熱伝導率が低いです。 II 学生の科学研究と創作物の国際コンペティション「Start in Science」
熱エネルギーは、物体内の分子の活動レベルを説明するために使用される用語です。 励起の増加は何らかの形で温度の上昇に関連しますが、冷たい物体では原子の移動ははるかに遅くなります。
熱伝達の例は、自然界、テクノロジー、環境などあらゆる場所で見られます。 日常生活.
熱エネルギー伝達の例
熱伝達の最大の例は太陽であり、地球とその上のすべてのものを暖めます。 日常生活では、それほどグローバルではない意味でのみ、同様の選択肢がたくさん見つかります。 では、日常生活ではどのような熱伝達の例が観察されるのでしょうか?
その一部を次に示します。
熱は動きです
熱の流れは絶えず動いています。 それらの伝達の主な方法は、慣習、放射線、伝導と呼ぶことができます。 これらの概念をさらに詳しく見てみましょう。
導電性とは何ですか?
おそらく多くの人は、同じ部屋にいても床に触れる感覚がまったく異なることに何度も気づいたことがあるでしょう。 カーペットの上を歩くのも暖かくて気持ちいいですが、素足でバスルームに入ると、ひんやりとした冷たさがすぐに元気を与えてくれます。 ただ、床暖房がある場合は別ですが。
では、なぜタイル張りの表面が凍結するのでしょうか? これはすべて熱伝導率によるものです。 これは 3 種類の熱伝達のうちの 1 つです。 オブジェクトが 2 つあるとき 異なる温度互いに接触すると、熱エネルギーがそれらの間を流れます。 この場合の熱伝達の例としては、次のようなものがあります。金属板をつかみ、そのもう一方の端をろうそくの炎の上に置くと、時間が経つと灼熱感や痛みを感じるようになります。また、鉄の取っ手に触れると、鍋に熱湯を入れると火傷をする可能性があります。
導電率
導電性の良し悪しは、いくつかの要因によって決まります。
- アイテムが作られている素材の種類と品質。
- 接触している 2 つの物体の表面積。
- 2 つの物体の間の温度差。
- オブジェクトの厚さとサイズ。
方程式で表すと、次のようになります。物体への熱伝達率は、その物体が構成されている材料の熱伝導率に、接触している表面積を掛け、2 つの物体の間の温度差を掛けたものと等しくなります。そして材料の厚さで割ります。 それは簡単です。
導電率の例
ある物体から別の物体への熱の直接伝達は伝導と呼ばれ、熱をよく伝導する物質は導体と呼ばれます。 一部の材料や物質はこの役割にうまく対応できず、それらは絶縁体と呼ばれます。 これらには、木材、プラスチック、グラスファイバー、さらには空気も含まれます。 ご存知のとおり、断熱材は熱の流れを実際に止めるのではなく、単に熱の流れをある程度遅くするだけです。
対流
対流などのこのタイプの熱伝達は、すべての液体と気体で発生します。 このような熱伝達の例は、自然界や日常生活の中で見つけることができます。 液体が加熱されると、底部の分子がエネルギーを獲得してより速く動き始め、その結果密度が減少します。 温かい流体の分子は上向きに移動し始めますが、冷却剤 (より密度の高い液体) は沈み始めます。 冷たい分子が底部に到達すると、再びエネルギーの分け前を受け取り、再び上部に急上昇します。 底に熱源がある限り、このサイクルは続きます。
自然界の熱伝達の例は次のとおりです。特別に装備されたバーナーの助けを借りて、暖かい空気が気球の空間を満たし、構造全体を十分な高さまで上昇させることができます。重要なのは、暖かい空気が冷たい空気より軽い。
放射線
火の前に座ると、そこから発せられる熱で体が温まります。 燃えている電球に触れずに手のひらを近づけた場合も、同じことが起こります。 温かさも感じられますよ。 日常生活や自然における熱伝達の最大の例は、太陽エネルギーによって引き起こされます。 毎日、太陽の熱は 1 億 4,600 万 km の空の空間を通って地球そのものに到達します。 それは、今日私たちの地球上に存在するあらゆる形態と生命システムの原動力です。 この伝達方法がなければ、私たちは大きな問題に直面し、世界は私たちが知っているものと同じではなくなっていたでしょう。
