Lämmön siirtyminen

Liekkiin työnnetty metalliesine kuumenee, koska lämpö johtuu metallia pitkin. Liekki säteilee lämpöä joka suuntaan ja lämmittää ympäröivää ilmaa. Lämpenevä ilma alkaa kohota, ja tämä ilmavirtaus kuljettaa lämpöenergiaa mukanaan.

Johtuminen edellyttää kiinteää ainetta. Tähtitaivaan kohteissa johtumisella on merkitystä vain planeettojen ja tähtien kehityksen lopulla syntyvien hyvin tiheiden kohteiden lämpötaloudessa. Muissa kohteissa lämpö siirtyy joko säteilynä tai konvektiolla.

Konvektio on kaikkein tehokkain tapa siirtää lämpöä. Konvektio käynnistyy, kun lämpötilaerot tulevat hyvin suuriksi, tai jos aine on säteilylle läpinäkymätöntä. Tähtien kaasu on sitä läpinäkyvämpää, mitä korkeampi on sen lämpötila. Viileä aine läpäisee säteilyä huonosti, joten jo pienempi lämpötilaero saa aikaan konvektiota.

Ikkunalasi estää lämmön karkaamisen konvektiolla (tai advektiolla, jos asiaa kysyy meteorologilta). Lämpösäteily ei pääse suoraan lasin lävitse, vaan absorboituu lasiin ja lämmittää sitä. Tämän lämpöenergian lasi säteilee sitten takaisin lämpösäteilynä, mutta osa säteilystä suuntautuu lasin toiselle puolelle. Lasi myös johtaa jonkin verran lämpöä, joten yksinkertainen lasi ei ole kovin hyvä eriste. Ilma puolestaan johtaa huonosti lämpöä, mutta sallii säteilyn ja kuljetuksen. Kun lasin ja ilman vaikutukset yhdistetään, saadaan ikkuna, joka pysäyttää lämmön siirtymisen niin johtumalla, säteilemällä kuin kuljetuksellakin. Kaksinkertainen ikkuna, jossa lasien välissä on suljettu ilmatila, on siten paljon parempi eriste kuin pelkkä kaksi kertaa paksumpi lasi.

Jos lasien välinen tila voitaisiin tyhjentää ilmasta, saataisiin hyvin tehokas eriste, sillä tyhjiössä lämpö voi siirtyä vain säteilynä. Tätä käytetään hyväksi termospullossa, jossa on kaksi sisäkkäistä pulloa ja tyhjiö niiden välissä. Lasin kiiltävä aluminointi heijastaa säteilyä ja estää siten lämmön siirtymisen säteilynä.

Energian siirto on sitä nopeampaa mitä suurempi on lämpötilaero. Kuuma kahvi jäähtyy ensin nopeasti, mutta sitten jäähtyminen hidastuu kahvin ja ilman välisen lämpötilaeron pienentyessä. Säteilyä esiintyy aina, mutta se ei ole kovin tehokas tapa energian siirtämiseen. Kun lämpötilaero kasvaa riittävän suureksi, säteily ei yksin riitä, vaan energiaa alkaa siirtyä myös konvektion avulla.

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö sanoo, että lämpöenergia siirtyy aina lämpimästä aineesta kylmempää kohti. Saattaa tuntua, että öinen maanpinta tai pakastimesta otettu jäätelöpakkaus suorastaan säteilee kylmyyttä. Tunne johtuu kuitenkin siitä, että nämä kylmät kohteet absorboivat tehokkaasti lämpöä ja siten jäähdyttävät myös ympäristöään lämpöeron pyrkiessä tasoittumaan; ei ole mitään "kylmyyttä", jota kappaleet voisivat säteillä.