Proudění tepla v přírodě: Vedení, proudění a sálání

Zajímalo tě někdy, jak to vlastně funguje, když si zatopíš v kamnech nebo zapneš radiátor? Proč je ti u krbu teplo, i když na tebe nefouká teplý vzduch? Teplo se totiž umí pěkně hýbat, ale nedělá to jen jedním způsobem. Pojďme se společně podívat na tři základní cesty, kterými se šíření tepla odehrává: vedení, proudění a sálání. Pochopit je ti pomůže nejen lépe využívat topidla, ale i porozumět spoustě dalších jevů kolem nás.

Jak se teplo přenáší? Tři základní způsoby

V přírodě i v technice se teplo šíří třemi hlavními způsoby. Málokdy se setkáš jen s jedním izolovaně, většinou jde o kombinaci dvou, nebo dokonce všech tří. Ale abychom pochopili celek, musíme si je rozebrat pěkně popořadě.

Vedení tepla (Kondukce): Když se teplo šíří dotykem

Jak funguje vedení tepla? Představ si, že strčíš jeden konec kovové tyče do ohně. Za chvíli ucítíš, jak se ohřívá i ten druhý konec, který držíš. To je přesně vedení tepla neboli kondukce. Teplo se tu šíří přímým kontaktem částic látky. Ty rychlejší, teplejší částice narážejí do těch pomalejších, studenějších, a předávají jim svou energii. Děje se to vždycky ve směru od teplejšího místa k chladnějšímu, dokud se teploty nevyrovnají.

Tenhle způsob šíření tepla funguje ve všech látkách - pevných, kapalných i plynných. Ale pozor, ne všude stejně dobře! Nejlepšími vodiči tepla jsou kovy. Naopak látky jako sklo, dřevo, porcelán, sláma nebo vata vedou teplo špatně - proto jim říkáme tepelné izolanty. Nejhůře teplo vedou kapaliny a plyny. Tam už pak přichází ke slovu i další způsoby přenosu.

Kde se s vedením tepla setkáš u topidel?

Typickým příkladem je teplo procházející stěnou kachlových kamen. Ať už jsou kachle stavěné tradičně na hlínu, nebo moderně lepené, teplo zevnitř musí projít materiálem kachle ven. Stejně tak se vedením šíří teplo třeba šamotovou deskou, materiálem komína nebo tálem plotny při vaření na sporáku. Tepelná izolace, kterou najdeš třeba ve stropě, pak funguje jako brzda - zpomaluje právě tohle vedení tepla, aby nám neutíkalo tam, kam nemá.

Čtěte také: Oceánské proudění a klima

Proudění tepla (Konvekce): Teplo v pohybu tekutin

Proudění tepla (také konvekce tepla) je jeden ze způsobů šíření tepla, kdy dochází k proudění hmoty o různé teplotě. Tepelné proudění se uplatňuje pouze u kapalin a plynů. Pohybem hmoty dochází k promíchávání jednotlivých částí, které mají odlišnou teplotu, a tím se přenáší teplo mezi různými částmi hmotného útvaru.

Volná a nucená konvekce: Jaký je v tom rozdíl?

Druhým způsobem je proudění neboli konvekce. Ta se týká výhradně tekutin, tedy kapalin a plynů. Funguje to jednoduše: když tekutinu zahřeješ, stane se lehčí (má menší hustotu) a stoupá vzhůru. Na její místo klesá chladnější, hustší tekutina, která se zase ohřeje a stoupá… a tak pořád dokola. Vzniká tak proudění, které efektivně promíchává tekutinu a šíří teplo.

Tomuhle samovolnému pohybu, způsobenému rozdíly teplot a gravitací, říkáme volná nebo přirozená konvekce. Aby fungovala, musíme tekutinu zahřívat zdola. Setkáš se s ní třeba u radiátoru, kde ohřátý vzduch stoupá ke stropu.

Pak je tu ještě nucená konvekce. Tady pohyb tekutiny nezpůsobuje gravitace, ale nějaká vnější síla - třeba ventilátor v teplovzdušném vytápění, čerpadlo v topném systému nebo tah komína.

