Które ciało ma najwyższą przewodność cieplną? VI. Praca domowa. III. Nauka nowego materiału

W poprzednim akapicie dowiedzieliśmy się, że podczas opuszczania metalowej igły do ​​szklanki za pomocą gorąca woda bardzo szybko i koniec szprychy stał się gorący. W konsekwencji energia wewnętrzna, jak każdy rodzaj energii, może być przenoszona z jednego ciała do drugiego. Energia wewnętrzna może być również przekazywana z jednej części ciała do drugiej. Tak więc, na przykład, jeśli jeden koniec gwoździa zostanie rozgrzany w płomieniu, to jego drugi koniec, który znajduje się w dłoni, będzie się stopniowo nagrzewał i palił dłoń.

Schemat przedstawiający transfer energii cieplnej przez przewodzenie. Ciepło to interesująca forma energii. Nie tylko utrzymuje nas przy życiu, sprawia, że ​​czujemy się komfortowo i pomaga nam przygotowywać jedzenie, ale zrozumienie jego właściwości jest kluczem do wielu dziedzin badań naukowych. Na przykład wiedza o tym, jak ciepło jest przekazywane i w jakim stopniu różne materiały mogą wymieniać energię cieplną, napędza wszystko, od grzejników budynków po zrozumienie zmian sezonowych w celu wysyłania statków w kosmos.

Ciepło można przenosić tylko na trzy sposoby: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Spośród nich przewodnictwo jest prawdopodobnie najczęstsze i występuje regularnie w przyrodzie. Krótko mówiąc, jest to transmisja poprzez kontakt fizyczny. Dzieje się tak, gdy naciśniesz ręką szybę, gdy postawisz garnek z wodą na aktywnym elemencie, a gdy postawisz żelazko na ogniu.

    Zjawisko przenoszenia energii wewnętrznej z jednej części ciała do drugiej lub z jednego ciała do drugiego, gdy są one w bezpośrednim kontakcie, nazywa się przewodnością cieplną.

Przestudiujmy to zjawisko, wykonując serię eksperymentów z ciałami stałymi, cieczami i gazami.

Włóżmy koniec drewnianego patyka do ognia. Zapali się. Drugi koniec kija, który znajduje się na zewnątrz, będzie zimny. Więc drzewo ma słaba przewodność cieplna.

Ten transfer zachodzi na poziomie molekularnym - z jednego ciała do drugiego - kiedy energia cieplna jest absorbowany przez powierzchnię i powoduje szybszy ruch cząsteczek powierzchni. W tym procesie zderzają się z sąsiadami i przekazują im energię, proces ten trwa tak długo, jak dodawane jest ciepło.

IV. Utrwalenie zdobytej wiedzy na przykładowych zadaniach

Proces przewodzenia ciepła zależy od czterech głównych czynników: przekroju zaangażowanych osób, długości ich drogi i właściwości tych materiałów. Gradient temperatury wynosi wielkość fizyczna, który opisuje, w jakim kierunku i z jaką szybkością zmienia się temperatura w danym miejscu. Temperatura zawsze płynie od najgorętszego do najzimniejszego źródła, ponieważ zimno to nic innego jak brak energii cieplnej. Ten transfer między ciałami trwa do momentu zaniku różnicy temperatur i pojawienia się stanu znanego jako równowaga termiczna.

Przynosimy koniec cienkiego szklanego pręta do płomienia lampy spirytusowej. Po chwili nagrzeje się, a drugi koniec pozostanie zimny. Dlatego szkło ma słaba przewodność cieplna.

Jeśli podgrzejemy końcówkę metalowego pręta w płomieniu, to bardzo szybko cały pręt stanie się bardzo gorący. Nie możemy dłużej trzymać go w naszych rękach.

Ważnym czynnikiem jest również przekrój i długość ścieżki. Im większy rozmiar materiału związanego z transferem, tym więcej ciepła jest potrzebne do jego ogrzania. Ponadto im większa powierzchnia wystawiona na działanie otwartego powietrza, tym większe prawdopodobieństwo. Tak więc krótsze obiekty o mniejszych przekrojach są najlepsze lekarstwo minimalizacja strat.

