Теплопроводность | 8 класс | Физика
Содержание
Внутренняя энергия тела может изменяться без совершения работы — за счет теплопередачи. Когда мы подносим металлическую палку к пламени свечи, ее конец тоже становится горячим.
На этом примере видно, что внутренняя энергия может передаваться от одних тел к другим. Также внутренняя энергия может передаваться от одной части тела к другой — ведь нижняя часть палки не касается свечи, но нагревается.
То же явления мы можем наблюдать, опустив железную ложку в кипяток. Вскоре конец ложки, не погружённый в воду, станет горячим (рисунок 1).
Рисунок 1. Пример теплопроводностиОдним из видов теплопередачи является теплопроводность. Именно его мы наблюдаем в приведенном примере. На данном уроке мы более подробно рассмотрим это явление.
Определение тепловодностиТеплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
- теплопроводность свойственна веществам во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном
- разные вещества обладают разной теплопроводностью
Рассмотрим подробнее последнее утверждение. Поднесем к огню конец деревянной палочки (рисунок 2). Он загорится. Тем не менее, другой ее конец останется холодным. Следовательно, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Рисунок 2. Нагревание различных материалов для оценки их теплопроводности.Если мы заменим деревянную палочку на металлическую, то она вся довольно быстро нагреется. Держа такой предмет, можно легко обжечься.
Это говорит о том, что металлы имеют большую теплопроводность. Серебро медь и золото имеют наибольшую теплопроводность.
Теплопроводность твердых телРассмотрим опыт, изображенный на рисунке 3.
Рисунок 3. Теплопроводность твердого тела.Прикрепляем к штативу один конец толстой медной проволоки.
Под другим концом проволоки расположим спиртовую горелку. К проволоке прикрепим с помощью воска небольшие гвоздики (рисунок 3, а).
Начнем нагревать свободный конец проволоки с помощью спиртовки (рисунок 3, б). Воск постепенно начнет таять.
Поочередно гвоздики начнут отваливаться, начиная с тех, что находятся ближе к огню спиртовки (рисунок 3, в).
Объясним происходящее со стороны физики:
- Частицы металла находятся очень близко к друг другу. Они колеблются в определенных положениях
- Скорость колебательного движения частиц при нагревании металла сначала увеличивается в той части проволоки, которая находится ближе к огню
- За счет взаимодействия частиц металла друг с другом, увеличивается скорость движения соседних частиц
- При увеличении скорости их движения, начинает подниматься температура
Этот процесс будет постепенно проходить по всей длине проволоки.
При теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.
Рассмотрим еще один опыт (рисунок 3). На этот раз с другой стороны подставим к горелке еще один штатив с закрепленной на нем проволокой. Различие будет в ее материале — проволока сделана из стали.
Рисунок 3. Теплопроводность различных металлов.В процессе нагревания мы увидим, что гвоздики на медной проволоке отваливаются быстрее. Медь быстрее нагревается по всей длине. Это показывает нам, что тепловодность различных металлов неодинакова. Медь имеет большую тепловодность, чем сталь.
Теплопроводность жидкостейПроведем простой опыт. Наполним пробирку водой и начнем подогревать ее верхнюю часть (рисунок 4).
Рисунок 4. Теплопроводность жидкости.Вода в верхней части пробирки быстро закипит, а у дна просто нагреется. Это говорит о том, что у жидкостей теплопроводность невелика (исключение составляют ртуть и расплавленные металлы).
Причина небольшой теплопроводности жидкостей — расположение молекул в их строении.
Расстояние между молекулами жидкости больше, чем в твердых телах.
Исследуем на опыте теплопроводность газов. Наденем на палец пробирку. Будем нагревать ее дно в пламени спиртовки (рисунок 5).
Рисунок 5. Теплопроводность газа.Нам придется долго ждать, чтобы почувствовать тепло нагретого в пробирке воздуха. Расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Значит, теплопроводность газов еще меньше.
Волосы, шерсть, перья птиц обладают плохой теплопроводностью. Причина этому — между волокнами этих веществ содержится воздух.
