أي الجسم لديه أعلى موصلية حرارية؟ السادس. الواجب المنزلي. ثالثا. تعلم مواد جديدة

رسم بياني يوضح انتقال الطاقة الحرارية من خلال التوصيل. الحرارة هي شكل مثير من أشكال الطاقة. فهو لا يبقينا على قيد الحياة فحسب ، ويجعلنا مرتاحين ، ويساعدنا في إعداد طعامنا ، ولكن فهم خصائصه هو المفتاح للعديد من مجالات البحث العلمي. على سبيل المثال ، معرفة كيفية نقل الحرارة ومدى قدرة المواد المختلفة على تبادل الطاقة الحرارية يقود كل شيء من سخانات المباني إلى فهم التغيرات الموسمية لإرسال السفن إلى الفضاء.

لا يمكن نقل الحرارة إلا بثلاث طرق: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. من بين هؤلاء ، ربما يكون التوصيل هو الأكثر شيوعًا ويحدث بانتظام في الطبيعة. باختصار ، إنه انتقال من خلال الاتصال الجسدي. يحدث هذا عندما تضغط بيدك على زجاج النافذة ، وعندما تضع قدرًا من الماء على عنصر نشط ، وعندما تضع الحديد على النار.

يحدث هذا النقل على المستوى الجزيئي - من جسم إلى آخر - متى طاقة حراريةيمتصه السطح ويؤدي إلى تحرك جزيئات السطح بشكل أسرع. في هذه العملية ، يصطدمون بجيرانهم وينقلون الطاقة إليهم ، وهي عملية تستمر طالما يتم إضافة الحرارة.

رابعا. توحيد المعرفة المكتسبة في أمثلة المهام

تعتمد عملية التوصيل الحراري على أربعة عوامل رئيسية: المقطع العرضي للمشاركين ، وأطوال مسارهم ، وخصائص هذه المواد. التدرج درجة الحرارة الكمية المادية، الذي يصف في أي اتجاه وبأي معدل تتغير درجة الحرارة في مكان معين. تتدفق درجة الحرارة دائمًا من الأكثر سخونة إلى أبرد مصدر ، نظرًا لحقيقة أن البرودة ليست سوى غياب الطاقة الحرارية. يستمر هذا الانتقال بين الأجسام حتى يتحلل اختلاف درجة الحرارة وتحدث حالة تعرف باسم التوازن الحراري.

ومن العوامل المهمة أيضًا المقطع العرضي وطول المسير. كلما زاد حجم المادة المرتبطة بالنقل ، زادت الحرارة اللازمة لتسخينها. بالإضافة إلى ذلك ، كلما زادت مساحة السطح المعرضة للهواء المفتوح ، زاد احتمال تعرضها. لذا فإن الأجسام الأقصر ذات المقاطع العرضية الأصغر هي أفضل علاجتقليل الخسارة.

يحدث التوصيل الحراري من خلال أي مادة ممثلة هنا بقضيب مستطيل. يعتمد معدل حدوث النقل جزئيًا على سمك المادة. وأخيرا وليس آخرا، الخصائص الفيزيائيةالمواد. في الأساس ، عندما يتعلق الأمر بالحرارة الموصلة ، لا تتساوى جميع المواد. تعتبر المعادن والحجر موصلات جيدة لأنها يمكن أن تنقل الحرارة بسرعة ، في حين أن المواد مثل الخشب والورق والهواء والقماش تعتبر موصلات رديئة للحرارة.

يتم تقييم هذه الخصائص الموصلة بناءً على "عامل" يتم قياسه بالنسبة إلى الفضة. في هذا الصدد ، فإن الفضة لها عامل 100 ، بينما يتم تصنيف المواد الأخرى في المرتبة الأدنى. وتشمل هذه النحاس والحديد والماء والخشب. في الطرف المقابل من الطيف ، يوجد فراغ مثالي ، غير قادر على توصيل الحرارة ، وبالتالي يتم تقييمه إلى الصفر.

المواد التي هي موصلات سيئة للحرارة تسمى العوازل. الهواء ، الذي له معامل التوصيل 0.006 ، هو عازل استثنائي لأنه يمكن احتواؤه في مكان مغلق. لهذا السبب تستخدم العوازل الاصطناعية حجرات هوائية ، مثل النوافذ ذات الزجاج المزدوج التي تُستخدم لخفض فواتير التدفئة. في الأساس ، تعمل بمثابة مخازن ضد فقدان الحرارة.

