Αν καθίσετε σε μια ξύλινη καρέκλα, η επιφάνειά της ζεσταίνετε. Αντίθετα, αν καθίσετε σε μια καρέκλα από πλαστικό ή μέταλλο, η επιφάνεια της μεταλλικής ή πλαστικής καρέκλας δεν είναι ζεστή αφού καθίσετε σε αυτήν. Γιατί η επιφάνεια μιας ξύλινης καρέκλας είναι ζεστή, ενώ η επιφάνεια μιας μεταλλικής καρέκλας όχι; Γιατί ο ύπνος σε κρύο πάτωμα χωρίς στρώμα μπορεί να προκαλέσει πόνο; Έχετε φορέσει ποτέ κρύο μπουφάν; Γιατί τα περισσότερα κρύα μπουφάν είναι φτιαγμένα από μαλλί; Υπάρχουν ακόμα πολλά πράγματα που πρέπει να σκεφτείτε και να ρωτήσετε σχετικά με το θέμα της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας.
Ετοιμάστε ένα κερί και ένα κομμάτι λεπτό σύρμα. Κρατήστε τη μία άκρη του σύρματος και ακουμπήστε την άλλη άκρη του σύρματος στη φλόγα του κεριού. Περιμένετε λίγα λεπτά μέχρι να νιώσετε το χέρι σας ζεστό. Γιατί νιώθετε το χέρι σας ζεστό; Όταν η μία άκρη του σύρματος αγγίζει τη φλόγα του κεριού, η θερμότητα μετακινείται από τη φλόγα του κεριού (υψηλή θερμοκρασία) στην άλλη άκρη του σύρματος (χαμηλή θερμοκρασία). Αυτή η μεταφορά θερμότητας προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας του άκρου του σύρματος που αγγίζει τη φλόγα. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του άκρου του σύρματος που αγγίζει τη φλόγα του κεριού και του άλλου άκρου του σύρματος προκαλεί μετακίνηση θερμότητας από το άκρο του σύρματος που αγγίζει τη φλόγα προς το άκρο του σύρματος που αγγίζεται από το χέρι σας. Αυτή η μεταφορά θερμότητας προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας του άκρου του σύρματος που αγγίζεται. Η θερμότητα στη συνέχεια μετακινείται στο πιο δροσερό σας χέρι. Ως αποτέλεσμα, το χέρι σας ζεσταίνετε.
Όταν ένα μέρος ενός αντικειμένου με υψηλή θερμοκρασία έρχεται σε επαφή με ένα αντικείμενο με χαμηλή θερμοκρασία, η θερμότητα μετακινείται από το αντικείμενο με την υψηλή θερμοκρασία στο μέρος με τη χαμηλή θερμοκρασία. Η πρόσθετη ενέργεια προκαλεί την ταχύτερη κίνηση των ατόμων και των μορίων που αποτελούν το αντικείμενο. Καθώς κινούνται, τα μόρια έχουν κινητική ενέργεια (EK = ½ mv 2 ). Τα μόρια που κινούνται ταχύτερα (με μεγαλύτερη κινητική ενέργεια) συγκρούονται με τα μόρια δίπλα τους. Αυτά τα μόρια στη συνέχεια συγκρούονται με άλλα μόρια δίπλα τους. Και ούτω καθεξής. Έτσι, τα μόρια συγκρούονται μεταξύ τους, μεταφέροντας ενέργεια. Η μεταφορά θερμότητας που συμβαίνει μέσω συγκρούσεων μεταξύ των μορίων που αποτελούν ένα αντικείμενο ονομάζεται μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα.
Ο τύπος για τη μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας
Το αντικείμενο στα αριστερά έχει υψηλότερη θερμοκρασία (T1) ενώ το αντικείμενο στα δεξιά έχει χαμηλότερη θερμοκρασία (T2Λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας (T1 - Τ.2), η θερμότητα κινείται από ένα αντικείμενο με υψηλή θερμοκρασία σε ένα αντικείμενο με χαμηλή θερμοκρασία (η κατεύθυνση της ροής θερμότητας είναι προς τα δεξιά). Το αντικείμενο από το οποίο διέρχεται η θερμότητα έχει διατομή (A) και μήκος (l).
Με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, η θερμότητα που μεταφέρεται κατά τη διάρκεια ενός ορισμένου χρονικού διαστήματος (Q/t) είναι άμεσα ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας (T 1 – T 2 ), την επιφάνεια της διατομής (A ), τη φύση ενός αντικειμένου (k = θερμική αγωγιμότητα) και αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος του αντικειμένου. Ο τύπος για τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας:
Περιγραφή: Q/t = ρυθμός μεταφοράς θερμότητας, k = θερμική αγωγιμότητα, A = επιφάνεια διατομής, T1 = υψηλή θερμοκρασία, T2 = χαμηλή θερμοκρασία, l = μήκος αντικειμένου.
