Как тепло попадает из одного места в другое?

Что такое внутренняя энергия

Начнём с простого мысленного опыта. На столе лежит металлический шар. Он никуда не летит, не падает, не вращается — просто лежит.

Даже когда тело целиком неподвижно, его частицы не останавливаются никогда. Они непрерывно движутся, притягиваются друг к другу и отталкиваются. А раз есть движение и взаимодействие — есть и энергия.

Если сказать чуть точнее, внутренняя энергия складывается из двух частей: из кинетической энергии беспорядочного движения частиц и из потенциальной энергии их взаимодействия. Обе части важны — забывать про вторую нельзя.

Нагреем тело и посмотрим на индикаторы

Подвигайте ползунок температуры. Следите не только за частицами, но и за двумя полосками справа от модели.

Температура и внутренняя энергия — это не одно и то же

В предыдущем опыте обе полоски росли вместе, и легко сделать поспешный вывод: раз температура выше — значит и внутренняя энергия больше. Проверим это на двух телах.

Температура характеризует тепловое состояние вещества и связана с интенсивностью движения частиц. Внутренняя энергия — это энергия всех частиц тела, поэтому она зависит ещё и от того, сколько вещества в теле и в каком оно состоянии.

В ведре воды частиц в сто раз больше, чем в стакане. Каждая из них в среднем движется менее интенсивно, но вкладов очень много. Считать точные значения мы пока не будем — важно другое: по одной температуре сравнивать внутреннюю энергию разных тел нельзя.

Как изменить внутреннюю энергию тела

Способов ровно два. С одним вы сталкиваетесь каждый раз, когда ставите чайник, со вторым — когда зимой растираете замёрзшие руки.

Что такое теплопередача

Поставим рядом два тела: горячее и холодное. Их частицы на границе сталкиваются и взаимодействуют. Запустите модель и следите за температурами.

Три способа передать одну и ту же энергию

Дальше мы разберём три способа теплопередачи. Каждому посвящён свой опыт.

Теплопроводность: ложка в горячем чае

Опустите металлическую ложку в кружку с горячим чаем и подождите. Сначала ручка холодная, потом тёплая, а вскоре её уже неприятно держать. Огонь до ручки не доставал — так что же до неё добралось?

Частицы у горячего конца колеблются интенсивнее. Они взаимодействуют с соседями и раскачивают их, те — своих соседей, и так дальше по цепочке. Вещество ложки при этом никуда не течёт: металл с горячего конца не перебирается к ручке. Перемещается только энергия.

Одинаково ли хорошо проводят тепло разные вещества?

Возьмём три одинаковых стержня — металлический, деревянный и пластиковый — и одинаково нагреем их левые концы. Запустите опыт и посмотрите, где нагревание добежит до правого края первым.

Конвекция: вода в кастрюле

Нагреватель находится только снизу, но вода прогревается вся. Причём если бросить в кастрюлю крупинку чая, будет видно: вода движется. Включите нагрев и понаблюдайте за метками.

Почему батарею вешают внизу, а не под потолком?

Конвекция бывает не только в жидкостях, но и в газах. Воздух в комнате ведёт себя так же, как вода в кастрюле.

Излучение: тепло костра

Вы стоите в паре метров от костра. Вы его не касаетесь, потоки горячего воздуха уходят вверх, а не к вам — но лицу тепло. Причём тепло становится сразу, как только между вами убирают преграду.

Это самое необычное свойство третьего способа. Теплопроводности нужно вещество, чтобы частицы передавали энергию соседям. Конвекции нужны жидкость или газ, которые могут течь. А излучение прекрасно распространяется там, где вещества почти нет.

Именно поэтому энергия Солнца достигает Земли, хотя между ними почти пустое пространство: ни теплопроводность, ни конвекция там работать не могут, а излучение — может.

В жизни способы работают вместе

Соблазнительно думать так: ложка — теплопроводность, кастрюля — конвекция, костёр — излучение, каждому предмету свой способ. Но вернёмся к обычной кастрюле на плите.

Соберём всё вместе

Три сцены, три названия. Выберите название, затем нажмите на сцену, которой оно соответствует.

Не путай

Проверьте себя

Восемь коротких вопросов. После каждого ответа появится объяснение.

Коротко о главном