Koje tijelo ima najveću toplinsku vodljivost? VI. Domaća zadaća. III. Učenje novog gradiva

U prethodnom paragrafu saznali smo da prilikom spuštanja metalne igle u čašu sa Vruća voda vrlo brzo je i kraj žbice postao vruć. Posljedično, unutarnja energija, kao i svaka vrsta energije, može se prenositi s jednog tijela na drugo. Unutarnja energija također se može prenositi s jednog dijela tijela na drugi. Tako, na primjer, ako se jedan kraj čavla zagrije u plamenu, tada će se njegov drugi kraj, koji je u ruci, postupno zagrijati i opeći ruku.

Dijagram koji prikazuje prijenos toplinske energije kondukcijom. Toplina je zanimljiv oblik energije. Ne samo da nas održava na životu, čini nam udobnost i pomaže nam u pripremi hrane, već je razumijevanje njegovih svojstava ključ za mnoga područja znanstvenih istraživanja. Na primjer, saznanje o tome kako se toplina prenosi i opseg u kojem različiti materijali mogu razmjenjivati ​​toplinsku energiju pokreće sve, od izgradnje grijača do razumijevanja godišnjih promjena za slanje brodova u svemir.

Toplina se može prenositi samo na tri načina: kondukcijom, konvekcijom i zračenjem. Od njih je kondukcija možda najčešća i redovito se javlja u prirodi. Ukratko, to je prijenos fizičkim kontaktom. To se događa kada pritisnete rukom prozorsko staklo, kada stavite posudu s vodom na aktivni element i kada stavite željezo na vatru.

    Pojava prijenosa unutarnje energije s jednog dijela tijela na drugi ili s jednog tijela na drugo kada su u neposrednom dodiru naziva se provođenje topline.

Proučimo ovaj fenomen izvodeći niz pokusa s krutinama, tekućinama i plinovima.

Stavimo kraj drvenog štapa u vatru. Zapalit će se. Drugi kraj štapa, koji je vani, bit će hladan. Dakle, drvo ima loša toplinska vodljivost.

Taj se prijenos događa na molekularnoj razini – s jednog tijela na drugo – kada Termalna energija apsorbira površina i uzrokuje brže kretanje površinskih molekula. Pritom se sudaraju sa svojim susjedima i prenose im energiju, proces koji traje sve dok se dodaje toplina.

IV. Učvršćivanje stečenog znanja na primjerima zadataka

Proces toplinske vodljivosti ovisi o četiri glavna čimbenika: poprečnom presjeku onih koji su uključeni, duljini njihovog puta i svojstvima tih materijala. Gradijent temperature je fizička količina, koji opisuje u kojem se smjeru i kojom brzinom mijenja temperatura na određenom mjestu. Temperatura uvijek teče od najtoplijeg prema najhladnijem izvoru, zbog činjenice da hladnoća nije ništa drugo nego odsutnost toplinske energije. Ovaj prijenos između tijela nastavlja se sve dok se temperaturna razlika ne smanji i ne nastupi stanje poznato kao toplinska ravnoteža.

Kraj tanke staklene šipke prinesemo plamenu špiritusne svjetiljke. Nakon nekog vremena će se zagrijati, dok će drugi kraj ostati hladan. Stoga staklo ima loša toplinska vodljivost.

Ako kraj metalne šipke zagrijemo u plamenu, vrlo brzo će se cijela šipka jako zagrijati. Ne možemo ga više držati u rukama.

Važan faktor je i presjek i duljina staze. Što je veća veličina materijala povezanog s prijenosom, to je više topline potrebno za njegovo zagrijavanje. Osim toga, što je veća površina izložena otvorenom zraku, to je vjerojatnije. Dakle, kraći objekti s manjim presjecima su najbolji lijek minimizacija gubitaka.