放射線とは、電波、赤外線、X線、さらには可視光などの電磁波を使用した熱の伝達です。 人間自身を含むすべての物体は放射エネルギーを放出および吸収しますが、すべての物体や物質がこの課題に等しくうまく対処できるわけではありません。 日常生活における熱伝達の例は、従来のアンテナを使用して考えることができます。 一般に、よく放出するものはよく吸収します。 地球は太陽からエネルギーを受け取り、それを宇宙に放出しています。 この放射線エネルギーは地球放射線と呼ばれ、地球上の生命そのものを可能にするものです。
自然、日常生活、テクノロジーにおける熱伝達の例
エネルギー伝達、特に熱エネルギーは、すべてのエンジニアにとって基本的な研究分野です。 放射線は地球を居住可能な環境にし、再生可能な太陽エネルギーを生み出します。 対流は力学の基礎であり、建物内の空気の流れと住宅内の空気交換に関与します。 導電性があるので火にかけるだけで加熱できます。
テクノロジーや自然における熱伝達の例は明白であり、世界中で見られます。 それらのほとんどすべてが、特に機械工学の分野で大きな役割を果たしています。 たとえば、建物の換気システムを設計する場合、エンジニアは内部の熱伝達だけでなく、建物の周囲への熱伝達も計算します。 また、効率を最適化するために、個々のコンポーネントを通る熱伝達を最小限または最大にする材料を選択します。
蒸発
液体 (水など) の原子または分子が大量のガスにさらされると、それらは自発的にガス状態になるか、蒸発する傾向があります。 これは、分子が常にランダムな速度で異なる方向に移動し、互いに衝突するために起こります。 これらのプロセス中に、それらの一部は熱源から反発するのに十分な運動エネルギーを受け取ります。
ただし、すべての分子が蒸発して水蒸気になる時間があるわけではありません。 それはすべて温度に依存します。 したがって、グラスに入った水は、ストーブで加熱された鍋よりもゆっくりと蒸発します。 水を沸騰させると分子のエネルギーが大幅に増加し、蒸発プロセスが加速されます。
基本概念
- 伝導とは、原子または分子の直接接触による物質を介した熱の伝達です。
- 対流は、気体 (空気など) または液体 (水など) の循環による熱の伝達です。
- 輻射は、吸収される熱量と反射される熱量の差です。 この能力は色に大きく依存しており、黒い物体は明るい物体よりも多くの熱を吸収します。
- 蒸発は、液体状態の原子または分子が十分なエネルギーを獲得して気体または蒸気になるプロセスです。
- 地球の大気中に太陽からの熱を閉じ込め、温室効果を生み出すガスです。 水蒸気と二酸化炭素という 2 つの主要なカテゴリがあります。
- - これらは、迅速かつ自然に補充される無限のリソースです。 これらには、自然界およびテクノロジーにおける熱伝達の例として、風力や太陽エネルギーが含まれます。
- 熱伝導率は物質が移動する速度です 熱エネルギーあなた自身を通して。
- 熱平衡とは、システムのすべての部分が同じ温度にある状態です。
実際の応用
自然界やテクノロジーにおける熱伝達の数多くの例 (上の写真) は、これらのプロセスがよく研究され、有益に使用されるべきであることを示しています。 エンジニアは熱伝達の原理に関する知識を応用し、再生可能資源を使用し、人体への破壊性が低い新しい技術を探索します。 環境。 重要なのは、エネルギー伝達によってエンジニアリング ソリューションなどの無限の可能性が開かれることを理解することです。
内部エネルギーは、他の種類のエネルギーと同様に、ある体から別の体に伝達できます。内部エネルギーは身体のある部分から別の部分に伝達されます。 したがって、たとえば、爪の一端が炎で加熱されると、手の中にあるもう一方の端が徐々に熱くなり、手を火傷します。 直接接触中に、物体のある部分から別の部分へ、またはある物体から別の物体へ内部エネルギーが伝達される現象は、熱伝導率と呼ばれます。
固体、液体、気体を使った一連の実験を行って、この現象を研究してみましょう。 木の棒の先端を火の中に入れてみましょう。 発火してしまいます。 外側にある棒のもう一方の端は冷えています。 これは、木が持っていることを意味します 熱伝導率が悪い。 細いガラス棒の先端をアルコールランプの炎にあててみましょう。 しばらくすると熱くなりますが、もう一方の端は冷たいままです。 したがって、ガラスも熱伝導率が低くなります。 金属棒の端を炎で加熱すると、すぐに棒全体が非常に熱くなります。 もう私たちはそれを手に持つことができなくなります。 これは、金属が熱をよく伝え、つまり熱伝導率が高いことを意味します。 最高の熱伝導率銀と銅があります。
