Теплопередача, у фізиці - процес, при якому енергія обмінюється у вигляді тепла між різними тілами або між різними частинами одного тіла, які знаходяться при різних температурах. Передача тепла через конвекцію, випромінювання або провідність. Хоча ці три процеси можуть відбуватися одночасно, може трапитися так, що один із механізмів переважає над двома іншими. Наприклад, тепло передається через стіну будинку переважно за допомогою провідності, вода в каструлі на газовому пальнику в основному нагрівається конвекцією, а Земля отримує тепло від Сонця майже виключно випромінюванням.
Тепло може передаватися трьома способами: за допомогою провідності, конвекції та випромінювання. Провідність - це передача тепла через твердий предмет: саме вона викликає нагрівання ручки кочерга, хоча у вогні лише кінчик. Конвекція передає тепло завдяки обміну гарячих і холодних молекул: це причина, що вода в чайнику нагрівається рівномірно, навіть якщо лише її нижня частина контактує з полум’ям. Випромінювання - це передача тепла електромагнітним випромінюванням (зазвичай інфрачервоним): це основний механізм, за допомогою якого вогонь нагріває приміщення.
У твердих речовинах єдиною формою теплообміну є провідність. Якщо один кінець металевого стрижня нагріти таким чином, щоб підвищити його температуру, тепло передається на більш холодний кінець за допомогою провідності. Точний механізм теплопровідності у твердих речовинах до кінця не вивчений, але, як вважають, він частково зумовлений рухом вільних електронів, які несуть енергію, коли є різниця в температурі. Ця теорія пояснює, чому хороші електричні провідники також, як правило, є хорошими провідниками тепла. У 1822 році французький математик Жозеф Фур'є дав точний математичний вираз, який сьогодні відомий як закон провідності тепла Фур'є. Цей закон стверджує, що швидкість теплопровідності через тіло на одиницю перерізу пропорційна градієнту температури, який існує в тілі (зі зміненим знаком).
Коефіцієнт пропорційності називається теплопровідністю матеріалу. Такі матеріали, як золото, срібло або мідь, мають високу теплопровідність і добре проводять тепло, тоді як матеріали, такі як скло або азбест, мають провідність у сотні і навіть у тисячі разів нижчу; вони дуже погано проводять тепло і відомі як ізолятори. В техніці необхідно знати швидкість теплопровідності через тверде тіло, в якому є відома різниця температур. Для з’ясування цього потрібні дуже складні математичні прийоми, особливо якщо процес змінюється з часом; в цьому випадку ми говоримо про перехідну теплопровідність. За допомогою аналогових та цифрових комп’ютерів ці проблеми тепер можна вирішити навіть для тіл складної геометрії.
Якщо в рідині чи газі є різниця температур, майже напевно відбуватиметься рух рідини. Цей рух передає тепло від однієї частини рідини до іншої за допомогою процесу, який називається конвекцією. Рух рідини може бути природним або вимушеним. Якщо рідина або газ нагріваються, її щільність (маса на одиницю об’єму) зазвичай зменшується. Якщо рідина або газ перебувають у полі гравітації, тепліша і менш щільна рідина піднімається, тоді як більш холодна і щільна рідина опускається вниз. Цей тип руху, обумовлений виключно нерівномірністю температури рідини, називається природною конвекцією. Примусова конвекція досягається піддаванням рідини градієнту тиску, примушуючи тим самим її рух відповідно до законів механіки рідини.
Припустимо, наприклад, що ми знизу нагріваємо каструлю, повну води. Найближча до дна рідина нагрівається теплом, яке передається провідністю через піддон. У міру розширення його щільність зменшується, і в результаті гаряча вода піднімається, і частина холоднішої рідини опускається на дно, що ініціює циркуляційний рух. Охолоджуюча рідина перегрівається за допомогою провідності, тоді як тепліша рідина втрачає частину тепла через випромінювання і передає її в повітря вище. Подібним чином, у вертикальній газонаповненій камері, такій як повітряна камера між двома стеклами склопакета, повітря поруч із зовнішньою панеллю - холодніше? опускається, тоді як повітря близько до внутрішньої панелі «тепліше» піднімається, виробляючи циркуляційний рух.
Опалення приміщення радіатором залежить не стільки від випромінювання, скільки від природних конвекційних струмів, які змушують гаряче повітря підніматися до стелі, а прохолодне повітря з решти приміщення надходить до радіатора. Оскільки гаряче повітря має тенденцію підніматися, а холодне - опускатися, радіатори слід розміщувати біля землі (а кондиціонери біля стелі) для максимальної ефективності. Так само природна конвекція відповідає за підйом гарячої води і пари в котлах з природною конвекцією, а також за тягу димоходів. Конвекція також визначає рух великих повітряних мас на земній поверхні, дію вітрів, утворення хмар, океанічних течій і передачу тепла від внутрішньої частини Сонця до його поверхні.
Внесок усіх довжин хвиль у випромінювану енергію, що випромінюється, називається потужністю випромінювання тіла і відповідає кількості енергії, що випромінюється на одиницю площі тіла та в одиницю часу. Як видно із закону Планка, потужність випромінювання поверхні пропорційна четвертій потужності її абсолютної температури. Коефіцієнт пропорційності називається константою Стефана-Больцмана на честь двох австрійських фізиків, Йозефа Стефана та Людвіга Больцмана, які у 1879 та 1884 роках, відповідно, виявили цю пропорційність між потужністю випромінювання та температурою. Відповідно до закону Планка всі речовини випромінюють променисту енергію лише тому, що мають температуру вище абсолютного нуля. Чим вище температура, тим більша кількість виділеної енергії. Окрім випромінювання випромінювання, всі речовини здатні його поглинати. Отже, хоча кубик льоду безперервно випромінює променисту енергію, він плавиться, якщо його освітлювати лампою розжарювання, оскільки він поглинає більшу кількість тепла, ніж випромінює.
Непрозорі поверхні можуть поглинати або відбивати падаюче випромінювання. Як правило, матові та шорсткі поверхні поглинають більше тепла, ніж блискучі та поліровані поверхні, а блискучі поверхні відображають більше променистої енергії, ніж матові поверхні. Крім того, речовини, які поглинають багато радіації, також є хорошими випромінювачами; ті, які відбивають багато випромінювання і поглинають мало, є поганими випромінювачами. З цієї причини кухонне начиння зазвичай має матове дно для хорошого поглинання та поліровані стіни для мінімальних викидів, тим самим максимізуючи загальну передачу тепла до вмісту каструлі.
На додаток до процесів теплообміну, які підвищують або знижують температури уражених тіл, теплообмін може також спричинити фазові зміни, такі як танення льоду або окропу. В техніці процеси теплообміну часто розроблені для того, щоб скористатися цими явищами. Наприклад, космічні капсули, які повертаються в атмосферу Землі з дуже високою швидкістю, оснащені тепловим екраном, який регульовано плавиться в процесі, який називається абляцією, щоб запобігти перегріванню внутрішньої частини капсули. Велика частина тепла, яке утворюється тертям з атмосферою, використовується для розплавлення теплового екрану, а не для підвищення температури капсули.