— Published on 06/10/2024 / Bug.hr.
Kako funkcioniraju iglu, termo-fasada, izo-staklo i termos-boca; zašto se voće od smrzavanja štiti slojem leda, a hladnjaku sloj leda smeta; sve to možemo razumjeti iz mehanizama prijenosa topline
S tijela na tijelo, toplina se može prenijeti na tri načina: strujanjem ili konvekcijom, vođenjem ili kondukcijom i zračenjem ili radijacijom. Podjela se temelji na mehanizmima prijenosa, načinima na koji se ostvaruje prijenos topline odnosno prijelaz energije s jednog tijela na drugo. A to je sama suština fizike: postoji materija u prostoru i vremenu, a dijelovi te materije međusobno izmjenjuju energiju. I to je to. Sve ostalo su manje važni detalji.
Konvekcija
Konvekcija je način prijenosa topline u tvari pri kojem se makroskopski dijelovi gibaju. Takvu tvar, u kojoj dijelovi mogu mijenjati svoj relativni položaj, nazivamo fluid. Fluidi su plinovi ili tekućine, tvari koje su fluidne, odnosno mogu teći. Dijelovi fluida doslovno voze energiju s jednog mjesta na drugo, kao kamioni šljunak. Dakle, za konvekciju trebamo medij i makroskopski dijelovi medija se, pri prijenosu topline, gibaju.
Evo primjera. Grijete vodu za kavu. Džezvu hladne vode stavite na štednjak, upalite plinski plamenik i malo odete na Facebook. Kad se vratite, vode nema, džezva upropaštena. Bacite ju (kad se ohladi!) i ponovite postupak s drugom. Dakle, džezvu hladne vode stavite na štednjak, upalite plinski plamenik i ovaj put pozorno pratite što se događa. Toplina koja se oslobađa gorenjem plina prelazi na dno džezve. Toplinski kapacitet željeza je mali pa se temperatura brzo diže. Dno postaje vruće i toplina prelazi na vodu koja je pri dnu. Toplinski kapacitet vode je veliki pa se temperatura vode podiže sporo. Ali se podiže. I sad dolazi glavni dio priče. S povećanjem temperature tijela se rastežu, uz istu masu imaju veći volumen. Znači smanjuje im se gustoća. Pri dnu sad imamo rjeđu vodu, a pri vrhu gušću. Igru preuzima Ahrhimed (uzgon). Dodaje loptu (rjeđu tvar odnosno topliju vodu) gornjem dijelu džezve, a ovaj vraća (gušću tvar odnosno hladniju vodu) donjem dijelu džezve. Uspostavlja se kruženje tvari. To loptanje vodom stručno se naziva konvekcijska struja.
Drugi primjer. Ovaj put hladan zrak u sobi. Uključite centralno grijanje. Radijatorske cijevi postaju vruće pa griju okolni zrak. Sad taj zrak postaje rjeđi pa ga uzgon diže prema gore. Hladan zrak pada prema dolje. Opet konvekcijske struje. Sad zrak vozi toplinu. Usput, sad vidite zašto se radijatorske cijevi postavljaju uz pod, a ne uz strop (gdje bi manje smetale). Ako vam neki majstor, koji nije naučio fiziku, želi radijatorske cijevi montirati po plafonu, ljubazno mu recite da to ne želite. Mislim, bilo bi cool, samo grijanje ne bi funkcioniralo.
Treći primjer je hladnjak. Njegova je uloga da toplinu izbacuje iz unutrašnjosti. Zato se rashladne cijevi montiraju gore, a ne dolje. Suprotno od radijatorskih cijevi. Zato što se topliji zrak uvijek diže gore. U hladnjaku taj topliji zrak predaje toplinu rashladnim cijevima. Kad preda toplinu postaje hladniji, dakle gušći pa pada dolje. Opet se uspostavlja konvekcijska struja. Ako hladnjak pretrpate zrak će teže strujati. No, postoji i veći problem koji ponekad otežava hlađenje. Na njega ću se vratiti kasnije.
Kondukcija
Kondukcija je način prijenosa topline u tvari pri kojem se makroskopski dijelovi NE gibaju. Dakle, i za kondukciju trebamo medij, ali se dijelovi medija ne gibaju. Primjer je vođenje topline kroz zid. Toplina može prolaziti kroz zidove, a mi ne možemo (dobro, navodno mogu Muškarci koji bulje u koze). Kako to toplini polazi za rukom? Drugim riječima, koji je mehanizam? Kod konvekcije je odgovoran bio uzgon. Ovdje je odgovorno titranje. I to titranje atoma tvari. Zato sam u definiciji kondukcije ubacio pridjev „makroskopski”. Nema gibanja makroskopskih dijelova medija, ali postoji gibanje mikroskopskih dijelova, dakle atoma.