次の実験では、固体のある部分から別の部分への熱の伝達を考えてみましょう。 太い片方の端を固定しましょう 銅線三脚の上で。 いくつかの釘をワックスでワイヤーに取り付けます（図6）。 ワイヤーの自由端をアルコールランプの炎で加熱すると、ワックスが溶けます。 カーネーションは徐々に散り始めます。 まず、炎の近くにいたものが消えていき、次に残りが順番に消えていきます。 エネルギーが電線を介してどのように伝達されるかを調べてみましょう。 金属粒子の振動運動の速度は、火炎に近いワイヤの部分で増加します。 粒子は常に相互作用しているため、隣り合う粒子の移動速度は速くなります。 ワイヤの次の部分の温度が上昇し始めます。熱伝導中、本体の一端からもう一端への物質の移動は存在しないことに注意してください。 ここで液体の熱伝導率を考えてみましょう。 水を入れた試験管を用意し、上部を加熱し始めましょう。 表面の水はすぐに沸騰しますが、この間、試験管の底では温度が上がるだけです（図7）。
これは、水銀と溶融金属を除いて、液体の熱伝導率が低いことを意味します。 これは、液体中では分子が液体よりも互いに遠く離れて位置しているという事実によって説明されます。 固体。 気体の熱伝導率を調べてみましょう。 乾いた試験管を指に置き、アルコールランプの炎で逆さまに加熱します（図8）。
指は長時間熱を感じません。 これは、気体分子間の距離が液体や固体の距離よりもさらに大きいためです。 したがって、ガスの熱伝導率はさらに低くなります。 したがって、熱伝導率は、 さまざまな物質違う。 図 9 に示す経験は、異なる金属の熱伝導率が同じではないことを示しています。 羊毛、髪の毛、鳥の羽、紙、コルクなどは熱伝導率が低いです。 多孔質体。 これは、これらの物質の繊維の間に空気が含まれているという事実によるものです。 真空（空気のない空間）は熱伝導率が最も低くなります。 
これは、熱伝導率が身体のある部分から別の部分へのエネルギーの移動であり、分子または他の粒子の相互作用中に発生するという事実によって説明されます。粒子のない空間では熱伝導は起こりません。 体を冷却または加熱から保護する必要がある場合は、熱伝導率の低い物質が使用されます。 そのため、鍋やフライパンの取っ手はプラスチックでできています。 家は丸太やレンガで建てられていますが、熱伝導率が低いため、建物が冷えるのを防ぎます。
2 つの媒体間の熱交換は、媒体を隔てる固体壁または媒体間の界面を通じて発生します。
熱は、温度の高い物体から温度の低い物体へのみ移動します。
熱交換は常に、一部の物体の内部エネルギーの減少が、熱交換に参加している他の物体の内部エネルギーの同様の増加を常に伴うように進行します。
熱伝導率
熱伝導率は、物体のより加熱された部分の粒子 (分子、原子) から、より加熱されていない部分の粒子へのエネルギーの直接伝達が行われる熱伝達の一種です。
熱伝導率には物質の移動は伴いません。 熱伝導中、物質自体は体に沿って移動せず、エネルギーのみが伝達されることを覚えておく必要があります。
物質が異なれば熱伝導率も異なります。
次の実験を実行できます - ガラスを持ってください お湯そこにさまざまな素材（アルミニウム、白銅、スチール、木、プラスチック）で作られたスプーンを置きます。3分後、スプーンが均等に加熱されるかどうかを確認します?? 結果を分析する
この表は、金属が最も高い熱伝導率を持っていることを示しています。 さらに、金属が異なれば熱伝導率も異なります。
液体は固体よりも熱伝導率が低く、気体は液体よりも熱伝導率が低くなります。
液体の熱伝導率に関する実験を考えてみましょう。 水の入った樽の底に氷を入れ、水の上層をボイラーで加熱するとします。 すると、表面の水はすぐに沸騰しますが、下の氷は溶けません。 これは、液体では固体よりも分子が互いに遠く離れて位置しているという事実によって説明されます。
髪の毛、羽毛、紙、コルク、その他の多孔質体も熱伝導率が低くなります。 これは、これらの物質の繊維の間に空気が含まれているという事実によるものです。 真空（空気のない空間）は熱伝導率が最も低くなります。 これは、熱伝導率が身体のある部分から別の部分へのエネルギーの移動であり、分子または他の粒子の相互作用中に発生するという事実によって説明されます。 粒子のない空間では熱伝導は起こりません。
