Quel corps a la conductivité thermique la plus élevée ? VI. Devoirs. III. Apprendre du nouveau matériel
Dans le paragraphe précédent, nous avons découvert qu'en abaissant une aiguille métallique dans un verre avec eau chaude très vite le bout du rayon est devenu chaud aussi. Par conséquent, l'énergie interne, comme tout type d'énergie, peut être transférée d'un corps à un autre. L'énergie interne peut également être transférée d'une partie du corps à une autre. Ainsi, par exemple, si une extrémité d'un ongle est chauffée dans une flamme, son autre extrémité, qui est dans la main, chauffera progressivement et brûlera la main.
Schéma montrant le transfert d'énergie thermique par conduction. La chaleur est une forme d'énergie intéressante. Non seulement il nous maintient en vie, nous met à l'aise et nous aide à préparer notre nourriture, mais la compréhension de ses propriétés est la clé de nombreux domaines de la recherche scientifique. Par exemple, savoir comment la chaleur est transférée et dans quelle mesure différents matériaux peuvent échanger de l'énergie thermique détermine tout, des appareils de chauffage des bâtiments à la compréhension des changements saisonniers pour envoyer des navires dans l'espace.
La chaleur ne peut être transférée que de trois manières : conduction, convection et rayonnement. Parmi ceux-ci, la conduction est peut-être la plus courante et se produit régulièrement dans la nature. En bref, il s'agit d'une transmission par contact physique. Cela se produit lorsque vous appuyez votre main sur une vitre, lorsque vous placez une casserole d'eau sur un élément actif et lorsque vous placez du fer sur un feu.
Le phénomène de transfert d'énergie interne d'une partie du corps à une autre ou d'un corps à un autre lorsqu'ils sont en contact direct est appelé conduction thermique.
Étudions ce phénomène en faisant une série d'expériences avec des solides, des liquides et des gaz.
Mettons le bout d'un bâton de bois dans le feu. Il va s'enflammer. L'autre extrémité du bâton, qui est à l'extérieur, sera froide. L'arbre a donc mauvaise conductivité thermique.
Ce transfert se produit au niveau moléculaire - d'un corps à l'autre - lorsque l'énérgie thermique est absorbé par la surface et accélère le déplacement des molécules de surface. Dans le processus, ils entrent en collision avec leurs voisins et leur transfèrent de l'énergie, un processus qui se poursuit tant que de la chaleur est ajoutée.
IV. Consolidation des connaissances acquises sur des exemples de tâches
Le processus de conduction thermique dépend de quatre facteurs principaux : la section transversale des personnes impliquées, leurs longueurs de trajet et les propriétés de ces matériaux. Le gradient de température est quantité physique, qui décrit dans quelle direction et à quelle vitesse la température change à un endroit particulier. La température va toujours de la source la plus chaude vers la source la plus froide, du fait que le froid n'est rien d'autre que l'absence d'énergie thermique. Ce transfert entre les corps se poursuit jusqu'à ce que la différence de température diminue et qu'un état connu sous le nom d'équilibre thermique se produise.
Nous apportons le bout d'une fine tige de verre à la flamme de la lampe à alcool. Au bout d'un moment, il chauffera, tandis que l'autre extrémité restera froide. Par conséquent, le verre a mauvaise conductivité thermique.
Si nous chauffons l'extrémité d'une tige de métal dans une flamme, alors très bientôt toute la tige deviendra très chaude. Nous ne pouvons plus le tenir entre nos mains.
Un facteur important est également la section transversale et la longueur du trajet. Plus la taille du matériau associé au transfert est grande, plus il faut de chaleur pour le chauffer. De plus, plus la surface exposée à l'air libre est grande, plus elle est susceptible de le faire. Ainsi, des objets plus courts avec des sections transversales plus petites sont meilleur remède minimisation des pertes.
