Conductibilitatea este capacitatea unui corp sau a unui material de a transmite căldură. Făcând acest lucru, se deplasează printr-un obiect solid sau de la un obiect la altul, deoarece ambele sunt în contact unul cu celăl alt. Acesta este singurul mod prin care căldura poate trece prin întregul corp. Apare întrebarea: „Cum conduc aerul și alte materiale căldura?” Aflați în articol!
Conductivitate termică
Abilitatea de a transfera căldură într-un obiect se numește conductivitate termică. Această proprietate este notă cu litera k și este măsurată în W / (m × K). Valorile conductibilității termice variază pentru diferite materiale. Deci, aurul, argintul și cuprul au o conductivitate termică ridicată. Apropo, aceste materiale sunt și bune conductoare de electricitate. Cum conduce aerul căldura? Răspunsul este scurt: este un conducător sărac. Conductivitatea ridicată a aurului, argintului și cuprului se datorează faptului că electronii responsabili de transferul de sarcină participă și ei la transferul de energie termică.
Dar materiale precum sticla și vata minerală au conductivitate termică scăzută. Acest lucru se explică prin faptul că au foarte puțini electroni „liberi” pentru transferul energiei termice în interiorul solidului. Materialele de acest tip se numesc izolatori. Viteza transferului de căldură (adică viteza de mișcare a energiei termice) depinde direct de conductibilitatea termică, diferența de temperatură și aria de contact și materialul pe care le posedă corpul. Din același motiv, nu se poate spune că aerul conduce bine căldura.
Dacă materialul este un bun conductor de căldură, atunci se mișcă rapid prin corp. Metalele sunt utilizate pe scară largă în scopuri de transfer de căldură, deoarece au proprietăți care permit circulația căldurii, rezistând în același timp la temperaturile extreme asociate cu încălzirea.
Electronii sunt responsabili de transferul de energie termică, precum și de sarcina electrică. Prin urmare, metalele sunt bune conductoare de căldură și electricitate! Aici se află răspunsul la întrebarea: „De ce aerul este un slab conductor de căldură?”
Cu toate acestea, nu confundați conductivitatea electrică (care este legată de sarcina electronilor) când vă referiți la conductibilitatea termică (care este legată de transferul de energie electronică).
Demonstrăm prin experiență
Încercați să țineți un capăt al unei tije metalice peste o flacără - după câteva minute se va încălzi.
Acum ține capătul unui băț de lemn în flacără și capătul va deveni atât de fierbinte încât în cele din urmă va lua foc. Cu toate acestea, capătul bastonului pentru careȚineți, rămâneți relativ rece.
Căldura nu se răspândește în volumul corpului datorită compoziției sale: structura sa îngreunează transferul de căldură al electronilor prin material.
Astfel, experiența de zi cu zi arată că lemnul nu este un bun conductor de căldură. Dacă ați văzut vreodată o secțiune de lemn la microscop, probabil că ați observat structura lemnului: este alcătuit din celule individuale care acționează ca izolatori, deoarece nu sunt interconectate. Celulele sunt împrăștiate ca niște pietre într-un pârâu. Căldura se deplasează mult mai lent printr-un astfel de material decât în metale, unde atomii sunt legați împreună într-o „rețea” tridimensională.
Aerul este un slab conductor de căldură. Experiența vieții de zi cu zi arată: amintiți-vă structura ferestrelor. Ele constau întotdeauna din cel puțin două pahare, între care se află o „pernă” de aer. Acest strat ajută la menținerea căldurii în cameră fără a o lăsa să iasă.
Deci, dacă energia termică este aplicată direct unei părți a unui obiect solid, electronii din obiect devin excitați. Acest lucru are ca rezultat vibrații ale rețelei atomice care călătoresc prin obiect, ridicând temperatura pe măsură ce trec. Cu cât legăturile dintr-un solid sunt mai apropiate, cu atât transferul de căldură este mai rapid.
Lichidele sunt slabe conductoare de căldură
Dacă fixați un cub de gheață pe fundul unei eprubete cu apă (trebuie să utilizați o greutate pentru a face acest lucru, altfel va pluti la suprafață, deciprecum gheața are o densitate mai mică decât apa) și apoi încălziți apa în partea de sus a tubului, veți descoperi că apa va fierbe în partea de sus a tubului, iar cubul de gheață va rămâne înghețat.
Acest lucru se datorează faptului că apa este un slab conductor de căldură. Cea mai mare parte a căldurii se va mișca într-un curent de convecție în interiorul apei din partea de sus a tubului, doar o mică parte din aceasta se va scufunda în cubul de gheață.
Cum conduce aerul căldura?
Aerul este o colecție de gaze. Deși este excelent pentru convecție, cantitatea de căldură pe care o poate transfera este minimă deoarece masa mică de materie nu poate stoca multă căldură - motiv pentru care nu este considerată un bun conductor. Proprietățile izolante ale aerului sunt folosite de omenire în viața de zi cu zi. Deci, sunt folosite pentru a izola răcitoarele din pereții unei clădiri. Chiar și munca unui termos se bazează pe faptul că aerul nu conduce bine căldura. Există într-adevăr multe exemple!
Deci, ce cauzează acest fenomen? Deoarece aerul nu este dens, există o anumită cantitate de masă disponibilă pentru a transfera energie termică prin conducție. Prin urmare, este un conductor slab, dar un izolator excelent. Cu toate acestea, răspunsul la întrebarea: „Aerul conduce căldura?” - nu chiar atât de clar. Deci, luați în considerare următoarele fenomene.
Radiația este transferul de energie prin valuri sau particule excitate. Aerul creează un spațiu termic care nu permite energiei termice să-l depășească. Căldura trebuie radiată de la suprafață cătreparticule de aer, atunci ar trebui să fie radiate din aer pe suprafața opusă. Căldura se mișcă foarte lent între cele trei materiale și cea mai mare parte a energiei termice transferate este absorbită în aer.
Convecția este mișcarea căldurii printr-un lichid sau gaz datorită scăderii densității datorită absorbției de căldură. În acest caz, proprietățile aerului devin extrem de utile. De asemenea, se mișcă în sus prin transferul de căldură dintr-un recipient sau spațiu izolat. Prin urmare, convecția este folosită pentru a îndepărta căldura și poate fi folosită pentru a răci suprafața. Distribuția căldurii prin convecție în aer este oarecum ineficientă, totuși este folosită în multe scopuri de răcire. Da, aerul este un slab conductor de căldură.
Exemple de izolare
Izolația este folosită în mai multe scopuri. Unele dintre acestea includ răcirea băuturilor și alimentelor, crearea unor goluri de aer în pereți și introducerea de buzunare de aer în ustensilele de bucătărie. Caracteristicile modului în care aerul conduce căldura se aplică chiar și spumei izolatoare.
Concluzie
Conductibilitatea este trecerea căldurii printr-un corp solid. Se deosebește de fenomenul de convecție prin faptul că nu are loc nicio mișcare a materiei în proces. Acum știm dacă aerul conduce bine căldura și de ce.
