Siltumpārnese un fāžu pārējas

Siltumvadīšana

Ķermeņa siltākajā daļā vielas daļiņas kustas ātrāk – tās pakāpeniski iekustina blakusesošās daļiņas, atdodot tām daļu savas enerģijas. Šīs daļiņas savukārt iekustina tālāk esošās daļiņas utt. Šis process turpinās, līdz visu daļiņu kustības vidējā enerģija (tātad – arī temperatūra) izlīdzinās. 

Lieliski siltumvadītāji ir metāli, ļoti slikti siltumu vada gāzes un poraini, elektrību nevadoši materiāli. 

Dažādu vielu un materiālu spēja vadīt siltumu atšķiras – tas atkarīgs no daļiņu kustības un izvietojuma īpatnībām šajos materiālos. 

Gāzu un šķidrumu siltumvadītspēja parasti ir mazāka nekā cietām vielām (skatīt 1. tabulu). (Siltumvadītspējas koeficientu aplūkosim nodaļā ''Siltuma plūsma'').

To var izskaidrot, izmantojot vielas uzbūves modeļus dažādos agregātstāvokļos (2. attēls). 

2.att. Vielas uzbūves modeļi dažādos agregātstāvokļos

Gāzēs un šķidrumos molekulas (parasti) atrodas tālāk viena no otras, un molekulu  kustības raksturs atšķiras no molekulu kustības cietā vielā, kur molekulas svārstās ap līdzsvara stāvokļiem (skatīt nodaļu ''Cietas vielas, šķidrumi un gāzes''), tādēļ šķidrumu un gāzu siltumvadītspēja ir mazāka, salīdzinot ar cietu vielu siltumvadītspēju. 

Gāzēs siltumvadīšanu izraisa atomu vai molekulu difūzija. 

Gāzu siltumvadītspēja ir tieši proporcionāla gāzes blīvumam. ''Vieglām'' gāzēm, piemēram, ūdeņradim un hēlijam, parasti ir augstāka siltumvadītspēja kā, piemēram, ksenonam un dihlordifluormetānam. Kopumā gāzu siltumvadītspēja palielinās, augot temperatūrai.

Šķidrumos siltumvadītspēju izraisa atomu vai molekulu difūzija, bet fizikālie mehānismi, kas izskaidro šķidrumu siltumvadītspēju, nav labi saprotami. 

To, ka noteicošais var būt molekulu kustības raksturs un apstāklis, ka tās novietotas blīvākajā pakojumā, nevis starpmolekulu attālumi, apliecina ūdens un ledus siltumvadītspēju salīdzinājums – lai gan ledus blīvums ir mazāks, tas siltumu vada labāk.

1. tabula. Dažādu materiālu siltumvadītspēja

Tuvāk aplūkosim siltumvadīšanu cietā vielā.

Ieliekot metāla karoti glāzē ar karstu ūdeni vai sildot metāla stienīša galu, tajā esošo daļiņu enerģija palielinās. Tas nozīmē, ka daļiņām ir lielāka kinētiskā enerģija un tās sāk kustēties un vibrēt (svārstīties ap līdzsvara stāvokļiem) ātrāk. To īpaši viegli iztēloties, modelējot cietu vielu kā bumbiņas, kas savā starpā saistītas ar ''atsperītēm'', kā 3. attēlā a parādītajā vielas modelī. Tā kā daļiņas kustas ātrāk, tās, mijiedarbojoties ar blakus esošajām daļiņām, iesvārsta tās, iekustina un nodod tām daļu savas enerģijas. Tādā veidā enerģija caur vielu tiek pārnesta uz priekšmeta otru galu.

3.att. Siltumvadīšanas mehānisms cietā vielā

Metāli, salīdzinot ar citām cietām vielām, ir daudz labāki siltumvadītāji, jo tajos ir brīvie elektroni, kas vielā var viegli pārvietoties lielos attālumos un ātrāk iekustināt tālāk esošas daļiņas, kamēr, piemēram, stiklā, katra daļiņa iekustina tikai tuvākos ''kaimiņus'' un tikai tad tie tālāk nākamos (4. attēls). 

Noskaties arī video.

