Теплопроводность в природе физика



Теплопроводность

Способы передачи тепла

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.

Теплопроводность

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.

Источник

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ

Тепловые явления – явления, связанные с изменением температуры тел.

Тепловое движение – хаотическое движение частиц, из которых состоят тела.

Интенсивность теплового движения очень высока. Например, при комнатной температуре средняя скорость молекул – несколько сотен метров в секунду (скорость пули).

Температура – физическая величина, определяющая направление теплопередачи: при теплопередаче внутренняя энергия всегда переходит от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Тела с одинаковой температурой находятся в состоянии теплового равновесия.

Температуру измеряют с помощью термометров. Часто используют жидкостные термометры, действие которых основано на том, что жидкость при нагревании расширяется. Измеряют температуру в градусах.

В шкале Цельсия за 0° принята температура плавления льда. Градусы Цельсия обозначают °С.

В шкале Фаренгейта за 0° принята температура плавления льда, а за 100° температура кипения воды при атмосферном давлении. Градусы Фаренгейта обозначают °F.

В шкале Кельвина за 0° принята температура абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела). Градусы Кельвина обозначают K.

БИЛЕТ №2

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ОБЪЯСНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ УЧЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНОМ СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА.

Энергия характеризует способность тела или системы взаимодействующих тел совершить работу.
Частицы, из которых состоят тела, движутся и взаимодействуют друг с другом. Поэтому они обладают и кинетической, и потенциальной энергией.
Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц, из которых состоит тело. U – внутренняя энергия
Внутренняя энергия тела изменяется при его нагревании или охлаждении, изменении агрегатного состояния и при химических реакциях.

Кинетическая энергия движущихся молекул Потенциальная энергия взаимодействия молекул

Внутренняя энергия зависит от

t тела агрегатного состояния тела m тела
m1 < m2
U1 < U2

Способы изменения внутренней энергии

Совершение работы Теплопередача
трение, деформация передача тепла от более нагретого
тела к менее нагретому без совершения
работы

Е – энергия (Дж)
Еп = mgh (А — работа)
Ек =
U = Еп + Ек

БИЛЕТ №3

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ.

Теплопроводность – вид теплопередачи, обусловленный передачей энергии от одного тела к другому в результате теплового движения и взаимодействия молекул.
Передача энергии посредством теплопередачи может происходить и между частями одного тела.
При теплопроводности происходит передача энергии, но не происходит переноса вещества.
Теплопроводностью называют также способность вещества проводить тепло. Высокой теплопроводностью обладают все металлы. Намного хуже проводят тепло: вода, кирпич и стекло. Вакуум тепло не проводит.
Особенно мала теплопроводность газов. Дело в том, что в газах молекулы находятся далеко друг от друга, а теплопроводность обусловлена взаимодействием молекул между собой.

1. Птицы зимой сидят нахохлившись. Перья задерживают воздух, а он обладает плохой теплопроводностью.

2. Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуда из металла – он лучше проводит тепло и еда быстрее нагревается.

3. Пористые вещества (пенопласт, ткани, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью.

Источник

Виды теплопередачи

В своей работе по теме «Виды теплопередачи» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: внутреннюю энергию тел можно изменять путем теплопередачи. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Опыт № 1. Теплопроводность

На примере этого опыта я хотел показать действие теплопроводности наглядно. При нормальных условиях тепло должно передаваться равномерно вследствие колебательных движений частиц.

К металлической линейке с помощью воска я прикрепил несколько кнопок. Закрепив линейку в штативе, я начал нагревать один конец линейки с помощью спиртовки. Линейка начала постепенно нагреваться, это можно доказать тем, что воск начал таять постепенно и кнопки поочерёдно начали отпадать.

Вывод из опыта № 1

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 в следующей части линейки. При теплопроводности не происходит переноса самого вещества. Теплопроводность металла хорошая, у жидкостей невелика, у газов еще меньше.

