На грани возможного: Наука выживания

Физика теплообмена

Тепло – это энергия движения молекул. Температура газа определяется средней скоростью составляющих его молекул: чем быстрее они движутся, тем горячее газ, чем медленнее – тем холоднее. В твердых телах молекулы связаны друг с другом, и ученые часто представляют их как совокупность соединенных между собой пружин: чем выше температура, тем выше амплитуда колебания пружины, чем ниже – тем меньше. При абсолютном нуле (–273° С) колебаний почти нет. Вы, возможно, удивитесь, почему «почти», ведь, по идее, при абсолютном нуле колебаний не должно быть вообще. Причина объясняется причудами квантовой физики, согласно которой невозможно точно измерить положение и скорость частицы в данный момент времени (знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга). Чем точнее вы пытаетесь определить, где в данный момент находится частица, тем неопределеннее для вас становится ее скорость (импульс) – и наоборот. Таким образом, согласно принципу Гейзенберга, незначительная вибрация молекул в твердом теле сохраняется всегда, даже при абсолютном нуле.

Тепло передается от одного объекта к другому путем теплопроводности, конвекции и излучения. Теплопроводность – это процесс, при котором тепло передается между двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте (например, кожа и воздух). Если они обладают разными температурами, тепло будет передаваться от более теплого участка к более холодному. Проще говоря, молекулы более горячего объекта сталкиваются с молекулами более холодного, повышая их скорость и в то же время замедляя свою. Теплопроводностью называется также способность материала проводить тепло. Так, у дерева теплопроводность ниже, чем у меди, поэтому к медным кастрюлям приделывают деревянные ручки. Антиподом теплопроводности выступает изо– ляция – противостояние передаче тепла. У воздуха и перьев низкая теплопроводность (и высокая степень изоляции) – именно поэтому простеганные (чтобы задержать воздух) пуховые одеяла так хорошо греют.

Передача тепла в текучей среде (в воде и в воздухе) повышается в результате конвекции. Вот наглядный пример: представьте, что вы резко погрузились в ванну с холодной водой. Вода, соприкасающаяся с вашей кожей, будет постепенно нагреваться. Если затем нагревшуюся воду вновь заменит холодная, процесс повторится – произойдет нагревание новых слоев воды (и дальнейшее охлаждение тела). Процесс, при котором вода, соприкасающаяся с кожей, постоянно обновляется, и будет конвекцией. Обусловлен он тем, что теплые слои воды поднимаются вверх (поскольку они легче холодных). Температурная разница между слоями воды в ванне означает, что циркуляция будет идти непрерывно – теплые слои будут подниматься, а холодные опускаться, обеспечивая непрерывное обновление воды, соприкасающейся с кожей, и облегчая теплопередачу.