الريش والفراء والألياف الطبيعية كلها أمثلة على العوازل الطبيعية. هذه هي المواد التي تحافظ على دفء الطيور والثدييات والبشر. تعيش ثعالب البحر ، على سبيل المثال ، في مياه المحيط التي غالبًا ما تكون شديدة البرودة ، كما أن فروها السميك الفاخر يحافظ عليها دافئة. تعتمد الثدييات البحرية الأخرى مثل أسود البحر والحيتان وطيور البطريق على طبقات سميكة من الجلد - موصل ضعيف للغاية - لمنع فقدان الحرارة عبر الجلد.

ينطبق نفس المنطق على عزل المنازل والمباني وحتى المركبات الفضائية. في هذه الحالات ، تتضمن الطرق إما جيوبًا هوائية محاصرة بين الجدران ، أو الألياف الزجاجية ، أو رغوة عالية الكثافة. المركبة الفضائية هي حالة خاصة وتستخدم العزل على شكل رغوة ومركب الكربون المقوى وبلاط السيليكا. هذه كلها موصلات ضعيفة للحرارة وبالتالي تمنع فقدان الحرارة في الفضاء وكذلك تمنع درجات الحرارة القصوى الناتجة عن هطول الأمطار من دخول سطح الطيران.

التوصيل ، كما يتضح من تسخين قضيب معدني بلهب. القوانين التي تحكم توصيل الحرارة تشبه إلى حد بعيد قانون أوم ، الذي يحكم التوصيل الكهربائي. في هذه الحالة ، الموصل الجيد هو مادة تسمح للتيار الكهربائي بالتدفق خلاله دون الكثير من المتاعب. على النقيض من ذلك ، فإن العازل الكهربائي هو أي مادة لا تتدفق شحنتها الكهربائية الداخلية بحرية ، وبالتالي من الصعب جدًا توصيل تيار كهربائي عند تعرضه لمجال كهربائي.

في معظم الحالات ، تكون المواد ذات الموصلات السيئة للحرارة أيضًا موصلة سيئة للكهرباء. على سبيل المثال ، يعتبر النحاس موصلًا جيدًا لكل من الحرارة والكهرباء ، وهذا هو سبب استخدام الأسلاك النحاسية على نطاق واسع في تصنيع الإلكترونيات. الذهب والفضة أفضل من ذلك ، وحيثما لا يمثل السعر مشكلة ، تُستخدم هذه المواد أيضًا في بناء الدوائر الكهربائية.

وعندما يتطلع شخص ما إلى "تأريض" الشحنة ، فإنهم يرسلونها عبر الاتصال المادي بالأرض ، حيث تُفقد الشحنة. هذا أمر شائع في الدوائر الكهربائية حيث يكون المعدن المكشوف عاملاً في ضمان أن الأشخاص الذين يتلامسون عن طريق الخطأ لا يخضعون للكسر الكهربائي.

يتم ارتداء المواد العازلة ، مثل المطاط على نعل الأحذية ، لحماية الأشخاص من العمل على المواد الحساسة أو من إمدادات الطاقة المشحونة كهربائيًا. يتم استخدام أنواع أخرى ، مثل الزجاج أو البوليمرات أو الخزف ، بشكل شائع في خطوط الطاقة وأجهزة إرسال الطاقة عالية الجهد للحفاظ على تدفق الطاقة عبر الدوائر.

باختصار ، ينخفض ​​التوصيل إلى انتقال الحرارة أو نقل الشحنة الكهربائية. كلاهما يحدث نتيجة لقدرة المادة على نقل الطاقة من خلالها. الأجسام السوداء لا تسبب الحرارة. تمتص الأجسام السوداء الإشعاع الوارد في النطاق المرئي. وبالمثل ، فإن الأجسام البيضاء لا تعكس الحرارة. تعكس بشكل منتشر الإشعاع المرئي الوارد.

