Интуитивное объяснение, почему скорость передачи энергии зависит от разницы в энергии между двумя материалами?

Я думаю, будет полезно подумать о кинетике составляющих частиц. Когда объект находится при более высокой температуре, кинетическая энергия его составляющих выше. Они более подвижны по сравнению с теми, у которых более низкая температура.

Теперь, если объект с более высокой температурой находится в контакте с объектом с более низкой температурой, на границе раздела будет происходить передача кинетической энергии. Энергия будет передаваться в обоих направлениях, за исключением того, что чистая передача будет от высшего к низшему. Это связано с тем, что существует больше способов передачи энергии от высшего к низшему. Но по мере того, как разница температур уменьшается, скорость передачи от высокого к низкому и от низкого к высокому приближается. Пока они не достигнут равновесия, при котором передача энергии с обеих сторон теперь одинакова. Таким образом, в среднем больше не будет полезной теплопередачи.

Вы знаете, что температура связана с микроскопической кинетической энергией атомов и молекул, составляющих материал. Для простоты предположим, что два материала состоят из одноатомных идеальных газов, один из которых имеет более высокую температуру, чем другой. Тогда температура двух газов является мерой средней кинетической энергии атомов газа, которая, в свою очередь, зависит от скорости атомов.

Если два газа соприкасаются друг с другом, на границе раздела атомы с более высокой скоростью более высокотемпературного газа с более низкоскоростными атомами низкотемпературного газа будут передавать кинетическую энергию атомам с более низкой скоростью. Эти атомы, в свою очередь, будут двигаться в объеме газа и сталкиваться с другими атомами, увеличивая свою скорость. В конце концов, когда достигается тепловое равновесие, два газа достигают некоторой общей промежуточной температуры.

Насколько быстро повышается температура газа с более низкой температурой, будет зависеть от того, насколько быстро атомы на границе раздела перемещаются в объем газа и сталкиваются с другими атомами, увеличивая общую кинетическую энергию. При прочих равных условиях это проникновение будет тем быстрее, чем выше скорость атомов после столкновения с более энергичными атомами более высокотемпературного газа на границе раздела. Эта скорость будет тем больше, чем выше скорость высокотемпературных атомов газа, которая, в свою очередь, увеличивается с температурой газа.

Итог: чем больше разница температур, тем быстрее энергия передается внутрь материала с более низкой температурой и тем быстрее повышается его температура. Для более подробного обсуждения температуры я предлагаю вам заглянуть на веб-сайт Гиперфизики.

Надеюсь это поможет.

Температура — это (немного упрощая) средняя энергия молекул, и чем больше энергии имеет каждая молекула, тем больше она может передать при контакте с молекулами другого объекта. Таким образом, каждый объект отдает тепло другому пропорционально температуре. Чистая теплопередача — это разница между тем, сколько энергии горячий объект отдает холодному, и тем, сколько холодный объект отдает горячему, что пропорционально разнице температур .

Представьте себе двух друзей, которые каждый день отдают друг другу 10% своих денег. Поскольку 10 % денег более богатого друга будут в абсолютном выражении большей суммой, чем 10 % денег более бедного друга, чистое изменение денег более бедного друга будет положительным и будет пропорционально разнице в их деньгах. Если R — это деньги более богатого друга, а P — деньги более бедного, то более бедный друг потеряет 0,1P, но получит 0,1R, а общее изменение составит 0,1R-0,1P. Мы можем вычесть 0,1 и получить 0,1 (RP).

Это относится к проводимости. Для излучения теплопередача пропорциональна четвертой степени температуры, поэтому чистая передача определяется разницей в четвертой степени их температур.

Интуитивно можно представить себе жару как каток пьяных роликовых конькобежцев в идеально эластичных костюмах сумоистов . Они катаются в случайных направлениях, с одной оговоркой, что они всегда катаются по прямой, пока не наткнутся на что-нибудь, после чего они отскакивают, как бильярдные шары. У фигуристов случайное распределение скоростей, но средняя скорость — это «температура» материала.

Если у вас есть группа А с неторопливой «температурой» 5 миль в час (чуть выше скорости ходьбы), которая соприкасается с группой В, чья «температура» составляет 6 миль в час, поначалу будет трудно даже определить разницу температур с только визуальный осмотр групп. В конце концов, все они движутся с одинаковой скоростью с самого начала. Однако сумоисты с более высокой скоростью из группы B в конечном итоге начнут отскакивать от фигуристов из группы A, передавая часть своей более высокой энергии. Но поскольку дельта мала, для того, чтобы средние скорости сильно изменились, потребуется много времени.

Теперь представьте себе группу C с температурой 20 миль в час. Эти фигуристы накачаны метамфетамином и катаются изо всех сил. Когда они столкнутся с группой А, они быстро доставят большой заряд энергии вялым фигуристам. За гораздо меньшее время дополнительная энергия от группы C будет распределяться между более медленными членами группы A, повышая их среднюю скорость. Что еще более важно, каждое столкновение между быстрым фигуристом и медленным приводит к гораздо большему среднему изменению их скоростей, и эта молекулярная передача импульса определяет «тепловой поток».