Care corp are cea mai mare conductivitate termică? VI. Teme pentru acasă. III. Învățarea de materiale noi

Diagrama care prezintă transferul de energie termică prin conducție. Căldura este o formă interesantă de energie. Nu numai că ne menține în viață, ne face confortabil și ne ajută să ne pregătim mâncarea, dar înțelegerea proprietăților acesteia este cheia multor domenii ale cercetării științifice. De exemplu, cunoașterea modului în care este transferată căldura și măsura în care diferitele materiale pot face schimb de energie termică conduce totul, de la construirea de încălzitoare până la înțelegerea schimbărilor sezoniere pentru a trimite nave în spațiu.

Căldura poate fi transferată doar în trei moduri: conducție, convecție și radiație. Dintre acestea, conducerea este poate cea mai comună și apare în mod regulat în natură. Pe scurt, este transmisie prin contact fizic. Acest lucru se întâmplă atunci când apăsați mâna pe un geam, când puneți o oală cu apă pe un element activ și când puneți fierul pe foc.

Acest transfer are loc la nivel molecular – de la un corp la altul – când energie termală este absorbit de suprafață și face ca moleculele de suprafață să se miște mai repede. În acest proces, se ciocnesc cu vecinii lor și le transferă energie, proces care continuă atâta timp cât se adaugă căldură.

IV. Consolidarea cunoștințelor dobândite pe exemple de sarcini

Procesul de conducție termică depinde de patru factori principali: secțiunea transversală a celor implicați, lungimea traseului lor și proprietățile acestor materiale. Gradientul de temperatură este cantitate fizica, care descrie în ce direcție și cu ce ritm se schimbă temperatura într-un anumit loc. Temperatura curge întotdeauna de la cea mai caldă la cea mai rece sursă, datorită faptului că frigul nu este altceva decât absența energiei termice. Acest transfer între corpuri continuă până când diferența de temperatură scade și apare o stare cunoscută sub numele de echilibru termic.

Un factor important este, de asemenea, secțiunea transversală și lungimea traseului. Cu cât este mai mare dimensiunea materialului asociat cu transferul, cu atât este nevoie de mai multă căldură pentru a-l încălzi. În plus, cu cât suprafața expusă la aer liber este mai mare, cu atât este mai probabil să o facă. Deci obiectele mai scurte cu secțiuni transversale mai mici sunt cel mai bun remediu minimizarea pierderilor.

Conducția termică are loc prin orice material reprezentat aici de o tijă dreptunghiulară. Rata cu care are loc transferul depinde parțial de grosimea materialului. Nu în ultimul rând, dar cu siguranță nu în ultimul rând, proprietăți fizice materiale. Practic, când vine vorba de căldură conductivă, nu toate substanțele sunt create egale. Metalele și piatra sunt considerate bune conductoare, deoarece pot transfera căldura rapid, în timp ce materiale precum lemnul, hârtia, aerul și pânza sunt conductoare de căldură slabe.

Aceste proprietăți conductoare sunt evaluate pe baza unui „factor” care este măsurat în raport cu argintul. În acest sens, argintul are un factor de 100, în timp ce alte materiale sunt clasate mai jos. Acestea includ cuprul, fierul, apa și lemnul. La capătul opus al spectrului, există un vid ideal, care este incapabil să conducă căldura și, prin urmare, se evaluează la zero.

Materialele care sunt slabe conductoare de căldură se numesc izolatori. Aerul, care are un coeficient de conductivitate de 0,006, este un izolator excepțional deoarece poate fi conținut într-un spațiu închis. De aceea, izolatoarele artificiale folosesc compartimente de aer, cum ar fi geamurile termopan care sunt folosite pentru a reduce facturile la încălzire. Practic, acţionează ca tampon împotriva pierderilor de căldură.

Penele, blănurile și fibrele naturale sunt toate exemple de izolatori naturali. Acestea sunt materiale care țin păsările, mamiferele și oamenii de căldură. Vidra de mare, de exemplu, trăiește în apele oceanice care sunt adesea foarte reci, iar blana lor luxoasă de grăsime le ține de cald. Alte mamifere marine, cum ar fi leii de mare, balenele și pinguinii, se bazează pe straturi groase de grăsime - un conductor foarte slab - pentru a preveni pierderea căldurii prin piele.

Aceeași logică se aplică pentru izolarea caselor, clădirilor și chiar a navelor spațiale. În aceste cazuri, metodele includ fie buzunare de aer prinse între pereți, fibră de sticlă sau spumă de înaltă densitate. Nava spațială este un caz special și folosește izolație sub formă de spumă, compozit de carbon armat și plăci de silice. Toate acestea sunt conductoare slabe de căldură și, prin urmare, împiedică pierderea de căldură în spațiu, precum și împiedică intrarea temperaturilor extreme cauzate de precipitații în cabina de pilotaj.

Conducție, evidențiată de încălzirea unei tije metalice cu o flacără. Legile care guvernează conducția căldurii sunt foarte asemănătoare cu legea lui Ohm, care guvernează conducția electrică. În acest caz, un bun conductor este un material care permite curentului electric să treacă prin el fără prea multe probleme. În schimb, un izolator electric este orice material ale cărui sarcini electrice interne nu circulă liber și, prin urmare, este foarte dificil să conduci un curent electric atunci când este supus unui câmp electric.

