Теплопроводность

Помните, как здорово промозглым осенним вечером закутаться в пушистый теплый плед и пить какао из большой чашки в горошек? Окружающий холод будто бы сразу отступает, а в душе поселяется уют и умиротворение. Мало кто в такие минуты задумывается о том, что плед на самом деле не греет: он всего лишь не дает теплу нашего тела рассеяться в воздухе. А вот горячее какао, напротив, старательно делится с нами своим теплом.

Вместе с экспертом разберемся, как связаны эти явления с понятием теплопроводности, вспомним формулу из курса физики и узнаем, как разные материалы проводят тепло.

Определение теплопроводности

Теплопроводность, как видно из названия, это способность материала проводить тепло. Также это явление передачи энергии благодаря столкновению частиц вещества либо внутри физического тела, либо от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Полезная информация о теплопроводности

Единицы измерения теплопроводности

Численное выражение способности материала проводить тепло – коэффициент теплопроводности. Он обозначается буквой λ (лямбда) и измеряется в Вт/(м*К).

С помощью этого коэффициента можно понять, какое количество теплоты передается через материал с площадью поперечного сечения 1 м² и толщиной 1 метр за 1 секунду при разности температур в 1 градус. 

Например, коэффициент теплопроводности воды – 0,6 Вт/(м*К). Значит, за 1 секунду через объем воды площадью 1 м² и высотой 1 м при разности температур в 1 градус пройдет 0,6 Вт тепла.

Формула вычисления теплопроводности

Коэффициент теплопроводности вычисляется по следующей формуле:

Q – количество проходящего через материал тепла в джоулях (Дж)

d – толщина материала в метрах (м)

S – площадь поперечного сечения в метрах квадратных (м²)

t – длительность процесса в секундах (с)

ΔT – разность температур в градусах (К)

Механизмы теплопроводности

Чтобы разобраться в механизме теплопроводности, для начала нужно понять, чем отличается холодный материал от нагретого. И если говорить совсем простыми словами, в нагретом веществе молекулы движутся быстрее, чем в холодном. Особенно заметно это, конечно, в случае твердых материалов, так как в холодном виде их молекулы смирно стоят на своих местах в кристаллической решетке.

При нагреве частицы вещества получают кинетическую энергию и начинают колебаться или, в случае с жидкостями и газами, быстро двигаться. Процесс передачи энергии от одной молекулы вещества к другой во время их столкновения и называется теплопроводностью. Собственно, поэтому любой предмет нагревается не сразу целиком, а постепенно: необходимо время на то, чтобы одни частицы передали тепло другим. Скорость, с которой это происходит, определяется коэффициентом теплопроводности того или иного материала.

это интересно

Мощность

Определение мощности простыми и научными словами

подробнее

Другие способы теплопередачи

Наряду с теплопроводностью существует еще два способа передачи тепла: конвекция и излучение. Рассмотрим подробнее каждый из них, но не будем забывать, что в жизни все три варианта теплообмена чаще всего происходят одновременно.

С явлением смешанной передачи тепла сталкивался каждый, кто видел чашку с горячим чаем: 

• стенки кружки нагреваются от чая при непосредственном контакте – это теплопроводность;
• горячий пар поднимается вверх – конвекция;
• ощущение тепла даже на расстоянии от кружки – излучение.

Конвекция

Конвекцией называется перенос тепла в пространстве вместе с нагретым веществом: горячий воздух от батареи поднимается к потолку, холодные частички воды опускаются вниз в виде тумана. Так как во время конвекции происходит перемешивание вещества, это явление возможно только в жидкостях и газах.

Излучение

Еще один способ теплопередачи – излучение, то есть передача тепла без движения молекул. Как думаете, какой объект в природе является самым ярким примером этого процесса? Конечно, Солнце! Солнечное тепло передается сквозь космический вакуум безо всяких молекул и нагревает поверхность Земли и все, что на ней находится.

это интересно

Закон Кулона

Что это такое и как применяется на практике один из фундаментальных законов физики

подробнее

Виды и свойства теплопроводности

Давайте условно разделим теплопроводность на внутреннюю, то есть процесс передачи тепла внутри одного физического тела, и внешнюю, то есть передачу тепла от одного объекта к другому при непосредственном физическом контакте. При этом скорость передачи тепла увеличивается пропорционально разнице температур: чем больше разница, тем быстрее идет теплоотдача. 

Также нужно помнить, что теплообмен всегда идет от участка с высокой температурой к участку с низкой, а не наоборот. Потому аккумулятор холода в термосумке не отдает свой холод вашему эскимо, а только забирает тепло из окружающего пространства. И делает это до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой воздуха внутри сумки. А мороженое, вынутое из морозилки в жаркий день, сразу же начинает нагреваться от соприкосновения с горячим воздухом и стремительно тает. В обоих случаях мы имеем дело с внешней теплопроводностью.

Те, кто пытался в детстве на морозе ради эксперимента лизнуть металлические качели, трубу, турник или любой другой большой кусок металла, также испытали на себе действие внешней теплопроводности. Тепло от влажного языка практически моментально поглощается холодным железом, которое при этом совершенно не нагревается за счет огромной теплоемкости. А вот язык резко охлаждается, верхние слои кожи замерзают и покрываются слоем льда, и лед становится отличным «клеем», намертво связывая недальновидного экспериментатора и объект его исследования.

Отлепить язык от качелей можно, если нагреть металл до температуры выше нуля. Лед растает и язык будет спасен вместе с его обладателем. Например, можно использовать воду, теплую или даже комнатной температуры, или активно подышать на место соприкосновения языка с металлом. Но, конечно, нельзя использовать огонь или кипяток, чтобы не обжечься!

