Теплопроводность
Как энергия передаётся внутри тела и между соприкасающимися телами без переноса вещества, почему металл кажется холоднее дерева и где нужны теплоизоляторы.
Конспект урока
Один кабинет — разные ощущения
Положи ладонь сначала на деревянную парту, затем на металлическую ножку стула. Металл обычно кажется холоднее. Но оба предмета долго находились в одном кабинете, поэтому их температуры близки к температуре воздуха.
Прикосновение показывает различие ощущений, но не заменяет измерение температуры.
Значит, дело не только в температуре предмета. Рука теплее обоих брусков и передаёт им энергию. Металл отводит эту энергию от места контакта быстрее, поэтому кожа охлаждается заметнее. Мозг и сообщает: «холодно».
Важно: «холод» не перетекает из металла в руку. Энергия передаётся в противоположном направлении — от более тёплой руки к более холодному предмету.
Опыт со льдом
Предскажи результат до чтения следующего абзаца. Два одинаковых кусочка льда одновременно кладут на металлическую и деревянную пластины. Пластины одинакового размера и до опыта находились рядом в одной комнате.
На какой пластине лёд начнёт таять быстрее? Запиши гипотезу и одно объяснение.
Иллюстрация безопасной установки до начала опыта: сухой поддон, сопоставимые пластины, таймер и салфетка.
Чтобы сравнение было честным, сохраняют одинаковыми:
- размер кусочков льда;
- время начала и длительность наблюдения;
- начальную температуру, толщину и площадь контакта пластин;
- место проведения опыта.
Меняют только материал пластины. Наблюдают один воспроизводимый показатель: размер влажного следа или лужицы ровно через три минуты. Воду сразу вытирают, пластины берут без острых кромок, а лёд после опыта не употребляют в пищу.
Сгенерированный кадр показывает ожидаемое качественное различие; наблюдаемым подтверждением в кабинете служит собственный результат при контролируемых условиях.
Обычно большая лужица появляется на металле. Это не значит, что металл был горячее. Он быстрее передал льду энергию от более тёплой пластины и окружающих частей системы.
Что называют теплопроводностью
Теплопроводность — передача энергии от более нагретой части тела к менее нагретой или от более нагретого тела к менее нагретому при их контакте, происходящая благодаря тепловому движению и взаимодействию частиц вещества без переноса вещества как целого.
Условия, которые важно назвать в объяснении:
- Есть участки или тела с разной температурой.
- Они соприкасаются или являются частями одного тела.
- Энергия передаётся от участка с большей температурой к участку с меньшей.
- Само вещество не переносится из горячей части в холодную.
Когда температуры выровняются, направленная передача энергии между этими участками прекратится.
Модель частиц
Это модель, а не фотография микромира. Кружки обозначают частицы, а цвет и ореолы — различие интенсивности их движения.
В более нагретой части твёрдого тела частицы колеблются интенсивнее. Они взаимодействуют с соседними частицами, и энергия постепенно передаётся вдоль тела. Частицы не путешествуют строем от одного конца стержня к другому: вещество остаётся на месте.
Металлы проводят энергию особенно хорошо. В более подробной модели металла в переносе энергии участвуют не только колебания частиц решётки, но и свободные электроны. Для объяснения нашего опыта достаточно вывода: при одинаковых условиях металл передаёт энергию быстрее дерева.
А как у жидкостей и газов
Теплопроводность происходит в твёрдых телах, жидкостях и газах. Механизм общий: частицы движутся, сталкиваются или взаимодействуют с соседними частицами и передают энергию.
- В металлах энергия обычно передаётся быстро.
- В воде и других жидкостях теплопроводность есть, но она заметно слабее, чем в металлах.
- В воздухе и других газах частицы находятся далеко друг от друга, поэтому столкновения реже и теплопроводность особенно мала.
В жидкостях и газах одновременно может возникать перемещение самого вещества. Это уже конвекция — следующий механизм теплопередачи, который изучается отдельно. Движущийся воздух не становится лучшим проводником: к малой теплопроводности просто добавляется другой способ передачи энергии.
Проводники и теплоизоляторы
Материалы удобно сравнивать только при одинаковых условиях.
| Передают энергию быстрее | Передают энергию медленнее |
|---|---|
| металлы: медь, алюминий, сталь | вода, дерево, пластик, резина, шерсть, воздух |
Хороший проводник полезен, когда энергию надо быстро передать: металлическое дно кастрюли получает энергию от нагревателя и передаёт её содержимому.
