Transferul căldurii

O cană cu ceai fierbinte se răcește pe masă, iar mâna ți se încălzește când o apropii de ea. Căldura este energia care trece de la un corp cu temperatura mai mare la un corp cu temperatura mai mică. Transferul continuă până când temperaturile devin egale, adică până la echilibru termic. Căldura nu este un lichid conținut în corp, iar „frigul” nu este o substanță care curge: când atingi gheața, energia trece din mâna ta în gheață.

Energia se poate transmite în trei feluri.

Prin conducție, energia trece prin substanță de la o particulă la vecina ei, fără ca substanța să se deplaseze. Mânerul unei linguri metalice lăsate în ceai se încălzește treptat. Metalele conduc bine căldura și se numesc conductori termici. Lemnul, plasticul, lâna, polistirenul și aerul conduc rău căldura și se numesc izolatori termici. Lâna și puful nu „încălzesc”, ci prind aer între fibre și reduc pierderea de căldură a corpului; ferestrele cu două geamuri păstrează căldura din același motiv.

Prin convecție, energia este dusă de însuși fluidul (lichid sau gaz) care se deplasează. Aerul din apropierea unui calorifer se încălzește, se dilată, devine mai ușor și urcă, iar aerul mai rece coboară în locul lui. Apare astfel un curent de aer care încălzește camera. În oala cu apă de pe aragaz, apa caldă de jos urcă, iar cea rece de sus coboară. Convecția nu are loc în solide, pentru că particulele lor nu se pot deplasa în ansamblu. Brizele apar tot prin convecție: ziua uscatul se încălzește mai repede decât marea, aerul de deasupra lui urcă, iar aerul mai rece de deasupra mării vine în locul lui.

Prin radiație, energia se propagă sub formă de lumină și de radiații infraroșii și poate trece și prin vid. Orice corp emite radiație infraroșie, cu atât mai multă cu cât este mai cald. Așa ajunge energia Soarelui la noi, deși între Soare și Pământ nu există aer. Tot prin radiație simți pe față căldura unui foc de tabără. Suprafețele închise la culoare absorb mai multă radiație decât cele deschise, iar suprafețele lucioase, ca folia de aluminiu, o reflectă în mare parte.

În lucrurile obișnuite cele trei moduri lucrează împreună. Termosul reduce toate trei: între cei doi pereți ai sticlei este aer foarte rarefiat, care oprește aproape complet conducția și convecția, iar pereții argintii reflectă radiația.

Exemplu rezolvat. Două plăci metalice identice, una vopsită negru și una alb, sunt lăsate la soare, la aceeași înclinare, câte 10 minute. Placa neagră se încălzește de la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ la $60{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar cea albă, de la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ la $35{}^{\circ }\mathrm{C}$. Ce arată rezultatul? Creșterile de temperatură sunt $60-20=40{}^{\circ }\mathrm{C}$ pentru placa neagră și $35-20=15{}^{\circ }\mathrm{C}$ pentru cea albă. Diferența este $40-15=25{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar placa neagră s-a încălzit de $40:15\approx 2,7$ ori mai mult. Plăcile au același material, aceeași dimensiune, același soare și același timp, deci singura deosebire este culoarea: suprafața neagră absoarbe mai multă radiație. Din acest motiv vara se poartă haine deschise la culoare.

Greșeli frecvente

• Greșit: frigul „curge” din corpul rece spre cel cald.
  Corect: se transferă energie de la corpul cald spre cel rece; „frigul” nu este o substanță care circulă.
• Greșit: convecția este același lucru cu conducția.
  Corect: la conducție energia trece prin substanță fără ca aceasta să se deplaseze; la convecție se deplasează fluidul însuși și duce energia cu el.
• Greșit: radiația termică are nevoie de aer pentru a se propaga.
  Corect: radiația se propagă și prin vid, ca de la Soare la Pământ.
• Greșit: lâna produce căldură.
  Corect: lâna este izolator termic; ea reduce pierderea de căldură a corpului, prin aerul prins între fibre.
• Greșit: căldura urcă.
  Corect: aerul cald urcă prin convecție, dar căldura trece în orice direcție, de la temperatura mai mare la cea mai mică.

Înainte și după