Теплопроводность

На предыдущем уроке, мы узнали, что существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Сегодня мы поговорим о теплопроводности. Вспомним опыты из предыдущего урока: тела нагревались и охлаждались друг от друга, находясь в непосредственном контакте. Например, летом около фонтана всегда прохладнее, потому что вода холоднее воздуха. Это и называется теплопроводностью — передача внутренней энергии от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Тело обладает плохой или хорошей теплопроводностью в зависимости от того, насколько быстро через это тело проходит тепло. Например, если поджечь деревянную палку с одного конца, то можно легко держать её за другой, не рискуя обжечься. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью. Также, если мы положим кирпич одним концом в огонь, то температура на разных концах будет сильно отличаться и чтобы нагреться потребуется достаточно длительное время. Поэтому кирпич тоже имеет плохую теплопроводность.

Если поставить на плиту кастрюлю, то она очень скоро нагреется, потому что она металлическая. Значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.

Следует помнить, что процесс нагревания происходит постепенно. Когда мы хотим закипятить воду, мы наливаем её в кастрюлю, а кастрюлю ставим на плиту. Сначала нагревается дно кастрюли, т.к. оно непосредственно контактирует с плитой. Частицы дна кастрюли получают дополнительную энергию. Эти частицы, в свою очередь, начинают взаимодействовать с соседними частицами, также передавая им дополнительную энергию. Так происходит, пока все тело не нагреется. Здесь мы плавно переходим к теплопроводности жидкостей. Как мы знаем из бытового опыта, несмотря на то, что кастрюля нагревается почти сразу, нужно немного подождать, пока вода закипит. Из этого можно сделать вывод, что у жидкостей не очень хорошая теплопроводность (за исключением жидких металлов, конечно). Этого можно было ожидать, т.к. теплопроводность происходит из-за взаимодействия частиц, а частицы в жидкостях находятся на большем расстоянии, чем в твердых телах. Логично предположить, что у газов теплопроводность ещё хуже, потому что в них молекулы расположены ещё дальше друг от друга. Сделаем несколько наблюдений.

Фен выдувает горячий воздух за счет электрической энергии, которую он потребляет из сети.

Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить. Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счет небольшого слоя воздуха между ними. Значит, воздух обладает плохой теплопроводностью.

Итак, из этих примеров можно сделать вывод, что теплопроводность — это свойство тела и у каждого тела она разная. Шерсть, перья, волосы имеют плохую теплопроводность, что вполне логично, т.к. их основной функцией является защита от холода. Теперь, мы понимаем, что защитой от холода является препятствование передачи внутренней энергии тела окружающей среде. Плохая теплопроводность этих веществ объясняется тем, что их волокна содержат частички воздуха, как и волокна дерева.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (т.е. свободное пространство). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии частиц, которых попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе (мы не можем утверждать, что в космосе абсолютный вакуум, но открытый космос — это почти полностью освобожденное пространство). Возникает вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством излучения, о котором мы поговорим чуть позже.

Мы сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Теперь мы знаем, что если надо предохранить тело от охлаждения или нагревания, то к нему нужно применить материал с плохой теплопроводностью. И наоборот, если требуется нагреть или остудить тело, то используются материалы с хорошей теплопроводностью. Наглядный пример — это сковорода, которая сделана из металла, чтобы на ней можно было готовить.

Однако, ручка сковороды сделана из пластмассы, чтобы она не нагревалась.

Теперь мы можем объяснить, почему одежда нас «греет». На самом деле, она не греет, а сохраняет тепло. Зимние куртки наполняют материалом с плохой теплопроводностью. Таким образом, тепло нашего тела меньше передаётся окружающему нас холодному воздуху. Одежда предохраняет нас от непосредственного контакта с окружающей средой, а это играет решающую роль в теплопроводности. В результате, человек теряет гораздо меньше тепла.