Теплоизолятор полезен, когда передачу энергии нужно замедлить: ручка посуды, прихватка, утеплитель, одежда.
У одной вещи могут быть части с противоположными задачами. Корпус кастрюли должен хорошо проводить энергию, а ручка — проводить её медленно. Поэтому материал выбирают по функции детали, а не по правилу «металл хороший» или «пластик плохой».
Почему помогает воздух
Воздух плохо проводит энергию. Поэтому работают не только толстые материалы, но и множество маленьких неподвижных воздушных прослоек: между волокнами шерсти, в пористом утеплителе, между стёклами окна.
Слово «неподвижных» важно. Теплопроводность воздуха остаётся малой, но при свободном движении больших потоков добавляется другой механизм теплопередачи — его мы разберём на следующем занятии.
Типичные ошибки
| Ошибка | Как исправить рассуждение |
|---|---|
| «Металл создаёт холод» | Назови два тела и направление передачи энергии. |
| «Металл всегда холоднее дерева» | Сравни температуру измерением и отдельно оцени скорость передачи энергии. |
| «Частицы уходят от горячего конца» | В теплопроводности вещество как целое не переносится. |
| «Теплоизолятор совсем не пропускает энергию» | Он замедляет передачу, но не делает её невозможной. |
Проверь себя
- Деревянный и металлический бруски всю ночь лежали рядом. Почему металл утром кажется холоднее?
- Где одинаковый кусочек льда обычно растает быстрее — на алюминиевой или деревянной пластине? Укажи причину, а не только ответ.
- Что переносится при теплопроводности: вещество, энергия или оба одновременно?
- Почему кастрюлю делают металлической, а накладку на ручку — пластиковой или силиконовой?
- Пуховик содержит много воздуха между волокнами. Как это помогает человеку сохранять тепловое состояние?
- Ученик положил большой кусок льда на тонкую металлическую пластину, а маленький — на толстую деревянную. Можно ли по этому опыту честно сравнить материалы? Что надо изменить?
- Происходит ли теплопроводность в воде и воздухе? Почему воздух обычно проводит энергию особенно медленно?
Сначала ответь письменно хотя бы на четыре вопроса. Затем сверь ответы с разбором ниже.
Ответы
- Температуры брусков близки, но металл быстрее отводит энергию от руки, поэтому кожа охлаждается быстрее.
- Обычно на алюминиевой: металл быстрее передаёт энергию от более тёплой пластины к льду.
- Передаётся энергия; вещество как целое не переносится.
- Металлический корпус должен быстро передавать энергию содержимому, а теплоизолирующая накладка замедляет передачу энергии к руке.
- Воздух плохо проводит энергию, а малые воздушные прослойки между волокнами замедляют её передачу.
- Нельзя: одновременно изменены размер льда, материал и толщина пластин. Нужны одинаковые кусочки льда, сопоставимые толщина и площадь контакта пластин; менять следует только материал.
- Да, теплопроводность происходит и в жидкостях, и в газах. В газе частицы расположены далеко друг от друга и реже сталкиваются, поэтому энергия передаётся медленно.
Короткий итог
- При теплопроводности энергия передаётся от более нагретого участка к менее нагретому.
- Вещество как целое при этом не переносится.
- Теплопроводность происходит в твёрдых телах, жидкостях и газах; в металлах она обычно сильнее, а в воздухе особенно мала.
- Проводник или теплоизолятор выбирают по функции детали.
- Ощущение холода зависит не только от температуры предмета, но и от скорости передачи энергии.
10 вопросов по теме «Тест: Теплопроводность». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.
Открыть отдельноВопрос 1 из 10
ТренировкаБез отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.
Скачать и открыть
Материалы урока
3 материалаПодготовка к уроку
2 материала· для учителей
Исследование теплопроводности через безопасный опыт со льдом на металле и дереве, модель взаимодействия частиц, выбор материалов и задания с отсроченным раскрытием ответов.
Презентация · MediaSchool
Теплопроводность: безопасное исследование таяния льда на разных материалах, модель взаимодействия частиц, рабочий лист, ключи и формирующее оценивание.
Методичка · MediaSchool
Проверка знаний
1 материал· для учеников
10 вопросов с объяснениями и повторной попыткой.
Проверочная
От сообщества
Материалы сообщества0
Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.
Поделитесь первым материалом
Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.
Комментарии
Войдите, чтобы оставлять комментарии.
Пока нет комментариев. Будьте первым!