Pasaulē viss nemitīgi plūst un mainās, izņēmums nav arī siltums. Siltums plūst pie mums, radot patīkamu un komfortablu sajūtu, bet tas plūst arī prom, nodrošinot nepatīkamus apkures rēķinus. Izrādās, ka siltuma pārnese dabā var notikt 3 dažādos veidos:
1) siltumvadīšana,
2) konvekcija,
3) siltumstarojums.
1. Siltumvadīšana.
Par siltumvadīšanu sauc siltuma pāreju no siltākas ķermeņa daļas uz aukstāku vai arī no viena ķermeņa uz citu tiešas saskares gadījumā. Siltumvadīšanā siltuma pārnesi nodrošina vielas daļiņas. 1. att. redzams, ka karstā tējā ievietota metāla karote. Siltums pa metāla karoti kāpj “augšup”, jo siltākā karotes daļā to veidojošās daļiņas kustas ātrāk un iekustina blakus esošās mazāk kustīgas daļiņas.
1.att. Siltumvadīšana metāla karotē
Dažādas vielas siltumu vada atšķirīgi. Piemēram, gaiss, plastmasa un koks ir slikti siltuma vadītāji, bet dažādi metāli, piemēram, sudrabs, varš un dzelzs ir labi siltuma vadītāji. Kopumā metāliem ir liela siltumvadītspēja, bet gāzēm maza. Lai arī metāli ir labi siltuma vadītāji, tomēr dažādu metālu vadīšanas spēja var krasi atšķirties. Vienā Jauno fiziķu skolas (JFS) nodarbībā (2. att.) skolēni ar sveci karsēja vara, alumīnija un dzelzs stieples un pārbaudīja, ka siltums dzelzs stieplē pārvietojas vairākas reizes lēnāk nekā vara un alumīnija stieplēs. Šīs nodarbības materiāli pieejami JFS mājaslapā.
2.att. Skolēni Jauno fiziķu skolā pārbauda dažādu metālu siltumvadītspēju
2. Konvekcija.
Vēl viens siltuma izplatīšanās veids ir konvekcija. Atšķirībā no siltumvadīšanas konvekcijā siltuma pārnesi nodrošina pašas viela kustība, tādēļ konvekciju var novērot tikai šķidrumos un gāzēs. Piemēram, 3. att. redzams, kā katliņā tiek vārīts ūdens. 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, bet tiem nekas cits neatliek kā celties augšup. Tādā veidā rodas konvektīvā siltuma kustība, kad siltākie ūdens slāņi kustas augšup, bet vēsākie – lejup.
3.att. Konvekcija virtuves katliņā
Konvektīvā kustība ir novērojama lavas lampā. Lavas lampā esošais materiāls (sk. 4. att.) 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.
Konvekcija ūdens katlā, ko silda ar degli.
4.att. Lavas lampa
3. Siltumstarojums.
Trešais siltuma pārneses veids ir siltumstarojums. Par siltumstarojumu jeb infrasarkano starojumu sauc noteikta garuma viļņu elektromagnētisko starojumu, ko izstaro ķermeņi. Infrasarkanā starojuma viļņu garums ir lielāks par redzamo gaisa viļņu garumu, bet mazāks par radioviļņu garumu. 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 (5. att.).
5.att. Cilvēka radītā infrasarkanā starojuma vizualizācija
Siltumstarojumu rada gan cilvēki, gan dzīvnieki, gan arī ķermeņi, kas atrodas uz Zemes. Siltumstarojuma veidā līdz Zemei nonāk Saules enerģija, jo starp Zemi un Sauli nav vielas, tādēļ siltuma pārnese nevar notikt siltumvadīšanas un konvekcijas veidā. Siltumstarojuma dēļ uz Zemes veidojas siltumnīcas efekts, jo atmosfērā esošā ogļskābā gāze CO2 un citas gāzes absorbē infrasarkano starojumu (IS; 6. att.), tādā veidā pakāpeniski padarot Zemi arvien siltāku un siltāku.
6.att. Siltumnīcas efekts
Ļoti bieži dažādos procesos ir iesaistīti visi trīs siltuma pārneses veidi, piemēram, ja uz uguns silda katliņu ar ūdeni (7. att.), tad ūdens katliņā ir pakļauts konvektīvajai siltumkustībai, katliņa rokturis uzsilst siltumvadīšanas dēļ, bet katliņš siltumu saņem siltumstarojuma ceļā.
7.att. Ūdens sildīšana uz uguns
Siltuma pārneses procesi ir ļoti svarīgi ēku siltumapmaiņas procesos gan ar apkārtējo vidi, gan pašas ēkas ietvaros. Mēs vēlamies, lai mūsu dzīves vietā istabas būtu siltas, bet pēc iespējas mazāk siltuma vēlamies “palaist vējā”, lai būtu lētākas apkures izmaksas. 1. attēlā redzams, cik daudz siltuma ēka zaudē caur dažādām tās daļām. Ja ēka ir labā tehniskā stāvoklī, tad noteicošie siltuma zudumi ir tieši siltumvadīšanas dēļ.