Теплопроводность объясняется переносом энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии частиц вещества. Чем больше расстояние между частицами и слабее взаимодействие между ними, тем меньшей теплопроводностью обладает тело. Поэтому наименьшей теплопроводностью обладает вакуум (безвоздушное пространство). Нет частиц — нет теплопроводности.
Иногда необходимо предохранить тело от нагревания или охлаждения. Для этого используют тела с малой теплопроводностью. Если кастрюли и сковородки делают из металла (позволяет быстрее нагреваться), то их ручки делают из дерева или пластмассы. Это позволяет нам не обжигаться. По этой же причине кружки и стаканы изготавливают преимущественно из пластмассы, стекла, фарфора.
Материалы, которые используют при строительстве домов (бревна, кирпичи, бетон) обладают плохой теплопроводностью. Таким образом строения меньше охлаждаются.
В устройстве термоса тоже применяется явление теплопроводности (рисунок 6). Из пространства между колбой и кожухом выкачан воздух, так почти не осуществляется теплопередача.
Рисунок 6. Устройство термоса.Снежный покров имеет плохую теплопроводность. Это имеет огромное значение для живых организмов: многие зимующие растения защищены от вымерзания; крупные животные ночуют, зарывшись в снег; мелкие могут вести активную жизнь в норах, вырытых под снегом.
Большая теплопроводность — металл — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Cтраница 1
Большая теплопроводность металлов объясняется также наличием свободных электронов. Передача тепловой энергии в металлах осуществляется двояким образом: колебательным движением ионов и движением свободных электронов. [1]
Большая теплопроводность металлов обеспечивается наличием облака подвижных электронов. Если часть металла нагрета, то кинетическая энергия электронов в этой области возрастает. Электроны распространяются по всему металлу, вызывая рост температуры во всей решетке. [2]
Большую теплопроводность металлов в сравнении с теплопроводностью изоляторов можно объяснить предположением, что теплопроводность х, обусловленная свободными электронами, значительно превышает теплопроводность кр решетки. [3]
Ввиду большой теплопроводности металла ( Км 50 ккал / ( м-чх X С) происходит подвод дополнительного тепла к смоченной поверхности вдоль металла резервуара или баллона, поэтому эффективная смоченная поверхность несколько больше действительной, что подтверждается опытными данными.
Большая электропроводность и большая теплопроводность металлов обусловлены тем, что подвижные электроны переносят электричество и передают тепловые колебания от атома к атому. Вследствие этого металлы обладают электрической проводимостью, которая в тысячи раз больше, чем у других лучших проводников. [5]
Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов, вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше. Выше мы указали, что наиболее интенсивный переход тепла имеет место в соединении обеих стенок в верхней части горлышка; стремление сделать сечение металла, а следовательно и теплопроводность в этом месте наименьшими привело к созданию Хейландом бутыли, показанной на фиг. [6]
Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов, вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше. [7]
В металлических рекуператорах в силу большой теплопроводности металла и малой толщины стенки тепловое сопротивление стенки имеет весьма малое значение, в то время как в керамических рекуператорах оно значительно больше и поэтому им пренебрегать нельзя.
[8]
Беспорядочное движение электронов при отсутствии поля служит объяснением большой теплопроводности металлов. Здесь выравнивание теплового состояния тела совершается гораздо скорее благодаря большой подвижности электронов. Легко понять, что теплопроводность, как и электропроводность, зависит от состояния электронного газа в металле. Поэтому следует ожидать существования зависимости между коэфициентом теплопроводности и удельной электропроводностью одного и того же металла. [9]
| Пробоотборная трубка с водяной рубашкой. [10] |
При более высоких температурах эти трубки следует охлаждать, иначе вследствие большой теплопроводности металла будут разрушаться резиновые трубки, которыми газовые пипетки подсоединяются к пробоотборным трубкам. [11]
Металлические формы при пневматических способах изготовления изделий, имеют еще один недостаток — большую теплопроводность металла и большую теплоемкость массивной металлической формы.
