Tepelná výmena a tepelné izolácie

Rovnovážny stav

Čo sa deje medzi jablkom a okolím.

Jablko považujme za jednu tepelnú sústavu. Druhou tepelnou sústavou je okolie. Jablko má nižšiu teplotu ako okolie. Jablko má teplotu 5 ºC. V miestnosti je teplota 23 ºC. Atómy vzduchu v miestnosti kmitajú rýchlejšie, ako atómy jablka. Príčinou je teplotný rozdiel sústav. Čím je kmitanie rýchlejšie, tým je väčšia energia. Energia sa prenáša z teplejšej sústavy na chladnejšiu, až kým sa teploty sústav nevyrovnajú. Medzi jablkom a miestnosťou nastane výmena tepla. Teplejšia sústava odovzdáva teplo chladnejšej. Nastane rovnovážny stav. Teploty obidvoch sústav sú rovnaké.

Ďalšie príklady na rovnovážny stav:

- odstavené auto s vyhriatym interiérom, ktorý sa ochladí vplyvom okolia,
- teplá malinovka vložená do chladničky prispôsobí svoju teplotu, teplote chladničky,
- horúce železo vložené do studenej vody sa ochladí a voda sa zohreje.

Tepelná výmena

Čo sa deje medzi šálkou a vriacou vodou.

Šálka má izbovú teplotu. Pritom vriaca voda má teplotu 97 ºC. Ak vlejeme vriacu vodu do šálky nastane tepelná výmena. Od tohoto okamžiku sa začne teplota šálky zvyšovať. Po chvíli je šálka horúca. Atómy vriacej vody rozkmitajú atómy šálky. Medzi šálkou a vriacou vodou nastala tepelná výmena. Šálka nám ochladila vodu. A naopak voda nám zohriala šálku. Táto tepelná výmena prebieha, až kým obidve sústavy nedosiahnu rovnovážny stav.

Ďalšie príklady na tepelnú výmenu:

- radiátor a miestnosť, v ktorej sa nachádza,
- jedlo a rúra na pečenie,
- otvorený mraziaci box s nanukmi a miestnosť, v ktorej sa nachádza.

Tepelná výmena vedením

Čo sa deje medzi dvoma časťami kutáča.

Obidve časti kutáča majú izbovú teplotu. Ak vložíme kutáč do ohňa nastane tepelná výmena. Vďaka vysokej teplote v ohni sa zvýši aj teplota kutáča, ktorý je v ohni. Atómy kutáča so zvyšovaním jeho teploty kmitajú rýchlejšie. Zvýšená teplota kutáča a s ňou narastajúca rýchlosť kmitov sa šíri po dĺžke celého kutáča. Minútu po vložení kutáča do ohňa mala rukoväť ešte stále izbovú teplotu. Po pol hodine sa zohriala až tak, že sa nedala chytiť do ruky. Medzi dvoma časťami kutáča nastala tepelná výmena vedením. To znamená, že sa zohriala aj časť kutáča, ktorá nebola v ohni.

Ďalšie príklady na tepelnú výmenu vedením:

- kovová lyžička v horúcom čaji,
- úchytka na kovovom hrnci s vriacou vodou,
- kovová naberačka v horúcej polievke.

Tepelná výmena prúdením

Čo sa deje medzi dvoma časťami kvapaliny.

V hrnci máme studenú vodu. Voda v hrnci má teplotu 22 ºC. Potom sme položili hrniec s vodou na plynový sporák. Keď sme zapálili plynový sporák, medzi hrncom s vodou a plameňom začala prebiehať tepelná výmena. Voda je v styku s plameňom. Teplota vody sa zvyšuje, zväčšuje sa objem vody a klesá jej hustota. Táto voda sa stáva ľahšia, ako okolitá chladná voda. Časť chladnej vody sa dostáva na miesto tej teplejšej a tam sa ohreje. A takto to prebieha až kým nie je rovnaká teplota v celom objeme kvapaliny. Zohrievanie kvapaliny je sprevádzané prúdením, ktoré vyrovná teplotu v celom objeme kvapaliny. Tomuto sa hovorí tepelná výmena prúdením.

Ďalšie príklady na tepelnú výmenu prúdením:

- horúci vzduch nad sviečkou,
- vzduch v miestnosti ohrievaný radiátorom,
- voda v rýchlovarnej kanvici.

Tepelná výmena sálaním (žiarením)

Čo sa deje medzi dvoma sústavami.

V pohároch máme studenú vodu. Voda v pohároch má teplotu 20 ºC. Potom sme položili jeden pohár s vodou na slnko, a druhý do tieňa. Voda, ktorá bola na slnku sa zohriala viac ako voda v tieni. Voda, ktorá bola na slnku sa zohriala prostredníctvom slnečného žiarenia. Voda pohltila slnečné žiarenie. Pre prenos tepla sálaním (žiarením) nepotrebujeme žiadne hmotné prostredie. Tomuto sa hovorí tepelná výmena sálaním alebo žiarením.

Ďalšie príklady na tepelnú výmenu sálaním(žiarením):

- zohriatie interiéru auta, ktoré sme nechali na slnku,
- zohriatie plechu na slnku,
- zohriatie vody v mláke.

Tepelná izolácia

Čo sa deje medzi vnútrom konvektomatu a okolím.

Konvektomat má izbovú teplotu. Zohrejeme konvektomat na 250 ºC. Priložíme ruku pred konvektomat. Dvierka konvektomatu nám oddelia dve prostredia s rôznou teplotou. Dvierka sú zložené z dvoch skiel, medzi ktorými je čiastočne odsatý vzduch alebo plyn. Plyn má menej atómov ako sklo a preto nedokáže preniesť energiu mimo konvektomatu a tým udržiava teplo v konvektomate. Čiastočne odsatý vzduch alebo plyn tvorí v našom prípade tepelnú izoláciu. Izolovať znamená oddeliť. Čiastočne odsatý vzduch alebo plyn oddelil dve prostredia s veľkým teplotným rozdielom 250 ºC a 23 ºC.

Ďalšie príklady na tepelnú izoláciu:

- polystyrén na stene bytovky,
- vetrovka alebo akékoľvek oblečenie,
- koža medveďa.