Цитата: Andrew Carlssin от 30.06.2022 15:52:49Обсуждением охлаждения ядерного реактора в космосе навеяло...
Учебник физики объясняет, что теплопередача может происходить путем конвекции или излучения.
Однако, на атомном уровне никакой конвекции нет. Молекула или атом излучает квант энергии; чем выше температура тела, тем чаще излучаются кванты энергии и тем выше их энергия (частота).
Но общее количество энергии излученных нагретым телом фотонов не зависит от окружающей среды! Или зависит?
Почему охлаждение конвекцией отнимает тепло быстрее, чем радиационное охлаждение?
Пример к вопросу:
Нагретый кусок металла в космосе (Т среды = 30 К) излучает один джоуль в секунду. Что заставляет его излучать 2 джоуля в секунду, если этот кусок находится в проточной воде (Т среды = 290 К)?
Конвекция (как и диффузия) работает за счет передачи энергии от частицы к частице за счет прямого их взаимодействия через столкновения частиц. Т.е. идет обмен непосредственно кинетической энергией атомов и молекул, который работает при любых температурах и зависит от числа столкновений частиц за единицу времени. Когда газ или жидкость взаимодействует с твердым телом, то их молекулы сталкиваются с молекулами твердого тела и отбирают или приносят тепло в зависимости от того, кто там горячее изначально..
Ясное дело, что когда у нас вокруг вакуум (давление на уровне миллипаскалей), т.е. атомы или молекулы летают в виде каких-то 10
17-10
18 штук на кубометр, такой теплообмен пренебрежимо мал. В воздухе комнаты мы имеем порядка 10
25 атомов на кубометр и тут уже столкновений хватает для эффективной теплопередачи через конвекцию.
Излучательный механизм теплообмена становится существенным, когда температура тела достаточно большая (несколько сотен Цельсия и выше). Тогда тепловые колебания атомов и молекул (в том числе и в решетке твердых тел) сопровождаются все более интенсивными колебаниями их электронных оболочек, что и приводит к возникновению теплового излучения. Интенсивность излучения растет по закону Стефана-Больцмана (I ~ Т
4), и при низких температурах (порядка первых сотен кельвинов) она мала. Например, при Т~380С тело излучает до 10 кВт с квадратного метра поверхности, если вокруг комнатная температура. А при Т~100C всего-то до киловатта. И этот механизм практически не зависит от давления среды (а значит, и концентрации частиц газа) вокруг тела.