1. Ορισμός της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας
Αν καθίσετε σε μια ξύλινη καρέκλα, η επιφάνειά της ζεσταίνετε. Αντίθετα, αν καθίσετε σε μια καρέκλα από πλαστικό ή μέταλλο, η επιφάνεια μιας μεταλλικής ή πλαστικής καρέκλας δεν είναι ζεστή αφού καθίσετε. Γιατί η επιφάνεια της ξύλινης καρέκλας θερμαίνεται, ενώ η μεταλλική επιφάνεια της καρέκλας όχι; Γιατί ο ύπνος σε κρύο πάτωμα χωρίς στρώμα μπορεί να προκαλέσει πόνο; Έχετε φορέσει ποτέ αντικρυστικό μπουφάν; Γιατί τα περισσότερα αντικρυστικά μπουφάν είναι κατασκευασμένα από μαλλί; Υπάρχουν ακόμα πολλά πράγματα που μπορούν να ληφθούν υπόψη και να αμφισβητηθούν σχετικά με το θέμα της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας.
Όταν ένα μέρος ενός αντικειμένου υψηλής θερμοκρασίας έρχεται σε επαφή με ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας, η ενέργεια μετακινείται από ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας σε ένα μέρος του αντικειμένου χαμηλής θερμοκρασίας. Η προσθήκη ενέργειας προκαλεί άτομα και μόρια να κινούνται ταχύτερα. Όταν κινείται, το μόριο έχει κινητική ενέργεια (KE = 1/2 mv 2 ). Τα μόρια που κινούνται ταχύτερα (μεγαλύτερη κινητική ενέργεια) χτυπούν τα μόρια δίπλα τους. Το μόριο χτυπά ένα άλλο μόριο δίπλα του. Έτσι, τα μόρια συγκρούονται μεταξύ τους ενώ κινούν ενέργεια. Η μεταφορά θερμότητας που συμβαίνει μέσω συγκρούσεων μεταξύ των μορίων του αντικειμένου ονομάζεται μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα.
2. Η εξίσωση μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας
Το αντικείμενο που βρίσκεται στα αριστερά έχει υψηλότερη θερμοκρασία (T1) ενώ το αντικείμενο που βρίσκεται στα δεξιά έχει χαμηλότερη θερμοκρασία (T2Λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας (T1 - T2), η θερμότητα κινείται από ένα αντικείμενο υψηλής θερμοκρασίας σε ένα αντικείμενο χαμηλής θερμοκρασίας (η κατεύθυνση της ροής θερμότητας είναι προς τα δεξιά). Το αντικείμενο που διέρχεται από τη θερμότητα έχει διατομή (A) και μήκος (l).
Με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, η θερμότητα που μετακινείται κατά τη διάρκεια ενός ορισμένου χρονικού διαστήματος (Q/t) είναι άμεσα ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας (T1 – T2 ) ,
η διατομή (A), η φύση ενός αντικειμένου (k = θερμική αγωγιμότητα) και αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος του αντικειμένου. Ο τύπος για τη μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα:
Περιγραφή: Q/t = ρυθμός μεταφοράς θερμότητας, k = θερμική αγωγιμότητα, A = επιφάνεια διατομής, T1 = υψηλή θερμοκρασία, T2 = χαμηλή θερμοκρασία, l = μήκος αντικειμένου.
3. Η θερμική αγωγιμότητα (k)
Γιατί τα περισσότερα μαγειρικά σκεύη είναι κατασκευασμένα από αλουμίνιο; Αν το αριστερό σας χέρι κρατάει το σίδερο, το δεξί σας κρατάει το γυαλί, τότε το σίδερο και το γυαλί αγγίζονται στη φωτιά. Αριστερό ή δεξί χέρι που αισθάνεται πιο γρήγορα; Αυτές οι ερωτήσεις και ίσως άλλες ερωτήσεις που θα θέσετε σχετίζονται με τη θερμική αγωγιμότητα των αντικειμένων. Η θερμική αγωγιμότητα ενός αντικειμένου είναι η ικανότητα ενός αντικειμένου να μεταφέρει θερμότητα μέσα από το αντικείμενο. Τα αντικείμενα που έχουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα (k) είναι καλοί αγωγοί θερμότητας (καλοί θερμικοί αγωγοί). Αντίθετα, τα αντικείμενα που έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα είναι κακοί αγωγοί θερμότητας (κακοί θερμικοί αγωγοί).
