Почему Жидкости и Газы не Прогреваются Снизу

Введение

Одно из распространенных заблуждений относительно теплопередачи заключается в том, что жидкости и газы нагреваются снизу, если они соприкасаются с горячей поверхностью. Это убеждение проистекает из повседневных наблюдений, например, как быстро мы можем согреть руки, положив их на горячий предмет. Однако это не относится к большим объемам жидкости или газа; вместо этого эти вещества обмениваются теплом с окружающей средой только за счет теплопроводности на границе, где они соприкасаются с горячей поверхностью.

Проводимость против излучения

Чтобы понять, почему жидкости и газы не нагреваются снизу, важно различать два способа теплопередачи - теплопроводность и излучение. Теплопроводность относится к перемещению энергии (тепла) внутри материала из-за разницы температур на его границах. С другой стороны, излучение предполагает передачу энергии непосредственно от одного источника к другому без какой-либо промежуточной среды.

В твердых телах проводящий нагрев происходит эффективно, поскольку множество молекул расположены близко друг к другу, что обеспечивает быструю передачу энергии. Но при работе с большими объемами жидкостей или газов количество частиц, доступных для теплопроводности, слишком мало для значительного прогрева. Скорость, с которой энергия может передаваться посредством проводимости, резко уменьшается по мере увеличения расстояния между атомами.

Между тем, потенциально может произойти радиационный нагрев, если поверхность излучает достаточно инфракрасного излучения, чтобы воздействовать на окружающий воздух или жидкость. Однако большинство материалов, используемых в инженерных целях, излучают мало инфракрасного излучения, что делает такую форму нагрева маловероятной, если только поверхность не очень горячая.

Объяснение с использованием принципов физики

Согласно принципам термодинамики, любой процесс, связанный с изменением энтропии (меры беспорядка), должен либо увеличивать общую энтропию во Вселенной, либо уменьшать ее, но никогда не оставлять неизменной. Поскольку увеличение энтропии системы имеет тенденцию приводить к более неупорядоченным состояниям, из этого следует, что тепло не может самопроизвольно перетекать из более холодной области в более горячую.

Этот принцип применим независимо от того, рассматриваем ли мы отдельные атомы или макроскопические объекты, такие как бутылки, наполненные водой, или воздушные шары, наполненные гелием. Независимо от того, что мы наблюдаем поверхностно, то есть видимость теплопередачи, фундаментальные законы физики всегда гарантируют, что чистое тепло не перетекает из окружающей среды или заполненного газом контейнера к его содержимому.

Применение в машиностроении

Понимание того, почему жидкости и газы не нагреваются снизу, имеет несколько практических последствий в инженерном деле. Например, это объясняет, почему традиционные методы, основанные только на конвекции, не позволяют адекватно контролировать температуру в промышленных процессах, связанных с жидкостями. Аналогичным образом, это помогает объяснить, почему пассивные солнечные обогреватели, сконструированные с использованием аналогичных принципов, часто работают хуже по сравнению с активными системами, использующими принудительную конвекцию или излучение.

В заключение, хотя может показаться интуитивным, что жидкости и газы должны нагреваться снизу при контакте с горячей поверхностью, на самом деле это явление встречается довольно редко из-за ограничений теплопроводности и отсутствия эффективных механизмов радиационного охлаждения. Понимание того, почему это невозможно, дает инженерам ценную информацию о проектировании эффективных теплообменников и улучшении управления температурой в различных областях применения.