1. Lämmönjohtumisen määritelmä
Jos istut puisessa tuolissa, tuolin pinta lämpenee. Jos taas istut muovi- tai metallituolissa, metalli- tai muovituolin pinta ei tunnu lämpimältä istumisen jälkeen. Miksi puutuolin pinta lämpenee, kun taas metallituolin pinta ei lämpene? Miksi kylmällä lattialla nukkuminen ilman patjaa voi aiheuttaa kipua? Oletko koskaan käyttänyt kylmäsuojatakkia? Miksi useimmat kylmäsuojatakit on valmistettu villasta? Lämmönjohtuvuuteen liittyy vielä monia asioita, joita voidaan pohtia ja kyseenalaistaa.
Kun korkean lämpötilan kappaleen yksi osa on kosketuksissa matalan lämpötilan kappaleen kanssa, energia siirtyy korkean lämpötilan kappaleesta matalan lämpötilan osaan. Energian yhteenlaskeutuminen saa atomit ja molekyylit liikkumaan nopeammin. Liikkuessaan molekyylillä on kineettistä energiaa (KE = 1/2 mv² ) . Nopeammin liikkuvat molekyylit (suurempi kineettistä energiaa) paiskaavat viereisiä molekyylejä. Molekyyli osuu toiseen viereiseen molekyyliin. Niin edelleen. Molekyylit siis törmäävät toisiinsa siirtäessään energiaa. Lämmönsiirtoa, joka tapahtuu kappaleen molekyylien välisten törmäysten kautta, kutsutaan lämmönjohtumiseksi.
2. Lämmönjohtumisen yhtälö
Vasemmalla olevalla objektilla on korkeampi lämpötila (T1), kun taas oikealla sijaitsevalla esineellä on alhaisempi lämpötila (T2). Lämpötilaeron (T1 - T2), lämpö siirtyy korkean lämpötilan kappaleesta matalan lämpötilan kappaleeseen (lämmön virtaussuunta oikealle). Lämmön ohittamalla kappaleella on poikkileikkauspinta-ala (A) ja pituus (l).
Kokeen tulosten perusteella tietyn aikavälin (Q/t) aikana liikkuva lämpö on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon (T1 – T2 ) ,
poikkileikkauspinta-ala (A), kappaleen luonne (k = lämmönjohtavuus) ja kääntäen verrannollinen kappaleen pituuteen. Lämmönjohtavuuden kaava:
Kuvaus: Q/t = lämmönsiirtonopeus, k = lämmönjohtavuus, A = poikkileikkauspinta-ala, T1 = korkea lämpötila, T2 = matala lämpötila, l = kappaleen pituus.
3. Lämmönjohtavuus (k)
Miksi useimmat keittoastiat on valmistettu alumiinista? Jos vasen käsi pitää rautaa ja oikea lasia, niin rauta ja lasi koskettavat tulta. Tuntuuko vasen vai oikea käsi nopeammalta? Nämä ja mahdollisesti muut kysymykset, joita kysyt, liittyvät esineiden lämmönjohtavuuteen. Esineen lämmönjohtavuus on esineen kyky siirtää lämpöä esineen läpi. Esineet, joilla on suuri lämmönjohtavuus (k), ovat hyviä lämmönjohtimia (hyviä lämmönjohtimia). Kääntäen, esineet, joilla on pieni lämmönjohtavuus, ovat huonoja lämmönjohtimia (huonoja lämmönjohtimia).
4. Lämmönsiirron soveltaminen johtumisen avulla
Miksi laatta tuntuu viileämmältä kuin matto? Laatoilla on parempi lämmönjohtavuus kuin matoilla. Siksi laatta on hyvä lämmönjohtaja, kun taas matto on huono lämmönjohtaja. Kun kävelemme matolla, lämpö virtaa jaloistamme mattoa kohti. Tämä johtuu siitä, että kehomme lämpötila on korkeampi kuin maton lämpötila. Matto on huono lämmönjohtaja, joten jaloistamme virtaava lämpö kerääntyy maton pinnalle, jolloin matto lämpenee. Kun kävelemme laatalla tai keraamisella mattolla, lämpö virtaa jaloista laattaan tai keraamiseen mattoon. Koska laatat ovat hyviä lämmönjohtimia, lämpö ei jää laatan pintaan. Lämpö virtaa tasaisesti, joten jalkamme tuntuvat kylmiltä.
Lattialla nukkuminen ilman jalustaa voi aiheuttaa kipua. Miksi? Tämä johtuu siitä, että kehosta lattiaan siirtyy paljon lämpöä. Lämpö on liikkuvaa energiaa. Kun kehosi menettää paljon lämpöä, sen energia vähenee. Jos sinulta puuttuu energiaa, voit sairastua!
Mitkä ovat ikkunoiden ja ovien toiminnot? Miksi ovien ja ikkunoiden tulisi olla puuta? Yöllä talon ulkolämpötila on alhaisempi kuin sisäilman lämpötila. Tämä lämpötilaero saa lämmön siirtymään talon sisältä ulos. Siksi suljemme yleensä yöllä ovet tai ikkunat. Ikkunan tai oven sisäpuolelle jäävä ilma toimii hyvänä eristeenä. Mitä pienempi esineen lämmönjohtavuus on, sitä vaikeampaa on lämmön siirtyminen johtumalla esineen läpi.
Sen lisäksi, että vaatteet ylläpitävät asemaamme sivistyneinä ja normaaleina ihmisinä, ne myös auttavat pitämään ruumiinlämpömme vakaana. Käyttämämme vaatteet on tyypillisesti säädetty ilman lämpötilaan. Kun ilman lämpötila on riittävän alhainen, käyttämämme vaatteet ovat paksumpia. Paksut peitot tai vaatteet (esim. takit) estävät ilman liikkumisen. Ilma jää loukkuun ihon ja takin tai huovan väliin. Koska kehomme ja loukkuun jääneen ilman välillä on lämpötilaero, lämpö siirtyy kehosta ilmaan. Kehon lämmönlisäys nostaa loukkuun jääneen ilman lämpötilaa (ilma lämpenee). Ilman lämmönjohtavuus on minimaalinen. Siksi lämpö ei pääse pois kehosta. Myös ruumiinlämpömme säilyy. Jos emme käytä takkia, kun ilma on riittävän kylmä, kehostamme poistuu lämpöä. Mitä enemmän lämpöä kehosta poistuu, sitä paljon energiaa keho menettää!