Teplovzdušné vytápění a jeho specifika

Právě teplovzdušné vytápění (někdy označované jako otevřený teplovzdušný systém, OTS) je typickým příkladem využití konvekce. Je to rychlý způsob, jak dostat teplo do místnosti. Má to ale i své nevýhody. Vzduch neustále cirkuluje, což může vířit prach. Navíc vznikají poměrně velké rozdíly teplot mezi podlahou a stropem, klidně i deset stupňů, což není úplně ideální pro tepelnou pohodu a může to mít i negativní dopad na zdraví. Proto se konvekční vytápění hodí spíš do prostor, kde se nezdržuješ trvale, třeba na chodbu.

Čtěte také: Vznik turbulentního proudění ovzduší

U konvekčních topidel je důležité myslet na správné otvory pro nasávání studeného a výdech teplého vzduchu. Výrobci by měli udávat potřebné velikosti průřezů. Existují i uzavřené systémy (jako hypokaust), které sice také využívají proudění vzduchu uvnitř konstrukce, ale teplo do místnosti předávají hlavně příjemnějším sáláním.

Sálání (Radiace): Neviditelné tepelné paprsky

Třetím způsobem šíření tepla je sálání neboli radiace. Každé těleso, které má nějakou teplotu, vysílá do okolí neviditelné elektromagnetické záření - tepelné paprsky. Když tyto paprsky dopadnou na jiné těleso, to je pohltí a jejich energie se přemění zpět na teplo (zvýší se vnitřní energie pohlcující látky). Cítíš to, když si stoupneš blízko k ohni nebo rozpáleným kamnům - hřeje tě právě sálavé teplo. Nepotřebuje k tomu žádný vzduch ani jiný prostředník, šíří se i ve vakuu (tak k nám doputuje teplo ze Slunce).

Intenzita sálání závisí hlavně na teplotě zdroje (čím teplejší, tím víc sálá) a na vzdálenosti od něj.

Sálání u krbů a kamen: Výhody a jak ho ovlivnit

Sálání hraje velkou roli u krbů a kamen. Sklo krbové vložky propouští tepelné záření z ohniště přímo do místnosti. Samotné sklo se taky ohřívá a sálá (a navíc kolem něj proudí vzduch, takže dochází i ke konvekci). U otevřených krbů je sálání dominantní. Aby teplo sálalo co nejvíce do místnosti, je dobré boky a horní část topeniště zkosit.

U moderních akumulačních kamen se zase řeší tzv. „daň za sklo“ - tedy teplo vyzářené sklem, které ohřívá jen místnost, kam je sklo namířeno, a neukládá se do akumulační masy. Velké prosklení je sice efektní, ale trochu jde proti principu akumulace.

Čtěte také: Změny klimatu a oceány

Sálání přes sklo se dá omezit - třeba speciálními pokovenými vrstvami, které část záření odrazí zpět do topeniště, nebo použitím dvojitého či trojitého skla. To snižuje teplotu vnějšího skla a tím i jeho sálání. Kachlová kamna mohou být konstruována primárně jako sálavá, kdy teplo předává hlavně jejich povrch. Pro tepelnou pohodu je ideální, když povrchová teplota stěn v místnosti není o moc jiná než teplota vzduchu.

Všechny způsoby šíření tepla pohromadě

Jak už bylo řečeno na začátku, v reálném světě, a zvláště u topidel, se všechny tři způsoby šíření tepla často kombinují. Teplo z ohně se šíří sáláním na stěny topeniště, vedením prochází skrz materiál stěn a pak je předáváno do místnosti buď opět sáláním z povrchu kamen, nebo konvekcí (ohříváním vzduchu, který kolem kamen proudí).

Jestliže těleso pohlcuje tepelné záření, jeho teplota se zvyšuje. V zemské atmosféře obvykle hustota kapalin nebo plynů klesá s narůstající teplotou. V gravitačním poli tedy ohřáté vrstvy kapaliny nebo plynu stoupají, zatímco ty chladnější klesají dolů. Popsaný jev se využívá např. při ohřívání kapaliny zdola, ochlazování seshora, využívá se pro cirkulaci vody v ústředním topení.

Stefanův-Boltzmannův zákon

Při studiu záření tak zvaného ideálního černého tělesa dospěli fyzici k objevu souvislosti mezi množstvím energie uvolňované zářením černého tělesa a jeho teplotou. Zjistili, že energie záření tělesa záleží na čtvrté mocnině jeho absolutní teploty.

I = ϭ TE4

Kde I je intenzita záření, ϭ je Stefanova-Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota v Kelvinech.

Například led má při teplotě 273 K, tj. 0 °C, emisivitu 315,6 W/m2, tj. vyzařuje teplo, i když my bychom jistě přísahali, že „zebe jako led“. Je to proto, že naše tělo má teplotu 36 °C (309 K), a vyzařuje tak podle výše uvedeného zákona více energie, konkrétně podle výše uvedené rovnice 516,9 W/m2, když si led položíme na ruku, cítíme chlad, jak led odebírá teplo, které vyzařujeme, a led se promění na vodu. Vařící voda vyzařuje při teplotě 373 K už 1100 W/m2. Obecně tedy platí, že čím vyšší teplotu těleso má, tím více tepla vyzařuje, a vztah není zdaleka lineární, ale vyzařované teplo roste exponentem 4 u parametru tělesa, kterým je termodynamická teplota měřená v Kelvinech. Jedině těleso, které by mělo teplotu 0 K, by žádnou energii nevyzařovalo, z čehož pak fyzici odvodili větu o nemožnosti dosáhnout absolutní nuly.

Stefan-Boltzmanův zákon platí obecně pro veškerou hmotu, tj. i pro plyny a v astronomických měřítkách samozřejmě i pro hvězdy. Záření Slunce se poměrně dobře blíží záření absolutně černého tělesa s teplotou přibližně 5800 Kelvinů.

Z logiky Stefan-Boltzmanova zákona tak musela emisivita zemského povrchu i atmosféry také stoupnout. Platí totiž, že se vzduch ohřívá od země či hladiny moří a oceánů nejen sáláním - emisí tepla -, ale také přestupem tepla tak zvanou konvekcí.

Šíření tepla prouděním (konvekcí)

Šíření tepla prouděním (konvekcí) je jeden ze způsobů šíření tepla, kdy dochází k proudění hmoty o různé teplotě. Šíření tepla prouděním není možné u pevných látek, uplatňuje se pouze u tekutin (kapalin a plynů), případně u plazmatu. Pohybem hmoty dochází k vzájemnému pohybu jednotlivých částí, které mají odlišnou teplotu, a tedy různou hustotu. Funguje to tedy tak, že vzduch u země se ohřeje a stoupá vzhůru a na jeho místo proudí chladnější vzduch.

Je fyzikálně naprosto nemožné, aby při růstu teploty atmosféry nedošlo současně k růstu teploty zemského povrchu a hladiny moří a oceánů. Ostatně, existují měření, která růst teploty moří i prokazují.

Blížíme se ale k naprosto překvapivému závěru. Jestliže by množství tepla ze Slunce bylo konstantní, a přitom se podle fyzikálních zákonů při vyšší teplotě vzduchu a obecně Země zvýšila emise záření Země, někde by se energie musela vzít. Jediným správným vysvětlením je tak tedy to, že množství tepla přicházejícího ze Slunce se muselo za poslední desetiletí zvýšit.

Důležité však je, kolik tepla pronikne až na zemských povrch a na hladinu moří a oceánů a kolik záření se odrazí do vesmíru.

tags: #proudění #tepla #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Euro 6 vs. Euro 7: Srovnání
• Podmínky registrace odpadu v ČR
• Provoz skládky Uherské Hradiště
• Postupy recyklace minerální vlny
• Jaký kompostér vybrat?