Теплопроводность

Введение

Мы каждый день сталкиваемся с явлениями, связанными с теплопередачей.
Если подержать ложку в чашке горячего чая, её ручка быстро нагреется. А если взять деревянную палочку — она останется холодной. Почему так происходит?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, что такое теплопроводность и от чего она зависит.

Теплопроводность: определение и свойства

Теплопроводность — это процесс передачи внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым без переноса вещества.
При теплопроводности энергия передаётся от одной частицы вещества к другой в результате их столкновений и взаимодействия.

Основные свойства теплопроводности:

1. Тепло всегда передаётся от горячего тела к холодному.

2. Скорость передачи тепла зависит от вещества.

3. Вещества делятся на теплопроводники (металлы) и теплоизоляторы (дерево, воздух, пластмасса).

4. Теплопроводность не связана с движением вещества — только с передачей энергии между частицами.

Процесс теплопроводности

Если один конец металлического стержня нагреть, молекулы в этой области начинают двигаться быстрее.
Они сталкиваются с соседними молекулами, передавая им часть своей энергии.
Так постепенно нагреваются всё новые участки металла — это и есть процесс теплопроводности.

В жидкостях и газах теплопроводность выражена слабее, потому что частицы там расположены дальше друг от друга и чаще перемещаются в результате конвекции, а не теплопередачи через контакт.

Исследование теплопроводности

Учёные давно интересовались, как передаётся тепло.
Первые исследования проводил английский физик Джон Лесли в XIX веке. Он изучал скорость распространения тепла в разных материалах.
Позднее физики выяснили, что у металлов высокая теплопроводность благодаря свободным электронам, которые переносят энергию по всему объёму вещества.

Существуют специальные приборы — тепломеры, позволяющие измерять теплопроводность материалов.
Зная её значение, инженеры выбирают подходящие материалы для теплоизоляции или, наоборот, для эффективного отвода тепла.

Опыт с теплопроводностью металлов

Проведём простой школьный опыт.
Возьмём длинный металлический стержень и прикрепим к нему через равные промежутки маленькие восковые шарики.
Если нагреть один конец стержня, через некоторое время шарики начнут отпадать — сначала ближний к пламени, потом дальше.
Это значит, что тепло распространилось по металлу — произошла теплопередача за счёт теплопроводности.

Если тот же опыт провести с деревянной или стеклянной палочкой, шарики не отпадут.
Следовательно, теплопроводность дерева и стекла значительно меньше, чем у металлов.

Теплопроводность различных веществ

Вещества проводят тепло по-разному:

• Хорошие теплопроводники — металлы: медь, алюминий, железо, серебро.
  Поэтому металлические кастрюли быстро нагреваются и равномерно передают тепло пище.

• Плохие теплопроводники (теплоизоляторы) — дерево, пластмасса, вата, воздух.
  Поэтому ручки утюгов и кастрюль делают из пластика, а зимняя одежда задерживает тепло благодаря воздуху между волокнами.

Примеры из жизни

• В кастрюле кипит суп: металл передаёт тепло от плиты ко дну и стенкам сосуда.

• На морозе металлический предмет кажется холоднее, чем деревянный, потому что металл быстрее отводит тепло от руки.

• В доме стены утепляют, чтобы уменьшить теплопотери.

• Шерсть и пух животных сохраняют тепло, так как задерживают воздух — плохой проводник тепла.

Значение теплопроводности в технике и природе

Понимание теплопроводности помогает людям:

• проектировать теплоизоляцию домов, холодильников и термосов;

• подбирать материалы для радиаторов и систем охлаждения;

• создавать одежду, сохраняющую тепло зимой и прохладу летом.

В природе это явление помогает сохранять тепловое равновесие — почва прогревается от солнца, снег медленно тает под лучами, животные не мёрзнут благодаря меху.

Выводы

1. Теплопроводность — это передача тепла внутри тела без перемещения вещества.

2. Разные материалы проводят тепло по-разному.

3. Металлы — хорошие проводники тепла, а воздух и неметаллы — плохие.

4. Теплопроводность используется в быту, технике и природе.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое теплопроводность?

2. Почему теплопроводность не связана с переносом вещества?

3. Какие вещества являются хорошими теплопроводниками?

4. Почему ручки у кастрюль делают из пластмассы?

5. В чём особенность теплопроводности металлов?

6. Какой опыт показывает различие в теплопроводности веществ?

7. Почему воздух — плохой проводник тепла?

8. Где в природе проявляется теплопроводность?

9. Какие меры применяются для уменьшения теплопередачи в быту?

10. Чем теплопроводность отличается от конвекции?