Применения теплопроводности

  • Теплопроводность используется при плавлении металлов.
  • В электронике используют настолько плотное расположение плат, что теплоноситель проникает туда с трудом. Поэтому приходится тепло от электронных чипов отводить теплопроводностью.
  • Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. В кухонной посуде ручки чайников и кастрюль обычно делают деревянными или пластмассовыми в связи с тем, что у дерева и пластмассы плохая теплопроводность.
  • Поверхность утюга, которой гладят металлическая, чтобы хорошо прогревалась, а вся остальная часть утюга пластмассовая, чтобы не обжечься.
  • Плохую теплопроводность газов в основном используют, как теплоизоляцию, чтобы предохранять помещения от замерзания.
  • Плохая теплопроводность газов используется в окнах. Между двумя стёклами в окне находится воздух, поэтому воздух долгое время сохраняет тепло.
  • Термос работает по такому же принципу, что и окно. Между внутренними стенками и внешними находится воздух, и тепло очень медленно уходит.
  • Теплопроводность газов используется во многих строительных материалах, например, в кирпичах. В кирпиче находятся отверстия не просто так, а для сохранения тепла. Стены состоят из двух слоёв, между которыми находится воздух, это сделано для сохранения тепла.
  • Дома в зонах вечной мерзлоты строят на сваях.
  • Тонкой полиэтиленовой плёнкой можно защищать растения от холода, потому что полиэтилен – плохой проводник тепла.
  • Материалы, не пропускающие тепло, используются при космических полётах, чтобы пилоты не замерзали.
  • Горячие предметы лучше брать сухой тряпкой, нежели мокрой, потому что воздух хуже проводит тепло, чем вода.
Читайте также:  Как я отношусь к людям которые не берегут природу

Теплопроводность в природе

У многих не перелётных птиц температура лапок и тела может различаться до 30 °С. Это связано с тем, что им приходится ходить по холодной земле или по снегу, чтобы не замёрзнуть, низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу.

Образование ветра это тоже теплопроводность. Зарождаются ветра обычно около водоёмов. Днём суша нагревается быстрее чем вода, то есть над водой воздух более холодный, следовательно, его давление выше, чем у воздуха, который над сушей, и ветер начинает дуть в сторону суши. Ночью же суша остывает быстрее, чем над водой, и воздух над ней становится холоднее, чем тот, что над водой и ветер дует в сторону воды.

Мех животных обладает плохой теплопроводностью, что защищает их от перегрева и замерзания.

Снег, будучи плохим проводником тепла, предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Внешняя температура тела у человека держится постоянной благодаря теплопроводности и её свойству, согласно которому, при взаимодействии микрочастиц они передают друг другу тепло.

Интересные факты о теплопроводности

Самую большую теплопроводность имеет алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше чем у меди. Если алмазную ложечку опустить в горячий чай, то вы сразу обожжётесь из-за того, что тепло дошло до конца ложки.

Теплопроводность стекла настолько мала, что вы можете взять стеклянную палочку, раскаленную посередине, за концы, и при этом даже не почувствовать тепла.

Итальянские учёные изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Лето в ней не буде жарко, а зимой – холодно. Это связано с тем, что она сшита из специального материала, не пропускающего тепло.

Опыт № 2. Излучение

В этом опыте я хотел показать способ передачи тепла без взаимодействия двух тел. Тепло должно передаваться приёмнику, а тот в свою очередь пускать его через трубку в жидкостный манометр. Вследствие нагрева воздуха в колене соединённом с жидкостным манометром, жидкость должна опуститься.

Я соединил колено жидкостного манометра с теплоприемником. Зажёг спиртовку и поднёс к ней теплоприёмник светлой стороной, но на определённое расстояние. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, немного уменьшилась. Выровняв количество жидкости в манометре, я снова поднёс теплоприемник к источнику тепла, но уже тёмной стороной. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, уменьшилась, но значительно сильнее и быстрее. Воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился, стал давить на жидкость в колене манометра.