Przewodzenie ciepła zachodzi przez dowolny materiał reprezentowany tutaj przez prostokątny pręt. Szybkość, z jaką następuje transfer, zależy częściowo od grubości materiału. Wreszcie, ale na pewno nie mniej ważne, właściwości fizyczne materiały. Zasadniczo, jeśli chodzi o ciepło przewodzące, nie wszystkie substancje są sobie równe. Metale i kamień są uważane za dobre przewodniki, ponieważ mogą szybko przenosić ciepło, podczas gdy materiały takie jak drewno, papier, powietrze i tkaniny są słabymi przewodnikami ciepła.

Oznacza to, że metale dobrze przewodzą ciepło, czyli mają świetna przewodność cieplna. Srebro i miedź mają najwyższą przewodność cieplną.

Rozważ przenoszenie ciepła z jednej części ciała stałego na drugą w następującym eksperymencie.

Naprawiamy jeden koniec grubego kabel miedziany w statywie. Przymocuj kilka goździków do drutu za pomocą wosku. Gdy wolny koniec drutu zostanie podgrzany w płomieniu lampy alkoholowej, wosk stopi się. Goździki zaczną stopniowo opadać (ryc. 5). Najpierw znikną te, które są bliżej płomienia, potem cała reszta po kolei.

Te właściwości przewodzące są oceniane na podstawie „współczynnika”, który jest mierzony w stosunku do srebra. Pod tym względem srebro ma współczynnik 100, podczas gdy inne materiały są oceniane niżej. Należą do nich miedź, żelazo, woda i drewno. Na przeciwległym krańcu widma znajduje się idealna próżnia, która nie jest w stanie przewodzić ciepła i dlatego jest równa zeru.

Materiały, które są słabymi przewodnikami ciepła, nazywane są izolatorami. Powietrze o współczynniku przewodności 0,006 jest wyjątkowym izolatorem, ponieważ może być zamknięte w zamkniętej przestrzeni. Dlatego izolatory wykonane przez człowieka wykorzystują komory powietrzne, takie jak okna z podwójnymi szybami, które służą do obniżania rachunków za ogrzewanie. Zasadniczo działają jak bufory przed utratą ciepła.

Ryż. 5. Przenoszenie ciepła z jednej części ciała stałego do drugiej

Dowiedzmy się, jak energia jest przesyłana wzdłuż drutu. Szybkość ruchu oscylacyjnego cząstek metalu wzrasta w tej części drutu, która jest bliżej płomienia. Ponieważ cząstki stale oddziałują ze sobą, wzrasta prędkość ruchu sąsiednich cząstek. Temperatura następnego kawałka drutu zaczyna rosnąć i tak dalej.

Pióra, futra i włókna naturalne to przykłady naturalnych izolatorów. Są to materiały, które utrzymują ciepło ptaków, ssaków i ludzi. Na przykład wydry morskie żyją w wodach oceanicznych, które często są bardzo zimne, a ich luksusowe, grube futro zapewnia im ciepło. Inne ssaki morskie, takie jak lwy morskie, wieloryby i pingwiny, polegają na grubych warstwach tłuszczu, który jest bardzo słabym przewodnikiem, aby zapobiec utracie ciepła przez skórę.

Ta sama logika dotyczy ocieplania domów, budynków, a nawet statków kosmicznych. W takich przypadkach metody obejmują albo uwięzione kieszenie powietrzne między ścianami, włókno szklane lub piankę o dużej gęstości. Statek kosmiczny jest przypadkiem szczególnym i wykorzystuje izolację w postaci pianki, wzmocnionego kompozytu węglowego i płytek krzemionkowych. Wszystkie one są słabymi przewodnikami ciepła i dlatego zapobiegają utracie ciepła w przestrzeni, a także zapobiegają przedostawaniu się do kabiny ekstremalnych temperatur spowodowanych przez opady.

Należy pamiętać, że podczas przewodzenia ciepła nie dochodzi do przenoszenia materii z jednego końca ciała na drugi.

Rozważmy teraz przewodność cieplną cieczy. Weź probówkę z wodą i zacznij podgrzewać jej górną część. Woda na powierzchni wkrótce się zagotuje, a na dnie probówki w tym czasie tylko się nagrzeje (ryc. 6). Oznacza to, że ciecze mają niską przewodność cieplną, z wyjątkiem rtęci i stopionych metali.