Как только разогретый пластик во время выдувания изделия коснется металлической формы, на поверхности пластика образуется твердая корка, и вследствие быстрого отвода тепла через металл эта корка остается твердой во все время формования.
[12]
Эти свободные электроны и обеспечивают высокую электропроводность металлов; их подвижность является также причиной большой теплопроводности металлов. [13]
| Расщепление электронных уровней при сближении атомов.| Диамагнитные и пара. [14] |
Взаимодействие электронов проводимости с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, обусловливает большую теплопроводность металла. [15]
Страницы: 1 2 3
Что такое теплопроводность?
Мэтт Уильямс, Universe Today
Диаграмма, показывающая передачу тепловой энергии посредством проводимости.
1 кредитТепло может передаваться только тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Из них проводимость, пожалуй, наиболее распространена и регулярно встречается в природе. Короче говоря, это передача тепла через физический контакт. Это происходит, когда вы прижимаете руку к оконному стеклу, когда кладете кастрюлю с водой на активный элемент и когда кладете утюг в огонь.
Этот перенос происходит на молекулярном уровне — от одного тела к другому — когда тепловая энергия поглощается поверхностью и заставляет молекулы этой поверхности двигаться быстрее.
Процесс теплопроводности зависит от четырех основных факторов: градиента температуры, поперечного сечения вовлеченных материалов, длины их пути и свойств этих материалов.
Градиент температуры — это физическая величина, описывающая, в каком направлении и с какой скоростью изменяется температура в определенном месте. Температура всегда течет от самого горячего к самому холодному источнику, потому что холод есть не что иное, как отсутствие тепловой энергии. Этот перенос между телами продолжается до тех пор, пока не исчезнет разница температур и не наступит состояние, известное как тепловое равновесие.
Поперечное сечение и длина пути также являются важными факторами. Чем больше размер материала, участвующего в переносе, тем больше тепла необходимо для его нагрева. Кроме того, чем больше площадь поверхности, которая подвергается воздействию открытого воздуха, тем выше вероятность потери тепла.
Последнее, но не менее важное, это физические свойства используемых материалов. По сути, когда дело доходит до теплопроводности, не все вещества одинаковы. Металлы и камень считаются хорошими проводниками, поскольку они могут быстро передавать тепло, тогда как такие материалы, как дерево, бумага, воздух и ткань, плохо проводят тепло.
Эти проводящие свойства оцениваются на основе «коэффициента», который измеряется по отношению к серебру. В этом отношении серебро имеет коэффициент теплопроводности 100, тогда как другие материалы имеют более низкий рейтинг. К ним относятся медь (92), железо (11), вода (0,12) и древесина (0,03).
На противоположном конце спектра находится идеальный вакуум, который не способен проводить тепло и поэтому оценивается как нулевой.
Материалы, плохо проводящие тепло, называются изоляторами. Воздух, коэффициент проводимости которого равен 0,006, является исключительным изолятором, поскольку его можно удерживать в замкнутом пространстве. Вот почему искусственные изоляторы используют воздушные отсеки, такие как окна с двойным остеклением, которые используются для сокращения счетов за отопление. По сути, они действуют как буферы против потери тепла.
Перо, мех и натуральные волокна — все это примеры натуральных изоляторов. Это материалы, которые позволяют птицам, млекопитающим и людям оставаться в тепле. Морские выдры, например, живут в океанских водах, которые часто бывают очень холодными, и их роскошный густой мех согревает их. Другие морские млекопитающие, такие как морские львы, киты и пингвины, полагаются на толстые слои жира (он же ворвань) — очень плохой проводник — для предотвращения потери тепла через кожу.
Та же логика применяется к изоляции домов, зданий и даже космических кораблей. В этих случаях методы включают либо захваченные воздушные карманы между стенами, стекловолокно (которое улавливает воздух внутри себя), либо пену высокой плотности. Космические корабли представляют собой особый случай и используют изоляцию в виде пены, армированного углеродного композитного материала и плитки из кварцевого волокна. Все они являются плохими проводниками тепла и, следовательно, предотвращают потерю тепла в космосе, а также предотвращают попадание экстремальных температур, вызванных входом в атмосферу, в кабину экипажа.
