Топлообмен
Топлообмен, във физиката, процес, при който енергията се обменя под формата на топлина между различни тела или между различни части на едно и също тяло, които са с различни температури. Топлопренасянето чрез конвекция, излъчване или проводимост. Въпреки че тези три процеса могат да протичат едновременно, може да се случи един от механизмите да преобладава над другите два. Например топлината се предава през стената на къща предимно чрез проводимост, водата в тенджера на газова горелка се загрява до голяма степен чрез конвекция, а Земята получава топлина от Слънцето почти изключително чрез радиация.
Топлината може да се предава по три начина: чрез проводимост, чрез конвекция и чрез излъчване. Провеждането е пренос на топлина през твърд предмет: именно това кара дръжката на покера да се нагрява, въпреки че само върхът е в огъня. Конвекцията пренася топлината чрез обмен на топли и студени молекули: причината е, че водата в чайника се загрява равномерно, въпреки че само долната му част е в контакт с пламъка. Радиацията е пренос на топлина чрез електромагнитно излъчване (обикновено инфрачервено): тя е основният механизъм, чрез който огънят отоплява помещението.
При твърдите вещества единствената форма на пренос на топлина е проводимостта. Ако единият край на метален прът се нагрее по такъв начин, че да повиши температурата му, топлината се предава към по-студения край чрез проводимост. Точният механизъм на топлопроводимост в твърдите вещества не е напълно изяснен, но се смята, че се дължи отчасти на движението на свободните електрони, които носят енергия, когато има разлика в температурата. Тази теория обяснява защо добрите електрически проводници също са склонни да бъдат добри проводници на топлина. През 1822 г. френският математик Жозеф Фурие дава точен математически израз, който днес е известен като закон на Фурие за топлопроводимост. Този закон гласи, че скоростта на топлопроводимост през тяло за единица напречно сечение е пропорционална на температурния градиент, който съществува в тялото (с променен знак).
Коефициентът на пропорционалност се нарича топлопроводимост на материала. Материали като злато, сребро или мед имат висока топлопроводимост и провеждат добре топлината, докато материали като стъкло или азбест имат проводимост стотици и дори хиляди пъти по-ниска; те провеждат топлината много лошо и са известни като изолатори. В инженерството е необходимо да се знае скоростта на топлопроводимост през твърдо вещество, при което има известна температурна разлика. Откриването изисква много сложни математически техники, особено ако процесът варира във времето; в този случай говорим за преходна топлопроводимост. С помощта на аналогови и цифрови компютри тези проблеми вече могат да бъдат решени дори за тела със сложна геометрия.
Ако има температурна разлика в рамките на течност или газ, движението на течността почти сигурно ще се случи. Това движение прехвърля топлината от една част на течността в друга чрез процес, наречен конвекция. Движението на течността може да бъде естествено или принудително. Ако течността или газът се нагряват, нейната плътност (маса на единица обем) обикновено намалява. Ако течността или газът са в гравитационното поле, по-топлият и по-малко плътен флуид се издига, докато по-студеният и по-плътен флуид се спуска надолу. Този тип движение, дължащо се изключително на неравномерността на температурата на течността, се нарича естествена конвекция. Принудителната конвекция се постига чрез подлагане на течността на градиент на налягането, като по този начин се принуждава нейното движение в съответствие със законите на механиката на течностите.