Przewodnictwo to zdolność ciała lub materiału do przenoszenia ciepła. W ten sposób przemieszcza się przez stały obiekt lub od jednego obiektu do drugiego, ponieważ oba są ze sobą w kontakcie. To jedyny sposób, aby ciepło przechodziło przez całe ciało. Powstaje pytanie: „Jak powietrze i inne materiały przewodzą ciepło?” Dowiedz się w artykule!
Przewodność cieplna
Zdolność do przenoszenia ciepła w obiekcie nazywana jest przewodnością cieplną. Ta właściwość jest oznaczona literą k i jest mierzona w W / (m × K). Wartości przewodnictwa cieplnego różnią się dla różnych materiałów. Tak więc złoto, srebro i miedź mają wysoką przewodność cieplną. Nawiasem mówiąc, te materiały są również dobrymi przewodnikami elektryczności. Jak powietrze przewodzi ciepło? Odpowiedź jest krótka: to kiepski dyrygent. Wysoka przewodność złota, srebra i miedzi wynika z faktu, że elektrony odpowiedzialne za przenoszenie ładunku biorą również udział w przenoszeniu energii cieplnej.
Ale materiały takie jak szkło i wełna mineralna mają niską przewodność cieplną. Wyjaśnia to fakt, że mają bardzo mało „wolnych” elektronów do przenoszenia energii cieplnej wewnątrz ciała stałego. Materiały tego typu nazywane są izolatorami. Szybkość wymiany ciepła (czyli szybkość ruchu energii cieplnej) zależy bezpośrednio od przewodności cieplnej, różnicy temperatur oraz powierzchni styku i materiału, który posiada ciało. Z tego samego powodu nie można powiedzieć, że powietrze dobrze przewodzi ciepło.
Jeśli materiał jest dobrym przewodnikiem ciepła, to szybko przechodzi przez ciało. Metale są szeroko stosowane do celów wymiany ciepła, ponieważ mają właściwości, które umożliwiają cyrkulację ciepła, jednocześnie wytrzymując ekstremalne temperatury związane z ogrzewaniem.
To elektrony są odpowiedzialne za przenoszenie energii cieplnej oraz ładunku elektrycznego. Dlatego metale są dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności! Tutaj znajduje się odpowiedź na pytanie: „Dlaczego powietrze jest słabym przewodnikiem ciepła?”
Jednak nie myl przewodności elektrycznej (która jest związana z ładunkiem elektronów), gdy masz na myśli przewodnictwo cieplne (która jest związana z transferem energii elektronów).
Dowodzimy doświadczeniem
Spróbuj trzymać jeden koniec metalowego pręta nad płomieniem - po kilku minutach się nagrzeje.
Teraz trzymaj koniec drewnianego kija w płomieniu, a koniec będzie tak gorący, że w końcu się zapali. Jednak koniec kija, za którytrzymaj się, bądź stosunkowo chłodny.
Ciepło nie rozprzestrzenia się po całym ciele ze względu na swój skład: jego struktura utrudnia elektronom przenoszenie ciepła przez materiał.
Tak więc codzienne doświadczenie pokazuje, że drewno nie jest dobrym przewodnikiem ciepła. Jeśli kiedykolwiek widziałeś kawałek drewna pod mikroskopem, prawdopodobnie zauważyłeś strukturę drewna: składa się z pojedynczych komórek, które działają jak izolatory, ponieważ nie są ze sobą połączone. Komórki są rozrzucone jak kamienie w strumieniu. Ciepło wędruje przez taki materiał znacznie wolniej niż w metalach, gdzie atomy są połączone razem w trójwymiarową „siatkę”.
Powietrze jest słabym przewodnikiem ciepła. Doświadczenie życia codziennego pokazuje: pamiętaj o konstrukcji okien. Zawsze składają się z co najmniej dwóch szklanek, pomiędzy którymi znajduje się „poduszka powietrzna”. Ta warstwa pomaga utrzymać ciepło w pomieszczeniu bez jego wypuszczania.
