Jos istut puisella tuolilla, tuolin pinta lämpenee. Jos taas istut muovi- tai metallituolilla, metalli- tai muovituolin pinta ei tunnu lämpimältä istumisen jälkeen. Miksi puutuolin pinta on lämmin, kun taas metallituolin pinta ei ole? Miksi kylmällä lattialla nukkuminen ilman patjaa voi aiheuttaa kipua? Oletko koskaan käyttänyt kylmätakkia? Miksi useimmat kylmätakit on valmistettu villasta? Lämmönjohtuvuuteen liittyen on vielä paljon pohdittavaa ja kysyttävää.
Valmistele kynttilä ja pätkä ohutta lankaa. Pidä langan toista päätä ja kosketa toisella päällä kynttilän liekkiä. Odota hetki, kunnes kätesi tuntuu kuumalta. Miksi kätesi tuntuu kuumalta? Kun langan toinen pää koskettaa kynttilän liekkiä, lämpö siirtyy kynttilän liekistä (korkea lämpötila) langan toiseen päähän (matala lämpötila). Tämä lämmönsiirto nostaa liekkiä koskettavan langan pään lämpötilaa. Lämpötilaero kynttilän liekkiä koskettavan langan pään ja langan toisen pään välillä saa lämmön siirtymään liekkiä koskettavasta langan päästä kätesi koskettamaan langan päähän. Tämä lämmönsiirto nostaa kosketettavan langan pään lämpötilaa. Lämpö siirtyy sitten viileämpään käteesi. Tämän seurauksena kätesi tuntuu kuumalta.
Kun korkean lämpötilan omaavan kappaleen osa joutuu kosketuksiin matalan lämpötilan kappaleen kanssa, lämpö siirtyy korkeamman lämpötilan kappaleesta matalamman lämpötilan kappaleeseen. Lisäenergia saa kappaleen muodostavat atomit ja molekyylit liikkumaan nopeammin. Liikkuessaan molekyyleillä on kineettistä energiaa (EK = ½ mv 2 ). Nopeammin liikkuvat molekyylit (joilla on suurempi kineettinen energia) törmäävät viereisiinsä oleviin molekyyleihin. Nämä molekyylit törmäävät sitten viereisiinsä oleviin molekyyleihin. Ja niin edelleen. Molekyylit törmäävät toisiinsa ja siirtävät energiaa. Lämmönsiirtoa, joka tapahtuu kappaleen muodostavien molekyylien välisten törmäysten kautta, kutsutaan lämmönjohtumiseksi.
Lämmönjohtavuuden kaava
Vasemmalla olevalla esineellä on korkeampi lämpötila (T1), kun taas oikealla olevalla esineellä on alhaisempi lämpötila (T2). Lämpötilaeron (T1 - T2), lämpö siirtyy korkean lämpötilan kappaleesta matalan lämpötilan kappaleeseen (lämmön virtaussuunta on oikealle). Kappaleella, jonka läpi lämpö kulkee, on poikkileikkauspinta-ala (A) ja pituus (l).
Kokeen tulosten perusteella tietyn aikavälin aikana siirtynyt lämpö (Q/t) on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon (T1 – T2 ) , poikkileikkauspinta-alaan (A), kappaleen ominaisuuksiin (k = lämmönjohtavuus) ja kääntäen verrannollinen kappaleen pituuteen. Johtumalla tapahtuvan lämmönsiirtonopeuden kaava:
Kuvaus: Q/t = lämmönsiirtonopeus, k = lämmönjohtavuus, A = poikkileikkauspinta-ala, T1 = korkea lämpötila, T2 = matala lämpötila, l = kappaleen pituus.
