Quais corpos têm a maior condutividade térmica? VI. Trabalho de casa. III. Aprendendo novo material
No parágrafo anterior, descobrimos que ao abaixar uma agulha de tricô de metal em um copo com água quente logo a ponta da agulha de tricô também ficou quente. Conseqüentemente, a energia interna, como qualquer tipo de energia, pode ser transferida de um corpo para outro. A energia interna pode ser transferida de uma parte do corpo para outra. Assim, por exemplo, se uma extremidade de um prego for aquecida na chama, a outra extremidade, localizada na mão, aquecerá gradualmente e queimará a mão.
Diagrama mostrando a transferência de energia térmica por condução. O calor é uma forma interessante de energia. Não só nos mantém vivos, confortáveis e nos ajuda a preparar a nossa comida, mas compreender as suas propriedades é fundamental para muitas áreas da investigação científica. Por exemplo, saber como o calor é transferido e até que ponto vários materiais pode trocar energia térmica, gerencia tudo, desde a construção de aquecedores e a compreensão das mudanças sazonais até o envio de naves ao espaço.
O calor só pode ser transferido de três maneiras: condução, convecção e radiação. Destes, a condução é talvez a mais comum e ocorre regularmente na natureza. Em suma, é a transmissão através do contato físico. Isso acontece quando você pressiona a mão na vidraça de uma janela, quando coloca uma panela com água sobre um elemento ativo e quando coloca ferro no fogo.
O fenômeno de transferência de energia interna de uma parte do corpo para outra ou de um corpo para outro durante seu contato direto é denominado condutividade térmica.
Vamos estudar esse fenômeno realizando uma série de experimentos com sólidos, líquidos e gases.
Vamos levar a ponta de uma vara de madeira ao fogo. Ele irá acender. A outra extremidade do bastão, localizada do lado de fora, estará fria. Isso significa que a árvore tem baixa condutividade térmica.
Esta transferência ocorre a nível molecular – de um corpo para outro – quando energia térmicaé absorvido por uma superfície e faz com que as moléculas dessa superfície se movam mais rápido. No processo, eles colidem com seus vizinhos e transferem energia para eles, um processo que continua enquanto o calor for adicionado.
4. Consolidar os conhecimentos adquiridos através de exemplos de problemas
O processo de condução térmica depende de quatro fatores principais: a seção transversal dos envolvidos, o comprimento do caminho e as propriedades desses materiais. O gradiente de temperatura é quantidade física, que descreve em que direção e com que taxa a temperatura muda em um determinado local. A temperatura sempre flui da fonte mais quente para a mais fria, pois o frio nada mais é do que ausência de energia térmica. Essa transferência entre corpos continua até que a diferença de temperatura seja interrompida, criando um estado conhecido como equilíbrio térmico.
Vamos levar a ponta de uma fina vareta de vidro até a chama da lamparina a álcool. Depois de um tempo, ele esquentará, mas a outra extremidade permanecerá fria. Portanto, o vidro também tem baixa condutividade térmica.
Se aquecermos a extremidade de uma barra de metal em uma chama, muito em breve toda a barra ficará muito quente. Não poderemos mais segurá-lo em nossas mãos.
A seção transversal e o comprimento do caminho também são fatores importantes. Quanto maior o tamanho do material envolvido na transferência, mais calor será necessário para aquecê-lo. Além disso, quanto maior for a área de superfície exposta ao ar livre, maior será a probabilidade de ocorrer. Assim, objetos mais curtos com seções transversais menores são a melhor maneira minimizando perdas.
A condução térmica ocorre através de qualquer material, aqui representado por uma haste retangular. A taxa na qual a transferência ocorre depende em parte da espessura do material. Por último mas certamente não menos importante, propriedades físicas materiais. Basicamente, quando se trata de condução de calor, nem todas as substâncias são criadas iguais. Metais e pedras são considerados bons condutores porque podem transferir calor rapidamente, enquanto materiais como madeira, papel, ar e tecido são maus condutores de calor.
Isto significa que os metais conduzem bem o calor, ou seja, eles têm maior condutividade térmica. Prata e cobre têm a maior condutividade térmica.
Consideremos a transferência de calor de uma parte de um corpo sólido para outra na experiência a seguir.
Vamos proteger uma extremidade da espessura fio de cobre em um tripé. Colocamos vários pregos no fio com cera. Quando a extremidade livre do fio é aquecida na chama de uma lamparina a álcool, a cera derrete. Os cravos começarão a cair gradativamente (Fig. 5). Primeiro, aqueles que estão mais próximos da chama desaparecerão, depois todo o resto, por sua vez.
