Теплопроводность

1. Теплопроводность: определение и свойства

На про­шлом уроке мы вы­яс­ни­ли, что теп­ло­пе­ре­да­ча бы­ва­ет трёх видов: теп­ло­про­вод­ность, кон­век­ция и из­лу­че­ние. На этом уроке мы более по­дроб­но зай­мём­ся пер­вым видом теп­ло­пе­ре­да­чи, а имен­но теп­ло­про­вод­но­стью.

Теп­ло­про­вод­ность свой­ствен­на ве­ще­ствам во всех трёх аг­ре­гат­ных со­сто­я­ни­ях: твёр­дом, жид­ком и га­зо­об­раз­ном. При этом самой вы­со­кой теп­ло­про­вод­но­стью об­ла­да­ют твёр­дые тела (ме­тал­лы), а самой низ­кой – газы.

Теп­ло­про­вод­ность свя­за­на с внут­рен­ней струк­ту­рой тел и за­ви­сит от рас­по­ло­же­ния мо­ле­кул, их дви­же­ния и вза­и­мо­дей­ствия между собой.

Важно от­ме­тить, что при теп­ло­про­вод­но­сти не про­ис­хо­дит пе­ре­но­са ве­ще­ства, а про­ис­хо­дит пе­ре­да­ча энер­гии от ча­сти­цы к ча­сти­це или от од­но­го тела к дру­го­му при их непо­сред­ствен­ном кон­так­те.

Сфор­му­ли­ру­ем, соб­ствен­но, опре­де­ле­ние теп­ло­про­вод­но­сти.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­про­вод­ность – это яв­ле­ние, при ко­то­ром энер­гия пе­ре­да­ёт­ся от одной части тела к дру­гой по­сред­ством дви­же­ния ча­стиц или при непо­сред­ствен­ном кон­так­те двух тел.

2. Исследование теплопроводности

Ис­сле­до­ва­ния дан­но­го яв­ле­ния про­во­ди­лись, пре­иму­ще­ствен­но, опыт­ным путём. Пер­вые опыты по изу­че­нию дан­но­го яв­ле­ния про­во­дил, по-ви­ди­мо­му, ещё Га­ли­лео Га­ли­лей. Суть его опы­тов была про­стой: Га­ли­лей рас­по­ла­гал около сво­е­го тер­мо­ско­па (см. Рис. 1) раз­лич­ные тела и на­блю­дал за из­ме­не­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры. Впо­след­ствии он делал вы­во­ды: хо­ро­шо ли про­во­дят тела тепло или нет.

Рис. 1. Тер­мо­метр Га­ли­лея

3. Процесс теплопроводности

Опре­де­ле­ние. Про­цесс теп­ло­про­вод­но­сти – это про­цесс пе­ре­да­чи энер­гии от одной ча­сти­цы к дру­гой, рас­по­ло­жен­ной в непо­сред­ствен­ной бли­зо­сти друг от друга.

У ме­тал­лов теп­ло­про­вод­ность выше, так как ча­сти­цы рас­по­ло­же­ны близ­ко друг к другу.

У жид­ко­стей мо­ле­ку­лы хоть и близ­ко рас­по­ло­же­ны, но до­ста­точ­но хо­ро­шо изо­ли­ро­ва­ны.

Самая низ­кая теп­ло­про­вод­ность у газов: мо­ле­ку­лы рас­по­ло­же­ны да­ле­ко друг от друга, и чтобы пе­ре­дать энер­гию, им необ­хо­ди­мо столк­нуть­ся, по­это­му про­цесс пе­ре­да­чи энер­гии про­ис­хо­дит до­ста­точ­но мед­лен­но.

4. Опыт с теплопроводностью металлов

Рас­смот­рим опыт, ко­то­рый на­гляд­но де­мон­стри­ру­ет теп­ло­про­вод­ность ме­тал­лов.

На шта­ти­ве го­ри­зон­таль­но за­креп­лён алю­ми­ни­е­вый стер­жень. На стержне через оди­на­ко­вые про­ме­жут­ки вер­ти­каль­но за­креп­ле­ны с по­мо­щью воска де­ре­вян­ные зу­бо­чист­ки. К краю стерж­ня под­но­сят свечу (см. Рис. 2).

Рис. 2.

По­сколь­ку край стерж­ня на­гре­ва­ет­ся, а алю­ми­ний, как и любые дру­гие ме­тал­лы, об­ла­да­ет до­ста­точ­но хо­ро­шей теп­ло­про­вод­но­стью, то по­сте­пен­но стер­жень про­гре­ва­ет­ся. Когда тепло до­хо­дит до места креп­ле­ния зу­бо­чист­ки со стерж­нем, сте­а­рин пла­вит­ся, и зу­бо­чист­ка па­да­ет.

Мы видим, что в дан­ном опыте нет пе­ре­но­са ве­ще­ства, со­от­вет­ствен­но, на­блю­да­ет­ся теп­ло­про­вод­ность.

Мы рас­смот­ре­ли яв­ле­ние теп­ло­про­вод­но­сти, и в за­клю­че­нии хо­те­лось бы на­пом­нить важ­ный факт: нет ча­стиц – нет теп­ло­про­вод­но­сти.

На сле­ду­ю­щем уроке мы более по­дроб­но рас­смот­рим дру­гой вид теп­ло­пе­ре­да­чи: кон­век­цию.