La conduction thermique se produit à travers tout matériau représenté ici par une tige rectangulaire. La vitesse à laquelle le transfert se produit dépend en partie de l'épaisseur du matériau. Dernier point, mais non des moindres, propriétés physiques matériaux. Fondamentalement, en ce qui concerne la chaleur conductrice, toutes les substances ne sont pas créées égales. Les métaux et la pierre sont considérés comme de bons conducteurs car ils peuvent transférer rapidement la chaleur, tandis que les matériaux tels que le bois, le papier, l'air et le tissu sont de mauvais conducteurs de chaleur.
Cela signifie que les métaux conduisent bien la chaleur, c'est-à-dire qu'ils ont grande conductivité thermique. L'argent et le cuivre ont la conductivité thermique la plus élevée.
Considérez le transfert de chaleur d'une partie d'un corps solide à une autre dans l'expérience suivante.
Nous fixons une extrémité de l'épaisseur fil de cuivre dans un trépied. Fixez quelques œillets au fil avec de la cire. Lorsque l'extrémité libre du fil est chauffée dans la flamme d'une lampe à alcool, la cire va fondre. Les œillets commenceront à tomber progressivement (Fig. 5). D'abord, ceux qui sont plus proches de la flamme disparaîtront, puis tous les autres à leur tour.
Ces propriétés conductrices sont évaluées sur la base d'un "facteur" qui est mesuré par rapport à l'argent. À cet égard, l'argent a un facteur de 100, tandis que d'autres matériaux sont moins bien classés. Ceux-ci comprennent le cuivre, le fer, l'eau et le bois. À l'extrémité opposée du spectre, il y a un vide idéal, qui est incapable de conduire la chaleur et qui est donc évalué à zéro.
Les matériaux qui sont de mauvais conducteurs de chaleur sont appelés isolants. L'air, qui a un coefficient de conductivité de 0,006, est un isolant exceptionnel car il peut être contenu dans un espace clos. C'est pourquoi les isolants artificiels utilisent des compartiments d'air, comme les fenêtres à double vitrage qui servent à réduire les factures de chauffage. Fondamentalement, ils agissent comme des tampons contre la perte de chaleur.
Riz. 5. Transfert de chaleur d'une partie d'un corps solide à une autre
Découvrons comment l'énergie est transférée le long du fil. La vitesse du mouvement oscillatoire des particules métalliques augmente dans la partie du fil la plus proche de la flamme. Comme les particules interagissent constamment les unes avec les autres, la vitesse de déplacement des particules voisines augmente. La température du morceau de fil suivant commence à monter, et ainsi de suite.
Les plumes, les fourrures et les fibres naturelles sont tous des exemples d'isolants naturels. Ce sont des matériaux qui gardent les oiseaux, les mammifères et les humains au chaud. Les loutres de mer, par exemple, vivent dans des eaux océaniques souvent très froides et leur fourrure luxueusement épaisse les garde au chaud. D'autres mammifères marins tels que les lions de mer, les baleines et les manchots dépendent d'épaisses couches de graisse - un très mauvais conducteur - pour empêcher la perte de chaleur à travers la peau.
La même logique s'applique à l'isolation des maisons, des bâtiments et même des engins spatiaux. Dans ces cas, les méthodes comprennent soit des poches d'air emprisonnées entre les murs, de la fibre de verre ou de la mousse haute densité. Le vaisseau spatial est un cas particulier et utilise une isolation sous forme de mousse, de composite de carbone renforcé et de tuiles de silice. Ce sont tous de mauvais conducteurs de chaleur et empêchent donc la perte de chaleur dans l'espace, tout en empêchant les températures extrêmes causées par les précipitations de pénétrer dans le poste de pilotage.
Il convient de rappeler que lors de la conduction thermique, il n'y a pas de transfert de matière d'une extrémité du corps à l'autre.
Considérons maintenant la conductivité thermique des liquides. Prenez un tube à essai avec de l'eau et commencez à chauffer sa partie supérieure. L'eau à la surface va bientôt bouillir et au fond du tube à essai, pendant ce temps, elle ne fera que chauffer (Fig. 6). Cela signifie que les liquides ont une faible conductivité thermique, à l'exception du mercure et des métaux en fusion.