Essas propriedades condutoras são avaliadas com base em um “fator” medido em relação à prata. A este respeito, a prata tem um fator de 100, enquanto outros materiais têm uma pontuação inferior. Estes incluem cobre, ferro, água e madeira. No extremo oposto do espectro existe um vácuo perfeito, que é incapaz de conduzir calor e, portanto, é classificado como zero.
Os materiais que são maus condutores de calor são chamados de isolantes. O ar, que tem um coeficiente de condutividade de 0,006, é um isolante excepcional porque pode ficar contido em um espaço confinado. É por isso que os isoladores artificiais utilizam compartimentos de ar, como unidades de vidros duplos, que são usados para reduzir as contas de aquecimento. Basicamente, eles atuam como amortecedores contra a perda de calor.
Arroz. 5. Transferência de calor de uma parte de um sólido para outra
Vamos descobrir como a energia é transferida através de um fio. A velocidade do movimento oscilatório das partículas metálicas aumenta na parte do fio que está mais próxima da chama. Como as partículas interagem constantemente umas com as outras, a velocidade de movimento das partículas vizinhas aumenta. A temperatura da próxima parte do fio começa a subir, etc.
Penas, peles e fibras naturais são exemplos de isolantes naturais. São materiais que mantêm pássaros, mamíferos e pessoas aquecidos. As lontras marinhas, por exemplo, vivem em águas oceânicas que muitas vezes são muito frias, e seu pêlo luxuosamente espesso as mantém aquecidas. Outros mamíferos marinhos, como leões marinhos, baleias e pinguins, dependem de espessas camadas de gordura – um condutor muito fraco – para evitar a perda de calor através da pele.
A mesma lógica é aplicada para isolar casas, edifícios e até naves espaciais. Nestes casos, os métodos envolvem a retenção de bolsas de ar entre as paredes, fibra de vidro ou espuma de alta densidade. A espaçonave é um caso especial e utiliza isolamento na forma de espuma, material compósito de carbono reforçado e telhas de sílica. Todos eles são maus condutores de calor e, portanto, evitam a perda de calor no espaço e também evitam que temperaturas extremas causadas pela precipitação entrem na cabine de comando.
Deve-se lembrar que com a condução térmica não há transferência de substância de uma extremidade para a outra do corpo.
Consideremos agora a condutividade térmica dos líquidos. Vamos pegar um tubo de ensaio com água e começar a aquecer sua parte superior. A água na superfície logo ferverá e no fundo do tubo de ensaio durante esse tempo apenas aquecerá (Fig. 6). Isto significa que os líquidos têm baixa condutividade térmica, com exceção do mercúrio e dos metais fundidos.
Condução, evidenciada pelo aquecimento de uma haste de metal com chama. As leis que regem a condutividade térmica são muito semelhantes à Lei de Ohm, que rege a condutividade elétrica. Nesse caso, um bom condutor é aquele material que permite a passagem da corrente elétrica sem muitos problemas. Em contraste, um isolante elétrico é qualquer material cujas cargas elétricas internas não fluem livremente e são, portanto, muito difíceis de conduzir. eletricidade sob a influência de um campo elétrico.
Na maioria dos casos, os materiais que são maus condutores de calor também são maus condutores de eletricidade. Por exemplo, o cobre é um bom condutor de calor e eletricidade, razão pela qual os fios de cobre são amplamente utilizados na fabricação de eletrônicos. Ouro e prata são ainda melhores e, onde o preço não é problema, esses materiais também são utilizados na construção de circuitos elétricos.
Arroz. 6. Condutividade térmica do líquido
Isso é explicado pelo fato de que nos líquidos as moléculas estão localizadas a distâncias maiores umas das outras do que em sólidos Oh.
Vamos estudar a condutividade térmica dos gases. Coloque o tubo de ensaio seco no dedo e aqueça-o de cabeça para baixo na chama de uma lamparina a álcool (Fig. 7). O dedo não sentirá o calor por muito tempo.
E quando alguém procura “aterrar” uma carga, envia-a através de uma conexão física para a Terra, onde a carga é perdida. Isso é comum em circuitos elétricos nos quais o metal exposto é um fator que garante que as pessoas que entram em contato acidentalmente não sejam eletromutadas.
Materiais isolantes, como borracha nas solas dos sapatos, são usados para fornecer proteção às pessoas ao manusear materiais sensíveis ou fontes de alimentação contra cargas elétricas. Outros, como vidro, polímeros ou porcelana, são comumente usados em linhas de energia e transmissores de energia de alta tensão para manter a energia fluindo através dos circuitos.