Вывод из опыта № 2

Энергия передавалась не теплопроводностью. Между нагретым телом и теплоприемником находился воздух – плохой проводник тепла. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.

Передача тепла излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться даже в полном вакууме.

Важным и отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если поместить тело в теплоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии. Часть тепла полученного излучением поглощается, а часть отражается.

Применения излучения

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолетов красят в серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем.

Лучевой нагрев помещения специальными инфракрасными радиаторами. Такой нагрев более эффективный, чем нагрев конвекцией, так как лучи свободно проходят сквозь воздух.

Излучение используют на космических аппаратах. Так как там нет воздуха, не получится по-другому передать тепло.

Если находиться рядом с лампой накаливания можно почувствовать тепло исходящее от неё.

Солнечные батареи работают по принципу излучения. Солнце испускает мощные тепловые лучи. Солнечные батареи принимают тепловые лучи и перерабатывают их в энергию. Такие батареи хорошие приёмники для солнечных лучей, потому что их поверхность тёмного цвета, и они хорошо нагреваются. Такие батареи используются на космических станциях и спутниках.

От компьютеров и мобильных телефонов тоже исходит тепловые лучи.

Приборы ночного видения. Такие приборы сделаны из материалов способных превращать тепловые излучения в видимые. Такие приборы используются для съёмки в абсолютной темноте. Они способны улавливать различные участки, температура которых различается на сотые доли градуса.

Интересные факты

Чем более тёмное тело, тем лучше оно поглощает тепло. Зеркальные поверхности отражают тепло полученное излучением. Абсолютно черное тело – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Когда объект нагревается до высокой температуры, он начинает светиться красным цветом. В процессе дальнейшего нагревания объекта, цвет его излучения меняется, проходя через оранжевый, желтый, и дальше по спектру, чем горячее — тем меньше длина волны излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Змеи отлично воспринимают тепловое излучение, но не глазами, а кожей. Поэтому и в полной темноте они способны обнаружить теплокровную жертву. Гремучие змеи и сибирские щитомордники реагируют на изменения температуры до тысячной доли градуса.

80 процентов тепла тела излучается головой человека.

Если бы не свойства излучения, то земля бы замёрзла. Так как земля постоянно излучает тепловые лучи в бесконечное пространство.

Глаза таракана чувствуют колебания температуры в сотую долю градуса.
На каждый квадратный метр земной поверхности попадает около 1 кВт тепловой энергии Солнца, что достаточно, чтобы вскипятить чайник за считанные минуты.

Опыт № 3. Конвекция

Рассмотрю явление передачи тепла с помощью конвекции. Этим опытом я хочу показать, как действует конвекция. Если опыт пройдёт успешно, то тепло должно передаваться снизу вверх.

Я налил холодную воду в колбу и добавил туда марганцовокислого калия для того, чтобы видно было процесс нагрева. Зажег спиртовку и начал подогревать колбу. Видно, как струи подкрашенной воды поднимаются вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается.

Вывод из опыта № 3

При конвекции энергия переносится самими струями жидкости или газа. При конвекции происходит перенос вещества в пространстве. Для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу. Конвекция в твердых телах происходить не может.

Конвекция бывает двух видов: естественная – нагревание жидкости или газа и его самостоятельное движение; принудительная – смешивание жидкостей или газов с помощью насосов или вентиляторов.

Применение конвекции

Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. Далее тепло от дна кастрюли поступает в воду и распространяется по всему объему воды путем конвекции.

Конвекция используется в конвекционных печах или микроволновках. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон.

В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным.

Батареи отопления в жилых помещениях располагаются снизу, а не сверху, потому что тёплый воздух поднимается вверх и помещение прогревается везде одинаково, если бы батареи располагались у потолка, то помещение бы не нагревалось вовсе.

Батареи располагаются именно под окнами, потому что горячий воздух поднимается и распространяется по комнате, а сам уступает место холодному воздуху, поступающему из окна.