Toplinska vodljivost događa se kroz bilo koji materijal ovdje predstavljen pravokutnom šipkom. Brzina prijenosa djelomično ovisi o debljini materijala. Posljednje, ali svakako ne manje važno, fizička svojstva materijala. U osnovi, kada je riječ o vodljivoj toplini, nisu sve tvari jednake. Metali i kamen smatraju se dobrim vodičima jer mogu brzo prenositi toplinu, dok su materijali kao što su drvo, papir, zrak i tkanina loši vodiči topline.

To znači da metali dobro provode toplinu, odnosno imaju velika toplinska vodljivost. Srebro i bakar imaju najveću toplinsku vodljivost.

Razmotrite prijenos topline s jednog dijela krutog tijela na drugi u sljedećem pokusu.

Fiksiramo jedan kraj gustog bakrene žice u tronošcu. Na žicu voskom pričvrstite nekoliko karanfila. Kad se slobodni kraj žice zagrije u plamenu alkoholne lampe, vosak će se otopiti. Karanfili će postupno početi otpadati (slika 5). Prvo će nestati oni koji su bliže plamenu, a zatim svi ostali redom.

Ova vodljiva svojstva procjenjuju se na temelju "faktora" koji se mjeri u odnosu na srebro. U tom pogledu srebro ima faktor 100, dok su ostali materijali niže rangirani. To uključuje bakar, željezo, vodu i drvo. Na suprotnom kraju spektra nalazi se idealni vakuum, koji ne može provoditi toplinu, te se stoga procjenjuje na nulu.

Materijali koji slabo provode toplinu nazivaju se izolatori. Zrak, čiji je koeficijent vodljivosti 0,006, izuzetan je izolator jer se može zadržati u zatvorenom prostoru. Zato umjetni izolatori koriste zračne odjeljke, poput dvostrukih prozora koji se koriste za smanjenje računa za grijanje. U osnovi, oni djeluju kao puferi protiv gubitka topline.

Riža. 5. Prijenos topline s jednog dijela čvrstog tijela na drugi

Otkrijmo kako se energija prenosi duž žice. Brzina oscilatornog gibanja metalnih čestica povećava se u onom dijelu žice koji je bliže plamenu. Budući da čestice neprestano međusobno djeluju, povećava se brzina gibanja susjednih čestica. Temperatura sljedećeg komada žice počinje rasti, i tako dalje.

Perje, krzno i ​​prirodna vlakna primjeri su prirodnih izolatora. To su materijali koji griju ptice, sisavce i ljude. Morske vidre, na primjer, žive u oceanskim vodama koje su često vrlo hladne, a njihovo ih raskošno debelo krzno grije. Ostali morski sisavci, poput morskih lavova, kitova i pingvina, oslanjaju se na debele slojeve sala - vrlo loš vodič - kako bi spriječili gubitak topline kroz kožu.

Ista logika vrijedi i za izolaciju kuća, zgrada, pa čak i svemirskih letjelica. U tim slučajevima metode uključuju ili zarobljene zračne džepove između zidova, stakloplastike ili pjene visoke gustoće. Svemirska letjelica je poseban slučaj i koristi izolaciju u obliku pjene, ojačanog ugljičnog kompozita i silika pločica. Sve su to loši vodiči topline i stoga sprječavaju gubitak topline u svemiru, kao i sprječavanje ekstremnih temperatura uzrokovanih padalinama da uđu u pilotsku kabinu.

Treba imati na umu da tijekom provođenja topline nema prijenosa tvari s jednog kraja tijela na drugi.

Razmotrimo sada toplinsku vodljivost tekućina. Uzmite epruvetu s vodom i počnite zagrijavati njezin gornji dio. Voda na površini ubrzo će prokuhati, a na dnu epruvete za to vrijeme će se samo zagrijati (slika 6). To znači da tekućine imaju nisku toplinsku vodljivost, s izuzetkom žive i rastaljenih metala.

