Dotýkají-li se dvě tělesa o různých teplotách, bude přecházet teplo z teplejšího tělesa na chladnější tak dlouho, až se teploty obou těles vyrovnají. Tento děj, při kterém, pohybující se částice teplejšího tělesa předávají studenějšímu tělesu část své vnitřní energie, nazýváme tepelná výměna. Tělesa si vzájemně předávají vnitřní energii. Tento přenos vnitřní energie může proběhnout třemi způsoby: vedením, prouděním a zářením.
Obr. 33: Ohřev vody v konvici
Obr. 34: Přenos tepla vedením
1. Vedení
Obr. 35: Předávání energie vzájemnými srážkami částic
Přenos vnitřní energie vedením probíhá v kapalných, plynných, ale především pevných látkách. Obě tělesa musí být ve vzájemném dotyku (např. výkovek ve studené lázni), přenos energie zprostředkovávají částice, které jsou neustále v silovém působení nejbližších částic, vychýlení každé z nich z rovnovážné polohy způsobí vychýlení okolních sousedních částic. Jestliže těleso nemá ve všech částech stejnou teplotu, pak teplejší části látky s větší energií molekul se ochlazují a chladnější oteplují tak dlouho až nastane vyrovnání teplot.
Holandský lékař INGENHOUSS na konci 18. století ukázal, že všechny kovy nejsou stejnými vodiči tepla. Do plechové nádoby s horkou vodou vložil postranními otvory konce několika stejně silných tyčí z různých kovů, jejichž delší části vyčnívaly do volného vzduchu. Tyto části obalil stejnou vrstvou vosku a pozoroval, že vlivem tepla, které se tyčemi z horké lázně šíří k volným studeným koncům, vosk taje. Ale neroztaje na všech tyčích za stejnou dobu stejně daleko. Ingenhouss z toho vyvodil, že ten kov na kterém roztál vosk nejdál, je nejlepším vodičem tepla.
O tepelné různé vodivosti kovů je možné se přesvědčit v následujícím pokusu. Tyč vyrobenou z dvou různých kovů, které mají jinou tepelnou vodivost, zahříváme uprostřed lihovým kahanem. Pomocí termokamery budeme sledovat, jak se mění teplota v obou zahřívaných tyčích.
Obr. 36: Zahřívání kovové tyče nad plamenem
Obr. 37: Termogram pokusu
Při vedení přechází energie látkou z teplejších míst na místa studenější, přičemž látka jako celek je v klidu. Částice látky si vyměňují energii vzájemnými srážkami.
Teplo, které projde za určitou dobu τ plochou S desky je přímo úměrné povrchu S, teplotnímu rozdílu (t1−t2) a době τ a nepřímo úměrné tloušťce desky d. Konstantou úměrnosti je součinitel tepelné vodivosti λ.
`Q=λ S (t_1-t_2)/d `
Obr. 38: Prostup tepla
Tepelná vodivost λ udává množství tepla, které projde za jednotku času krychlí o jednotkové hraně mezi dvěma protilehlými stěnami, mezi nimiž je teplotní rozdíl 1 °C.
|
Materiál |
W . m-1 . K-1 |
Materiál |
W . m-1 . K-1 |
| Stříbro | 418 | Beton | 1,5 |
| Měď | 395 | Sklo | 0,8 |
| Hliník | 229 | Cihla | 0,3 – 1,2 |
| Mosaz | 106 | Voda | 0,6 |
| Železo | 73 | Sníh | 0,12 – 1,3 |
| Ocel | 50 | Olej | 0,16 |
| Žula | 2,9 – 4,0 | Vzduch | 0,024 |
Ze všech látek mají nejlepší tepelnou vodivost kovy, protože mají hodně volných elektronů. Naopak nekovy jsou špatnými vodiči tepla, podobně jako většina kapalin. Nejhoršími vodiči tepla jsou plyny (izolanty). Tepelné izolanty se využívají tam, kde se má zabránit vedení tepla a tepelným ztrátám (vakuum mezi skly v plastových oknech).