Εφαρμογή της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας
Γιατί τα πλακάκια είναι πιο δροσερά από τα χαλιά; Τα πλακάκια έχουν μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα από τα χαλιά. Επομένως, τα πλακάκια είναι καλοί αγωγοί θερμότητας, ενώ τα χαλιά είναι κακοί αγωγοί θερμότητας. Όταν πατάμε σε ένα χαλί, η θερμότητα ρέει από τα πόδια μας στο χαλί. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμοκρασία του σώματός μας είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του χαλιού. Τα χαλιά είναι κακοί αγωγοί θερμότητας, επομένως η θερμότητα που ρέει από τα πόδια μας συσσωρεύεται στην επιφάνεια του χαλιού, καθιστώντας το χαλί πιο ζεστό. Όταν πατάμε σε πλακάκια ή κεραμικά, η θερμότητα ρέει από τα πόδια μας στα πλακάκια ή τα κεραμικά. Επειδή τα πλακάκια είναι καλοί αγωγοί θερμότητας, η θερμότητα δεν συγκρατείται στην επιφάνεια των πλακιδίων. Η θερμότητα ρέει ομαλά, κάνοντας τα πόδια μας να νιώθουν κρύα. Εάν το σπίτι σας βρίσκεται σε μια κρύα περιοχή, θα πρέπει να καλύψετε το πάτωμα του υπνοδωματίου σας με χαλί, ώστε το σώμα σας να μην χάσει θερμότητα. Αντίθετα, εάν το σπίτι σας βρίσκεται σε μια ζεστή περιοχή, δεν πρέπει να καλύψετε το πάτωμα του υπνοδωματίου σας με χαλί, επειδή δεν θα νιώσετε δροσερά αλλά ζεστά 😉
Ο ύπνος στο πάτωμα χωρίς στρώμα μπορεί να προκαλέσει ασθένεια. Γιατί; Αυτό συμβαίνει επειδή μεταφέρεται μεγάλη ποσότητα θερμότητας από το σώμα σας στο πάτωμα. Η θερμότητα είναι ενέργεια σε κίνηση. Όταν το σώμα σας χάνει πολλή θερμότητα, τα επίπεδα ενέργειάς του μειώνονται. Αν έχετε έλλειψη ενέργειας, μπορεί να αρρωστήσετε!
Ποια είναι η λειτουργία των παραθύρων και των πορτών; Γιατί οι πόρτες και τα παράθυρα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από ξύλο; Τη νύχτα, η θερμοκρασία του αέρα έξω από το σπίτι είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα μέσα στο σπίτι. Αυτή η διαφορά στη θερμοκρασία του αέρα προκαλεί τη μεταφορά θερμότητας από το εσωτερικό του σπιτιού προς τα έξω. Επομένως, τη νύχτα συνήθως κλείνουμε τις πόρτες ή τα παράθυρα. Εκτός από τον στόχο της αποτροπής των εγκληματιών, μία από τις λειτουργίες των παραθύρων ή των πορτών είναι να εμποδίζουν τη διαφυγή θερμότητας από το σπίτι. Συνήθως οι πόρτες ή τα παράθυρα είναι κατασκευασμένα από ξύλο. Η θερμική αγωγιμότητα του ξύλου είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μπορεί να λειτουργήσει ως θερμομονωτικός παράγοντας. Μια άλλη λειτουργία των παραθύρων ή των πορτών είναι να συγκρατούν τον αέρα. Ο αέρας που παγιδεύεται στο εσωτερικό του παραθύρου ή της πόρτας λειτουργεί ως καλός μονωτής (εμποδίζοντας τη διαφυγή θερμότητας). Η θερμική αγωγιμότητα του αέρα είναι πολύ χαμηλή. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα ενός αντικειμένου, τόσο πιο δύσκολο είναι να μεταφερθεί η θερμότητα μέσω αγωγιμότητας μέσω αυτού του αντικειμένου.
Εκτός από τη διατήρηση της ιδιότητάς μας ως πολιτισμένων και φυσιολογικών ανθρώπων 🙂, τα ρούχα χρησιμεύουν επίσης για τη διατήρηση μιας σταθερής θερμοκρασίας του σώματος. Τα ρούχα που φοράμε συνήθως προσαρμόζονται στη θερμοκρασία του αέρα. Όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι αρκετά χαμηλή, τα ρούχα που φοράμε είναι πιο χοντρά. Οι κουβέρτες ή τα χοντρά ρούχα (μπουφάν κ.λπ.) εμποδίζουν τον αέρα να κινείται ομαλά. Ο αέρας παγιδεύεται ανάμεσα στο δέρμα και το μπουφάν ή την κουβέρτα. Επειδή υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του σώματός μας και του παγιδευμένου αέρα, η θερμότητα μετακινείται από το σώμα στον αέρα. Η επιπλέον θερμότητα από το σώμα προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας του παγιδευμένου αέρα (ο αέρας γίνεται θερμότερος). Δείτε τον πίνακα θερμικής αγωγιμότητας παραπάνω. Η τιμή θερμικής αγωγιμότητας του αέρα είναι πολύ μικρή. Επομένως, η θερμότητα δεν μπορεί να διαφύγει από το σώμα. Η θερμοκρασία του σώματός μας παραμένει σταθερή. Αν δεν φοράμε μπουφάν όταν ο αέρας είναι αρκετά κρύος, η θερμότητα διαφεύγει από το σώμα μας. Όσο περισσότερη θερμότητα διαφεύγει από το σώμα, τόσο περισσότερη ενέργεια χάνει το σώμα.
Παράδειγμα προβλημάτων
1. Ερώτηση Α81 Αρ. 10 για τις Πανελλαδικές Εξετάσεις 2011/2012
Δώστε προσοχή στην ακόλουθη δήλωση!
(1) Αγωγιμότητα μετάλλου
(2) Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των μεταλλικών άκρων
(3) Μήκος μετάλλου
(4) Μεταλλική μάζα
Οι παράγοντες που καθορίζουν τον ρυθμό διάδοσης της θερμότητας στο μέταλλο είναι...
Α. (1), (2) και (3)
Β. (1) και (4)
Γ. (2) και (4)
Δ. (3) και (4)
Ε. (4) μόνο
Συζήτηση
Με βάση τον τύπο για τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας, οι παράγοντες που καθορίζουν τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας είναι η αγωγιμότητα του μετάλλου (k), η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των άκρων του μετάλλου (T) και το μήκος του μετάλλου (l). Η μάζα του μετάλλου δεν έχει καμία επίδραση.
Η σωστή απάντηση είναι το Α.
