Przewodnictwo cieplne

Kawałek żelaza położony na gorącym piecyku rozgrzewa się. Wzrost temperatury ciała oznacza wzrost średniej energii ruchu cząsteczek, a zatem i wzrost energii wewnętrznej ciała. Zostaje on wywołany przepływem energii z piecyka do kawałka żelaza. Po umieszczeniu rozgrzanego żelaza w zimnej wodzie jego temperatura spadnie, zatem zmaleje jego energia wewnętrzna, a część energii przejdzie do wody. Podczas tych procesów wymiany energii nie została wykonana żadna praca, gdyż nie wystąpi widoczne przemieszczenie ciała (lub jego części) pod wpływem jakichkolwiek sił (zaniedbujemy tu nieznaczne zmiany objętości ciała na skutek rozszerzalności cieplnej).

Uogólniając powyższe spostrzeżenia, stwierdzamy, że ciała będące w bezpośrednim kontakcie przekazują sobie energię wewnętrzną. Zmiana energii wewnętrznej ciała zachodzi na skutek przekazywania energii kinetycznej cząsteczek. W ciele rozgrzanym cząsteczki poruszają się – średnio rzecz biorąc – z większą prędkością niż w tym samym ciele po jego schłodzeniu. Przy zetknięciu dwóch takich ciał cząsteczki ciała rozgrzanego o dużej prędkości, zderzając się z cząsteczkami ciała chłodniejszego, przekazują część swojej energii cząsteczkom poruszającym się wolniej w ciele chłodniejszym.

Wymiana ciepła może więc być skutkiem zderzeń cząsteczek ciała w sytuacji bezpośredniego styku z innym ciałem (w naszym przykładzie żelaza z piecykiem czy otaczającą to żelazo wodą). Taki proces wymiany ciepła – między stykającymi się ciałami – nazywamy przewodnictwem cieplnym.

Promieniowanie

U podstaw zjawiska wymiany ciepła przez promieniowanie leży promieniowanie termiczne ciał (przypomnij sobie podstawowe wiadomości z rozdziału 2.1 „Promieniowanie termiczne”). Jest ono powszechnym zjawiskiem, gdyż każde ciało wysyła fale elektromagnetyczne w zakresie widma wynikającym z jego temperatury.

Występuje również zjawisko odwrotne – pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego. Ciało może zyskiwać energię i ogrzewać się, gdy więcej promieniowania pochłania, niż wysyła. Tak się dzieje, gdy w pobliżu znajduje się ciało o wyższej temperaturze.

Konwekcja

Konwekcja zachodzi przy ruchu strumieni płynu (cieczy lub gazu). Warstwy płynu, nagrzewając się, na skutek rozszerzalności cieplnej zmniejszają swoją gęstość i zgodnie z prawem Archimedesa unoszą „w górę”, a chłodniejsze (o większej gęstości) opadają „w dół”, zajmując ich miejsce. Z takim ruchem materii związany jest transport energii: cieplejsza materia przenosi swoją energię wewnętrzną z obszaru, w którym się nagrzała (na przykład wskutek styku z zewnętrznym grzejnikiem) do innego obszaru, chłodniejszego niż ten pierwszy.

Wskutek konwekcji tworzą się strumienie, prądy płynu przenoszące ciepło. Materia krąży po zamkniętych torach tworzących tzw. komórki konwekcyjne, które są często bardzo stabilne, szczególnie gdy krążąca materia nieustannie podgrzewa się w jednym obszarze, zaś oziębia w innym.

Na il. 6.32 i il. 6.33 pokazano komórki konwekcyjne, tj. układ prądów konwekcyjnych, powietrza w atmosferze Ziemi oraz magmy w ziemskim płaszczu. Podobne komórki konwekcyjne, choć na znacznie większą skalę, występują we wnętrzu Słońca (także innych gwiazd) – umożliwiają one transport energii wewnętrznej z jego jądra do atmosfery.