Теплота — это форма передачи энергии между телами или частями одного тела, происходящая вследствие разности температур. В термодинамике теплота обозначается символом Q и представляет собой количество энергии, переданное телу без совершения работы. В отличие от внутренней энергии, которая характеризует состояние системы, теплота не является функцией состояния и зависит от процесса.
Передача теплоты возможна только при наличии градиента температуры: от более тёплого тела к более холодному. Сам процесс передачи теплоты продолжается до достижения теплового равновесия между взаимодействующими телами или частями системы.
В системе СИ количество теплоты измеряется в джоулях (Дж). В исторической и прикладной литературе часто встречается внесистемная единица — калория (кал), связанная с джоулем соотношением:
$$ 1 \, \text{кал} = 4{,}1868 \, \text{Дж} $$
Существуют три фундаментальных механизма передачи теплоты:
Каждый из этих процессов подчиняется своим физическим законам и механизмам, однако их объединяет одно: они обеспечивают перенос энергии без макроскопического переноса вещества (за исключением конвекции).
Теплопроводность — это процесс передачи теплоты от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт взаимодействия между молекулами, атомами или электронами, без переноса вещества в пространстве.
В твёрдых телах теплопроводность осуществляется, в первую очередь, за счёт колебаний атомов в кристаллической решётке и движения свободных электронов (в металлах). В жидкостях и газах — за счёт столкновений молекул.
Количественно процесс теплопроводности описывается законом Фурье:
$$ \frac{dQ}{dt} = -\kappa S \frac{dT}{dx} $$
где:
Коэффициент теплопроводности зависит от природы вещества, его структуры и температуры. Например, у меди он значительно выше, чем у дерева или стекла.
Конвекция — это перенос теплоты струями жидкости или газа, при котором перемещается само вещество. Конвекция возникает вследствие неоднородности температуры в объёме, приводящей к разности плотностей и, как следствие, к движению вещества под действием силы тяжести.
Существует два вида конвекции:
Количество теплоты, переносимое при конвекции, трудно описать универсальной формулой, но в инженерных задачах используется обобщённая форма:
$$ \frac{dQ}{dt} = \alpha S (T_1 - T_2) $$
где:
Конвекция играет важнейшую роль в атмосфере, гидросфере, биологических системах и технических устройствах (теплообменниках, радиаторах, системах охлаждения и т.д.).
Тепловое излучение — это передача энергии в виде электромагнитных волн, возникающая вследствие теплового движения частиц вещества. В отличие от теплопроводности и конвекции, излучение может происходить в вакууме, не требуя материальной среды.
Все тела с температурой выше абсолютного нуля испускают тепловое излучение. Его интенсивность и спектр зависят от температуры и свойств поверхности.
Закон Стефана-Больцмана описывает полную энергию, излучаемую абсолютно чёрным телом:
$$ E = \sigma T^4 $$
где:
Для реальных тел вводится коэффициент излучательной способности $\varepsilon$, который принимает значения от 0 до 1, и тогда:
$$ E = \varepsilon \sigma T^4 $$
Если тело получает и теряет энергию одновременно (например, остывает на фоне окружающей среды), то используют формулу:
$$ \frac{dQ}{dt} = \varepsilon \sigma S (T^4 - T_0^4) $$
где $T_0$ — температура окружающей среды.
На практике, особенно в сложных физических и инженерных системах, передача теплоты происходит сразу несколькими способами. Например, в комнате тепло от батареи передаётся воздуху за счёт излучения и конвекции, а через стены — теплопроводностью. В печах, в атмосфере, в промышленности часто приходится учитывать все три механизма одновременно.
Для расчёта полной теплопередачи в таких случаях используют сумму тепловых потоков от каждого механизма:
$$ \frac{dQ{\text{общ}}}{dt} = \left(\frac{dQ}{dt}\right){\text{теплопроводность}} + \left(\frac{dQ}{dt}\right){\text{конвекция}} + \left(\frac{dQ}{dt}\right){\text{излучение}} $$
Каждый компонент может быть доминирующим в зависимости от условий (температуры, наличия среды, геометрии и свойств материалов).
Понимание процессов теплопередачи необходимо в самых разнообразных областях:
Современные задачи требуют точного учёта всех форм теплопередачи, а также разработки материалов с заданными тепловыми свойствами (например, сверхизоляторы, теплопроводные композиты, терморефлекторы и др.).