Чем объясняется плохая теплопроводность
Теплопроводность
В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.
Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.
Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.
Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.
Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.
Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.
Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.
Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.
ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?
Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.
§ 4. Теплопроводность
В предыдущем параграфе мы выяснили, что при опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Передача внутренней энергии от одной части гвоздя к другой при нагревании
Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твёрдыми телами, жидкостью и газом.
Внесём в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесём к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Нагревание стеклянной палочки в горячей воде, свидетельствующее о плохой теплопроводности стекла
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Рассмотрим передачу тепла от одной части твёрдого тела к другой на следующем опыте.
Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться (рис. 5). Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.
Рис. 5. Передача тепла от одной части твёрдого тела к другой
Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и т. д.
Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.
Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмём пробирку с водой и станем нагревать её верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 6). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов.
Рис. 6. Теплопроводность жидкости
Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твёрдых телах.
Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 7). Палец при этом долго не почувствует тепла.
Рис. 7. Теплопроводность газа
Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа ещё больше, чем у жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, теплопроводность у газов ещё меньше.
Итак, теплопроводность у различных веществ различна.
Опыт, изображённый на рисунке 8, показывает, что теплопроводность у различных металлов неодинакова.
Рис. 8. Теплопроводность разных металлов
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобождённое от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки изготавливают из пластмассы. Дома строят из брёвен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняющих помещения от охлаждения.
Вопросы
Упражнение 3
Задание
Возьмите чашку с горячей водой и одновременно опустите в воду металлическую и деревянную ложки. Какая из ложек быстрее нагреется? Каким способом осуществляется теплообмен между водой и ложками? Как изменяется внутренняя энергия воды и ложек?
Теплопередача. Теплопроводность металлов
Урок 3. Физика 8 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Теплопередача. Теплопроводность металлов»
Всем известно, что теплота может «путешествовать» с одного места на другое. Однако нам пока что неизвестно, каким же образом это происходит? Одинаково ли протекают теплообменные процессы в твёрдых телах, жидкостях и газах? И какова природа передачи теплоты? Чтобы ответить на эти вопросы, проведём эксперимент.
Возьмём железный гвоздь и стеклянную палочку и будем нагревать их концы в пламени спиртовки.
Через некоторое время мы почувствуем тепло. К пальцам, которые держат железный гвоздь, оно дойдёт гораздо быстрее, и вскоре мы не сможем удержать гвоздь, поскольку его температура значительно повысится. Стеклянную же палочку мы ещё долго сможем держать, хотя со временем и её температура повысится до такой степени, что будет печь пальцы.
В рассмотренном нами эксперименте происходит перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым. Вы сами можете привести множество примеров такого переноса теплоты.
Такая передача энергии происходит в результате столкновения частиц. Она передаётся как бы по цепочке, последовательно слой за слоем, и со временем температура всех частей тела выравнивается.
Проведём ещё один опыт. К металлическому стержню, закрепленному в штативе, с помощью воска или пластилина прикрепим несколько кнопок. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки.
Через некоторое время мы увидим, что кнопки начнут отпадать от стержня: сначала отпадёт та кнопка, которая находится ближе к пламени, а затем поочерёдно все остальные.
Поскольку кнопки отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно.
Почему это происходит? Попробуем разобраться, используя знания, полученные нами на предыдущих уроках.
Мы знаем, что в твёрдом теле (например, в металле) частицы взаимодействуют между собой, потенциальная энергия их велика, и они могут совершать колебательные движения около определенных положений. Модель структуры твердого тела (металла) можно представить в виде кристаллической решётки.
Модель кристаллической решётки
Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню.
Это можно уподобить передаче энергии колебательного движения от одного человека к другому в цепочке стоящих рядом, взявшихся за руки людей. Если один человек будет смещаться, то в одну, то в другую сторону, то он вызовет смещение по очереди и всех остальных.
Обращаем внимание на то, что перемещение вещества от одного тела к другому или от одной части тела к другой, не происходит, но при этом передаётся энергия.
Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.
Так как взаимодействие молекул и тепловое движение у разных веществ неодинаковы, то и теплопроводность веществ разная.
Чтобы в этом убедиться, проделаем следующий опыт. Возьмём сосуд с горячей водой и стержни одинакового размера из различных материалов, например, из серебра, латуни, стали, стекла и дерева. Верхние концы стержней погрузим в сосуд так, чтобы они прогревались водой. А к свободным нижним концам этих стержней прикрепим воском или пластилином кнопки.
Через некоторое время мы заметим, что первым отпадает кнопка от серебряного стержня. Значит серебро — это очень хороший проводник тепла. Затем отпадает гвоздик от стержня из латуни, а потом и от стального.
Ждать же, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, приходится очень долго. Значит, дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность.
Так теплопроводность дерева примерно в три тысячи раз меньше теплопроводности серебра. Убедиться в этом можно на опыте. Деревянную или стеклянную палочку можно безопасно держать рукой, в то время как другой ее конец, находящийся в пламени спиртовки, уже горит или плавится.
Становится понятным, почему деревянные дома лучше сохраняют тепло, чем кирпичные, почему ручки паяльников, кастрюль и сковородок делают из пластмассы или дерева.
Материалы, которые очень плохо проводят тепло, называют теплоизоляторами.
Теперь зададимся вопросом, а могут ли проводить теплоту газы? Что бы на него ответить, проделаем такой опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Можно заметить, что нагревание воздуха идёт, но очень медленно, что подтверждается незначительным повышением показания термометра.
Приведём ещё несколько примеров. И так, все вы знаете, что фен выдувает горячий воздух за счёт электрической энергии, которую он потребляет из сети.
Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить.
Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счёт небольшого слоя воздуха между ними.
Двойные стёкла в оконной раме
Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом. Поэтому, например, сильно разреженные газы практически не проводят теплоту. Это их свойство применяют, в частности, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре.
Такими образом, теплопроводность газов очень малая, особенно по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел. Так, например, теплопроводность обычного воздуха, которым мы с вами дышим, почти в 10 000 раз меньше, чем теплопроводность меди.
А теперь давайте выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Так как взаимодействие молекул у жидкостей значительное, то перенос энергии молекулами у них лучше, чем у газов, но хуже, чем у твёрдых тел. Чтобы в этом убедиться, проведём такой опыт. Возьмём пробирку с водой, на дно которой поместим кусочек льда. Чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему какой-либо металлический предмет. Будем нагревать верхнюю часть пробирки в спиртовке.
Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, но лёд на дне при этом не растает. Это говорит о том, что теплопроводность воды малая, хотя и больше чем у воздуха. Следует помнить, что металлы, находящиеся в жидком состоянии (это, например, медь, олово и так далее) обладают хорошей теплопроводностью.
Таким образом, теплопроводность жидкости действительно занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
И так, из всех рассмотренных нами примеров мы можем сделать вывод о том, что теплопроводность — это свойство тел, и у каждого тела она разная. Например, шерсть, перья и волосы имеют плохую теплопроводность. Это объясняется тем, что между их волокнами содержатся частички воздуха.
Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду из которой едят, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью.
Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии молекул или других частиц, которых в вакууме попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе.
Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения. Но нём мы поговорим с вами в следующий раз.
Теплопроводность
Урок 4. Физика 8 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Теплопроводность»
На предыдущем уроке, мы узнали, что существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Сегодня мы поговорим о теплопроводности. Вспомним опыты из предыдущего урока: тела нагревались и охлаждались друг от друга, находясь в непосредственном контакте. Например, летом около фонтана всегда прохладнее, потому что вода холоднее воздуха. Это и называется теплопроводностью — передача внутренней энергии от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Тело обладает плохой или хорошей теплопроводностью в зависимости от того, насколько быстро через это тело проходит тепло. Например, если поджечь деревянную палку с одного конца, то можно легко держать её за другой, не рискуя обжечься. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью. Также, если мы положим кирпич одним концом в огонь, то температура на разных концах будет сильно отличаться и чтобы нагреться потребуется достаточно длительное время. Поэтому кирпич тоже имеет плохую теплопроводность.
Если поставить на плиту кастрюлю, то она очень скоро нагреется, потому что она металлическая. Значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.
Следует помнить, что процесс нагревания происходит постепенно. Когда мы хотим закипятить воду, мы наливаем её в кастрюлю, а кастрюлю ставим на плиту. Сначала нагревается дно кастрюли, т.к. оно непосредственно контактирует с плитой. Частицы дна кастрюли получают дополнительную энергию. Эти частицы, в свою очередь, начинают взаимодействовать с соседними частицами, также передавая им дополнительную энергию. Так происходит, пока все тело не нагреется. Здесь мы плавно переходим к теплопроводности жидкостей. Как мы знаем из бытового опыта, несмотря на то, что кастрюля нагревается почти сразу, нужно немного подождать, пока вода закипит. Из этого можно сделать вывод, что у жидкостей не очень хорошая теплопроводность (за исключением жидких металлов, конечно). Этого можно было ожидать, т.к. теплопроводность происходит из-за взаимодействия частиц, а частицы в жидкостях находятся на большем расстоянии, чем в твердых телах. Логично предположить, что у газов теплопроводность ещё хуже, потому что в них молекулы расположены ещё дальше друг от друга. Сделаем несколько наблюдений.
Фен выдувает горячий воздух за счет электрической энергии, которую он потребляет из сети.
Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить. Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счет небольшого слоя воздуха между ними. Значит, воздух обладает плохой теплопроводностью.
Итак, из этих примеров можно сделать вывод, что теплопроводность — это свойство тела и у каждого тела она разная. Шерсть, перья, волосы имеют плохую теплопроводность, что вполне логично, т.к. их основной функцией является защита от холода. Теперь, мы понимаем, что защитой от холода является препятствование передачи внутренней энергии тела окружающей среде. Плохая теплопроводность этих веществ объясняется тем, что их волокна содержат частички воздуха, как и волокна дерева.
Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (т.е. свободное пространство). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии частиц, которых попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе (мы не можем утверждать, что в космосе абсолютный вакуум, но открытый космос — это почти полностью освобожденное пространство). Возникает вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством излучения, о котором мы поговорим чуть позже.
Мы сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Теперь мы знаем, что если надо предохранить тело от охлаждения или нагревания, то к нему нужно применить материал с плохой теплопроводностью. И наоборот, если требуется нагреть или остудить тело, то используются материалы с хорошей теплопроводностью. Наглядный пример — это сковорода, которая сделана из металла, чтобы на ней можно было готовить.
Однако, ручка сковороды сделана из пластмассы, чтобы она не нагревалась.
Теперь мы можем объяснить, почему одежда нас «греет». На самом деле, она не греет, а сохраняет тепло. Зимние куртки наполняют материалом с плохой теплопроводностью. Таким образом, тепло нашего тела меньше передаётся окружающему нас холодному воздуху. Одежда предохраняет нас от непосредственного контакта с окружающей средой, а это играет решающую роль в теплопроводности. В результате, человек теряет гораздо меньше тепла.