În cele mai multe cazuri, materialele care sunt slabe conductoare de căldură sunt, de asemenea, slabe conductoare de electricitate. De exemplu, cuprul este un bun conductor atât de căldură, cât și de electricitate, motiv pentru care firele de cupru sunt utilizate pe scară largă în fabricarea de electronice. Aurul și argintul sunt și mai bune, iar acolo unde prețul nu este o problemă, aceste materiale sunt folosite și în construcția circuitelor electrice.

Și când cineva caută să „împamânteze” încărcătura, o trimite prin conexiunea fizică la Pământ, unde încărcarea este pierdută. Acest lucru este obișnuit în circuitele electrice în care metalul expus este un factor pentru a se asigura că persoanele care vin accidental în contact nu suferă electromutație.

Materialele izolante, cum ar fi cauciucul de pe tălpile pantofilor, sunt purtate pentru a proteja oamenii de lucrul la materiale sensibile sau de sursele de alimentare încărcate electric. Altele, cum ar fi sticla, polimerii sau porțelanul, sunt utilizate în mod obișnuit pe liniile electrice și transmițătoarele de putere de înaltă tensiune pentru a menține puterea să curgă prin circuite.

Pe scurt, conducerea se reduce la transferul de căldură sau transferul de sarcină electrică. Ambele apar ca urmare a capacității materiei de a transfera energie prin ele. Obiectele negre nu induc căldură. Obiectele negre absorb radiația primită în domeniul vizibil. În mod similar, obiectele albe nu reflectă căldura. Ele reflectă difuz radiația vizibilă care intră.

Dar astea sunt culori. Dacă negrul sau albul sunt „culori” depinde foarte mult de ceea ce înțelegeți prin culoare. Pentru această întrebare, este mai bine să priviți alb-negru ca nuanțe de gri, decât culori precum roșu și albastru. Ce este aceasta fizica? Răspunsul constă în conceptele de emisivitate, absorbție, reflectivitate și transmitanță. Emisivitatea este capacitatea unui obiect de a emite Radiație termala despre un corp negru ideal.

• Absorbabilitatea este proporția de radiație absorbită de un obiect.
• Reflectivitatea este proporția radiației primite reflectată de un obiect.
• Transmisia este proporția de radiație care trece printr-un obiect.

II. Raportarea temei și a obiectivelor lecției

Ele se adaugă la 1. Lumina care intră pentru obiectele opace este fie absorbită, fie reflectată într-un raport determinat de absorbția și reflectanța obiectului. Reflectivitatea și absorbția explică o parte din motivul pentru care obiectele negre devin mai fierbinți decât cele albe. Un obiect perfect negru absoarbe toate radiațiile vizibile primite, în timp ce un obiect perfect alb reflectă toate radiațiile vizibile primite. Deoarece nu există un obiect perfect negru sau complet alb, toate obiectele absorb radiațiile vizibile care intră într-o oarecare măsură.

Cu toate acestea, obiectele negre absorb semnificativ cantitate mare radiația vizibilă decât cea albă. partea din spate monede – emisivitate. În cele din urmă, obiectul va atinge echilibrul termic, energia absorbită de la radiația primită fiind egală cu energia emisă ca radiație de ieșire.

I. Moment organizatoric

Ceilalți doi factori sunt geometria și energia de intrare. Conform legii de radiație a lui Kirchhoff, emisivitatea și absorbția la orice frecvență dată sunt egale. Pentru un corp gri ideal, atât absorbanța, cât și emisivitatea sunt constante, indiferent de frecvență și temperatură. Toate corpurile cenușii perfecte cu aceeași geometrie și supuse aceleiași radiații primite vor atinge în cele din urmă aceeași temperatură de echilibru.

Deci avem nevoie de altceva pentru a explica de ce obiectele negre devin mai fierbinți decât cele albe. Răspunsul este că absorbanța și emisivitatea depind de frecvență și temperatură pentru obiectele reale. Corpurile gri ideale nu există. Ele, dacă este necesar, sunt potrivite pentru apropiere. „Negru” și „alb” se referă la reflectivitate în domeniul vizibil. Un obiect culoare alba poate fi foarte negru în infraroșu termic. Un obiect care este alb distinct, dar negru termic nu se încălzește la fel de mult ca un obiect care ar fi negru vizibil și termic.

Știința din spatele designului unui sac de dormit este în același timp simplă și totuși foarte complexă. De-a lungul anilor, designul sacului de dormit s-a schimbat și a evoluat pentru a încorpora cele mai recente descoperiri tehnologice și pentru a utiliza cele mai recente țesături și materiale inovatoare disponibile. Progresele recente în tehnologia sacului de dormit includ izolație impermeabilă în puf, materiale ultraușoare și bariere de vapori respirabile. Oricât de complexă poate deveni tehnologia, scopul în proiectarea sacului de dormit este foarte simplu.

Designul unui sac de dormit se rezumă la un obiectiv final: să prindă aerul mort în jurul corpului, astfel încât să nu se încălzească și să reducă căldura corpului. Doi factori majori în joc în designul sacului de dormit reduc transferul de căldură creând în același timp izolație termică. Orice altceva este doar marketing.