Provođenje, što dokazuje zagrijavanje metalne šipke plamenom. Zakoni koji upravljaju provođenjem topline vrlo su slični Ohmovom zakonu koji upravlja električnim provođenjem. U ovom slučaju, dobar vodič je materijal koji omogućuje protok električne struje kroz njega bez previše problema. Nasuprot tome, električni izolator je svaki materijal čiji unutarnji električni naboji ne teku slobodno, pa je stoga vrlo teško provoditi električnu struju kada je podvrgnut električnom polju.

U većini slučajeva, materijali koji su loši vodiči topline također su loši vodiči električne energije. Na primjer, bakar je dobar vodič i topline i električne energije, zbog čega se bakrene žice naširoko koriste u proizvodnji elektronike. Zlato i srebro su još bolji, a tamo gdje cijena nije problem, ti se materijali također koriste u izradi električnih krugova.

Riža. 6. Toplinska vodljivost tekućine

To je zbog činjenice da su u tekućinama molekule smještene na većoj udaljenosti jedna od druge nego u tekućinama. čvrste tvari Oh.

Ispitujemo toplinsku vodljivost plinova. Suhu epruvetu stavimo na prst i zagrijavamo je na plamenu alkoholne lampe dnom prema gore (slika 7). Prst se dugo neće osjećati toplim.

A kada netko želi "uzemljiti" naboj, šalje ga kroz fizičku vezu na Zemlju, gdje se naboj gubi. To je uobičajeno u električnim krugovima gdje je izloženi metal faktor koji osigurava da ljudi koji slučajno dođu u kontakt ne dožive elektromutaciju.

Izolacijski materijali, kao što je guma na potplatima cipela, nose se kako bi zaštitili ljude od rada na osjetljivim materijalima ili od električnih izvora napajanja. Drugi, kao što su staklo, polimeri ili porculan, obično se koriste na dalekovodima i visokonaponskim odašiljačima struje kako bi struja strujala kroz krugove.

Riža. 7. Toplinska vodljivost plina

To je zbog činjenice da je udaljenost između molekula plina još veća nego kod tekućina i krutina. Zbog toga je toplinska vodljivost plinova još manja.

Tako, toplinska vodljivost pri razne tvari drugačiji.

Iskustvo prikazano na slici 8 pokazuje da toplinska vodljivost različitih metala nije ista.

Ukratko, kondukcija se svodi na prijenos topline ili prijenos električnog naboja. Oba se javljaju kao rezultat sposobnosti materije da kroz njih prenosi energiju. Crni predmeti ne izazivaju toplinu. Crni objekti apsorbiraju dolazno zračenje u vidljivom području. Slično tome, bijeli predmeti ne reflektiraju toplinu. Oni difuzno reflektiraju dolazno vidljivo zračenje.

Ali ovo su boje. Jesu li crnci ili bijeli "boje" uvelike ovisi o tome što mislite pod bojom. Za ovo pitanje, bolje je gledati na crno i bijelo kao na nijanse sive nego na boje poput crvene i plave. Kakva je ovo fizika? Odgovor leži u konceptima emisivnosti, apsorpcije, refleksije i transmisije. Emisivnost je sposobnost objekta da emitira toplinsko zračenje o idealnom crnom tijelu.

  • Sposobnost apsorpcije je udio dolaznog zračenja koje apsorbira neki objekt.
  • Reflektivnost je udio dolaznog zračenja koje reflektira neki objekt.
  • Prijenos je udio dolaznog zračenja koje prolazi kroz objekt.
Posljednja tri u cijelosti navode što se događa s dolaznim zračenjem.


Riža. 8. Toplinska vodljivost različitih metala

Vuna, dlaka, ptičje perje, papir, pluto i drugi imaju lošu toplinsku vodljivost. porozna tijela. To je zbog činjenice da se između vlakana tih tvari nalazi zrak. Najnižu toplinsku vodljivost ima vakuum (prostor oslobođen od zraka). To se objašnjava činjenicom da je toplinska vodljivost prijenos energije s jednog dijela tijela na drugi, koji se javlja tijekom interakcije molekula ili drugih čestica. U prostoru u kojem nema čestica ne može doći do provođenja topline.