Przewodzenie, o czym świadczy nagrzanie metalowego pręta płomieniem. Prawa rządzące przewodnictwem ciepła są bardzo podobne do prawa Ohma, które rządzi przewodnictwem elektrycznym. W tym przypadku dobrym przewodnikiem jest materiał, który umożliwia przepływ prądu elektrycznego bez większych problemów. Izolatorem elektrycznym jest natomiast każdy materiał, którego wewnętrzne ładunki elektryczne nie przepływają swobodnie, a zatem bardzo trudno jest przewodzić prąd elektryczny pod wpływem pola elektrycznego.

W większości przypadków materiały, które są słabymi przewodnikami ciepła, są również słabymi przewodnikami elektryczności. Na przykład miedź jest dobrym przewodnikiem zarówno ciepła, jak i elektryczności, dlatego druty miedziane są szeroko stosowane w produkcji elektroniki. Złoto i srebro są jeszcze lepsze, a tam, gdzie cena nie jest problemem, materiały te wykorzystywane są również do budowy obwodów elektrycznych.

Ryż. 6. Przewodność cieplna cieczy

Wynika to z faktu, że w cieczach cząsteczki znajdują się w większej odległości od siebie niż w cieczach. ciała stałe Oh.

Badamy przewodnictwo cieplne gazów. Suchą probówkę kładziemy na palec i podgrzewamy w płomieniu lampy alkoholowej dnem do góry (rys. 7). Palec przez długi czas nie będzie ciepły.

A kiedy ktoś chce "uziemić" ładunek, wysyła go przez fizyczne połączenie z Ziemią, gdzie ładunek jest tracony. Jest to powszechne w obwodach elektrycznych, w których odsłonięty metal jest czynnikiem zapewniającym, że osoby, które przypadkowo zetkną się, nie zostaną poddane elektromutacji.

Materiały izolacyjne, takie jak guma na podeszwach butów, są noszone, aby chronić ludzi przed pracą na delikatnych materiałach lub przed elektrycznie naładowanymi źródłami zasilania. Inne, takie jak szkło, polimery lub porcelana, są powszechnie stosowane w liniach energetycznych i przekaźnikach mocy wysokiego napięcia, aby utrzymać przepływ energii przez obwody.

Ryż. 7. Przewodność cieplna gazu

Wynika to z faktu, że odległość między cząsteczkami gazu jest nawet większa niż cieczy i ciał stałych. Dlatego przewodność cieplna gazów jest jeszcze mniejsza.

Więc, przewodność cieplna w różne substancje różne.

Doświadczenie pokazane na rysunku 8 pokazuje, że przewodność cieplna różnych metali nie jest taka sama.

Krótko mówiąc, przewodnictwo sprowadza się do przenoszenia ciepła lub przenoszenia ładunku elektrycznego. Oba te zjawiska występują w wyniku zdolności materii do przenoszenia przez nie energii. Czarne przedmioty nie indukują ciepła. Czarne obiekty pochłaniają przychodzące promieniowanie w zakresie widzialnym. Podobnie białe przedmioty nie odbijają ciepła. Odbijają one rozproszone promieniowanie widzialne.

Ale to są kolory. To, czy czerń czy biel są „kolorami”, zależy w dużej mierze od tego, co rozumiesz przez kolor. W przypadku tego pytania lepiej spojrzeć na czerń i biel jako odcienie szarości niż na kolory takie jak czerwony i niebieski. Czym jest ta fizyka? Odpowiedź tkwi w pojęciach emisyjności, chłonności, odbicia i przepuszczalności. Emisyjność to zdolność obiektu do emisji promieniowanie cieplne o idealnym czarnym ciele.

  • Wchłanialność to udział wchodzącego promieniowania pochłoniętego przez obiekt.
  • Współczynnik odbicia to proporcja docierającego promieniowania odbitego przez obiekt.
  • Transmisja to odsetek wchodzącego promieniowania, które przechodzi przez obiekt.
Ostatnie trzy zawierają pełną listę tego, co dzieje się z nadchodzącym promieniowaniem.


Ryż. 8. Przewodność cieplna różnych metali

Wełna, włosy, ptasie pióra, papier, korek i inne mają słabą przewodność cieplną. ciała porowate. Wynika to z faktu, że pomiędzy włóknami tych substancji znajduje się powietrze. Próżnia (przestrzeń uwolniona od powietrza) ma najniższą przewodność cieplną. Wyjaśnia to fakt, że przewodność cieplna to przenoszenie energii z jednej części ciała na drugą, co zachodzi podczas interakcji cząsteczek lub innych cząstek. W przestrzeni, w której nie ma cząstek, przewodzenie ciepła nie może mieć miejsca.