Конвекция используется в двигателях внутреннего сгорания. Если воздух не будет поступать в камеру сгорания, то горение прекратится. Из-за горения воздух там расширяется, давление уменьшается и холодный воздух поступает внутрь. К двигателю внутреннего сгорания обязательно должен поступать воздух.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло препятствует движению тёплого воздуха вверх, то есть осуществлению конвекции. Таким образом, теплица является ловушкой энергии.

Вентилятор фена прогоняет воздух через трубу с тонкой длинной нагревательной спиралью. Спираль нагревается проходящим по ней электрическим током. Далее происходит передача тепла от разогретой спирали окружающему её воздуху. Здесь используется явление принудительной вентиляции воздуха и явление теплопередачи.

Конвекция в природе

Конвекция участвует в образовании ветра. Если бы работала только теплопроводность, то ветров бы почти не было, но благодаря конвекции теплый воздух поднимается над сушей и уступая холодному воздуху.

Читайте также:  Природа красота это лес река

Благодаря конвекции появляются облака и тучи. Так как вода испаряется, конвекция подгоняет пар высоко вверх, и там образуются облака под воздействием холодного воздуха и низкого давления.

Конвекция участвует в возникновении волн. Волны появляются благодаря ветру, а ветер в свою очередь благодаря конвекции и теплопередачи, следовательно, без конвекции волн не могло бы быть.

Стекло начинает замерзать снизу раньше, чем сверху. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и опускается вниз и тем самым замораживает поверхность стекла.

Листья осины дрожат даже в безветренную погоду. У листьев осины длинные, тонкие и сплющенные черенки, имеющие очень малую изгибную жесткость, поэтому листья осины чувствительны к любым, незначительным потокам воздуха. Даже в безветренную погоду, особенно в жару, над землей имеются вертикальные конвекционные потоки. Они и заставляют дрожать осину.

Интересные факты

В сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Выводы из проделанных опытов

Если изменение внутренней энергии происходит путем теплопередачи, то переход энергии от одних тел к другим осуществляется теплопроводностью, конвекцией или излучением. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.

Источник

Что такое теплопроводность в физике?

Явление теплопроводности заключается в передаче энергии в виде тепла при непосредственном контакте двух тел без какого-либо обмена материей или с ее обменом. При этом энергия переходит из одного тела или области тела, имеющего более высокую температуру, в тело или область с более низкой температурой. Физической характеристикой, которая определяет параметры передачи тепла, является теплопроводность. Что такое теплопроводность, и как ее описывают в физике? На эти вопросы ответит данная статья.

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Если отвечать простыми словами на вопрос о том, что такое теплопроводность в физике, то следует сказать, что передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело (молекулы, атомы, электроны и ионы). Сама внутренняя энергия состоит из двух важных частей: из кинетической и из потенциальной энергии.

Различная теплопроводность плитки и травы

Что такое теплопроводность в физике с точки зрения природы этой величины? На микроскопическом уровне способность материалов проводить тепло зависит от их микроструктуры. Например, для жидкостей и газов указанный физический процесс происходит за счет хаотичных столкновений между молекулами, в твердых телах основная доля переносимого тепла приходится на обмен энергией между свободными электронами (в металлических системах) или фононами (неметаллические вещества), которые представляют собой механические колебания кристаллической решетки.

Математическое представление теплопроводности

Ответим на вопрос о том, что такое теплопроводность, с математической точки зрения. Если взять однородное тело, тогда количество тепла, переданного через него в данном направлении, будет пропорционально площади поверхности, перпендикулярной направлению теплопередачи, теплопроводности самого материала и разнице температур на концах тела, а также будет обратно пропорционально толщине тела.

В итоге получается формула: Q/t = kA(T2-T1)/x, здесь Q/t — теплота (энергия), переданная через тело за время t, k — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлено рассматриваемое тело, A — площадь поперечного сечения тела, T2-T1 — разница температур на концах тела, причем T2>T1, x — толщина тела, через которую передается тепло Q.