4. Εφαρμογή της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας
Γιατί το πλακάκι είναι πιο δροσερό από το χαλί; Τα πλακάκια έχουν μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα από τα χαλιά. Επομένως, το πλακάκι είναι καλός αγωγός θερμότητας, ενώ το χαλί είναι κακός αγωγός θερμότητας. Όταν περπατάμε στο χαλί, η θερμότητα ρέει από τα πόδια προς το χαλί. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμοκρασία του σώματός μας είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του χαλιού. Το χαλί είναι κακός αγωγός θερμότητας, επομένως η θερμότητα που ρέει από τα πόδια μας συσσωρεύεται στην επιφάνεια του χαλιού, με αποτέλεσμα το χαλί να γίνεται πιο ζεστό. Όταν περπατάμε σε ένα πλακάκι ή κεραμικό, η θερμότητα ρέει από το πόδι στο πλακάκι ή το κεραμικό. Επειδή τα πλακάκια είναι καλός αγωγός θερμότητας, η θερμότητα δεν κολλάει στην επιφάνεια του πλακιδίου. Η θερμότητα ρέει ομαλά, με αποτέλεσμα τα πόδια μας να νιώθουν κρύα.
Ο ύπνος στο πάτωμα του σπιτιού χωρίς βάθρο μπορεί να προκαλέσει πόνο. Γιατί; Αυτό οφείλεται στην ποσότητα θερμότητας που μετακινείται από το σώμα στο πάτωμα. Η θερμότητα είναι η ενέργεια που κινείται. Όταν το σώμα σας χάνει πολλή θερμότητα, η ενέργεια στο σώμα σας μειώνεται. Αν έχετε έλλειψη ενέργειας, μπορεί να αρρωστήσετε!
Ποιες είναι οι λειτουργίες των παραθύρων και των πορτών; Γιατί οι πόρτες και τα παράθυρα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από ξύλο; Τη νύχτα, η θερμοκρασία έξω από το σπίτι είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα στο εσωτερικό του. Αυτή η διαφορά στη θερμοκρασία του αέρα προκαλεί τη μεταφορά θερμότητας από το εσωτερικό του σπιτιού προς το εξωτερικό του. Επομένως, συνήθως τη νύχτα, κλείνουμε πόρτες ή παράθυρα. Ο αέρας που παγιδεύεται στο εσωτερικό του παραθύρου ή της πόρτας χρησιμεύει ως καλός μονωτής. Όσο μικρότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα ενός αντικειμένου, τόσο πιο δύσκολη είναι η μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγιμότητας μέσω του αντικειμένου.
Εκτός από τη διατήρηση της ιδιότητάς μας ως πολιτισμένων και φυσιολογικών ανθρώπων, τα ρούχα λειτουργούν επίσης για να διατηρούν σταθερή τη θερμοκρασία του σώματός μας. Τα ρούχα που χρησιμοποιούμε συνήθως προσαρμόζονται στη θερμοκρασία του αέρα. Όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι αρκετά χαμηλή, τα ρούχα που χρησιμοποιούμε είναι πιο χοντρά. Οι χοντρές κουβέρτες ή ρούχα (μπουφάν κ.λπ.) καθιστούν τον αέρα ανίκανο να κινηθεί. 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 προσθήκη θερμότητας από το σώμα προκαλεί την αύξηση της θερμοκρασίας του παγιδευμένου αέρα (ο αέρας γίνεται θερμότερος). Η τιμή της θερμικής αγωγιμότητας του αέρα είναι ελάχιστη. Επομένως, η θερμότητα δεν μπορεί να βγει από το σώμα. Η θερμοκρασία του σώματός μας διατηρείται επίσης. Εάν δεν χρησιμοποιούμε μπουφάν όταν ο αέρας είναι αρκετά κρύος, η θερμότητα βγαίνει από το σώμα μας. Όσο περισσότερη θερμότητα βγαίνει από το σώμα, τόσο το σώμα χάνει πολλή ενέργεια!
