Согласно 2-му закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры. Закономерности переноса теплоты и количественные характеристики этого процесса является предметом исследования теории теплообмена, которая рассматривает процессы переноса теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.
Известно 3 способа переноса теплоты: теплопроводностью, конвекцией, излучением.
При переносе теплоты различают также два основных случая: распространение тепла в самом теле и теплообмен между телами.
Если нагревать твердое тело с одного конца, атомы этого тела в месте нагрева начинают колебаться более энергично; свою энергию, которая увеличилась за счет нагрева, они передают соседним атомам; так осуществляется распространение теплоты в теле, которое называется теплопроводностью. Этот способ распространения тепла возможен и в жидкостях-капельных и упругих (газах), если нагреть их сверху. При таком нагреве энергия будет распространяться вследствие увеличения колебательного движения атомов и молекул жидкости. Движение же отдельных ручьев жидкости (конечных масс жидкости) будет происходить.
Если же жидкость нагревать снизу, ее плотность в месте нагрева вследствие повышения температуры станет уменьшаться, и нагретые ручьи жидкости будут подниматься вверх, а на их место начнут поступать сверху более холодные ручьи. Так возникает движение теплых и холодных ручьев, при котором происходит их перемешивание, а, следовательно, и перенос теплоты. Это движение жидкости и распространение тепла происходит при этом, называется конвекцией. Как видно, распространение тепла конвекцией может происходить только в редких телах (капельных и упругих), или газах, так как в твердых телах отсутствует движение ручьев тела. При распространении тепла конвекцией происходит также и передача энергии от молекулы к молекуле (теплопроводность), но она незначительна по сравнению с передачей теплоты конвекцией и обычно отдельно не учитывается.
Перемешивания отдельных холодных и нагретых ручьев, то есть распространение тепла конвекцией, происходит и в том случае, если движение жидкости создается в результате действия какой-либо побудительной силы (насос, вентилятор, мешалка).
Таким образом, перенос теплоты внутри самого тела происходит за счет теплопроводности и конвекции. Причем теплопроводность происходит в твердых, жидких и газообразных телах, а конвекция только в жидких и газообразных телах.
Теплообмен между телами может осуществляться следующими способами. Если у поверхности твердого тела протекает какая-нибудь жидкость или газ с температурой, отличающейся от температуры этой поверхности, между поверхностью твердого тела и этой средой будет происходить теплообмен. Этот способ теплообмена между телами называется теплообменом столкновением. При этом у самой поверхности стенки теплота передается за счет теплопроводности, в жидкости она распространяется в основном в результате перемешивания ручьев с разными температурами, то есть за счет конвекции, поэтому способ переноса тепла между жидкостью и твердым телом часто называют также конвективным теплообменом.
Однако для переноса тепла от одного тела к другому не обязательно их столкновения. Из курса физики известно, что все тела в природе являются источниками лучистой энергии. Она возникает на поверхности тела за счет его внутренней тепловой энергии в результате сложных внутриатомных процессов. Тепловые лучи возникают на поверхности тела, распространяющихся в пространстве, достигают другого тела, и снова превращаются в тепловую энергию, и усваивается этим телом, увеличивая его внутреннюю энергию. Этот теплообмен, происходящий в результате двукратного преобразования энергии, называется теплообменом радиацией или теплообменом излучением.
Перенос теплоты от одной жидкости (тело, греет) к другой (тело нагревается) в так называемых теплообменных аппаратах чаще всего осуществляется через разделяющую их стенку. Другой случай, который часто рассматривается, - перенос теплоты от воздуха внутри помещения к наружному воздуху через разделяющую их стенку (из кирпича или другого какого-либо материала). Перенос теплоты от одной жидкости к другой через стенку называют теплопередачей, а перенос тепла между жидкостью и поверхностью стенки (не учитывая зависимость от направления) - теплоотдачей.
Довольно часто перенос теплоты осуществляется одновременно разными способами - этот случай называется сложным теплообменом. Например, конвективная теплоотдача от газа к стенке практически всегда сопровождается параллельным переносом теплоты излучением.