Способы передачи тепловой энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое теплопроводность материалов, следует упомянуть о возможных способах передачи тепла. Тепловая энергия может передаваться между различными телами с помощью следующих процессов:

  • проводимость — этот процесс идет без переноса материи;
  • конвекция — перенос тепла непосредственно связан и с движением самой материи;
  • излучение — передача тепла осуществляется за счет электромагнитного излучения, то есть с помощью фотонов.

Проводимость, конвекция и излучение

Чтобы тепло было передано с помощью процессов проводимости или конвекции, необходим непосредственный контакт между различными телами с тем отличием, что в процессе проводимости не существует макроскопического движения материи, а в процессе конвекции это движение присутствует. Отметим, что микроскопическое движение имеет место во всех процессах теплопередачи.

Для обычных температур в несколько десятков градусов Цельсия можно сказать, что на долю конвекции и проводимости приходится основная часть передаваемого тепла, а количество энергии, переданной в процессе излучения, является незначительным. Однако излучение начинает играть главную роль в процессе теплопередачи при температурах в несколько сотен и тысяч Кельвин, поскольку количество энергии Q, передаваемой этим способом, растет пропорционально 4-й степени абсолютной температуры, то есть ∼ T 4 . Например, наше солнце теряет большую часть энергии именно за счет излучения.

Теплопроводность твердых тел

Так как в твердых телах каждая молекула или атом находятся в определенном положении и не могут его покинуть, то передача тепла с помощью конвекции оказывается невозможной, и единственным возможным процессом является проводимость. При увеличении температуры тела кинетическая энергия составляющих его частиц увеличивается, и каждая молекула или атом начинают интенсивнее колебаться. Этот процесс приводит к их столкновению с соседними молекулами или атомами, в результате таких столкновений передается кинетическая энергия от частицы к частице до тех пор, пока все частицы тела не будут охвачены этим процессом.

Теплопроводность металлов

В результате описанного микроскопического механизма при нагреве одного конца металлического стержня температура через некоторое время выравнивается по всему стержню.

Тепло не передается одинаково в различных твердых материалах. Так, существуют материалы, которые обладают хорошей теплопроводностью. Они легко и быстро проводят тепло через себя. Но также существуют плохие теплопроводники или изоляторы, через которые тепло практически не проходит.

Коэффициент теплопроводности для твердых тел

Коэффициент термической проводимости для твердых тел k имеет следующий физический смыл: он указывает на количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности в каком-либо теле единичной толщины и бесконечной длины и ширины при разнице температур на его концах, равной одному градусу. В международной системе единиц СИ коэффициент k измеряется в Дж/(с*м*К).

Тепло от горячей кружки

Данный коэффициент в твердых веществах зависит от температуры, поэтому его принято определять при температуре 300 K с целью сравнения способности проводить тепло различными материалами.

Коэффициент теплопроводности для металлов и неметаллических твердых материалов

Все металлы без исключения являются хорошими проводниками тепла, за перенос которого в них отвечает электронный газ. В свою очередь ионные и ковалентные материалы, а также материалы, имеющие волокнистую структуру, являются хорошими теплоизоляторами, то есть плохо проводят тепло. Для полноты раскрытия вопроса о том, что такое теплопроводность, следует заметить, что этот процесс требует обязательного наличия вещества, если он осуществляется за счет конвекции или проводимости, поэтому в вакууме тепло может передаваться только за счет электромагнитного излучения.

В списке ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых металлов и неметаллов в Дж/(с*м*К):

  • сталь — 47-58 в зависимости от марки стали;
  • алюминий — 209,3;
  • бронза — 116-186;
  • цинк — 106-140 в зависимости от чистоты;
  • медь — 372,1-385,2;
  • латунь — 81-116;
  • золото — 308,2;
  • серебро — 406,1-418,7;
  • каучук — 0,04-0,30;
  • стекловолокно — 0,03-0,07;
  • кирпич — 0,80;
  • дерево — 0,13;
  • стекло — 0,6-1,0.

