, а также для более глубокого понимания фундаментальных законов природы.
Заключение
В заключение можно сказать, что теплопередача является важным процессом, который встречается повсюду в нашей жизни. Понимание разных типов теплопередач позволяет нам разрабатывать более эффективные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также создавать новые материалы с улучшенными свойствами теплообмена. Применение знаний о теплопередаче также может быть полезным для разработки новых технологий в производстве