Теплопровідність, конвекція, променевий теплообмін

Теплопрові́дність — здатність речовини переносити теплову енергію, а також кількісна оцінка цієї здатності: фізична величина, що характеризує інтенсивністьтеплообміну в речовині, яка дорівнює відношенню густини теплового потоку до градієнта температури

Явище теплопровідності полягає в тому, що кінетична енергія атомів й молекул, яка визначає температуру тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.

Теплопровідність не єдиний шлях, яким тепло передається від тіла з вищою температурою, до тіла з нижчою температурою. Така теплопередача може також відбуватися за рахунок теплового випромінювання і конвекції. Різниця між теплопровідністю й конвекцією в тому, що при конвекції тепло переноситься разом із речовиною, а при теплопровідності переносу речовини немає.

При теплопровідності величина потоку тепла визначається різницею температури між різними областями тіла. Кількісно теплопровідність характеризуєтьсякоефіцієнтом теплопровідності  , який входить в рівняння (закон Фур'є)

.

Тут   — тепловий потік, T — температура,   — оператор Гамільтона набла, яким позначається градієнт.

Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у Вт/(м·K) або Вт·м^-1·K^-1.

Конвекція — явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини (неважливо, вимушено або мимоволі). Існує так звана природна конвекція, яка виникає в речовині мимоволі при його нерівномірному нагріванні в полі тяжіння. При такій конвекції, нижні шари речовини нагріваються, легшають і спливають вгору, а верхні шари, навпаки, остигають, стають важчими і занурюються вниз, після чого процес повторюється знову і знову. За деяких умов процес перемішування самоорганізовуватиметься в структуру окремих вихорів і виходять більш-менш правильні грати з конвекційних осередків.

Природній конвекції зобов'язано багато атмосферних явищ, зокрема утворення хмар.

Завдяки тому ж явищу рухаються тектонічні плити. Конвекція відповідальна за появу гранул на Сонці. При вимушеній конвекції переміщення речовини обумовлене дією якихось зовнішніх сил (насос, вентилятор тощо).

Процеси теплопередачі можна розділити на дві категорії. Перша визначається тим, що структурні елементи середовища, які знаходяться на шляху переносу теплоти, приймають участь у процесі переносу. Це теплопровідність і конвекція. Друга категорія характеризується тим, що середовище може не приймати участі в перенесенні теплоти. Це теплове випромінювання. Таким чином, між процесами теплопровідності і конвекції, з одного боку, і тепловим випромінюванням – з іншого, існує принципова різниця.

Теплове випромінювання – складний процес, пов’язаний з тим, що під по крайній мірі двічі відбувається перетворення енергії: спочатку перехід теплової енергії у випромінювання (перше перетворення енергії) електромагнітних хвиль (емісія), далі рух хвиль (фотонів) і, на кінець, поглинання електромагнітних коливань поглинаючим середовищем чи тілом (абсорбція) – друге перетворення енергії.

Теплове випромінювання розглядається як процес розповсюдження поперечних електромагнітних хвиль, які надходять від випромінювача. Ці електромагнітні хвилі розповсюджуються прямолінійно і при поглинанні їх будь яким тілом чи середовищем знову перетворюються в теплоту.