4.att. Siltumvadīšana stiklā un metālā

Siltumvadīšanu tuvāk aplūkosim arī nodaļā ''Siltuma plūsma''.

Konvekcija

Konvekcijas mehānisms

Konvekcija (vai konvektīva siltuma pārnese) ir siltuma pārnese no vienas vietas uz otru šķidruma vai gāzes kustības dēļ. 

Lai gan konvekciju kā siltuma pārneses veidu mēs aplūkojam kā atsevišķu siltuma pārneses veidu, tā ietver sevī siltumvadīšanu un advekciju (siltuma pārnesi ar lielapjoma šķidruma plūsmu). 

Izšķir dabisko un piespiedu konvekciju. Ja konvekcijas cēlonis nav precizēts, var pieņemt, ka runa ir par dabisko konvekciju. 

Dabiskā (brīvā) konvekcija (1. attēls) ir masas un siltuma pārneses veids, kurā šķidruma kustību rada tikai šķidruma blīvuma atšķirības, kas rodas temperatūras atšķirību dēļ, nevis to rada kāds ārējs avots (piemēram, sūknis). Lai dabiska konvekcija varētu notikt, jāpastāv gravitācijai vai kādam citam spēkam, kas darbojas uz vielu.

Konvekcija parasti ir dominējošais siltuma pārneses veids šķidrumos un gāzēs. 

1.att. Konvekcijas mehānisms

Aplūkosim dažus ''klasiskus'' konvekcijas piemērus un izpausmes:

Ūdens sildīšana katliņā. Liesmām tuvāk ir apakšējie ūdens slāņi, līdz ar to tie uzsilst pirmie. Tomēr vēsāks ūdens ir blīvāks, līdz ar to tas grimst uz leju, ieņemot jau uzsildīto ūdens slāņu vietu, kam atliek tikai celties augšup. Tādā veidā rodas konvektīvā siltuma kustība, kad siltākie ūdens slāņi kustas augšup, bet vēsākie – lejup (2. attēls).

2.att. Konvekcija virtuves katliņā

Konvektīvā kustība lavas lampā. Lavas lampā esošais materiāls (3. attēls) lampas apakšpusē uzsilst, līdz ar to samazinās tā blīvums un notiek kustība augšup. Nonācis augšā, materiāls atdziest, tā blīvums palielinās, un tas atkal grimst lejup.
 

3.att. Lavas lampa

Mājas apsildes sistēmā. Arī radiatori darbojas pēc konvekcijas principa. Radiatoros sildelements ir novietots apakšā (tā var būt arī siltā grīda). Aukstais gaiss, būdams blīvs, nogrimst, tiek sasildīts un ceļas augšup – rodas konvekcijas plūsma. (4. attēls)

4.att. Konvekcija mājas apsildes sistēmā

Arī par to, lai siltums nonāktu radiatoros, nereti ir atbildīga tieši konvekcija. Ja ēkā tiek izmantota centrālapkure (5. attēls), tad centrālajā krāsni tiek sadedzināts kurināmais un iegūts siltums, kas sakarsē pa radiatora caurulēm plūstošo šķidrumu, piemēram, ūdeni. Sakarsētais ūdens plūst pa caurulēm uz augšu, nonākot ēkas radiators, kur siltums tiek atdots. Atdodot siltumu, ūdens radiatoros atdziest un plūst atpakaļ lejā uz krāsni. Dažkārt, lai paātrinātu ūdens plūsmu centrālapkurē, izmanto sūkņus, kas nodrošina ātrāku siltuma izplatīšanos un līdz ar to arī ātrāku telpu apsildi.

5.att. Ēkas centrālapkure

Konvekcijas piemēri meteoroloģijā

Konvektīvie mākoņi veidojas, ja gaisā, piemēram virs jūras, ir daudz mitruma, konvekcijas plūsmas pārnes šo mitrumu augšup, veidojot konvekcijas mākoņus. Kad mākoņos pietiekami sakrāsies pilieni, būs nokrišņi konvektīva pērkona negaisa veidā (6. attēls).