Полиуритановый теплоизолятор

Таким образом, теплопроводность металлов на 2-3 порядка превышает значения теплопроводности для изоляторов, которые являются ярким примером ответа на вопрос о том, что такое низкая теплопроводность.

Значение теплопроводности играет важную роль во многих индустриальных процессах. В одних процессах стремятся увеличить ее, используя хорошие теплопроводники и увеличивая площадь контакта, в других же стараются уменьшить теплопроводность, уменьшая площадь контакта и применяя теплоизолирующие материалы.

Конвекция в жидкостях и газах

Передача тепла в текучих средах осуществляется за счет процесса конвекции. Этот процесс предполагает перемещение молекул вещества между зонами с различной температурой, то есть при конвекции происходит перемешивание жидкости или газа. Когда текучая материя отдает тепло, ее молекулы теряют часть кинетической энергии, и материя становится более плотной. Наоборот, когда текучая материя нагревается, ее молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, их движение становится более интенсивным, соответственно, объем материи увеличивается, а плотность уменьшается. Именно поэтому холодные слои материи стремятся опуститься вниз под действием силы тяжести, а горячие слои пытаются подняться вверх. Этот процесс приводит к перемешиванию материи, способствуя передачи тепла между ее слоями.

Коэффициент теплопроводности некоторых жидкостей

Если отвечать на вопрос о том, что такое теплопроводность воды, то следует понимать, что она обусловлена конвекционным процессом. Коэффициент теплопроводности для нее равен 0,58 Дж/(с*м*К).

Конвекционные процессы

Для других жидкостей эта величина приведена в списке ниже:

  • этиловый спирт — 0,17;
  • ацетон — 0,16;
  • глицерол — 0,28.

То есть значения теплопроводности для жидкостей сравнимы с таковыми для твердых теплоизоляторов.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики.

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Читайте также:  Природа с рекой и горами

Водяные облака

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

Источник

Виды теплопередачи в физике

Теплопередача представляет собой один из важнейших физических процессов, состоящий из нескольких простых превращений. Во время него теплота переносится от одного объекта к другому или внутри тела при наличии разности температур. Тепловая энергия присутствует в следующих средах:

  • газы;
  • жидкости;
  • твёрдые тела.

Передача тепла — это самопроизвольный процесс, проходящий в свободном пространстве. Энергия распространяется от объектов, которые имеют высокую температуру, к телам с меньшим показателем. Исследования, проведённые учёными, говорят, что теплопередача слишком сложна для рассмотрения её в виде одного процесса. В связи с этим физическое явление было разделено на три следующие вида:

  • теплопроводность;
  • конвекция;
  • излучение.

Характеристика теплопроводности

Теплопроводность — это передача энергии от объекта к объекту или от одной части некоего физического тела к другой посредством теплового движения молекул и атомов. Необходимо отметить, что при этом явлении вещество не перемещается, передаётся лишь внутренняя энергия. Наблюдать теплопроводность позволяет следующий опыт:

  1. К стержню из металла на воск прикреплено несколько гвоздей.
  2. Один конец стержня прочно фиксируют в штативе, а другой начинают нагревать.
  3. Спустя некоторое время гвозди по очереди отпадают.

Это происходит из-за плавления воска, которое вызывает повышение температуры металла. Тот факт, что гвозди отпали не одновременно, свидетельствует о постепенном нагревании стержня. Следовательно, внутренняя энергия тела по мере своего увеличения передавалась от горячего конца к холодному.

Передача тепла имеет ещё одно объяснение, базирующееся на внутреннем строении вещества. Частицы нагреваемого конца стержня из-за внешнего воздействия увеличивают свою энергию. В результате их колебание становится более интенсивным, из-за чего часть полученного потенциала молекулы передают соседним частицам, которые тоже начинают колебаться быстрее. Процесс передачи энергии постепенно охватывает весь стержень. Результатом её увеличения становится повышение температуры объекта.

