Теплопроводность в физике - объяснение с примерами

Теплопроводность:

В предыдущем параграфе мы условились говорить о количестве теплоты только в том случае, если внутренняя энергия тела изменяется без совершения работы, т. е. путем теплопередачи (теплообмена). Какие виды теплопередачи существуют в природе?

Всем нам известно, что теплота может «путешествовать» с одного места в другое. При размешивании углей металлическим стержнем (рис. 12) нагревается и тот его конец, который не находится в пламени. Верхняя часть ложки, частично погруженной в горячий чай, нагревается, хотя непосредственно в чае не находится. В обоих случаях происходит перенос энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым. Приведите сами примеры подобного переноса. Как происходит перенос энергии?

Проведем опыт. К медному стержню пластилином прикрепим несколько одинаковых гвоздиков (можно палочек) (рис. 13). Свободный конец стержня будем нагревать в пламени спиртовки. Мы заметим, что сначала отпадут гвоздики, находящиеся ближе к пламени, а затем поочередно все остальные. Почему так происходит?

В твердом теле (металле) частицы взаимодействуют: притягиваются или отталкиваются. При этом они совершают колебательные движения (рис. 14). В пламени спиртовки температура свободного конца медного стержня повышается. А это значит, увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют, то усиливаются колебания и соседних частиц, а от них — следующих и так далее по всему стержню. Заметим, что в этом виде теплопередачи перенос самого вещества не происходит.

Процесс переноса теплоты (энергии) от более нагретых тел или частей тела к более холодным в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью.

Перенос энергии идет до тех пор, пока температура не станет одинаковой по всему телу.

У разных веществ теплопроводность неодинаковая (рис. 15). Теплопроводность меди больше, чем теплопроводность алюминия и железа. Малую теплопроводность имеют пластмасса, древесина, стекло. Именно поэтому деревянные дома хорошо сохраняют теплоту. Ручки кастрюль делают из пластмассы, а паяльников — из дерева (рис. 16). Пластмасса, дерево и другие слабо проводящие теплоту материалы называются теплоизоляторами.

А могут ли проводить теплоту газы? Проделаем опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр (рис. 17) и будем нагревать пробирку с противоположного конца. Нагревание воздуха идет очень медленно, что подтверждается малым повышением температуры. Чем объясняется слабая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия молекул газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счет хаотического движения молекул и столкновений между ними. Теплопроводность воздуха почти в 10 000 раз меньше теплопроводности меди. Теперь вы можете объяснить, почему для утепления квартир, построек для скота
используют пористые, содержащие воздух вещества: пенопласт, войлок.

• Заказать решение задач по физике

Вата, шерсть, пух, мех и подобные им материалы содержат между волокнами воздух и поэтому являются хорошими защитниками от холода для животных, человека и птиц (рис. 18).

А какова теплопроводность жидкостей? Возьмем пробирку с кусочками льда и водой и будем ее нагревать (рис. 19).

Когда вода в верхней части пробирки закипит, в нижней — все еще будет лед. Это говорит о малой теплопроводности воды, хотя она больше, чем воздуха. Действительно, теплопроводность воды примерно в 25 раз выше, чем воздуха, но приблизительно в 330 раз меньше теплопроводности меди. Металлы в жидком состоянии (ртуть, олово и др.) обладают большой теплопроводностью.

Главные выводы:

1. Теплопроводность обусловлена хаотическим движением и взаимодействием частиц.
2. При теплопроводности нет переноса вещества.
3. Перенос энергии идет от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым. Процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет одинаковой по всему телу.