II. Izvještavanje o temi i ciljevima lekcije

Dodaju se u 1. Dolazno svjetlo za neprozirne objekte se ili apsorbira ili reflektira u omjeru određenom apsorpcijskom i refleksionom moći objekta. Reflektivnost i apsorpcija dijelom objašnjavaju zašto crni predmeti postaju topliji od bijelih. Savršeno crni objekt apsorbira svo dolazno vidljivo zračenje, dok savršeno bijeli objekt reflektira svo dolazno vidljivo zračenje. Budući da ne postoji nešto poput savršeno crnog ili potpuno bijelog objekta, svi objekti u određenoj mjeri apsorbiraju dolazno vidljivo zračenje.

Ako postoji potreba za zaštitom tijela od hlađenja ili zagrijavanja, tada se koriste tvari niske toplinske vodljivosti. Dakle, za lonce, tave, ručke su izrađene od plastike. Kuće se grade od balvana ili opeke, koje imaju lošu toplinsku vodljivost, što znači da štite prostorije od hlađenja.

Pitanja

  1. Kako se energija prenosi kroz metalnu žicu?
  2. Objasnite iskustvo (vidi sliku 8) koje pokazuje da je toplinska vodljivost bakra veća od toplinske vodljivosti čelika.
  3. Koje tvari imaju najveću i najmanju toplinsku vodljivost? Gdje se koriste?
  4. Zašto krzno, paperje, perje na tijelu životinja i ptica, kao i ljudska odjeća štite od hladnoće?

Vježba 3

  1. Zašto duboki rahli snijeg štiti ozime usjeve od smrzavanja?
  2. Procjenjuje se da je toplinska vodljivost borovih ploča 3,7 puta veća od borove piljevine. Kako objasniti takvu razliku?
  3. Zašto se voda ne smrzava pod debelim slojem leda?
  4. Zašto je izraz "topli krzneni kaput" netočan?

Vježbajte

Uzmite šalicu vruće vode i uronite metalnu i drvenu žlicu u vodu istovremeno. Koja će se žlica brže zagrijati? Kako se toplina izmjenjuje između vode i žlica? Kako se mijenja unutarnja energija vode i žlica?

Međutim, crni predmeti značajno upijaju velika količina vidljivog zračenja od bijelog. stražnja strana kovanice - emisivnost. Na kraju će objekt postići toplinsku ravnotežu, pri čemu će apsorbirana energija dolaznog zračenja biti jednaka energiji emitiranoj kao izlazno zračenje.

I. Organizacijski trenutak

Druga dva faktora su geometrija i ulazna energija. Prema Kirchhoffovom zakonu zračenja, emisivnost i apsorpcija na bilo kojoj frekvenciji su jednake. Za idealno sivo tijelo, i apsorbancija i emisivnost su konstantne, bez obzira na frekvenciju i temperaturu. Sva savršena siva tijela s istom geometrijom i podložna istom dolaznom zračenju na kraju će dosegnuti istu temperaturu ravnoteže.

Prijenos topline u prirodi odvija se uz pomoć provođenja topline, konvekcije i zračenja (apsorpcija i emisija zračenja).

Mehanizam provođenja topline zapravo je objašnjen u prethodnom paragrafu. Uzmimo drugi primjer. Kada se kraj metalne šipke zagrije, njegove se molekule počinju brže kretati, tj. povećava se unutarnja energija tog kraja. Budući da se na drugom kraju štapića molekule kreću sporije, unutar štapića se uz pomoć kaotičnog kretanja atoma i elektrona unutarnja energija prenosi s vrućeg na hladniji kraj. Prijenos unutarnje energije s jednog dijela tvari na drugi, zbog kaotičnog kretanja molekula i drugih čestica tvari, naziva se toplinska vodljivost.