Теплопроводность различных веществ отличается, даже существуют специальные таблицы, содержащие информацию об этом качестве физических тел. К примеру, если на дно пробирки с водой опустить кусок льда, а её верхний конец нагреть, то вскоре вода, находящаяся рядом с источником огня, закипит, хотя лёд сохранит своё состояние. Из этого следует, что у воды плохая теплопроводность. Этим качеством отличаются все жидкости.

Газообразные вещества имеет ещё более низкую теплопроводность. Доказать утверждение можно опытным путём:

  1. В штативе закрепляют пробирку, в которой находится воздух.
  2. Под ней ставят зажженную спиртовку.

Если в пробирку опустить палец, то тепло ощущаться не будет. Эксперимент позволяет сделать вывод, что воздух, как и прочие газы, плохо передаёт внутреннюю энергию.

Наилучшими проводниками теплоты считаются металлические тела, а к наихудшим относятся сильно разреженные газы. Причиной этого является их молекулярное строение. Частицы газообразных веществ расположены на больших расстояниях друг от друга, а потому сталкиваются редко, из-за чего передача теплоты происходит значительно медленнее, чем в твёрдых телах. Жидкости по уровню теплопроводности находятся между газами и твёрдыми объектами.

Описание конвекции

Конвекция является ещё одним способом передачи теплоты. Её сущность заключается в переносе внутренней энергии слоями жидких или газообразных веществ.

Поскольку конвекция происходит только при перемещении веществ, осуществляться такой процесс может лишь в жидкостях и газах. Известно, что физические тела в этих двух состояниях плохо проводят тепло, но благодаря концекции их всё же можно нагреть. Эффективное применение этого процесса можно наблюдать в холодное время года, когда в помещениях, оборудованных батареями парового отопления, воздух согревается. Этот тип теплопередачи можно наблюдать при проведении простого опыта:

  1. На дно наполненной водой колбы аккуратно опускают кристалл марганцовокислого калия.
  2. Ёмкость нагревают в том месте, где лежит соль марганцовой кислоты.
  3. Через некоторое время со дна начинают подниматься окрашенные струи воды.
  4. Поднявшись в верхние слои, струи опускаются.

Нижний слой жидкости при нагреве расширяется, что приводит к увеличению её объёма и уменьшению плотности. Под воздействием архимедовой силы нагретая часть вещества перемещается выше. На освободившееся место опускается холодная жидкость, которая по мере нагревания поднимается. В этом случае внутренняя энергия передаётся движущимися вверх потоками воды.

Подобным образом происходит передача теплоты и в газах. Так, если бумажную вертушку размещают над источником тепла, то она начинает вращаться. Лопасти объекта приходят в движение потому, что наименее плотные слои нагретого воздуха поднимаются из-за воздействия на них выталкивающей силы, в то же время холодные слои опускаются, занимая место тёплых. Это передвижение воздуха заставляет вертушку вращаться.

Определение излучения

Последним видом теплопередачи является излучение. Его можно почувствовать, поднеся руку к включенной электрической лампочке, батарее отопления, спирали нагретой электроплиты, горячему утюгу и т. д. Опытным путём выявить излучение можно следующим образом:

  1. Металлический теплоприёмник, имеющий блестящие и чёрные поверхности, закрепляют в штативе.
  2. К нему присоединяют манометр.
  3. В сосуд, одна сторона которого окрашена в белый цвет, а другая — в чёрный, наливают кипяток.
  4. Ёмкость с водой поворачивают к чёрной поверхности теплоприёмника сначала белой, а затем чёрной стороной.
  5. В обоих случаях уровень воды в колене манометра понижается.
  6. Но следует обратить внимание, что когда к теплоприёмнику обращена чёрная сторона сосуда, жидкости в колене меньше.