2. Proudění
Obr. 39: Proudění vzduchu v místnosti
Při proudění jsou částice látky v pohybu a unáší svoji energii sebou z teplejších míst prostoru do chladnějších. Tento způsob přenosu tepla se uskutečňuje v kapalinách a plynech, protože v těchto látkách se mohou částice volně pohybovat. Zahřejeme-li například vzduch zdola, dolní části vzduchu se roztahují, stanou se řidšími, stoupají vzhůru, a částice ze spodních vrstev nesou svoji energii sebou do chladnějších míst nahoře. Naopak chladnější částice klesají dolů, protože mají menší objem a větší hustotu, uvolňují místo částicím teplejším a nastává proudění vzduchu v místnosti. Například nerovnoměrným zahříváním vrstev ovzduší na Zemi vzniká vítr.
Obr. 40: Proudění ohřáté vody okruhem
Pomocí termokamery můžete sledovat nalévání teplé vody do kádinky se studenou vodou. Teplou vodu jsme po lili po stěně tak, aby mířila na jednu stranu kádinky. Ze snímku termokamery je vidět, že vyšších teplot se nejdříve dosáhlo v dolní části kádinky, v místě ve kterém se do ní lila voda. Teplá voda postupně proudila nahoru a promíchala se se studenou vodou. Termokamera ale měří jen povrchovou teplotu. Teplá voda nalévaná do kádinky přestane být viditelná v okamžiku, kdy je obklopena studenou vodou.
Obr. 41: Nalévání horké vody do kádinky
Obr. 42: Následný ohřev vody v kádince
3. Záření
Obr. 43: Přenos tepla zářením
K přenosu tepla mezi dvěma tělesy dochází i tenkrát, když se obě tělesa nedotýkají. K takovému přenosu není zapotřebí žádné hmotné prostředí. Přenos tepla se uskutečňuje přenosem elektromagnetického vlnění. Všechna tělesa, jejichž teplota je vyšší než -273,15 °C vyzařují elektromagnetické záření. Tepelné záření, které vyzařují a nemůžeme jej naším zrakem rozeznat je infračervené záření. Tělesa s větším povrchem a tělesa tmavá nebo matná vyzařují více tepla než tělesa malá, světlá a lesklá. To stejné platí I pro absorpci (přijímání) tepelného záření z okolí.
Proto je v létě asfaltový povrch silnic zahřátý na vyšší teplotu než povrch chodníků. Horká káva si udrží delší dobu svoji teplotu v termosce s postříbřenými stěnami než v černém šálku. Veličina, která popisuje, jak jsou tělesa schopná vyzařovat záření, se nazývá emisivita. Emisivita tzv. černého tělesa se rovná 1, což je maximální hodnota. Emisivita dokonalého zrcadla se blíží k nule.
Závislost na teplotě vyjadřuje Stefan – Boltzmannův zákon, podle kterého je množství energie, kterou těleso vyzáří přímo úměrné čtvrté mocnině absolutní teploty. Z okolí naopak těleso přijme energii, která je přímo úměrná čtvrté mocnině absolutní teploty okolí.
`Q = σ * T^4`
Ohřívání těles závisí také na směru dopadu tepelného záření. Rovinná plocha se ohřeje tím méně, čím šikměji na ni záření dopadá. Například na póly Země dopadá sluneční záření mnohem šikměji než na rovník.
Termografie
Určením prostorového rozložení povrchové teploty na základě záření vycházejícího z tělesa se zabývá termografie. Analyzovuje energii infračerveného záření vycházejícího z těles, pomocí infračervených kamer (termovize), které poskytují infračervený snímek - termogram.
Úvahy o využití infračerveného záření k měření teplot se začaly objevovat již po roce 1884, infračervený detektor sloužící k vyhledávání ledovců byl patentován v roce 1913 a první jednoduchá infračervená kamera byla vyrobena v roce 1929. První termokamera odpovídající dnešním standardům byla zkonstruována v roce 1956.
Výhody termografie:
- Infračervená kamera zobrazí rozložení teploty na velké ploše.
- Změří velmi rychlé změny teploty.
- Umožňuje měřit teplotu i v nedostupných místech.
- Způsobem měření se jedná o nedestruktivní metodu, která neovlivňuje měřený předmět.
Pomocí termokamery lze prověřit střechy, zda neprovlhají, využívá se pro rychlé a efektivní analyzování ztrát způsobených únikem tepla při vytápění nebo klimatizaci budov, lze s ní lokalizovat závady na prasklém potrubí, úniky na podlahovém topení, příčinu vzlínající zemní vlhkosti, vyhledá místa zanesení nebo ucpání radiátorů či ventilů, používá se pro kontrolu fotovoltaických panelů apod.