Tvari se sastoje od atoma. U čvrstim tvarima ti su atomi smješteni na nekim položajima, ne mogu baš lunjati uokolo, ali mogu titrati: gibati se amo-tamo oko svojih ravnotežnih položaja. Što imaju više energije, gibaju se intenzivnije, što znači da titraju većom amplitudom (to je najveći otklon od ravnotežnog položaja). I sad dolazi glavni dio priče o kondukciji (tu bismo u filmu malo podigli tempo i glasnoću pozadinske glazbe). Dakle, imamo zid sobe. U sobi je 30 oC (moja omiljena sobna temperatura), a vani recimo jadnih10 oC. Unutrašnja strana zida je također na 30 oC, a vanjska strana zida na 10 oC. Atomi koji su na unutrašnjoj strani imaju stoga veću energiju i titraju intenzivnije od atoma na vanjskoj strani zida. No, svi su ti atomi međusobno povezani. Zato ovi koji titraju intenzivnije (većom amplitudom) zatitravaju svoje manje živahne susjede. Ovi pak dodaju loptu onima do sebe i tako dalje sve do vanjske strane zida. Lopta u ovom slučaju nije materijalna. Ona je energija koja se predaje od atoma do atoma, od jednog titrajnog sustava do drugog. Ne putuju dijelovi zida, nego putuje zatitravanje atoma.
Da rezimiram. I za kondukciju i za konvekciju trebamo medij, samo je kod kondukcije medij krut (pa se makroskopski dijelovi medija očito ne gibaju), a kod konvekcije tekuć ili plinovit (pa se makroskopski dijelovi medija gibaju).
Radijacija
Radijacija je način prijenosa topline za koji medij nije potreban. Radijacija je prijenos topline elektromagnetskim zračenjem koje se može širiti i kroz vakuum, potpuno prazan prostor. Primjer je, naravno, Sunčevo zračenje, koje je primarni izvor energije na Zemlji. Između Sunca i Zemlje je nekih 150 milijuna kilometara uglavnom praznog prostora kroz koji energija sa Sunca dolazi na Zemlju. Elektromagnetsko zračenje može prolaziti i kroz medij, ali samo neke vrste kroz neke medije, to je priča za sebe (za neki kasniji nastavak Abecede fizike).
Primjene znanja o vođenju topline
Idemo se sad vratiti na hladnjak pa preko njega doći na jagode iz naslova. Kad se toplina prenosi kondukcijom onda je mehanizam „zatitraj susjedni, manje živahni atom”. Ali... različiti materijali imaju različite međuatomske veze. Neke veze su jače, a neke slabije. U nekim materijalima je susjeda lakše zatitrati, a u nekima teže. Ovi prvi materijali s lakoćom prenose toplinu. Njih zovemo toplinski vodiči. Željezo je takvo (zato je džezva brzo vruća, dok vodi treba vremena). Ovi drugi materijali, u kojem je susjedni atom teže zatitrati, su toplinski izolatori. Takav je stiropor (zato termo-fasadu ne radimo sa željeznim pločama nego sa stiroporom).
I sad, objašnjenje za hladnjak i jagode proizlazi iz činjenice da je led toplinski izolator, slabo vodi toplinu. Ako se na rashladnim cijevima hladnjaka nakupi debeli sloj leda onda je otežan prijenos topline sa zraka na cijevi. Motor hladnjaka radi kao lud (čujete da se ne gasi), a hladi slabo ili nikako. Rješenje je jednostavno: ugasiti, odlediti, ponovo upaliti. I radi kao nov.
A sad jagode. Najavljeno je da će temperatura u noći pasti na –3 oC. To nijedan plod s vaše otvorene plantaže neće izdržati (nemate dakle staklenik ili plastenik, sve je pod vedrim nebom). Propao cijeli urod. Možete li što poduzeti? Recimo, da postavite mnoštvo grijalica po plantaži? Ne. Kontraintuitivno, treba plodove politi vodom. Da hladan zrak u dodiru s vodom na površini jagoda napravi ledenu koru. A led je toplinski izolator. Prijelaz topline s jagode na okolni zrak je sad jako otežan, a to znači da je zaustavljeno daljnje hlađenje jagode. Naravno, taj trik prolazi pod uvjetom da niska temperatura ne traje predugo. Toplina polako curi. Ako negativna temperatura potraje smrznut će se sve.
Na isti način fukcionira i eskimska nastamba od leda, iglu. Zrak u unutrašnjosti može ostati topao, premda ja vanjski zrak jako hladan, zato što debeli sloj leda otežava prijenos topline iznutra prema van.