Изменение уровня воды в манометре объясняется тем, что воздух, находящийся в теплоприёмнике, начинает расширяться. Но расширение газа возможно только при нагревании, значит, вещество получило от ёмкости с кипятком энергию. Известно, что у воздуха плохая теплопроводность, а конвекции в этой ситуации нет, поскольку сосуд расположен на одном уровне с теплоприёмником, следовательно, ёмкость излучает тепловую энергию.

Кроме того, опыт свидетельствует, что от тёмной стороны сосуда исходит больший потенциал, чем от белой. Это подтверждает разный уровень жидкости в манометре.

Чёрная поверхность не только отдаёт большое количество энергии, но и принимает её больше. Экспериментальным доказательством этого утверждения может служить включенная электрическая плита, к которой сначала подносят светлую сторону теплоприёмника с присоединённым к нему манометром, а затем тёмную. Во втором случае уровень жидкости в измерительном приборе будет ниже, чем в первом.

Приведённые опыты подтверждают тот факт, что чёрные тела поглощают и испускают энергию значительно лучше, чем белые. А светлые, в свою очередь, плохо излучают и поглощают её, но хорошо отражают. Именно поэтому в летнее время люди предпочитают светлую одежду, а дома, расположенные в тёплых странах, часто красят в белый цвет.

В природе основным примером теплопередачи в виде излучения можно считать энергию, передаваемую Земле Солнцем. Так как пространство между звездой и планетой заполнено космическим вакуумом, то энергетический потенциал не может быть передан ни посредством конвекции, ни путём теплопроводности. Это значит, что такой вид теплопередачи не зависит от какой-либо среды, излучение обладает способностью свободно проходить даже через вакуум.

Закон охлаждения Ньютона и коэффициенты

Чаще всего жидкости и газы нагреваются или охлаждаются, соприкасаясь с поверхностью различных твердых объектов. Такой процесс обмена теплом называют теплоотдачей, а поверхность, переносящая тепло, получила наименование «поверхность теплообмена» или «теплоотдающая».

Рассчитать скорость теплоотдачи можно с помощью эмпирического уравнения теплоотдачи, основанного на законе охлаждения Ньютона. Если процесс установился, то уравнение выглядит следующим образом: Q = α*F*(tж — tст)*τ, где:

  • Q — поток тепла;
  • α — коэффициент теплоотдачи, показывающий, сколько теплоты получает или отдаёт теплоноситель 1 м² в некий отрезок времени, если температурная разница между составляющими равна 1 °C (эта величина даёт характеристику скорости передвижения тепла в теплоносителе, она зависит от режима перемещения, физических свойств теплоносителя, геометрии каналов, состояния поверхности, отдающей энергию);
  • F — теплоотдающая поверхность;
  • tж — температура вещества;
  • tст — температура стенки;
  • τ — время.

При рассмотрении процесса теплопередачи в твёрдой стенке обязательным условием является разница между температурами поверхностей. Она образует тепловой поток, который направлен от плоскости с наиболее высокой температурой к поверхности с меньшим подобным показателем. Если процесс установился, то закон Фурье принимает вид: Q = λ*F*(t’ст — t»ст)/δ, где:

  • Q — тепловой поток;
  • λ — коэффициент теплопроводности, показывающий, сколько тепла проходит за временную единицу через некий отрезок теплоотдающей поверхности, если температура опускается на 1 °C на единицу длины нормали по отношению к изотермической поверхности (это физическая характеристика, которая определяет способность вещества к теплопроводности, зависящая от его природы, структуры и иных показателей);
  • F — поверхность стенки;
  • t’ст — t»ст — температурная разница между поверхностями стенки;
  • δ — толщина стенки.

Зачастую для решения задач по физике необходимо сделать расчёт теплопередачи по формулам, подходящим для различных видов процесса. Такая разница объясняется разными физическими характеристиками веществ, а также особенностями методов передачи теплоты.

Источник