金属 - 固体 - 液体 - 気体
熱伝導率の低下
体を冷却または加熱から保護する必要がある場合は、熱伝導率の低い物質が使用されます。 そのため、ラジエーターの蛇口のハンドルはプラスチックで作られており、ポットのハンドルも同様の合金で作られています。 家は丸太や多孔質レンガで建てられていますが、熱伝導率が低いため、建物が冷えるのを防ぎます。
現在、多くの地域で高床式の建物が建てられ始めています。 この場合、熱は基礎から杭、さらに杭から地盤へと熱伝導のみで伝わり、杭は耐久性の高い固体材料で作られ、その中には灯油が充填されています。 夏はパイルの上から下への熱伝導が悪くなります。 液体の熱伝導率は低いです。 冬には、パイル内の液体の対流により、逆に土壌のさらなる冷却に寄与します。
熱伝導率- これは熱伝達の一種で、体のより加熱された部分の粒子（分子、原子）から、より加熱されていない部分の粒子へのエネルギーの直接伝達です。
固体、液体、気体の加熱に関する一連の実験を考えてみましょう。
輻射熱伝達。
輻射熱伝達- さまざまな光線によってエネルギーが伝達される熱交換です。
これらは太陽光線だけでなく、周囲の加熱された物体から発せられる光線も含まれます。
たとえば、火の近くに座ると、熱が火から体にどのように伝わるかを感じます。 しかし、このような熱伝達の理由は、熱伝導率 (炎と本体の間の空気にとって非常に小さい) または対流 (対流は常に上向きであるため) のいずれかであることはできません。 ここで 3 番目のタイプの熱交換が行われます - 輻射熱伝達.
片面を燻製した小さなフラスコを用意しましょう。
ストッパーに直角に曲げたガラス管を差し込みます。 細い流路をもつこの管に、色の付いた液体を入れます。 チューブにスケールを取り付けると、デバイスが得られます。 サーモスコープ。 この装置を使用すると、燻製フラスコ内の空気のわずかな加熱さえも検出できます。
高温に加熱された金属片をサーモスコープの暗い表面に近づけると、液柱が右に移動します。 明らかに、フラスコ内の空気は加熱されて膨張しました。 サーモスコープ内の空気の急速な加熱は、加熱された物体からのエネルギーの伝達によってのみ説明できます。 火災の場合と同様、ここでのエネルギーは熱伝導率によっても対流熱伝達によっても伝達されません。 この場合のエネルギーは、加熱された物体から放射される不可視光線を使用して伝達されました。 これらの光線は次のように呼ばれます 熱放射.
放射熱交換は完全な真空中で発生する可能性があります。 これが他のタイプの熱交換と区別されます。
すべての物体はエネルギーを放出します。たとえば、人体、ストーブ、電球など、強く加熱されるものと弱く加熱されるものがあります。 しかし、体温が高くなるほど、熱放射も強くなります。 放出されたエネルギーは他の物体に到達し、部分的に吸収され、部分的に反射されます。 エネルギーを吸収すると 熱放射体の内部エネルギーに変わり、発熱します。
明るい表面と暗い表面ではエネルギーの吸収が異なります。 したがって、サーモスコープを使った実験でフラスコを加熱された物体に向けて、最初に燻製側を、次にライト側を向けると、最初の場合の液柱は、2 番目の場合よりも長い距離を移動します。上の図）。 このことから、暗い表面を持つ物体は、明るい表面や鏡面を持つ物体よりもエネルギーをよく吸収する (したがって、より多く加熱する) ということがわかります。
表面が暗い物体は、エネルギーをよりよく吸収するだけでなく、よりよくエネルギーを放出します。
さまざまな方法で放射線エネルギーを吸収する能力は、テクノロジーで広く使用されています。 たとえば、風船や飛行機の翼は、太陽光線からの熱を減らすために銀色に塗装されることがよくあります。
太陽エネルギーを使用する必要がある場合（たとえば、人工衛星に設置された一部のデバイスを加熱するため）、これらのデバイスは暗く塗られます。
熱交換- これは、身体や身体そのものに働きかけることなく、内部エネルギーを変化させるプロセスです。
熱交換は常に特定の方向に発生します。 温度の高い物体から温度の低い物体へ.
