Теплопровідність

Теплові явища, з якими ми стикаємося в природі й побуті, пов’язані з передачею теплоти від одних тіл до інших, тобто з теплообміном. Як відбувається теплообмін між тілами?

Розглянемо особливості передачі теплоти на досліді. Металевий стрижень закріпимо одним кінцем у штативі. Прикріпимо вздовж нього воском кілька металевих цвяхів. Спиртівкою нагріватимемо вільний кінець стрижня. Через деякий час він почне нагріватися, і віск, що утримує цвяхи, буде танути. Першим відпаде цвях, розташований найближче до кінця стрижня в полум’ї спиртівки. За ним по черзі відпадатимуть наступні цвяхи (рис 6.1).

Ми побачили, що теплота від полум’я спиртівки передається металевому стрижню й поступово цвяхам на ньому. Як відбувається цей процес? У полум’ї спиртівки молекули повітря мають значну кінетичну енергію, яка суттєво більша, ніж кінетична енергія хаотичного руху атомів кристалічної ґратки стрижня. Під час зіткнення молекули повітря передають енергію її атомам. Спочатку збільшується швидкість хаотичного руху атомів кристалічної ґратки й, відповідно, температура частини стрижня над спиртівкою. Поступово атоми з більшою енергією передають її частину сусіднім атомам. Підвищується температура наступних частин металевого стрижня. Через деякий час температура всіх частин стрижня стає однаковою. Передачу енергії від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих шляхом безпосередньої взаємодії мікрочастинок називають теплопровідністю.

Теплопровідність — це передача теплоти від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих, зумовлена хаотичним рухом мікрочастинок речовини.

Теплопровідність відбувається без перенесення речовини з однієї частини тіла до іншої.

Від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої внутрішня енергія передається за рахунок особливостей молекулярної будови речовини. Мікрочастинки твердих тіл коливаються відносно стану рівноваги, й досить рідко відбувається їх перехід з одного шару речовини в інший. З підвищенням температури певної ділянки тіла збільшується інтенсивність коливань частинок речовини, їхня кінетична та потенціальна енергія зростає. Збільшується кількість та посилюється інтенсивність співударів цих частинок із частинками сусідніх, холодніших шарів з нижчою температурою. Частинки з більшою енергією передають її надлишок сусіднім частинкам, енергія яких зростає, а температура підвищується. Потім енергія передається до наступного шару. Такий процес передачі енергії відбувається достатньо повільно.

Теплопровідність супроводжується передачею внутрішньої енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих без перенесення речовини.

Саме метали мають найбільшу теплопровідність, яка у сотні та тисячі разів більша, ніж в інших речовин. Найкраще проводять тепло мідь та срібло. Висока теплопровідність металів пов’язана з особливостями їх будови та зумовлена, на відміну від інших твердих тіл, не лише хаотичними тепловими коливаннями у вузлах кристалічної ґратки, а й тим, що між ґратками є багато вільних електронів, які утворюють так званий електронний газ, що й забезпечує високу теплопровідність.

На ділянці з вищою температурою частина електронів отримує більшу кінетичну енергію. Ці електрони легко долають проміжки між йонами. Стикаючись із йонами в холодніших шарах металу, електрони передають їм надлишок своєї енергії, що зумовлює підвищення температури в цій ділянці. Поступово внутрішня енергія передається більш холодної ділянки.

Варто зазначити, що теплопровідність металів значно перевищує теплопровідність рідин та газів. Наприклад, теплопровідність води у 330 разів менша, ніж у міді. А теплопровідність повітря, в свою чергу, у 25 разів менша, ніж у води.

Яке значення має теплопровідність у природі та техніці? Вам, напевно, доводилося чути від старших, що сувора зима без снігу надзвичайно небезпечна для пшениці, посіяної восени (озимини). Сніг погано проводить тепло, оскільки він пухкий і між його кристачиками міститься багато повітря, яке має невелику теплопровідність. Тому під снігом посіви озимої пшениці надійно захищені до весни (рис. 6.2).

Теплопровідність газів є наслідком хаотичного невпорядковано-го теплового руху їх атомів або молекул. Швидкі молекули газу з шарів із вищою температурою переміщуються у холодніші шари. Молекули, що рухаються з меншими швидкостями, переходять у більш нагріті шари, заміщуючи швидкі молекули. При цьому середня кінетична енергія теплового хаотичного руху молекул газу в нагрітому шарі зменшується, а відповідно, знижується температура газу. Тому гази погано проводять тепло. Завдяки незначній теплопровідності газів їх широко використовують при виготовленні теплоізоляційних матеріалів.

Сучасні віконні системи мають подвійне та потрійне скло з повітряними прошарками (6.3, а).

Сьогодні у будівництві широко використовуються спеціальна цегла з отворами для повітря (6.3, б) і газоблоки з пористою структурою (6.3, в). Стіни будинків утеплюють пінополістирольними плитами (6.3, г).

Малу теплопровідність мають дерево, пластик, тканина. Тому ручки кухонного посуду виготовляють із дерева та пластику, а гарячий чайник із металевою ручкою знімають із плити за допомогою ганчірки.

Отже, різні речовини мають не однакову теплопровідність.