Внутренняя теплопроводность также актуальна зимой: чем ниже коэффициент теплопроводности материала, тем лучше он будет сохранять тепло внутри дома, машины или даже одежды. Например, теплопроводность войлока, из которого делают валенки, около 0.04 Вт/м*K, именно поэтому в них не замерзнешь даже в самые лютые морозы. Наши ноги, имея температуру 36,6 градусов, нагревают воздух внутри валенка, но тепло от молекул внутреннего слоя войлока добирается до внешней поверхности очень медленно и не сразу рассеивается в холодном воздухе. Получается, нас греют не валенки, а наш собственный организм, и главная задача – не дать его усилиям пропасть.

Точно так же действуют и пуховики: теплопроводность перо-пуховой смеси или искусственного материала тинсулейта примерно 0,03 Вт/м*K, а значит, тепло тела будет довольно долго сохраняться внутри куртки, не улетая в окружающее пространство.

Таблица теплопроводности различных материалов

Составим таблицу коэффициентов теплопроводности различных материалов. 

Задачи по теме «Теплопроводность»

Решим несколько задач по теме для закрепления материала.

Задача 1

Представим, что на столе стоит три свечи, а над ними горизонтально закреплены пластины одинаковой толщины и ширины, но из разных металлов: 

1. из алюминия
2. из меди
3. из нержавеющей стали. 

Концы пластин находятся ровно над фитилями свечек, а на расстоянии 10 см от края к нижней стороне каждой пластины с помощью воска приклеена гайка.

Посмотрите на таблицу теплопроводности материалов и попробуйте ответить, какая гайка упадет первой, а какая – последней, если свечи зажечь одновременно?

Задача 2

Ответьте на вопросы, связанные с теплопроводностью материалов:

1. Почему окна с двойными стеклопакетами лучше защищают от холода, чем одинарные?
2. Почему во время приготовления еды в духовке используются перчатки, наполненные ватой или войлоком, а не обыкновенные резиновые?
3. Какое помещение легче нагреть с помощью обогревателя в холодное время года: металлический вагончик-бытовку или деревянный дом? Допустим, что площадь и высота потолков у бытовки и дома одинаковые.
4. Если завернуть эскимо в теплую норковую шубу, оно растет быстрее?
5. Какой вид кофе остынет быстрее, если их начальная температура одинакова: эспрессо с молоком или капучино?

Задача 3

Главный отличник класса Вася Эйнштейнов поспорил со своим другом Петей Кулачковым, что капнет на раскаленную сковороду водой, но та не испарится в течение 15 секунд. Проигравший должен будет целый месяц покупать победителю булочки в школьной столовой. Петя сразу же согласился заключить пари, ведь он был уверен, что никому не удастся провернуть такой трюк!

Как думаете, кто победит в этом споре? Попробуйте объяснить свой ответ.

Ответы к задачам

Сверимся с ответами для самопроверки.

Задача 1

Как видно из таблицы, медь имеет самый высокий коэффициент теплопроводности – 395 Вт/(м*К), алюминий – 207 Вт/(м*К), а нержавеющая сталь – самый низкий, всего 15 Вт/(м*К). Из этого делаем вывод, что при одинаковой площади сечения пластин по меди тепло будет передаваться по направлению от свечи к гайке почти в два раза быстрее, чем по алюминию, и в 26 раз быстрее, чем по нержавеющей стали. А значит, воск сначала расплавится на второй пластине, после нее – на первой, и самым последним – на третьей.

Задача 2

Ответьте на вопросы, связанные с теплопроводностью материалов:

1. Между двумя слоями стекла в двойных стеклопакетах находится воздух, имеющий низкую теплопроводность. Именно он помогает лучше сохранять тепло внутри помещения.
2. Войлок за счет своей низкой теплопроводности не только защищает наши ноги от холода, когда мы носим валенки, но и не позволяет обжечься о горячий противень. А латекс, из которого часто делают хозяйственные перчатки, не только хорошо проводит тепло, но и имеет температуру плавления 130-150 градусов, а еда в духовке готовится при 180-200 градусов: такие перчатки просто расплавятся.
3. Металл отлично проводит тепло, значит, во время нагревания воздуха внутри бытовки тепло будет быстро передаваться наружу. А вот дерево сохранит тепло внутри дома. 
4. Как раз наоборот: шуба сыграет роль термоса и не даст мороженому нагреться от окружающего воздуха, благодаря чему таять оно будет гораздо медленнее.
5. Как мы знаем, воздух проводит тепло хуже, чем жидкость, а значит, молочная пенка на капучино сыграет роль теплоизолятора, и этот напиток будет остывать медленнее, чем эспрессо с молоком.

Задача 3

Конечно, Вася не стал бы предлагать такой спор, если бы не был на сто процентов уверенным в своей победе. Но в чем же его секрет?

Дело в эффекте Лейденфроста – явлении, названном в честь немецкого физика, который описал его еще в середине XVIII века. Заключается этот эффект в том, что при температуре поверхности выше 170-180 градусов Цельсия нижний слой попавшей на нее капли воды почти моментально превращается в пар. Этот пар стремится вверх и отталкивает каплю от дна сковородки. А еще является естественным теплоизолятором (коэффициент теплопроводности пара – 0,035 Вт/(м*К), что в 20 раз ниже, чем у воды), поэтому для нагрева оставшейся части капли требуется достаточно много времени.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Крутова Юлия Сергеевна, учитель физики МОУ СОШ №16, Орехово-Зуевский городской округ: