Теплообмен всегда длится некоторое время, в течение которого температуры тел постепенно выравниваются, пока не наступит термодинамическое равновесие (см. § 6-б). Но возникает вопрос: постоянна ли скорость передачи теплоты между телами или, как говорят в физике, мощность теплообмена?

Рассмотрим опыт. Температура в комнате 20 °С. Нальём в стакан горячей воды и опустим в неё термометр. Будем измерять температуру каждую минуту, отражая её на графике:

В начале опыта разница между температурой воды и окружающей среды была велика, а затем она уменьшалась. Важно: за каждую следующую минуту температура воды падала меньше, чем за предыдущую. Поэтому сделаем вывод: чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем больше его мощность, то есть за единицу времени передаётся больше теплоты, и наоборот. Эту закономерность подметил английский учёный И.Ньютон ещё в конце XVII века.

Обратим внимание: линия графика не опускается ниже 20 °С. То есть вода остывает, но не становится холоднее температуры окружающей среды. Этот и многие другие опыты позволили сформулировать второй закон термодинамики: теплообмен всегда протекает лишь в таком направлении, что теплота самостоятельно переходит только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Так устроен окружающий нас мир: невозможно наблюдать явление, когда теплота будет самостоятельно переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Иначе говоря, тепловые явления характеризуются однонаправленностью передачи тепловой энергии.

1. Продолжительность теплообмена – до тех пор, ...
2. Что мы понимаем под мощностью теплообмена?
3. Для подготовки к описанному опыту мы ...
4. В процессе проведения этого опыта мы ...
5. Непостоянство наклона линии графика указывает, что ...
6. Какова закономерность, подмеченная Ньютоном?
7. Горячая вода, постепенно остывая, тем не менее ...
8. Как звучит второй закон термодинамики?
9. Весь опыт развития теории тепловых явлений показывает: ...
10. Второй закон термодинамики, по сути, указывает, что ...

Особенности теплообмена способом излучения. В современной науке считается, что любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, испускает излучение, мощность которого возрастает при повышении температуры тела. То есть излучение испускают все окружающие нас тела: маленькие и большие, светящиеся и тёмные, горячие и холодные.

Рассмотрим мысленный эксперимент. Пусть рядом находятся два тела с различной температурой. Они оба излучают энергию в окружающее пространство, часть из которой достигает второго тела. То есть существуют потоки энергии как от более горячего тела к более холодному, так и в обратном направлении. Но, поскольку мощности «прямого» и «обратного» излучений различны, более горячее тело получит меньше энергии, чем отдаст, поэтому станет остывать; более холодное тело, напротив, отдаст меньше энергии, чем получит, поэтому начнёт нагреваться. В результате теплообмен излучением будет подчиняться второму закону термодинамики, что мы и наблюдаем.

В заключение проделаем опыт с прибором «куб Лесли». Это металлический ящик, одна грань которого выкрашена чёрной краской, вторая – белой, третья – серой краской, а четвёртая отполирована до зеркального блеска. Внутрь наливают кипяток. Поднося ладонь на равное расстояние к различным граням, несложно заметить, что чёрная грань сильно излучает тепло, а остальные грани – слабее.

Ещё в XIX веке немецкий физик Г. Кирхгоф установил закон, из которого следует, что тела, более интенсивно излучающие энергию, также более интенсивно будут её поглощать. Это можно подтвердить опытом с тем же «кубом Лесли». Выльем воду, оставив стенки куба изнутри влажными, а затем поставим вокруг четыре одинаковых зажжённых свечи на равных расстояниях от граней. Наблюдая за скоростью высыхания внутренних стенок, мы заметим, что сначала высохнет та стенка, которая снаружи чёрная; остальные стенки высохнут заметно позже.

11. Какое утверждение мы приводим без доказательства?
12. Из этого научного положения следует, что ...
13. В нашем мысленном эксперименте оба тела ...
14. Частным случаем этого явится то, что ...
15. Из-за различия мощностей излучений этих тел ...
16. Физический прибор «куб Лесли» представляет собой ...
17. Какое наблюдение мы делаем в опыте с кубом Лесли?
18. Сформулируйте следствие закона Кирхгофа.
19. Чем это следствие можно подтвердить?
20. Опишите предложенный проверочный эксперимент.