Conduction, comme en témoigne le chauffage d'une tige métallique avec une flamme. Les lois régissant la conduction de la chaleur sont très similaires à la loi d'Ohm, qui régit la conduction électrique. Dans ce cas, un bon conducteur est un matériau qui permet au courant électrique de le traverser sans trop de problèmes. En revanche, un isolant électrique est tout matériau dont les charges électriques internes ne circulent pas librement, et il est donc très difficile de conduire un courant électrique lorsqu'il est soumis à un champ électrique.
Dans la plupart des cas, les matériaux qui sont de mauvais conducteurs de chaleur sont également de mauvais conducteurs d'électricité. Par exemple, le cuivre est un bon conducteur de chaleur et d'électricité, c'est pourquoi les fils de cuivre sont largement utilisés dans la fabrication de produits électroniques. L'or et l'argent sont encore meilleurs, et là où le prix n'est pas un problème, ces matériaux sont également utilisés dans la construction de circuits électriques.
Riz. 6. Conductivité thermique du liquide
Cela est dû au fait que dans les liquides, les molécules sont situées à de plus grandes distances les unes des autres que dans les liquides. solides Oh.
Nous étudions la conductivité thermique des gaz. Nous plaçons un tube à essai sec sur un doigt et le chauffons dans la flamme d'une lampe à alcool avec le bas vers le haut (Fig. 7). Le doigt ne sera pas chaud pendant longtemps.
Et quand quelqu'un cherche à "ancrer" la charge, il l'envoie via la connexion physique à la Terre, où la charge est perdue. Ceci est courant dans les circuits électriques où le métal exposé est un facteur garantissant que les personnes qui entrent accidentellement en contact ne subissent pas d'électromutation.
Les matériaux isolants, tels que le caoutchouc sur les semelles des chaussures, sont portés pour protéger les personnes contre le travail sur des matériaux sensibles ou contre les alimentations électriques chargées. D'autres, tels que le verre, les polymères ou la porcelaine, sont couramment utilisés sur les lignes électriques et les émetteurs de puissance haute tension pour maintenir le courant dans les circuits.
Riz. 7. Conductivité thermique du gaz
Cela est dû au fait que la distance entre les molécules de gaz est encore plus grande que celle des liquides et des solides. Par conséquent, la conductivité thermique des gaz est encore moindre.
Alors, conductivité thermique à diverses substances différent.
L'expérience illustrée à la figure 8 montre que la conductivité thermique des différents métaux n'est pas la même.
En bref, la conduction se résume au transfert de chaleur ou au transfert de charge électrique. Ces deux phénomènes résultent de la capacité de la matière à transférer de l'énergie à travers eux. Les objets noirs n'induisent pas de chaleur. Les objets noirs absorbent le rayonnement entrant dans la gamme visible. De même, les objets blancs ne réfléchissent pas la chaleur. Ils réfléchissent de manière diffuse le rayonnement visible entrant.
Mais ce sont des couleurs. Que les noirs ou les blancs soient des "couleurs" dépend beaucoup de ce que vous entendez par couleur. Pour cette question, il est préférable de considérer le noir et blanc comme des nuances de gris plutôt que des couleurs comme le rouge et le bleu. C'est quoi cette physique ? La réponse réside dans les concepts d'émissivité, d'absorptivité, de réflectivité et de transmission. L'émissivité est la capacité d'un objet à émettre Radiation thermique sur un corps noir idéal.
- L'absorbabilité est la proportion de rayonnement entrant absorbée par un objet.
- La réflectivité est la proportion de rayonnement entrant réfléchie par un objet.
- La transmission est la proportion de rayonnement entrant qui traverse un objet.
Riz. 8. Conductivité thermique de différents métaux
La laine, les cheveux, les plumes d'oiseaux, le papier, le liège et autres ont une mauvaise conductivité thermique. corps poreux. Cela est dû au fait que de l'air est contenu entre les fibres de ces substances. Le vide (espace libéré de l'air) a la conductivité thermique la plus faible. Cela s'explique par le fait que la conductivité thermique est le transfert d'énergie d'une partie du corps à une autre, qui se produit lors de l'interaction de molécules ou d'autres particules. Dans un espace où il n'y a pas de particules, la conduction thermique ne peut pas avoir lieu.
