Теплопередача

Физика, как наука утверждает, что в природе существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Практически во всех источниках просматривается данная иерархия – на первом месте теплопроводность, на втором – конвекция и на третьем – лучистый теплообмен.

Почему сложилась такая последовательность, очевидно, из истории открытия данных явлений. Если  теплопроводность и конвекция были известны древним людям, то электромагнитные волны были предсказаны Максвеллом, а затем открыты Герцем только в конце 19 века (1888 году).

«Теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур».

Теплопередачу в газах и жидкостях еще можно представить как взаимное проникновение молекул и атомов – горячих в более холодную, а холодных в горячую среду. Но как происходит теплопередача в твердых телах?

Я уже частично коснулся проблемы теплопередачи в предыдущей статье «Получение теплоты», когда речь шла о крафоне. Краснофотонное излучение и переизлучение – это и есть, теплопередача в твердых телах. Особенно хорошо это свойство выражено в металлах. Хорошую теплопроводность в металлах физики связывают с присутствием свободных электронов. Но есть один диэлектрик по имени «алмаз», у которого нет свободных, нет слабо связанных электронов, но его теплопроводность зашкаливает.

Теплопроводность алмаза

Какой минерал на Земле, описывая который мы как попугаи повторяем «самый», «самый». Нет, не золото и не платина – это алмаз. Самый твердый, самый дорогой, самый износостойкий, самый блестящий, самый редкий и т.д.

Есть еще одно свойство, связанное с алмазом и словом самый – его теплопроводность. Теплопроводность алмаза при комнатной температуре в 3 - 6 раз выше теплопроводности серебра и меди, самых теплопроводных металлов на Земле. Сколько бы вы не грели алмаз в сжатой ладони, он останется холодным. Если сделать из алмаза чайную ложечку, то вы каждый раз, опуская ее в горячий чай, будете обжигать пальцы.

Как и чем можно объяснить самую высокую теплопроводность алмаза? Чтобы разобраться с этим не простым вопросом, обратимся к теплопроводности металлов.

Металлы, как известно, являются проводниками, причем, чем лучше металл проводит электрический ток, тем он лучше и проводит тепло. Наука связывает данный эффект со свободными электронами, которые под действием разности потенциалов, выстраиваются в цепь и создают прохождение электрического тока.

Возьмем медный стержень длиной несколько сантиметров и будем нагревать один конец. Через некоторое, весьма короткое, время второй конец также будет нагреваться.  Физики говорят – стержень обладает теплопроводностью, а свободные, не связанные или слабо связанные электроны, быстро перемещаются и переносят теплоту вдоль стержня.

Медь прекрасный проводник электрического тока. Тогда что происходит с алмазом – он диэлектрик и у него нет свободных электронов-зарядов, а теплопроводность в 5 раз выше, чем  у меди.

На мой взгляд, высокая теплопроводность алмаза связана с тремя факторами:

  1. строением кристаллической решетки;
  2. малыми расстояниями между атомами;
  3. плотным электромагнитным эфиром.

В кристаллической решётке алмаза каждый атом углерода жестко связан ковалентными связями с четырьмя другими атомами, размещёнными на одинаковом расстоянии. Эти связи по всем направлениям одинаково прочные. Лишним доказательством того,  что у  алмаза нет свободных электронов говорит о его очень малом коэффициенте теплового расширения  (0,0000008), немного уступая кварцевому стеклу. Поскольку у алмаза не может быть конвекции, и нет свободных электронов, то очевидно, основным видом теплопередачи в алмазе является лучистый теплообмен. Структура кристаллической решетки усиливает этот процесс. Даже незначительная разность тепловых потенциалов с помощью излучения быстро выравнивает их.

Снова вернемся к металлам и еще раз разберемся со словами теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. Начнем с теплопроводности, что скрывается под этим словом?

Под данным словом кроется некий диффузионный перенос теплоты от одного атома к другому. Т.е. свободные электроны, нагретые на одном конце стержня, через некоторое время должны появиться на другом конце стержня и нагреть его. Но так ли это. Рассудим логически, какой колонии электронов нужно перебежать хотя бы на несколько миллиметров, не говоря уже от одного конца стержня к другому, чтобы выровнять температуру, если каждый из них может перенести 1 квант энергии. Получается, что практически все «горячие» электроны должны перебежать на данное расстояние или на противоположную сторону стержня, чтобы нагреть его до той же температуры. Но, в таком случае, они должны возвратиться обратно, иначе нарушится кристаллическая решетка горячего конца, и металл развалится. А как они вернутся обратно, если температурный градиент направлен в одну сторону?

У физиков есть еще одна версия по переносу тепла. Свободные электроны контактируют, иначе соударяются с другими себе подобными и таким образом, по цепочке переносят тепло с нагретого конца к холодному. Но как заставить контактировать эти электроны, они же свободные и летят куда хотят. Не путать с электрическим током, там электроны подчиняются внешнему электрическому полю, т.к. сами находятся под зарядом и по команде этого поля они выстраиваются в проводящую цепочку. А тепловое, нейтральное поле для свободных электронов не указ, да к тому же пространства вокруг, гораздо больше, чем для мячей футбольное поле. Представьте картину, каждому игроку противоборствующих команд дали по мячу и поставили задачу: попасть в такой же мяч противника. Удары выполняются по очереди с разных сторон поля. И сколько же ударов нужно нанести игрокам, чтобы попасть в заветную мишень. Даже у классных игроков процент попадания будет низкий, не говоря уже о дилетантах, свободных хаотичных игроках. Перенос тепла в этом случае будет ничтожным.

В любых телах и веществах существует только один перенос энергии от одного атома к другому – это электромагнитный или лучеиспускание, что и косвенно подтверждает нам замечательный минерал – алмаз.

Поэтому, теплопроводность есть не что иное, как тот самый лучистый теплообмен. Отсюда следует, что в природе существуют не три вида теплопередачи, а два: лучистый теплообмен и конвекция. По большому счету, конвективные потоки тоже связаны с лучистым теплообменом, но поскольку они идут только в разреженных субстанциях – жидкостях и газах, то конвекцию пока оставим в покое.

В большинстве случаев, в земных условиях, разности температур нет, но теплообмен, как мы знаем, не прекращается между ними ни на долю секунды.

Вот здесь я ловлю себя на слове. Если разности температур не было, то не было бы и теплопередачи. В любом веществе всегда существует разность температур и давлений, только эту разницу мы ничем измерить не можем. Еще не изобрело человечество таких чувствительных приборов, которыми можно было измерить разность температур между молекулами.

Поэтому, определение теплопередачи в общем виде должно быть записано следующим образом: теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур, с помощью электромагнитного излучения.

В широком, всеобъемлющем, смысле формулировка теплопередачи сводится к весьма короткому словосочетанию:

Теплопередача – это выравнивание теплового потенциала.

Вывод из вышесказанного: стены наших зданий нужно делать из воздуха, а батареи отопления в домах следует изготавливать из алмаза!

Назад  Вперед

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Ваш комментарий на модерации.