Dakle, trebamo još nešto da objasnimo zašto crni objekti postaju topliji od bijelih. Odgovor je da apsorpcija i emisivnost ovise o frekvenciji i temperaturi stvarnih objekata. Idealna siva tijela ne postoje. Oni su, ako je potrebno, prikladni za približavanje. "Crno" i "bijelo" odnose se na refleksiju u vidljivom području. Objekt bijela boja može biti vrlo crna u toplinskom infracrvenom zračenju. Predmet koji je izrazito bijel, ali termički crn ne zagrijava se toliko kao predmet koji bi bio vidljivo i termički crn.

Među razne vrste metali imaju najbolju toplinsku vodljivost. To je zbog činjenice da sadrže slobodne elektrone. Napominjemo i da je toplinska vodljivost tvari u krutom stanju veća nego u tekućem stanju, a u tekućem stanju veća nego u plinovitom stanju.

Razmotrite bit konvekcije. Da bi se pokazala loša toplinska vodljivost vode, obično se posuda s vodom zagrijava odozgo. Istovremeno, voda može kuhati na vrhu, ali ostati hladna na dnu. Međutim, ako se posuda zagrijava odozdo, tada se voda zagrijava ravnomjerno po cijelom volumenu. To se objašnjava činjenicom da se voda zagrijavanjem širi i njezina se gustoća smanjuje. Ako je zagrijana voda na dnu, tada se gornji, gušći slojevi vode pod djelovanjem gravitacije spuštaju i istiskuju toplu vodu prema gore. Ovo miješanje vode nastavit će se dok sva voda ne provrije. Prijelaz topline do kojeg dolazi miješanjem neravnomjerno zagrijanih slojeva tekućine ili plina pod djelovanjem gravitacije naziva se konvekcija. Lako je vidjeti da u svemirskoj letjelici u bestežinskom stanju nema konvekcije.(Razmotrite zašto je zamrzivač u hladnjacima ojačan na vrhu umjesto na dnu.)

Znanost iza dizajna vreće za spavanje istovremeno je jednostavna, a opet vrlo složena. Tijekom godina, dizajn vreća za spavanje se mijenjao i razvijao kako bi uključio najnovija tehnološka otkrića i koristio najnovije inovativne tkanine i dostupne materijale. Najnoviji napredak u tehnologiji vreća za spavanje uključuje vodootpornu izolaciju od paperja, ultra lagane materijale i prozračne parne brane. Koliko god tehnologija mogla postati složena, cilj dizajna vreće za spavanje je vrlo jednostavan.

Dizajn vreće za spavanje svodi se na jedan krajnji cilj: zadržati mrtvi zrak oko tijela kako se ne bi zagrijavao i smanjio tjelesnu toplinu. Dva glavna čimbenika u dizajnu vreće za spavanje smanjuju prijenos topline dok stvaraju toplinsku izolaciju. Sve ostalo je samo marketing.

Može se činiti da se konvekcija ne može smatrati prijenosom topline, jer je povezana s radom gravitacije. Međutim, tijekom konvekcije, povećanje unutarnje energije tekućine ili plina događa se samo zbog topline dovedene izvana, a učinak gravitacije svodi se samo na ubrzavanje ravnomjernog zagrijavanja tekućine ili plina. Djelovanje gravitacije tijekom konvekcije ne daje dodatni doprinos unutarnjoj energiji tekućine ili plina. Stoga se konvekcija naziva prijenos topline.

Izmjena topline između Sunca i Zemlje odvija se pomoću elektromagnetskog zračenja. Elektromagnetska radijacija nastaje kretanjem električnih naboja i naglo raste s porastom temperature. Zračenje tijela, koje je određeno samo njegovom temperaturom, naziva se toplinsko zračenje.

Proces zračenja nastaje zbog unutarnje energije tijela . Kada zračenje apsorbira neko drugo tijelo, unutarnja energija tijela raste zbog energije apsorbiranog zračenja.Dakle, zračenjem se energija prenosi s jače zagrijanih tijela na manje zagrijana. Ova vrsta prijenosa topline događa se čak i u odsutnosti tvari između tijela.