II. Zgłaszanie tematu i celów lekcji

Są one dodawane do 1. Światło wpadające do obiektów nieprzezroczystych jest albo pochłaniane, albo odbijane w stosunku określonym przez chłonność i współczynnik odbicia obiektu. Odbijanie i chłonność wyjaśniają częściowo, dlaczego czarne przedmioty stają się gorętsze niż białe. Idealnie czarny obiekt pochłania całe nadchodzące promieniowanie widzialne, podczas gdy idealnie biały obiekt odbija całe przychodzące promieniowanie widzialne. Ponieważ nie ma czegoś takiego jak idealnie czarny lub całkowicie biały obiekt, wszystkie obiekty w pewnym stopniu pochłaniają przychodzące promieniowanie widzialne.

Jeśli istnieje potrzeba ochrony ciała przed wychłodzeniem lub nagrzaniem, stosuje się substancje o niskiej przewodności cieplnej. Tak więc garnki, patelnie, uchwyty są wykonane z tworzywa sztucznego. Domy budowane są z bali lub cegieł, które mają słabą przewodność cieplną, co oznacza, że ​​chronią pomieszczenia przed wychłodzeniem.

pytania

  1. Jak energia jest przekazywana przez metalowy drut?
  2. Wyjaśnij doświadczenie (patrz rys. 8) pokazujące, że przewodność cieplna miedzi jest większa niż przewodność cieplna stali.
  3. Jakie substancje mają najwyższą i najniższą przewodność cieplną? Gdzie są używane?
  4. Dlaczego futro, puch, pióra na ciele zwierząt i ptaków, a także odzież ludzka chronią przed zimnem?

Ćwiczenie 3

  1. Dlaczego głęboki, luźny śnieg chroni uprawy ozime przed zamarzaniem?
  2. Szacuje się, że przewodność cieplna desek sosnowych jest 3,7 razy większa niż trocin sosnowych. Jak wytłumaczyć taką różnicę?
  3. Dlaczego woda nie zamarza pod grubą warstwą lodu?
  4. Dlaczego wyrażenie „ciepły futro” jest niepoprawne?

Ćwiczenie

Weź filiżankę gorącej wody i jednocześnie zanurz w wodzie metalową i drewnianą łyżkę. Która łyżka szybciej się nagrzeje? Jak wymieniane jest ciepło między wodą a łyżkami? Jak zmienia się energia wewnętrzna wody i łyżek?

Jednak czarne przedmioty pochłaniają znacznie duża ilość promieniowanie widzialne niż białe. tylna strona monety - emisyjność. W końcu obiekt osiągnie równowagę termiczną, przy czym energia pochłonięta z promieniowania przychodzącego będzie równa energii wyemitowanej jako promieniowanie wychodzące.

I. Moment organizacyjny

Pozostałe dwa czynniki to geometria i energia wejściowa. Zgodnie z prawem promieniowania Kirchhoffa emisyjność i absorpcja przy dowolnej częstotliwości są sobie równe. W przypadku idealnego szarego ciała zarówno absorbancja, jak i emisyjność są stałe, niezależnie od częstotliwości i temperatury. Wszystkie idealne ciała szare o tej samej geometrii i poddane takiemu samemu promieniowaniu osiągną w końcu tę samą temperaturę równowagi.

Przenoszenie ciepła w przyrodzie odbywa się za pomocą przewodzenia ciepła, konwekcji i promieniowania (pochłanianie i emisja promieniowania).

Mechanizm przewodzenia ciepła został właściwie wyjaśniony w poprzednim akapicie. Weźmy inny przykład. Gdy koniec metalowego pręta jest podgrzewany, jego cząsteczki zaczynają poruszać się szybciej, czyli wzrasta energia wewnętrzna tego końca. Ponieważ na drugim końcu pręta cząsteczki poruszają się wolniej, wewnątrz pręta, za pomocą chaotycznego ruchu atomów i elektronów, energia wewnętrzna jest przenoszona z gorącego do zimnego końca. Przenoszenie energii wewnętrznej z jednej części substancji na drugą, w wyniku chaotycznego ruchu cząsteczek i innych cząstek substancji, nazywa się przewodnością cieplną.