II. Rapporter le sujet et les objectifs de la leçon
Ils sont ajoutés à 1. La lumière entrante pour les objets opaques est soit absorbée, soit réfléchie dans un rapport déterminé par l'absorptivité et la réflectance de l'objet. La réflectivité et l'absorptivité expliquent en partie pourquoi les objets noirs deviennent plus chauds que les blancs. Un objet parfaitement noir absorbe tout le rayonnement visible entrant, tandis qu'un objet parfaitement blanc réfléchit tout le rayonnement visible entrant. Puisqu'il n'existe pas d'objet parfaitement noir ou complètement blanc, tous les objets absorbent dans une certaine mesure le rayonnement visible entrant.
S'il est nécessaire de protéger le corps contre le refroidissement ou le chauffage, des substances à faible conductivité thermique sont utilisées. Ainsi, pour les casseroles, les poêles, les poignées sont en plastique. Les maisons sont construites en rondins ou en briques, qui ont une faible conductivité thermique, ce qui signifie qu'elles protègent les locaux du refroidissement.
Des questions
- Comment l'énergie est-elle transférée à travers un fil métallique?
- Expliquez l'expérience (voir Fig. 8) montrant que la conductivité thermique du cuivre est supérieure à la conductivité thermique de l'acier.
- Quelles substances ont la conductivité thermique la plus élevée et la plus faible ? Où sont-ils utilisés ?
- Pourquoi la fourrure, le duvet, les plumes sur le corps des animaux et des oiseaux, ainsi que les vêtements humains protègent-ils du froid ?
Exercice 3
- Pourquoi la neige épaisse et lâche protège-t-elle les cultures d'hiver du gel?
- On estime que la conductivité thermique des planches de pin est 3,7 fois supérieure à celle de la sciure de pin. Comment expliquer une telle différence ?
- Pourquoi l'eau ne gèle-t-elle pas sous une épaisse couche de glace ?
- Pourquoi l'expression "manteau de fourrure chaud" est-elle incorrecte ?
Exercer
Prenez une tasse d'eau chaude et plongez une cuillère en métal et en bois dans l'eau en même temps. Quelle cuillère chauffera plus vite ? Comment la chaleur est-elle échangée entre l'eau et les cuillères ? Comment l'énergie interne de l'eau et des cuillères change-t-elle ?
Cependant, les objets noirs absorbent de manière significative grande quantité rayonnement visible que le blanc. verso pièces - émissivité. Finalement, l'objet atteindra l'équilibre thermique, l'énergie absorbée par le rayonnement entrant étant égale à l'énergie émise par le rayonnement sortant.
I. Moment organisationnel
Les deux autres facteurs sont la géométrie et l'énergie d'entrée. Selon la loi de rayonnement de Kirchhoff, l'émissivité et l'absorptivité à une fréquence donnée sont égales. Pour un corps gris idéal, l'absorbance et l'émissivité sont constantes, quelles que soient la fréquence et la température. Tous les corps gris parfaits avec la même géométrie et soumis au même rayonnement entrant finiront par atteindre la même température d'équilibre.
Le transfert de chaleur dans la nature s'effectue à l'aide de la conduction thermique, de la convection et du rayonnement (absorption et émission de rayonnement).
Le mécanisme de conduction thermique est en fait expliqué dans le paragraphe précédent. Prenons un autre exemple. Lorsque l'extrémité d'une tige métallique est chauffée, ses molécules commencent à se déplacer plus rapidement, c'est-à-dire que l'énergie interne de cette extrémité augmente. Étant donné que les molécules se déplacent plus lentement à l'autre extrémité de la tige, à l'intérieur de la tige, à l'aide du mouvement chaotique des atomes et des électrons, l'énergie interne est transférée de l'extrémité chaude à l'extrémité froide. Le transfert d'énergie interne d'une partie d'une substance à une autre, dû au mouvement chaotique des molécules et autres particules d'une substance, est appelé conductivité thermique.