Lämmönsiirron soveltaminen johtumisen avulla
Miksi laatat tuntuvat viileämmiltä kuin matot? Laatoilla on parempi lämmönjohtavuus kuin matoilla. Siksi laatat ovat hyviä lämmönjohtimia, kun taas matot ovat huonoja lämmönjohtimia. Kun astumme matolle, lämpö virtaa jaloistamme mattoon. Tämä johtuu siitä, että kehomme lämpötila on korkeampi kuin maton lämpötila. Matot ovat huonoja lämmönjohtimia, joten jaloistamme virtaava lämpö kerääntyy maton pinnalle, mikä tekee matosta lämpimämmän. Kun astumme laattojen tai keramiikan päälle, lämpö virtaa jaloistamme laattoihin tai keramiikkaan. Koska laatat ovat hyviä lämmönjohtimia, lämpö ei pysy laattojen pinnalla. Lämpö virtaa tasaisesti, jolloin jalkamme tuntuvat kylmiltä. Jos talosi on kylmällä alueella, sinun tulisi peittää makuuhuoneesi lattia matolla, jotta kehosi ei menetä lämpöä. Toisaalta, jos talosi on kuumalla alueella, sinun ei pitäisi peittää makuuhuoneesi lattiaa matolla, koska et tunne oloasi viileäksi vaan kuumaksi 😉
Lattialla nukkuminen ilman patjaa voi aiheuttaa sairastumisen. Miksi? Tämä johtuu siitä, että suuri määrä lämpöä siirtyy kehosta lattiaan. Lämpö on liike-energiaa. Kun kehosi menettää paljon lämpöä, sen energiatasot laskevat. Jos sinulla on energian puute, voit sairastua!
Mikä on ikkunoiden ja ovien tehtävä? Miksi ovien ja ikkunoiden tulisi olla puuta? Yöllä talon ulkopuolella on alhaisempi ilman lämpötila kuin talon sisällä. Tämä lämpötilaero saa lämmön siirtymään talon sisältä ulos. Siksi suljemme yleensä ovet tai ikkunat yöllä. Rikollisten torjunnan lisäksi yksi ikkunoiden tai ovien tehtävistä on estää lämmön karkaaminen talosta. Yleensä ovet tai ikkunat on valmistettu puusta. Puun lämmönjohtavuus on riittävän alhainen, jotta se voi toimia lämmöneristeenä. Toinen ikkunoiden tai ovien tehtävä on pidättää ilmaa. Ikkunan tai oven sisäpuolelle jäänyt ilma toimii hyvänä eristeenä (estää lämmön karkaamisen). Ilman lämmönjohtavuus on erittäin alhainen. Mitä alhaisempi esineen lämmönjohtavuus on, sitä vaikeampaa lämmön on siirtyä johtumalla kyseisen esineen läpi.
Sen lisäksi, että vaatteet ylläpitävät asemaamme sivistyneinä ja normaaleina ihmisinä 🙂, ne auttavat myös ylläpitämään vakaata ruumiinlämpöä. Käyttämämme vaatteet on yleensä säädetty ilman lämpötilaan. Kun ilman lämpötila on melko alhainen, käyttämämme vaatteet ovat paksumpia. Peitot tai paksut vaatteet (takit jne.) estävät ilman liikkumisen tasaisesti. Ilma jää loukkuun ihon ja takin tai huovan väliin. Koska kehomme ja loukkuun jääneen ilman välillä on lämpötilaero, lämpö siirtyy kehosta ilmaan. Kehosta tuleva lisälämpö nostaa loukkuun jääneen ilman lämpötilaa (ilma lämpenee). Katso yllä olevaa lämmönjohtavuustaulukkoa. Ilman lämmönjohtavuusarvo on hyvin pieni. Siksi lämpö ei pääse poistumaan kehosta. Kehon lämpötila pysyy vakaana. Jos emme käytä takkia, kun ilma on melko kylmä, lämpöä poistuu kehostamme. Mitä enemmän lämpöä poistuu kehosta, sitä enemmän energiaa keho menettää.
Ongelmaesimerkki
1. Vuoden 2011/2012 valtakunnallisen kokeen kysymys A81 nro 10
Kiinnitä huomiota seuraavaan väitteeseen!
(1) Metallin johtavuus
(2) Metallien päiden välinen lämpötilaero
(3) Metallin pituus
(4) Metallimassa
Metallin lämmön etenemisnopeutta määräävät tekijät ovat...
A. (1), (2) ja (3)
B. (1) ja (4)
C. (2) ja (4)
D. (3) ja (4)
Vain E. (4)
Keskustelu
Lämmönjohtavuuden lämmönsiirtonopeuden kaavan perusteella lämmönsiirtonopeutta määräävät tekijät ovat metallin johtavuus (k), metallin päiden välinen lämpötilaero (T) ja metallin pituus (l). Metallin massalla ei ole vaikutusta.
Oikea vastaus on A.