Potrzebujemy więc czegoś innego, aby wyjaśnić, dlaczego czarne obiekty stają się gorętsze niż białe. Odpowiedź brzmi, że absorbancja i emisyjność zależą od częstotliwości i temperatury rzeczywistych obiektów. Idealne szare ciała nie istnieją. W razie potrzeby nadają się do zbliżania. „Czarny” i „biały” odnoszą się do odbicia w zakresie widzialnym. Obiekt biały kolor może być bardzo czarny w podczerwieni termicznej. Obiekt, który jest wyraźnie biały, ale termicznie czarny nie nagrzewa się tak bardzo, jak obiekt, który byłby widocznie i termicznie czarny.

Wśród różnego rodzaju metale mają najlepszą przewodność cieplną. Wynika to z faktu, że zawierają swobodne elektrony. Zauważamy również, że przewodność cieplna substancji w stanie stałym jest większa niż w stanie ciekłym, a w stanie ciekłym jest większa niż w stanie gazowym.

Rozważ istotę konwekcji. Aby pokazać słabą przewodność cieplną wody, zwykle naczynie z wodą jest podgrzewane od góry. W tym samym czasie woda może wrzeć na górze, ale na dole pozostaje zimna. Jeśli jednak naczynie jest podgrzewane od dołu, woda jest podgrzewana równomiernie w całej objętości. Wyjaśnia to fakt, że woda rozszerza się po podgrzaniu, a jej gęstość maleje. Jeśli podgrzana woda znajduje się na dnie, to górne, gęstsze warstwy wody opadają pod wpływem grawitacji i wypierają ciepłą wodę w górę. To mieszanie wody będzie kontynuowane, aż cała woda się zagotuje. Przenoszenie ciepła, które zachodzi, gdy nierównomiernie nagrzane warstwy cieczy lub gazu mieszają się pod wpływem grawitacji, nazywa się konwekcją. Łatwo zauważyć, że w statku kosmicznym w stanie nieważkości nie ma konwekcji.(Zastanów się, dlaczego zamrażarka w lodówkach jest wzmocniona na górze, a nie na dole).

Nauka stojąca za projektowaniem śpiwora jest jednocześnie prosta, a jednocześnie bardzo złożona. Przez lata projekt śpiwora zmieniał się i ewoluował, aby uwzględniać najnowsze przełomy technologiczne i wykorzystywać najnowsze dostępne innowacyjne tkaniny i materiały. Ostatnie postępy w technologii śpiworów obejmują wodoodporną izolację puchową, ultralekkie materiały i oddychające paroizolacje. Ponieważ technologia może być skomplikowana, cel projektowania śpiworów jest bardzo prosty.

Konstrukcja śpiwora sprowadza się do jednego, nadrzędnego celu: uwięzienia martwego powietrza wokół ciała tak, aby się nie nagrzewało i zmniejszenia temperatury ciała. Dwa główne czynniki, które odgrywają rolę w projektowaniu śpiworów, zmniejszają przenoszenie ciepła, jednocześnie tworząc izolację termiczną. Wszystko inne to tylko marketing.

Może się wydawać, że konwekcji nie można uznać za przenoszenie ciepła, ponieważ wiąże się ona z pracą grawitacji. Jednak podczas konwekcji wzrost energii wewnętrznej cieczy lub gazu następuje tylko dzięki doprowadzeniu ciepła z zewnątrz, a efekt grawitacji sprowadza się jedynie do przyspieszenia równomiernego nagrzewania cieczy lub gazu. Działanie grawitacji podczas konwekcji nie daje dodatkowego wkładu w energię wewnętrzną cieczy lub gazu. Dlatego konwekcja nazywana jest przenoszeniem ciepła.

Wymiana ciepła między Słońcem a Ziemią odbywa się za pomocą promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie elektromagnetyczne powstaje w wyniku ruchu ładunków elektrycznych i gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Promieniowanie ciała, które jest określane tylko przez jego temperaturę, nazywa się promieniowaniem cieplnym.

Proces promieniowania zachodzi dzięki wewnętrznej energii ciała . Kiedy promieniowanie jest pochłaniane przez inne ciało, energia wewnętrzna ciała wzrasta ze względu na energię pochłanianego promieniowania.W ten sposób za pomocą promieniowania energia jest przenoszona z bardziej nagrzanych ciał do mniej nagrzanych. Ten rodzaj wymiany ciepła występuje nawet przy braku materii między ciałami.