Arī jūras un krasta brīzes veidošanās ir klasiski konvekcijas piemēri. Pēcpusdienā zemes virsma pie jūras ir siltāka nekā vakarā. Konvekcijas rezultātā gaiss, kas atrodas tuvāk zemes virsmai, sakarst un līdz ar to paceļas. Šo silto gaisu pie zemes virsmas viegli nomaina vēsais gaiss, kā rezultātā rodas ''jūras brīze''. Savukārt naktī zemes virsma atdziest straujāk nekā ūdens. Gaiss virs jūras ūdens ir silts un tāpēc paceļas uz augšu. Kad šis gaiss paceļas, to aizstāj vēsākais gaiss virs sauszemes, rodas "krasta brīze" (7. attēls).

7.att. Jūras un krasta brīzes

Magma Zemes apvalkā arī pārvietojas konvekcijas plūsmā. Karstais kodols silda vielu virs, izraisot tās pacelšanos garozas virzienā, kur magma atdziest. Konvekcijas plūsmas pārvieto tektoniskās plātnes.

8.att. Termiskās konvekcijas simulācija Zemes mantijā

Simulācijā sarkanās nokrāsas apzīmē karstās zonas, savukārt reģioni ar zilām nokrāsām ir auksti. Karsts, mazāk blīvs apakšējais robežslānis ''sūta'' karsta materiāla strūklas uz augšu, un tāpat aukstais materiāls no augšas virzās uz leju (8. attēls). 

Lai iegūtu vizuālu dabiskās konvekcijas attēlu,  akvārijā ar aukstu, dzidru ūdeni var ievietot glāzi, kas piepildīta ar karstu ūdeni un kādu sarkanu pārtikas krāsvielu. Var redzēt, ka sarkanā šķidruma konvekcijas strāvas ceļas un nolaižas. Vizualzēt konvekcijas plūsmu var arī, izmantojot Šlīrena plūsmas vizualizācijas metodi, kuras pamatā ir gaismas gaismas stara noliekšanās gaismas laušanas dēļ. 

9. attēlā krāsainais Šlīrena attēls parāda konvekciju no cilvēka rokas (silueta formā). 

9.att. Konvekcijas plūsmu vizualizēšana              Avots: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermal-plume-from-human-hand.jpg

Parādību, kuru norisē milzu loma ir konvekcijai, un tehnisku risinājumu, kuru darbības princips balstās konvekcijā, ir ļoti daudz – no ledāju kušanas Pasaules okeānā un ''piespiedu konvekcijas'' siltasiņu zīdītāju asinsrites sistēmā līdz konvekcijas cepeškrāsnīm un automašīnas dzinēja dzesētājam.

Siltuma starojums

Termiskais starojums

Diviem siltruma pārneses veidiem - konvekcijai un siltumvadīšanai – ir nepieciešama vides (vielas) klātbūtne. Bet trešais siltuma pārneses veids  notiek bez jebkādas vides starpniecības. 

Šis enerģijas pārneses veids ir starojums (siltumastarojums vai termiskais starojums) – siltumenerģijas pārnese no siltākas vietas uz aukstāku bez vides līdzdalības šajā procesā. Siltuma izplatīšanās notiek starojuma (elektromagnētisko viļņu) veidā no sakarsēta ķermeņa uz visām pusēm. 

Tā, piemēram, dzīvība uz Zemes ir atkarīga no enerģijas, kas saņemta no Saules, un šī enerģija tiek pārnesta uz Zemi tukšā (vai gandrīz tukšā) telpā.

Dabā visizplatītākais elektromagnētiskā starojuma veids ir termiskais jeb siltuma starojums, ko izstaro visi ķermeņi, kuru temperatūra ir virs absolūtās nulles, tātad – visi ķermeņi. Tas rodas no vielas atomu un molekulu termiskās kustības enerģijas — vielas iekšējās enerģijas, un tādēļ izraisa izstarojošā ķermeņa atdzišanu. Termiskajam starojumam ir nepārtraukts spektrs, tomēr enerģijas sadalījums tajā ir būtiski atkarīgs no temperatūras — zemās temperatūrās termiskais starojums sastāv galvenokārt no infrasarkanā starojuma un augstās temperatūrās — no redzamās gaismas un ultravioletā starojuma. Redzamo gaismu ķermeņi sāk izstarot aptuveni 700 °C temperatūrā (1. attēls).