Arroz. 7. Condutividade térmica do gás
Isso se deve ao fato de que a distância entre as moléculas do gás é ainda maior que a dos líquidos e sólidos. Consequentemente, a condutividade térmica dos gases é ainda menor.
Então, condutividade térmica várias substâncias diferente.
O experimento representado na Figura 8 mostra que a condutividade térmica de diferentes metais não é a mesma.
Em suma, a condução se resume à transferência de calor ou à transferência de carga elétrica. Ambos ocorrem como resultado da capacidade de uma substância transferir energia através deles. Objetos pretos não geram calor. Objetos pretos absorvem a radiação que chega na faixa visível. Da mesma forma, os objetos brancos não refletem calor. Eles refletem difusamente a radiação visível recebida.
Mas estas são cores. Se preto ou branco são “cores” depende muito do que você entende por cor. Para esta questão, é melhor considerar o preto e o branco como tons de cinza, em vez de cores como vermelho e azul. Que tipo de física é essa? A resposta está nos conceitos de emissividade, absortividade, refletância e transmitância. Emissividade é a capacidade de um objeto irradiar radiação térmica em relação a um corpo negro ideal.
- Absorvibilidade é a fração da radiação recebida que é absorvida por um objeto.
- A refletividade é a fração da radiação recebida que é refletida por um objeto.
- Transmissão é a fração da radiação recebida que passa através de um objeto.
Arroz. 8. Condutividade térmica de diferentes metais
Lã, cabelo, penas de pássaros, papel, cortiça e outros apresentam baixa condutividade térmica. corpos porosos. Isso se deve ao fato do ar estar contido entre as fibras dessas substâncias. O vácuo (espaço livre de ar) tem a menor condutividade térmica. Isso se explica pelo fato de que a condutividade térmica é a transferência de energia de uma parte do corpo para outra, que ocorre durante a interação de moléculas ou outras partículas. Num espaço onde não existem partículas, a condução térmica não pode ocorrer.
II. Comunicar o tema e os objetivos da aula
Eles são adicionados a 1. A luz que entra em objetos opacos é absorvida ou refletida em uma proporção determinada pela absortividade e refletância do objeto. A refletividade e a absortividade explicam parte do motivo pelo qual os objetos pretos se tornam mais quentes que os objetos brancos. Um objeto completamente preto absorve toda a radiação visível que chega, e um objeto completamente branco reflete toda a radiação visível que chega. Como não existe um objeto completamente preto ou completamente branco, todos os objetos absorvem a radiação visível que chega até certo ponto.
Se houver necessidade de proteger o corpo do resfriamento ou aquecimento, são utilizadas substâncias com baixa condutividade térmica. Assim, para panelas e frigideiras, os cabos são feitos de plástico. As casas são construídas com toras ou tijolos, que apresentam baixa condutividade térmica, o que significa que protegem as instalações do resfriamento.
Questões
- Como ocorre a transferência de energia através de um fio metálico?
- Explique o experimento (ver Fig. 8) mostrando que a condutividade térmica do cobre é maior que a condutividade térmica do aço.
- Quais substâncias têm a maior e a menor condutividade térmica? Onde eles são usados?
- Por que os pelos, penugens e penas dos corpos de animais e pássaros, assim como as roupas humanas, protegem contra o frio?
Exercício 3
- Por que a neve profunda e solta protege as colheitas de inverno do congelamento?
- Estima-se que a condutividade térmica das tábuas de pinho seja 3,7 vezes maior que a da serragem de pinho. Como podemos explicar essa diferença?
- Por que a água não congela sob uma espessa camada de gelo?
- Por que a expressão “um casaco de pele esquenta” está incorreta?
Exercício
Pegue um copo de água quente e coloque uma colher de metal e uma colher de pau na água ao mesmo tempo. Qual colher esquentará mais rápido? Como é a troca de calor entre a água e as colheres? Como muda a energia interna da água e das colheres?
No entanto, os objetos pretos absorvem significativamente grande quantidade radiação visível do que as brancas. verso moedas - emissividade. Eventualmente, o objeto atingirá o equilíbrio térmico, com a energia absorvida da radiação que entra igual à energia emitida como radiação que sai.
I. Momento organizacional
Os outros dois fatores são geometria e energia recebida. De acordo com a Lei da Radiação de Kirchhoff, a emissividade e a absortividade em qualquer frequência são iguais. Para um corpo cinzento ideal, tanto a absortividade como a emissividade são constantes, independentemente da frequência e da temperatura. Todos os corpos cinzentos perfeitos com a mesma geometria e expostos à mesma radiação eventualmente atingirão a mesma temperatura de equilíbrio.
