Warto przeczytać

Aby ogrzewana woda zagotowała się, ciepło musi przenosić się od miejsca podgrzewania w dalsze obszary wody.

Energia cieplna może rozchodzić się w cieczy przez przewodzenie ciepła lub przez konwekcję.

Przewodzenie ciepła polega na przekazywaniu energii kinetycznej w bezpośrednich zderzeniach między cząsteczkami cieczy. Energia cieplna przepływa zawsze od obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o niższej temperaturze. TemperaturatemperaturaTemperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Cząsteczki ciała o wysokiej temperaturze poruszają się z dużą średnią energią kinetyczną, a cząsteczki ciała chłodniejszego mają mniejszą średnią energię kinetyczną. W zderzeniach cząsteczek energia kinetyczna jest przekazywana od cząsteczki o większej energii do cząsteczki o mniejszej energii. Przy kolejnym zderzeniu energia przekazywana jest coraz dalej w stronę obszaru o niższej temperaturze. W ten sposób następuje przewodzenie ciepła.

Szybkość przewodzenia ciepłaprzewodność cieplna (właściwa)przewodzenia ciepła określa współczynnik przewodnictwa cieplnegowspółczynnik przewodnictwa cieplnegowspółczynnik przewodnictwa cieplnego danej substancji. Jeśli ten współczynnik ma dużą wartość, to substancja jest dobrym przewodnikiem ciepła. Mała wartość przewodnictwa właściwegoprzewodność cieplna (właściwa)przewodnictwa właściwego oznacza, że mechanizm przekazywania ciepła drogą przewodzenia jest mało wydajny. Z reguły, ciecze i gazy źle przewodzą ciepło. Przewodnictwo cieplne właściwe wody wynosi ok. 0,6 W/(m⋅K). To bardzo mało w porównaniu z metalami, które są zazwyczaj dobrymi przewodnikami ciepła, i dla których przewodnictwo cieplne właściwe wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset W/(m⋅K). Przewodzenie ciepła przez wodę nie odgrywa więc istotnej roli. Transfer energii cieplnej w wodzie odbywa się znacznie skuteczniej drogą konwekcji.

Konwekcja to proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w płynach, czyli w gazach lub cieczach. Ruch ten pojawia się wtedy, gdy temperatura dolnych warstw płynu jest wyższa niż warstw górnych. Różnica temperatur powoduje różnicę gęstości płynu. Na skutek siły wyporu gorący płyn, o mniejszej gęstości, wznosi się ku górze. Natomiast chłodny płyn, o większej gęstości, opada na dół za sprawą siły grawitacji. Powstają skierowane do góry prądy ciepłego płynu i skierowane do dołu prądy chłodnego płynu. Nazywamy je prądami konwekcyjnymi. Zjawisko konwekcji przyczynia się do wyrównywania temperatur w całej objętości płynu. Prąd gazu lub cieczy o wysokiej temperaturze unosi ze sobą energię cieplną, którą przekazuje otoczeniu na większych wysokościach.

RxRgHVlSsenTg

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym woda w postaci niebieskiej substancji znajdująca się w cylindrycznym naczyniu podgrzewana jest przy pomocy kuchenki elektrycznej. Kuchenka elektryczna widoczna jest w postaci szarego dysku ułożonego poziomo pod naczyniem zawierającym wodę. Na środku dysku znajduje się mniejszy czerwony, pionowy walec symbolizujący grzejnik zamontowany w kuchence elektrycznej. Podczas ogrzewania wody w naczyniu cyrkuluje w taki sposób, że substancja o wyższej temperaturze znajdująca się w centralnej części naczynia nad grzałką podąża w górę i ku bokom naczynia. Woda o niższej temperaturze początkowo znajdująca się dalej od grzałki, w górnej części naczynia i bliżej jego krawędzi transportowana jest w dół i do środka naczynia. Widoczne jest to w postaci dwóch okręgów złożonych każdy z dwóch strzałek prawej i lewej, widocznych jeden obok drugiego. Strzałki tworzące części okręgów bliżej środka są czerwone co symbolizuje wodę cieplejszą i są one wskazują one kierunek cyrkulacji wody w górę i do zewnątrz naczynia. Strzałki stanowiące części okręgów dalej od środka naczynia skierowane są w dół i do wewnątrz naczynia i są niebieskie, co symbolizuje wodę w niższej temperaturze.

Rys. 1. przedstawia podgrzewaną od dołu wodę. Energia cieplna przekazywana jest cząsteczkom wody znajdującym się blisko dna. Energia kinetyczna tych cząsteczek zwiększa się, przez co wzrasta temperatura. Cząsteczki poruszają się coraz szybciej, na skutek czego powiększają się odległości między nimi. Jest to zjawisko rozszerzalności cieplnej. Wraz ze zwiększaniem się objętości, maleje gęstość wody w dolnej warstwie, co powoduje wypływanie gorącej wody z dna na powierzchnię. Na jej miejsce napływa chłodna woda z góry.

Słowniczek