1.att. Siltumstarojums

Katrs ķermenis, kas pats izstaro, absorbē daļu starojuma enerģijas, ko izstaro citi (apkārtējie) ķermeņi. 

Ķermeņa spēja izstarot un absorbēt starojumu ir saistīta ar tā virsmas īpašībām. Turklāt pastāv cieša saistība starp ķermeņa absorbcijas spēju un izstarošanas spēju - labs absorbētājs ir arī labs izstarotājs. Spožas, baltas virsmas slikti absorbē un maz izstaro, tumšas matētas virsmas labi izstaro un arī absorbē.

Kā mēs izmantojam siltumstarojumu

Tātad - absorbējot termisko starojumu, ķermeņi sasilst. Dzīvība uz Zemes ir pilnībā atkarīga no enerģijas, kas saņemta no Saules. Saules virsmas temperatūra (6000 K) ir daudz augstāka nekā Zemes temperatūra. Saules starojums sastāv no redzamās gaismas un daudziem citiem viļņu garumiem, pret kuriem acs nav jutīga, tostarp infrasarkanais (IR) starojums, kas galvenokārt ir atbildīgs par Zemes sildīšanu. Cilvēka ķermenim absorbējot infrasarkano starojumu, rodas ''siltuma sajūta''. Tāpat arī ķermeņi ''istabas temperatūrā'' izstaro enerģiju tieši infrasarkanajā starojuma diapazonā. Šo iemeslu dēļ daudzās mācību grāmatās par ''siltumstarojumu'' sauc tieši infrasarkano starojumu.

Infrasarkanais starojums ir elektromagnētiskie viļņi ar viļņa garumu 1 000 000 nm līdz 760 mm (pēc citiem datiem 800 nm līdz 0,35 mm). Šo viļņu garums ir lielāks nekā redzamajai gaismai, bet mazāks nekā radioviļņiem (mikroviļņi). Termins infrasarkanais radies no latīņu vārda ''infra'', kas nozīmē ''zem'' - sarkanā krāsa ir redzamā gaisma ar lielāko viļņa garumu, kādu spēj uztvert cilvēka redze.

Jo augstāka ir ķermeņa temperatūra, jo spēcīgāku infrasarkano starojumu tas izstaro. Ņemot vērā šo faktu, infrasarkano starojumu ir iespējams vizualizēt, ķermenim piešķirot dažādas krāsas atkarība no temperatūras un līdz ar to infrasarkanā starojuma intensitātes (2. attēls).

2.att. Cilvēka radītā infrasarkanā starojuma vizualizācija

Absorbējot starojumu, ķermeņi sasilst, izstarojot - atdziest. 

Tāpēc karstā dienā parasti ir labāk izvēlēties gaišu, nevis tumšu apģērbu. Savukārt polārpētnieki izvēlas baltu apģērbu, lai nezaudētu siltumu starojuma veidā. 

Ja tiešos saules staros noliek divus tējkannas, kuru vienīgā atšķirība ir to virsma, tad melnā matētā tējkannā ūdens sasils ātrāk kā baltā, spožā. Savukārt, ja šādās tējkannās uzvārīs ūdeni, melnā matētā atdzisīs pirmā.

Katrā automašīnas aptieciņā ir atrodama plāna metāla folijas sedziņa – tā aizņem ļoti maz vietas, bet neļauj cilvēka ķermenim zaudēt siltumu – atšķirībā no ''parastajām'' segām, aizkavē nevis siltumvadīšanu, bet gan siltuma izstarošanu (3. attēls).

3.att. Folijas sega

Siltuma pārnese starojuma veidā ir nozīmīga ne tikai saņemot enerģiju no Saules. Tā, piemēram, siltums, ko mēs saņemam no uguns, galvenokārt ir starojuma enerģija (gaiss ir slikts siltumvadītājs, bet konvekcijas rezultātā sasilst gaiss virs ugunskura). Arī centrālapkures radiatora nosaukums liecina, ka tas siltumu atdod starojot (radiate – starot).

Ar infrasarkanā siltumstarojuma absorbēšanos atmosfērā esošajā ogļskābajā gāzē CO₂ un citās gāzēs ir saistīts ''siltumnīcas efekts'' (4. attēls).

4.att. Siltumnīcas efekts