Nous avons donc besoin d'autre chose pour expliquer pourquoi les objets noirs deviennent plus chauds que les blancs. La réponse est que l'absorbance et l'émissivité dépendent de la fréquence et de la température pour les objets réels. Les corps gris idéaux n'existent pas. Ils sont, si nécessaire, adaptés à l'approche. "Noir" et "blanc" font référence à la réflectivité dans la gamme visible. Un objet couleur blanche peut être très noir dans l'infrarouge thermique. Un objet distinctement blanc mais thermiquement noir ne chauffe pas autant qu'un objet qui serait visiblement et thermiquement noir.
Parmi diverses sortes les métaux ont la meilleure conductivité thermique. Cela est dû au fait qu'ils contiennent des électrons libres. Nous notons également que la conductivité thermique d'une substance à l'état solide est supérieure à celle à l'état liquide, et à l'état liquide elle est supérieure à celle à l'état gazeux.
Considérez l'essence de la convection. Pour montrer la faible conductivité thermique de l'eau, un récipient d'eau est généralement chauffé par le haut. En même temps, l'eau peut bouillir en haut, mais rester froide en bas. Cependant, si le récipient est chauffé par le bas, l'eau est chauffée uniformément dans tout le volume. Cela s'explique par le fait que l'eau se dilate lorsqu'elle est chauffée et que sa densité diminue. Si l'eau chauffée se trouve en bas, les couches d'eau supérieures et plus denses descendent sous l'action de la gravité et déplacent l'eau chaude vers le haut. Ce mélange d'eau continuera jusqu'à ce que toute l'eau bout. Le transfert de chaleur qui se produit lorsque des couches de liquide ou de gaz inégalement chauffées sont mélangées sous l'action de la gravité s'appelle la convection. Il est facile de voir que la convection est absente dans un engin spatial en état d'apesanteur.(Considérez pourquoi le congélateur des réfrigérateurs est renforcé en haut au lieu d'en bas.)
La science derrière la conception d'un sac de couchage est à la fois simple et pourtant très complexe. Au fil des ans, la conception du sac de couchage a changé et évolué pour intégrer les dernières avancées technologiques et utiliser les derniers tissus et matériaux innovants disponibles. Les avancées récentes dans la technologie des sacs de couchage comprennent une isolation en duvet imperméable, des matériaux ultralégers et des pare-vapeur respirants. Aussi complexe que la technologie puisse devenir, l'objectif de la conception d'un sac de couchage est très simple.
La conception d'un sac de couchage se résume à un objectif ultime : emprisonner l'air mort autour du corps pour qu'il ne chauffe pas et réduire la chaleur corporelle du corps. Deux facteurs majeurs en jeu dans la conception du sac de couchage réduisent le transfert de chaleur tout en créant une isolation thermique. Tout le reste n'est que marketing.
Il peut sembler que la convection ne peut pas être considérée comme un transfert de chaleur, car elle est associée au travail de la gravité. Cependant, lors de la convection, une augmentation de l'énergie interne d'un liquide ou d'un gaz ne se produit qu'en raison de la chaleur fournie de l'extérieur, et l'effet de la gravité n'est réduit qu'à accélérer le chauffage uniforme du liquide ou du gaz. L'action de la gravité lors de la convection n'apporte pas de contribution supplémentaire à l'énergie interne d'un liquide ou d'un gaz. Par conséquent, la convection est appelée transfert de chaleur.
L'échange de chaleur entre le Soleil et la Terre s'effectue au moyen d'un rayonnement électromagnétique. Un rayonnement électromagnétique est créé par le mouvement des charges électriques et augmente fortement avec l'augmentation de la température. Le rayonnement d'un corps, qui n'est déterminé que par sa température, est appelé rayonnement thermique.
Le processus de rayonnement se produit en raison de l'énergie interne du corps . Lorsque le rayonnement est absorbé par un autre corps, l'énergie interne du corps augmente en raison de l'énergie du rayonnement absorbé.Ainsi, au moyen du rayonnement, l'énergie est transférée des corps les plus chauffés vers les moins chauffés. Ce type de transfert de chaleur se produit même en l'absence de matière entre les corps.