1.att. Siltuma zudumi ēkā
Ēku sienas nereti nav viendabīgas, bet veidotas no dažādiem celtniecības blokiem, kurus kopā savieno kāda saistviela. Celtniecības bloki un saistviela nereti atšķiras ar to, cik labi tie vada siltumu. 2. attēlā redzama kādas kūts siena ziemas laikā. Uz tās izveidojies rūtains raksts, tādēļ, ka gāzbetona blokus savienojošajai javai ir citādākas siltuma vadīšanas īpašības nekā pašiem gāzbetona blokiem.
2.att. Kūts siena ziemas laikā
Lai samazinātu siltuma zudumus siltumvadīšanas dēļ, logos tiek lietotas dubultās stikla rūtis, starp kurām ir atstāta sprauga gaisam (3. att.). Gaiss ir slikts siltuma vadītājs, līdz ar to tiek samazināts tas siltuma daudzums, kas no ēkas nonāk apkārtējā vidē.
3.att. Logs ar dubultām stikla rūtīm
Lai efektīvi apsildītu telpu, ir jārēķinās ne tikai ar siltuma zudumiem, bet arī ar to, kādā veidā siltuma apmaiņa notiks pašā telpā. Siltumapmaiņu telpas ietvaros galvenokārt nosaka konvekcija. 4. attēlā redzamas konvektīvās gaisa plūsmas telpā, kurā siltumu nodrošina zem loga novietots radiators. Redzams, ka aukstais gaiss pie radiatora sasilst un paceļas augšup, tad, izklīstot pa telpu, atdziest un atkal nonāk pie radiatora.
4.att. Konvekcija telpā
Lai siltums nonāktu radiatoros, arī par to nereti ir atbildīga tieši konvekcija. Ja ēkā tiek izmantota centrālapkure (5. att.), 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
Tomēr konvekcija ir svarīga ne tikai siltumapmaiņai telpu iekšpusē. Ja mājas sienu dobumos nav izolējoša materiāla (6. att a), tad siltais gaiss konvekcijas iespaidā ceļas augšup un nonāk ārpus telpas, bet, ja dobumos izolācija ir (6. att. b), tad šāda konvekcija nenotiek un vairāk siltuma saglabājas telpā.
6.att. Siltumapmaiņa caur dobumu sienā a) bez izolācijas, b) ar izolāciju
Lai atklātu vietas ēkas konstrukcijā, pa kurām norisinās vislielākie siltuma zudumi, ir ērti veikt siltumstarojuma vizualizāciju. Tādā veidā uzreiz atklājas siltuma noplūdes vietas. Piemēram, ja apskata loga konstrukcijas siltumstarojumu (7. att.), tad redzams, ka ar zilo krāsu ir atzīmētās vēsākās vietas, kas attiecīgi ir tās, pa kurām siltums aizplūst visvairāk.
7.att. Loga konstrukcijas siltumstarojums
Savukārt, ja apskata telpas grīdu (8. att.), tad atklājas, ka visvairāk siltuma pazūd vietā, kur grīda saiet kopā ar sienu.
8.att. Grīdas siltumstarojums
Siltumvadīšana notiek no vietas, kurā temperatūra ir augstāka, uz vietu, kur temperatūra ir zemāka (1. att.). Tomēr to, cik ātri siltums plūdīs no vienas vietas uz otru, ietekmēs vairāki faktori:
1) temperatūras starpība starp siltāko un aukstāko vietu,
2) šķērsgriezuma laukums ķermenim, pa kuru plūst siltums,
3) materiāla siltumvadīšanas koeficients,
1.att. Siltumvadīšana starp diviem atšķirīgas temperatūras ķermeņiem
Dažādiem siltumvadīšanas procesiem ir salīdzinoši viegli veikt aprēķinus, lai noskaidrotu, cik ilgā laikā un kāds siltuma daudzums nonāks noteiktā ķermeņa vietā. Konvekcijas gadījumā situācija ir krietni sarežģītāka, jo tur ir iesaistīts daudz vairāk mainīgu lielumu, kas sarežģī aprēķinu. Tomēr ar mūsdienu datoru jaudām un pieejamo programmatūru tā ir “atkožama” problēma. Piemēram, 2. attēlā redzams aprēķins tam, kā norisinās konvekcija ūdens glāzē, kurā sākotnēji ir ūdens ar temperatūru 0 oC.
2.att. Konvekcija ūdens glāzē
Veicot aprēķinus saistībā ar infrasarkano jeb siltumstarojumu, jāņem vērā tas, ka ķermeņa izstarotā elektromagnētiskā starojuma intensitāte un sadalījums pa viļņu garumiem ir atkarīgs no ķermeņa temperatūras. (3. att.)
3.att. Ķermeņa izstarotā elektromagnētiskā starojuma spektra atkarība no temperatūras