A troca de calor na natureza é realizada por meio de condutividade térmica, convecção e radiação (absorção e emissão de radiação).
O mecanismo de condutividade térmica é explicado no parágrafo anterior. Vamos dar outro exemplo. Quando a extremidade de uma haste metálica é aquecida, suas moléculas começam a se mover mais rapidamente, ou seja, a energia interna dessa extremidade aumenta. Como as moléculas se movem mais lentamente na outra extremidade da barra, a energia interna é transferida da extremidade quente para a extremidade fria dentro da barra com a ajuda do movimento caótico de átomos e elétrons. A transferência de energia interna de uma parte de uma substância para outra, causada pelo movimento caótico de moléculas e outras partículas de uma substância, é chamada de condutividade térmica.
Portanto, precisamos de mais alguma coisa para explicar porque é que os objetos pretos ficam mais quentes do que os objetos brancos. A resposta é que a absortividade e a emissividade dependem da frequência e da temperatura dos objetos reais. Não existem corpos cinzentos ideais. Eles são adequados para abordagem, se necessário. "Preto" e "branco" referem-se à refletividade na faixa visível. Um objeto branco pode ser muito preto na faixa do infravermelho térmico. Um objeto que seja visivelmente branco, mas termicamente preto, não aquecerá tanto quanto um objeto que seja visivelmente e termicamente preto.
Entre Vários tipos Os metais têm a melhor condutividade térmica. Isso é explicado pelo fato de conterem elétrons livres. Observemos também que a condutividade térmica de uma substância no estado sólido é maior que no estado líquido, e no estado líquido é maior que no estado gasoso.
Consideremos a essência da convecção. Para mostrar a baixa condutividade térmica da água, um recipiente contendo água geralmente é aquecido por cima. Nesse caso, a água de cima pode ferver, mas de baixo permanecerá fria. No entanto, se o recipiente for aquecido por baixo, a água será aquecida uniformemente em todo o volume. Isso se explica pelo fato de a água se expandir quando aquecida e sua densidade diminuir. Se a água aquecida estiver no fundo, as camadas superiores e mais densas de água caem sob a influência da gravidade e deslocam a água quente para cima. Essa mistura de água ocorrerá até que toda a água ferva. A troca de calor que ocorre quando camadas de líquido ou gás aquecidas de forma desigual são misturadas sob a influência da gravidade é chamada de convecção. Não é difícil perceber que em uma nave espacial em estado de ausência de peso não há convecção.(Pense por que congelador nos refrigeradores, ele é reforçado na parte superior e não na parte inferior.)
A ciência por trás do design do saco de dormir é ao mesmo tempo simples e muito complexa. Ao longo dos anos, os designs dos sacos de dormir mudaram e evoluíram para incorporar os mais recentes avanços tecnológicos e utilizar os mais recentes tecidos e materiais inovadores disponíveis. Avanços recentes na tecnologia de sacos de dormir incluem isolamento à prova d'água, materiais ultraleves e barreiras de vapor respiráveis. Por mais complexa que a tecnologia possa se tornar, o objetivo do design do saco de dormir é muito simples.
O design do saco de dormir se resume a um objetivo final: reter o ar morto ao redor do corpo para que não fique muito quente e reduza o calor corporal. Dois fatores principais em jogo no design do saco de dormir reduzem a transferência de calor e ao mesmo tempo criam isolamento. Todo o resto é apenas marketing.
Pode parecer que a convecção não pode ser classificada como transferência de calor, pois está associada ao trabalho da gravidade. Porém, durante a convecção, um aumento na energia interna de um líquido ou gás ocorre apenas devido ao calor fornecido de fora, e o efeito da gravidade é reduzido apenas para acelerar o aquecimento uniforme do líquido ou gás. A ação da gravidade durante a convecção não contribui adicionalmente para a energia interna de um líquido ou gás. Portanto, a convecção é classificada como transferência de calor.
A troca de calor entre o Sol e a Terra ocorre através da radiação eletromagnética. Radiação eletromagnéticaé criado pelo movimento de cargas elétricas e aumenta acentuadamente com o aumento da temperatura. A radiação de um corpo, que é determinada apenas pela sua temperatura, é chamada de radiação térmica.
O processo de radiação ocorre devido à energia interna do corpo . Quando a radiação é absorvida por algum outro corpo, a energia interna do corpo aumenta devido à energia da radiação absorvida.Assim, através da radiação, a energia é transferida dos corpos mais aquecidos para os menos aquecidos. Este tipo de troca de calor também ocorre na ausência de substância entre os corpos.