Топлообмен, във физиката, процес, при който енергията се обменя под формата на топлина между различни тела или между различни части на едно и също тяло, които са с различни температури. Топлопренасянето чрез конвекция, излъчване или проводимост. Въпреки че тези три процеса могат да протичат едновременно, може да се случи един от механизмите да преобладава над другите два. Например топлината се предава през стената на къща предимно чрез проводимост, водата в тенджера на газова горелка се загрява до голяма степен чрез конвекция, а Земята получава топлина от Слънцето почти изключително чрез радиация.

чрез проводимост

Топлината може да се предава по три начина: чрез проводимост, чрез конвекция и чрез излъчване. Провеждането е пренос на топлина през твърд предмет: именно това кара дръжката на покера да се нагрява, въпреки че само върхът е в огъня. Конвекцията пренася топлината чрез обмен на топли и студени молекули: причината е, че водата в чайника се загрява равномерно, въпреки че само долната му част е в контакт с пламъка. Радиацията е пренос на топлина чрез електромагнитно излъчване (обикновено инфрачервено): тя е основният механизъм, чрез който огънят отоплява помещението.

При твърдите вещества единствената форма на пренос на топлина е проводимостта. Ако единият край на метален прът се нагрее по такъв начин, че да повиши температурата му, топлината се предава към по-студения край чрез проводимост. Точният механизъм на топлопроводимост в твърдите вещества не е напълно изяснен, но се смята, че се дължи отчасти на движението на свободните електрони, които носят енергия, когато има разлика в температурата. Тази теория обяснява защо добрите електрически проводници също са склонни да бъдат добри проводници на топлина. През 1822 г. френският математик Жозеф Фурие дава точен математически израз, който днес е известен като закон на Фурие за топлопроводимост. Този закон гласи, че скоростта на топлопроводимост през тяло за единица напречно сечение е пропорционална на температурния градиент, който съществува в тялото (с променен знак).

Коефициентът на пропорционалност се нарича топлопроводимост на материала. Материали като злато, сребро или мед имат висока топлопроводимост и провеждат добре топлината, докато материали като стъкло или азбест имат проводимост стотици и дори хиляди пъти по-ниска; те провеждат топлината много лошо и са известни като изолатори. В инженерството е необходимо да се знае скоростта на топлопроводимост през твърдо вещество, при което има известна температурна разлика. Откриването изисква много сложни математически техники, особено ако процесът варира във времето; в този случай говорим за преходна топлопроводимост. С помощта на аналогови и цифрови компютри тези проблеми вече могат да бъдат решени дори за тела със сложна геометрия.

Ако има температурна разлика в рамките на течност или газ, движението на течността почти сигурно ще се случи. Това движение прехвърля топлината от една част на течността в друга чрез процес, наречен конвекция. Движението на течността може да бъде естествено или принудително. Ако течността или газът се нагряват, нейната плътност (маса на единица обем) обикновено намалява. Ако течността или газът са в гравитационното поле, по-топлият и по-малко плътен флуид се издига, докато по-студеният и по-плътен флуид се спуска надолу. Този тип движение, дължащо се изключително на неравномерността на температурата на течността, се нарича естествена конвекция. Принудителната конвекция се постига чрез подлагане на течността на градиент на налягането, като по този начин се принуждава нейното движение в съответствие със законите на механиката на течностите.

Да предположим например, че отдолу загряваме тенджера, пълна с вода. Течността, която е най-близо до дъното, се загрява от топлина, която се предава чрез проводимост през тигана. Когато се разширява, плътността му намалява и в резултат на това горещата вода се повишава и част от охлаждащата течност пада на дъното, като по този начин инициира циркулационно движение. Охлаждащата течност се претопля чрез проводимост, докато по-топлата течност губи част от топлината си чрез излъчване и я пренася във въздуха отгоре. По подобен начин, във вертикална газонапълнена камера, като въздушната камера между двете стъкла на прозорец с двоен стъклопакет, въздухът до външния прозорец - кой е по-студен? се спуска, докато въздухът близо до вътрешния панел е по-топъл? се издига, произвеждайки циркулационно движение.

Отоплението на помещение с радиатор не зависи толкова от радиацията, колкото от естествените конвекционни токове, които карат горещия въздух да се издига към тавана, а хладният въздух от останалата част на помещението да тече към радиатора. Тъй като горещият въздух има тенденция да се издига, а студеният да пада, радиаторите трябва да бъдат поставени близо до земята (и климатиците близо до тавана) за максимална ефективност. По същия начин естествената конвекция е отговорна за покачването на гореща вода и пара в котлите с естествена конвекция и за изпускането на комини. Конвекцията определя и движението на големи въздушни маси по земната повърхност, действието на ветровете, образуването на облаци, океанските течения и преноса на топлина от вътрешността на Слънцето към неговата повърхност.

Приносът на всички дължини на вълните към излъчената енергия се нарича излъчваща сила на тялото и съответства на количеството енергия, излъчвано за единица площ на тялото и за единица време. Както може да се види от закона на Планк, излъчващата мощност на повърхността е пропорционална на четвъртата степен на нейната абсолютна температура. Коефициентът на пропорционалност се нарича константа на Стефан-Болцман в чест на двама австрийски физици Йозеф Стефан и Лудвиг Болцман, които съответно през 1879 и 1884 г. откриват тази пропорционалност между излъчващата мощност и температурата. Според закона на Планк всички вещества излъчват лъчиста енергия само защото имат температура над абсолютната нула. Колкото по-висока е температурата, толкова по-голямо е излъченото количество енергия. Освен че излъчват радиация, всички вещества са способни да я абсорбират. Следователно, въпреки че кубчето лед излъчва непрекъснато лъчиста енергия, то се топи, ако е осветено с лампа с нажежаема жичка, защото поглъща по-голямо количество топлина, отколкото излъчва.

Непрозрачните повърхности могат да абсорбират или отразяват падаща радиация. Като цяло матовите и грапави повърхности поглъщат повече топлина от лъскавите и полирани повърхности, а лъскавите повърхности отразяват по-сияйна енергия от матовите повърхности. Освен това веществата, които поглъщат много радиация, също са добри излъчватели; тези, които отразяват много радиация и поглъщат малко, са лоши излъчватели. Поради тази причина кухненските прибори обикновено имат матово дъно за добро усвояване и полирани стени за минимални емисии, като по този начин максимизират общия трансфер на топлина към съдържанието на тенджерата.

В допълнение към процесите на пренос на топлина, които увеличават или намаляват температурите на засегнатите тела, преносът на топлина може да доведе и до фазови промени, като топене на лед или вряща вода. В инженерството процесите на пренос на топлина често са предназначени да се възползват от тези явления. Например космическите капсули, които се връщат в земната атмосфера с много високи скорости, са оборудвани с топлинен щит, който се топи контролирано по процес, наречен аблация, за да се предотврати прегряване на вътрешността на капсулата. По-голямата част от топлината, произведена от триене с атмосферата, се използва за топене на топлинния щит, а не за повишаване на температурата на капсулата.