Ջերմափոխանակության տեսակները
Տարբեր ջերմաստիճանի երկու մարմիններ միմյանց հպելիս՝ ջերմափոխանակության հետևանքով տաք մարմնի ներքին էներգիան նվազում է, իսկ սառը մարմնինն` աճում: Այլ կերպ ասած` տաք մարմնից սառը մարմնին էներգիայի որոշ քանակ է հաղորդվում: Էներգիան կարող է հաղորդվել ոչ միայն տաք մարմնից սառը մարմնին, այլև նույն մարմնի տաք մասերից սառը մասերին:
Մարմնի տաք մասից սառը մաս էներգիայի հաղորդումն ակնառու դարձնելու համար կատարենք հետևյալ փորձը: Ամրակալանին պղնձե ձող ամրացնենք: Մոմով կամ պլաստիլինով ձողի երկայնքով մի քանի մեխեր ամրացնենք (շարժապատկեր): Ձողի մյուս ծայրը տաքացնենք սպիրտայրոցի բոցով: Տաքանալու ընթացքում մոմն սկսում է հալչել, և մեխերն աստիճանաբար պոկվում են ձողից: Սկզբում պոկվում են այն մեխերը, որոնք կրակի բոցին ավելի մոտ են: Հետո հերթականությամբ պոկվում են մյուս մեխերը: Այս պարզ փորձն իրոք ակնառու է դարձնում էներգիայի հաղորդումը ձողի տաք ծայրից դեպի սառը ծայրը: Իսկ էներգիայի հաղորդումը բացատրվում է հետևյալ կերպ:
Սկզբում մեծանում է մետաղի այն մասնիկների շարժման արագությունը, որոնք մոտ են կրակին: Այդ մասում ձողի ջերմաստիճանը բարձրանում է: Այդ մասնիկների և դրանց հարևանությամբ գտնվող մասնիկների բախումների հետևանքով վերջիններիս արագությունը նույնպես մեծանում է: Դրա արդյունքում բարձրանում է ձողի այդ հատվածի ջերմաստիճանը: Այնուհետև մեծանում է հաջորդ մասնիկների արագությունը և այդպես շարունակ, ինչն էլ
տաքացնում է ամբողջ ձողը:
Փորձից հետո ուշադիր զննելով ձողը՝ կհամոզվենք, որ նրա չափերի փոփոխություն տեղի չի ունեցել: Սա նշանակում է, որ ջերմափոխանակության ընթացքում էներգիան հաղորդվել է՝ առանց նյութի տեղափոխության:
Տաք մարմնից սառը մարմնին, կամ մարմնի տաք տեղամասից սառը տեղամասին ներքին էներգիայի հաղորդման պրոցեսը, որն իրականացվում է մոլեկուլների ջերմային շարժման և փոխազդեցության շնորհիվ, կոչվում է ջերմահաղորդականություն:
Առավել մեծ ջերմահաղորդականությամբ օժտված են մետաղները, հատկապես արծաթը և պղինձը: Հեղուկների (բացառությամբ հալեցրած մետաղների) ջերմահաղորդականությունը փոքր է: Գազերինն ավելի փոքր է, քանի որ դրանց մոլեկուլներն անհամեմատ ավելի հեռու են գտնվում իրարից, և էներգիայի փոխանցումը մի մասնիկից մյուսին դժվարությամբ է կատարվում:
Ուշադրություն
Բրդի, բմբուլի, մորթու վատ ջերմահաղորդականությունը (որը պայմանավորված է նրանց մանրաթելերի միջև օդի առկայությամբ) թույլ է տալիս կենդանու մարմնին պահպանել օրգանիզմի ստեղծած ջերմային էներգիան և այդպիսով խուսափել սառչելուց: Ցրտից պաշտպանում է նաև ճարպի շերտը, որն առկա է լողացող թռչունների, կետերի, ծովափղերի, փոկերի և մի քանի այլ կենդանիների մոտ:
Կոնվեկցիա
Կա ջերմափոխանակության տեսակ, որի դեպքում էներգիան մի տեղից մյուսը փոխանցվում է՝ շնորհիվ նյութի շերտերի անհավասարաչափ տաքացման, իրականանում է միայն հեղուկներում և գազերում, էներգիան մի տեղից մյուսը փոխանցվում է նյութի տեղաշարժի հետևանքով: Ջերմահաղորդականության այդ տեսակը այսպես կոչված կոնվեկցիան է (հունարեն «կոնվեկտիո»՝ հասցնել, մատուցել բառից):
Հայտնի, որ հեղուկները և գազերը սովորաբար տաքացնում են ներքևից: Ջրով լի թեյնիկը դնում են գազօջախի վրա, ջեռուցման մարտկոցները հատակին հնարավորինս մոտ են տեղադրում: Պարզենք, թե ինչով է դա պայմանավորված:
Ձեռքը պահելով տաք սալօջախի կամ վառվող լամպի վրա՝ մենք զգում ենք, որ սալօջախից կամ լամպից վեր են բարձրանում օդի տաք հոսանքներ (նկ. 1):
Օդի այն շերտը, որ սահմանակից է սալօջախին կամ լամպին, տաքանում և դրա հետևանքով ընդարձակվում է: Արդյունքում այդ տաքացած օդի խտությունը փոքրանում է շրջապատող սառն օդի խտությունից, այսինքն, տաք օդի կշիռը փոքրանում է: Տաք օդի կշիռը փոքրանում է՝ նրա վրա ազդող արքիմեդյան ուժից, ինչի հետևանքով այն վեր է բարձրանում, իսկ նրա տեղը զբաղեցնում է սառը օդը: Որոշ ժամանակ անց օդի այդ շերտը տաքանալով՝ նույնպես բարձրանում է վեր՝ իր տեղը զիջելով օդի հաջորդ զանգվածին, և այդպես շարունակ: Տեղի է ունենում օդի սառը և տաք շերտերի մեխանիկական խառնում, որն ուղեկցվում է ջերմափոխանակությամբ: Նույն մեխանիզմով է տաքանում նաև մեր բնակարանների օդը (նկ. 2):
Փորձասրվակի մեջ մի կտոր սառույց դնենք և վրան սառը ջուր լցնենք: Սրվակը վերևից տաքացնելիս՝ ջրի վերին շերտերը սկսում են եռալ մինչդեռ ջրի ստորին շերտերը սառն են մնում, անգամ սառույցը չի հալչում(նկ. 3): Սա բացատրվում է նրանով, որ տաքացման այս եղանակի դեպքում կոնվեկցիա չի կատարվում: Տաքացած շերտերը բարձրանալու տեղ չունեն. դրանք առանց այդ էլ վերևում են: Իսկ ստորին սառը շերտերը այդպես էլ կմնան ներքևում: Նույն պատճառով չի տաքանում նկ. 4-ում պատկերված փորձասրվակում գտնվող օդը:
Այս փորձերը ոչ միայն ապացուցում են, որ հեղուկներն ու գազերը պետք է տաքացնել ներքևից, այլև որ դրանցում ջերմահաղորդականությունը շատ դանդաղ է ընթանում:
Կոնվեկցիայի երևույթը մեծ դեր է խաղում բնության մեջ և լայնորեն օգտագործվում է կենցաղում: Նրա շնորհիվ մթնոլորտի օդը շարունակ խառնվում է՝ ապահովելով օդի գրեթե նույն բաղադրությունը Երկրի բոլոր մասերում: Կոնվեկցիայով է պայմանավորված ամպերի գոյացումը, քամիների առաջացումը, ջրի շրջապտույտը բնության մեջ, ծովափնյա մեղմաշունչ զեփյուռի առաջացումը ու էլի շատ երևույթներ: Ջեռուցման համակարգերի աշխատանքի հիմքում կոնվեկցիայի երևույթն է, կոնվեկցիան է ապահովում քարշը ծխնելույզներում:
Ճառագայթային ջերմափոխանակություն
Երկիրն Արեգակից էներգիա է ստանում: Քանի որ դրանց միջև անօդ տարածություն կա, ապա էներգիան չի կարող փոխանցվել ոչ ջերմահաղորդականության, ո՛չ էլ կոնվեկցիայի շնորհիվ:
Խարույկի մոտ նստելիս զգում ենք, թե ինչպես է կրակը տաքացնում մեր մարմինը (նկ. 5): Մնում է ենթադրել, որ կա ջերմափոխանակության ևս մի տեսակ: Այդ տեսակի դեպքում ներքին էներգիան ճառագայթվում է մի մարմնի կողմից և կլանվում մյուսի կողմից: Այդ ճառագայթումն անվանում են ջերմային ճառագայթում, իսկ ջերմափոխանակության այս տեսակը՝ ճառագայթային ջերմափոխանակություն:
Ջերմահաղորդականությունը, որն իրականացվում է ջերմային ճառագայթման արձակման և կլանման միջոցով, կոչվում է ճառագայթային ջերմափոխանակություն:
Ճառագայթային ջերմափոխանակության ժամանակ էներգիա ճառագայթած մարմնին ներքին էներգիան նվազում է, իսկ էներգիա կլանած մարմնինը՝ աճում: Ջերմափոխանակության այս տեսակի առանձնահատկությունն այն է, որ կարող է իրականանալ նաև անօդ տարածության միջով: Ջերմային ճառագայթում են առաքում բոլոր մարմինները: Էլեկտրական սալիկի շիկացած պարույրին, վառվող էլեկտրական լամպին, ջեռուցման մարտկոցին, տաք վառարանին ձեռքը կողքից մոտեցնելիս մենք տաքություն ենք զգում: Նկատում ենք նաև, որ ինչքան բարձր է մարմնի ջերմաստիճանը, այնքան ուժեղ է տաքացնում այն, այսինքն՝ այնքան շատ էներգիա է հաղորդում ճառագայթման միջոցով:
Օրինակ
Վառվող լամպի մոտ, միևնույն հեռավորության վրա տեղադրենք միատեսակ մետաղյա թիթեղներ, որոնցից մեկի մակերևույթը ներկված է սպիտակ գույնի, իսկ մյուսինը՝ սև գույնի ներկերով (նկ. 6):
Այսպիսով, մուգ գույնի մակերևույթները ջերմային ճառագայթման ավելի լավ կլանիչներ են, քան ավելի բաց գույնի մակերևույթները: Հետաքրքիր է, որ ջերմային ճառագայթման արձակման տեսակետից էլ առավելությունը մուգ գույնի մարմիններինն է: Միևնույն ջերմաստիճանում գտնվող մարմիններից մուգ գույնի մարմինները ավելի շատ էներգիա են ճառագայթում, քան բաց գույնի մարմինները: Դրանում կարելի է համոզվել հետևյալ փորձով: Վերը նշված թիթեղները պահենք եռացող ջրի մեջ այնքան ժամանակ, մինչև նրանց ջերմաստիճանները դառնան \(100°C\):
Օդապարիկները և ինքնաթիռների թևերը շատ հաճախ ներկում են արծաթագույն ներկով, որպեսզի դրանք ավելի քիչ տաքանան արեգակնային ճառագայթներից: Իսկ եթե անհրաժեշտ է օգտագործել արեգակնային էներգիան (օրինակ՝ արհեստական արբանյակների վրա տեղադրված որոշ սարքերի տաքացման նպատակով), այդ սարքավորումները ներկում են մուգ գույնով:
Աղբյուրները
Ս. Վ. Գրոմով , Ն. Ա. Ռոդինա, Ֆիզիկա-8, հանրակրթական դպրոցի դասագիրք ( I, II, III և V գլուխների հեղինակ Ա. Մամյան); Երևան, Անտարես -2014 թ.