体温が均一になると、熱交換は停止します。
熱交換は次の 3 つの方法で実行できます。
- 熱伝導率
- 対流
- 放射線
熱伝導率
熱伝導率- 直接接触したときに、身体のある部分から別の部分へ、またはある体から別の体へ内部エネルギーが移動する現象。
金属は熱伝導率が最も高い- 彼らはそれを水の何百倍も持っています。 例外は水銀と鉛です。, しかし、ここでは熱伝導率が水の数十倍です。
金属製の編み針をお湯の入ったコップに入れると、すぐに編み針の端も熱くなりました。 その結果、内部エネルギーは、他の種類のエネルギーと同様に、ある体から別の体に移動する可能性があります。 内部エネルギーは身体のある部分から別の部分に伝達されます。 したがって、たとえば、爪の一端が炎で加熱されると、手の中にあるもう一方の端が徐々に熱くなり、手を火傷します。
電気ストーブ上の鍋の加熱は、熱伝導によって起こります。
固体、液体、気体を使った一連の実験を行って、この現象を研究してみましょう。
木の棒の先端を火の中に入れてみましょう。 発火してしまいます。 外側にある棒のもう一方の端は冷えています。 手段、 木材は熱伝導率が悪い.
細いガラス棒の先端をアルコールランプの炎にあててみましょう。 しばらくすると熱くなりますが、もう一方の端は冷たいままです。 したがって、そして ガラスは熱伝導率が悪い.
金属棒の端を炎で加熱すると、すぐに棒全体が非常に熱くなります。 もう私たちはそれを手に持つことができなくなります。
手段、 金属は熱をよく伝えます。つまり、熱伝導率が高いのです。 銀と銅は熱伝導率が最も高い.
物質が異なれば熱伝導率も異なります。
羊毛、毛髪、鳥の羽、紙、コルク、その他の多孔質体は熱伝導率が低くなります。これは、これらの物質の繊維の間に空気が含まれているという事実によるものです。 真空（空気のない空間）は熱伝導率が最も低くなります。これは、熱伝導率が身体のある部分から別の部分へのエネルギーの移動であり、分子または他の粒子の相互作用中に発生するという事実によって説明されます。 粒子のない空間では熱伝導は起こりません。
体を冷却または加熱から保護する必要がある場合は、熱伝導率の低い物質が使用されます。 そのため、鍋やフライパンの取っ手はプラスチックでできています。 家は熱伝導率が低い丸太やレンガで建てられているため、冷房から守られています。
対流
対流液体または気体の流れによってエネルギーを伝達することによって実行される熱伝達プロセスです。
対流現象の例: ロウソクの炎や電球の上に置かれた小さな紙の風車が、上昇する加熱された空気の影響を受けて回転し始めます。 この現象はこのように説明できます。 暖かいランプに触れた空気は加熱されて膨張し、周囲の冷たい空気よりも密度が低くなります。 暖かい空気に冷たい空気の側から下から上に向かって働くアルキメデスの力は、暖かい空気に働く重力よりも大きくなります。 その結果、加熱された空気が「浮遊」して上昇し、冷たい空気がその代わりをします。
対流中、エネルギーは気体または液体のジェット自体によって伝達されます。
対流には 2 つのタイプがあります。
- ナチュラル（または無料）
- 強制的
液体や気体で対流が起こるには、下から加熱する必要があります。
固体では対流は起こりません。
放射線
放射線 - 電磁放射、特定の温度にある物質による内部エネルギーによって放出されます。
黒体の基準を満たす物体からの熱放射のパワーは、次のように記述されます。 ステファン・ボルツマンの法則。
物体の放射能力と吸収能力の関係が説明されています。 キルヒホッフの放射の法則。
放射によるエネルギー伝達は他のタイプの熱伝達とは異なります。 完全真空中で実行可能.
すべての物体はエネルギーを放出します。たとえば、人体、ストーブ、電球など、高温の物体と弱く加熱された物体の両方です。しかし、物体の温度が高くなるほど、より多くのエネルギーが放射線によって伝達されます。 この場合、エネルギーはこれらの物体によって部分的に吸収され、部分的に反射されます。 エネルギーが吸収されると、物体の加熱方法は表面の状態に応じて異なります。
表面が暗い物体は、表面が明るい物体よりもエネルギーの吸収と放出が優れています。 同時に、暗い表面を持つ天体は、明るい表面を持つ天体よりも放射線によって速く冷えます。 たとえば、明るい色のやかんはお湯をより長く保持します。 高温暗闇の中よりも。