Tak więc, jeśli energia cieplna zostanie przyłożona bezpośrednio do jednej części ciała stałego, elektrony w obiekcie zostaną wzbudzone. Powoduje to drgania sieci atomowej, które przechodzą przez obiekt, podnosząc temperaturę w miarę przechodzenia. Im bliżej połączeń w bryle, tym szybszy transfer ciepła.
Płyny są słabymi przewodnikami ciepła
Jeśli umieścisz kostkę lodu na dnie probówki z wodą (trzeba użyć do tego ciężarka, w przeciwnym razie będzie unosić się na powierzchni, więcjak lód ma mniejszą gęstość niż woda), a następnie podgrzej wodę na górze rurki, przekonasz się, że woda zagotuje się na górze rurki, a kostka lodu pozostanie zamrożona.
Wynika to z faktu, że woda jest słabym przewodnikiem ciepła. Większość ciepła będzie przemieszczać się w strumieniu konwekcyjnym wewnątrz wody na górze rurki, tylko niewielka jego część opadnie na kostkę lodu.
Jak powietrze przewodzi ciepło?
Powietrze to zbiór gazów. Chociaż doskonale nadaje się do konwekcji, ilość ciepła, które może przenosić, jest minimalna, ponieważ niewielka masa materii nie może magazynować dużo ciepła - dlatego nie jest uważana za dobry przewodnik. Izolacyjne właściwości powietrza są wykorzystywane przez człowieka w życiu codziennym. Służą więc do izolacji chłodnic w ścianach budynku. Nawet praca termosu opiera się na tym, że powietrze nie przewodzi dobrze ciepła. Jest naprawdę wiele przykładów!
Więc co powoduje to zjawisko? Ponieważ powietrze nie jest gęste, dostępna jest pewna ilość masy, która może przenosić energię cieplną przez przewodzenie. Dlatego jest słabym przewodnikiem, ale doskonałym izolatorem. Niemniej jednak odpowiedź na pytanie: „Czy powietrze przewodzi ciepło?” - nie tak jednoznaczne. Rozważ więc następujące zjawiska.
Promieniowanie to przenoszenie energii przez fale lub wzbudzone cząstki. Powietrze tworzy szczelinę termiczną, która nie pozwala na pokonanie jej przez energię cieplną. Ciepło musi być wypromieniowane z powierzchni docząstek powietrza, należy je wypromieniować z powietrza na przeciwległą powierzchnię. Ciepło przemieszcza się bardzo powoli między trzema materiałami, a większość przekazywanej energii cieplnej jest pochłaniana w powietrzu.
Konwekcja to ruch ciepła przez ciecz lub gaz w wyniku zmniejszenia gęstości w wyniku pochłaniania ciepła. W tym przypadku właściwości powietrza stają się niezwykle przydatne. Porusza się również w górę, przenosząc ciepło z izolowanego pojemnika lub przestrzeni. Dlatego konwekcja służy do odprowadzania ciepła i może być wykorzystywana do chłodzenia powierzchni. Dystrybucja ciepła poprzez konwekcję w powietrzu jest nieco nieefektywna, jednak jest wykorzystywana do wielu celów chłodniczych. Tak, powietrze jest słabym przewodnikiem ciepła.
Przykłady izolacji
Izolacja jest używana do wielu celów. Niektóre z nich obejmują chłodzenie napojów i żywności, tworzenie szczelin powietrznych w ścianach i wprowadzanie kieszeni powietrznych do przyborów kuchennych. Cechy przewodzenia ciepła przez powietrze dotyczą nawet pianki izolacyjnej.
Wniosek
Przewodnictwo to przechodzenie ciepła przez ciało stałe. Różni się od zjawiska konwekcji tym, że w procesie nie zachodzi żaden ruch materii. Teraz wiemy, czy powietrze dobrze przewodzi ciepło i dlaczego.
