Hvis du sidder på en træstol, bliver overfladen af træstolen varm. Omvendt, hvis du sidder på en stol lavet af plastik eller metal, føles overfladen af metal- eller plastikstolen ikke varm, efter man har siddet på den. Hvorfor er overfladen af en træstol varm, mens overfladen af en metalstol ikke er det? Hvorfor kan det forårsage smerter at sove på et koldt gulv uden madras? Har du nogensinde haft en kuldejakke på? Hvorfor er de fleste kuldejakker lavet af uld? Der er stadig mange ting at tænke over og spørge om i forbindelse med emnet varmeoverføring ved ledning.
Forbered et stearinlys og et stykke tynd tråd. Hold den ene ende af tråden, og rør den anden ende af tråden ved stearinlysflammen. Vent et par øjeblikke, indtil din hånd føles varm. Hvorfor føles din hånd varm? Når den ene ende af tråden rører stearinlysflammen, bevæger varme sig fra stearinlysflammen (høj temperatur) til den anden ende af tråden (lav temperatur). Denne varmeoverførsel får temperaturen i den ende af tråden, der rører flammen, til at stige. Temperaturforskellen mellem den ende af tråden, der rører stearinlysflammen, og den anden ende af tråden får varme til at bevæge sig fra enden af tråden, der rører flammen, til den ende af tråden, der berøres af din hånd. Denne varmeoverførsel får temperaturen i den ende af tråden, der berøres, til at stige. Varmen bevæger sig derefter til din koldere hånd. Som et resultat føles din hånd varm.
Når en del af et objekt med høj temperatur kommer i kontakt med et objekt med lav temperatur, bevæger varme sig fra objektet med den høje temperatur til objektet med den lave temperatur. Den ekstra energi får de atomer og molekyler, der udgør objektet, til at bevæge sig hurtigere. Når de bevæger sig, har molekylerne kinetisk energi (EK = ½ mv² ) . De molekyler, der bevæger sig hurtigere (med større kinetisk energi), kolliderer med molekylerne ved siden af dem. Disse molekyler kolliderer derefter med andre molekyler ved siden af dem. Og så videre. Således kolliderer molekylerne med hinanden og overfører energi. Varmeoverførsel, der sker gennem kollisioner mellem de molekyler, der udgør et objekt, kaldes varmeoverførsel ved ledning.
Formlen for varmeoverførsel ved ledning
Objektet til venstre har en højere temperatur (T1) mens objektet til højre har en lavere temperatur (T2På grund af temperaturforskellen (T1 - T2), bevæger varme sig fra et objekt med høj temperatur til et objekt med lav temperatur (varmestrømmens retning er til højre). Objektet, som varmen passerer igennem, har et tværsnitsareal (A) og en længde (l).
Baseret på resultaterne af eksperimentet er den varme, der overføres i løbet af et bestemt tidsinterval (Q/t), direkte proportional med temperaturforskellen (T1 – T2 ) , tværsnitsarealet (A), objektets natur (k = varmeledningsevne) og omvendt proportional med objektets længde. Formlen for varmeoverførselshastigheden ved ledning:
Beskrivelse: Q/t = varmeoverføringshastighed, k = varmeledningsevne, A = tværsnitsareal, T1 = høj temperatur, T2 = lav temperatur, l = objektlængde.
Anvendelse af varmeoverføring ved ledning
Hvorfor føles fliser køligere end tæpper? Fliser har større varmeledningsevne end tæpper. Derfor er fliser gode varmeledere, mens tæpper er dårligere varmeledere. Når vi træder på et tæppe, strømmer varme fra vores fødder til tæppet. Dette sker, fordi vores kropstemperatur er højere end tæppets temperatur. Tæpper er dårlige varmeledere, derfor akkumuleres varmen, der strømmer fra vores fødder, på tæppets overflade, hvilket gør tæppet varmere. Når vi træder på fliser eller keramik, strømmer varme fra vores fødder til fliserne eller keramikken. Fordi fliser er gode varmeledere, holdes varmen ikke på flisernes overflade. Varmen strømmer jævnt, hvilket får vores fødder til at føles kolde. Hvis dit hus er i et koldt område, bør du dække dit soveværelsesgulv med tæppe, så din krop ikke mister varme. Omvendt, hvis dit hus er i et varmt område, bør du ikke dække dit soveværelsesgulv med tæppe, fordi du ikke vil føle dig kølig, men varm 😉
At sove på gulvet uden madras kan forårsage sygdom. Hvorfor? Dette skyldes, at en stor mængde varme overføres fra din krop til gulvet. Varme er energi i bevægelse. Når din krop mister meget varme, falder dens energiniveau. Hvis du mangler energi, kan du blive syg!
Hvad er funktionen af vinduer og døre? Hvorfor skal døre og vinduer være lavet af træ? Om natten er lufttemperaturen udenfor huset lavere end lufttemperaturen inde i huset. Denne forskel i lufttemperatur får varmen til at bevæge sig fra husets indre og ud. Derfor lukker vi normalt døre eller vinduer om natten. Udover at afværge kriminelle, er en af vinduers eller døres funktioner at forhindre varme i at slippe ud af huset. Normalt er døre eller vinduer lavet af træ. Træets varmeledningsevne er lav nok til, at det kan fungere som en varmeisolator. En anden funktion af vinduer eller døre er at holde på luften. Luft fanget på indersiden af vinduet eller døren fungerer som en god isolator (blokerer varme fra at slippe ud). Luftens varmeledningsevne er meget lav. Jo lavere en genstands varmeledningsevne er, desto vanskeligere er det for varme at overføres ved ledning gennem genstanden.
Udover at opretholde vores status som civiliserede og normale mennesker 🙂, tjener tøj også til at opretholde en stabil kropstemperatur. Det tøj, vi har på, er normalt tilpasset lufttemperaturen. Når lufttemperaturen er ret lav, er det tøj, vi har på, tykkere. Tæpper eller tykt tøj (jakker osv.) forhindrer luften i at bevæge sig jævnt. Luft er fanget mellem huden og jakken eller tæppet. Fordi der er en temperaturforskel mellem vores krop og den fangede luft, bevæger varme sig fra kroppen til luften. Den ekstra varme fra kroppen får temperaturen af den fangede luft til at stige (luften bliver varmere). Se på tabellen over varmeledningsevne ovenfor. Luftens varmeledningsevne er meget lille. Derfor kan varme ikke undslippe fra kroppen. Vores kropstemperatur forbliver stabil. Hvis vi ikke har en jakke på, når luften er ret kold, undslipper varme fra vores krop. Jo mere varme der undslipper fra kroppen, jo mere energi mister kroppen.
Eksempel på soal
1. National eksamen 2011/2012 Spørgsmål A81 nr. 10
Vær opmærksom på følgende udsagn!
(1) Metalledningsevne
(2) Temperaturforskellen mellem metalenderne
(3) Metallængde
(4) Metalmasse
Faktorerne, der bestemmer varmeudbredelseshastigheden i metal, er...
A. (1), (2) og (3)
B. (1) og (4)
C. (2) og (4)
D. (3) og (4)
Kun E. (4)
Diskussion
Baseret på formlen for varmeoverføringshastigheden ved ledningsevne, er de faktorer, der bestemmer varmeoverføringshastigheden, metallets ledningsevne (k), temperaturforskellen mellem metallets ender (T) og metallets længde (l). Metallets masse har ingen effekt.
Det rigtige svar er A.
