Теплопроводность

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:

1. Есть участки или тела с разной температурой.
2. Они соприкасаются или являются частями одного тела.
3. Энергия передаётся от участка с большей температурой к участку с меньшей.
4. 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.

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

Проверь себя

1. Деревянный и металлический бруски всю ночь лежали рядом. Почему металл утром кажется холоднее?
2. Где одинаковый кусочек льда обычно растает быстрее — на алюминиевой или деревянной пластине? Укажи причину, а не только ответ.
3. Что переносится при теплопроводности: вещество, энергия или оба одновременно?
4. Почему кастрюлю делают металлической, а накладку на ручку — пластиковой или силиконовой?
5. Пуховик содержит много воздуха между волокнами. Как это помогает человеку сохранять тепловое состояние?
6. 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?
7. 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

1. Температуры брусков близки, но металл быстрее отводит энергию от руки, поэтому кожа охлаждается быстрее.
2. Обычно на алюминиевой: металл быстрее передаёт энергию от более тёплой пластины к льду.
3. Передаётся энергия; вещество как целое не переносится.
4. Металлический корпус должен быстро передавать энергию содержимому, а теплоизолирующая накладка замедляет передачу энергии к руке.
5. Воздух плохо проводит энергию, а малые воздушные прослойки между волокнами замедляют её передачу.
6. Нельзя: одновременно изменены размер льда, материал и толщина пластин. Нужны одинаковые кусочки льда, сопоставимые толщина и площадь контакта пластин; менять следует только материал.
7. 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.