Проводимость, как показано при нагревании металлического стержня пламенем. Кредит: Высшее образование Томсона Законы, регулирующие теплопроводность, очень похожи на закон Ома, регулирующий электропроводность. В этом случае хорошим проводником является материал, который позволяет электрическому току (то есть электронам) проходить через него без особых проблем.
Электрический изолятор, напротив, представляет собой любой материал, внутренние электрические заряды которого не текут свободно, и поэтому очень трудно проводить электрический ток под влиянием электрического поля.
В большинстве случаев материалы, плохо проводящие тепло, также являются плохими проводниками электричества. Например, медь хорошо проводит тепло и электричество, поэтому медные провода так широко используются в производстве электроники. Золото и серебро еще лучше, а там, где цена не имеет значения, эти материалы также используются при изготовлении электрических цепей.
И когда кто-то хочет «заземлить» заряд (т.е. нейтрализовать его), они посылают его через физическую связь на Землю, где заряд теряется. Это характерно для электрических цепей, где открытым металлом является фактор, гарантирующий, что люди, которые случайно вступят в контакт, не будут поражены электрическим током.
Изолирующие материалы, такие как резина на подошвах обуви, используются для защиты людей, работающих с чувствительными материалами или вблизи источников электричества, от электрических разрядов. Другие изоляционные материалы, такие как стекло, полимеры или фарфор, обычно используются в линиях электропередач и высоковольтных передатчиках, чтобы поддерживать подачу энергии в цепи (и ничего больше!)
Короче говоря, проводимость сводится к передаче тепла или передаче электрического заряда. И то, и другое происходит в результате способности вещества позволять молекулам передавать через себя энергию.
Узнать больше
Разработан теплопроводный пластик
Источник: Universe Today
Цитата :
Что такое теплопроводность? (2014, 9 декабря)
получено 22 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Как передается тепло? Проводимость — Конвекция — Излучение
Что такое тепло?
Вся материя состоит из молекул и атомов. Эти атомы всегда находятся в разных видах движения (поступательном, вращательном, колебательном). Движение атомов и молекул создает тепло или тепловую энергию. Вся материя обладает этой тепловой энергией. Чем большее движение имеют атомы или молекулы, тем больше тепла или тепловой энергии они будут иметь.
Это анимация, сделанная из короткого молекулярно-динамикового
имитация воды.
Зеленые линии представляют собой водородные связи между кислородом и
водород. Обратите внимание на плотную структуру воды
Водородные связи намного слабее, чем ковалентная связь. Однако при большом количестве водорода облигации действуют в унисон, они окажут сильный сопутствующий эффект. В этом случае в воде показано здесь.
Жидкая вода частично заказана структура, в которой постоянно образуются и распадаются водородные связи. Из-за короткого промежутка времени (порядка нескольких пикосекунд) мало связей
Что такое температура?
Из приведенного выше видео, показывающего движение атомов и молекул, видно, что некоторые из них движутся быстрее, чем другие. Температура – это среднее значение энергии для всех атомов и молекул в данной системе. Температура не зависит от количества вещества в системе. Это просто среднее значение энергии в системе.
Как передается тепло?
Тепло может перемещаться из одного места в другое тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением.
И теплопроводность, и конвекция требуют вещества для передачи тепла.
Если между двумя системами существует разница температур, тепло всегда найдет способ перейти от более высокой системы к более низкой.
ПРОВОДИМОСТЬ- —
Теплопроводность – это передача тепла между веществами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом. Чем лучше проводник, тем быстрее будет передаваться тепло. Металл хорошо проводит тепло. Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и сильнее вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии. Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.
КОНВЕКЦИЯ —
Тепловая энергия передается от горячих мест к холодным посредством конвекции. Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодным областям жидкости или газа.