لكن هذه ألوان. سواء كان اللون الأسود أو الأبيض "ألوانًا" يعتمد كثيرًا على ما تعنيه بالألوان. بالنسبة لهذا السؤال ، من الأفضل النظر إلى الأسود والأبيض على أنهما ظلال رمادية بدلاً من ألوان مثل الأحمر والأزرق. ما هذه الفيزياء؟ تكمن الإجابة في مفاهيم الابتعاثية والامتصاصية والانعكاسية والنفاذية. الابتعاثية هي قدرة الجسم على الانبعاث الإشعاع الحراريعن الجسم الأسود المثالي.

• الامتصاصية هي نسبة الإشعاع الوارد الذي يمتصه جسم ما.
• الانعكاسية هي نسبة الإشعاع الوارد الذي ينعكس على جسم ما.
• الإرسال هو نسبة الإشعاع الوارد الذي يمر عبر جسم ما.

II. الإبلاغ عن موضوع الدرس وأهدافه

تضاف إلى 1. يتم امتصاص أو انعكاس الضوء الوارد للأجسام المعتمة بنسبة تحددها امتصاص الجسم وانعكاسه. تفسر الانعكاسية والامتصاصية جزءًا من سبب ارتفاع درجة حرارة الأجسام السوداء عن الأجسام البيضاء. يمتص الجسم الأسود تمامًا كل الإشعاع المرئي الوارد ، بينما يعكس الجسم الأبيض تمامًا كل الإشعاع المرئي الوارد. نظرًا لعدم وجود شيء مثل جسم أسود تمامًا أو أبيض تمامًا ، تمتص جميع الكائنات الإشعاع المرئي الوارد إلى حد ما.

ومع ذلك ، فإن الأجسام السوداء تمتص بشكل كبير كمية كبيرةإشعاع مرئي من الأبيض. الجانب الخلفيعملات معدنية - الابتعاثية. في النهاية سيصل الجسم إلى التوازن الحراري ، حيث تساوي الطاقة الممتصة من الإشعاع الوارد الطاقة المنبعثة كإشعاع صادر.

I. لحظة تنظيمية

العاملان الآخران هما الهندسة وطاقة الإدخال. قانون الإشعاع لكل كيرشوف ، الابتعاثية والامتصاصية عند أي تردد معين متساوية. للحصول على جسم رمادي مثالي ، يكون كل من الامتصاص والانبعاث ثابتًا ، بغض النظر عن التردد ودرجة الحرارة. جميع الأجسام الرمادية المثالية التي لها نفس الشكل الهندسي وتخضع لنفس الإشعاع القادم ستصل في النهاية إلى نفس درجة حرارة التوازن.

لذلك نحن بحاجة إلى شيء آخر لشرح سبب ارتفاع درجة حرارة الأجسام السوداء عن الأجسام البيضاء. الجواب هو أن الامتصاصية والانبعاثية تعتمد على التردد ودرجة الحرارة للأجسام الحقيقية. لا توجد أجسام رمادية مثالية. هم ، إذا لزم الأمر ، مناسبين للاقتراب. يشير "الأسود" و "الأبيض" إلى الانعكاس في النطاق المرئي. شيء لون أبيضيمكن أن يكون شديد السواد في الأشعة تحت الحمراء الحرارية. لا يسخن الجسم الذي يكون أبيض بشكل واضح ولكنه أسود حراريًا بقدر تسخين الجسم الذي سيكون مرئيًا وسودًا حراريًا.

العلم وراء تصميم كيس النوم بسيط ولكنه معقد للغاية في نفس الوقت. على مر السنين ، تغير تصميم كيس النوم وتطور ليشمل أحدث الاختراقات التكنولوجية واستخدام أحدث الأقمشة والمواد المبتكرة المتاحة. تشمل التطورات الحديثة في تقنية أكياس النوم عزلًا سفليًا مقاومًا للماء ، ومواد خفيفة الوزن وحواجز بخار قابلة للتنفس. نظرًا لأن التكنولوجيا يمكن أن تصبح معقدة ، فإن الهدف من تصميم أكياس النوم بسيط للغاية.

يتلخص تصميم كيس النوم في هدف نهائي واحد: حبس الهواء الميت حول الجسم حتى لا يسخن ويقلل من حرارة الجسم. عاملان رئيسيان يلعبان في تصميم أكياس النوم يقللان من انتقال الحرارة أثناء إنشاء العزل الحراري. كل شيء آخر هو مجرد تسويق.