Ha egy fa széken ülsz, a fa szék felülete felmelegszik. Fordítva, ha egy műanyagból vagy fémből készült széken ülsz, a fém vagy műanyag szék felülete nem érződik melegnek leülés után. Miért meleg egy fa szék felülete, míg egy fém széké nem? Miért okozhat fájdalmat a hideg padlón matrac nélkül alvás? Viseltél már hidegkabátot? Miért készül a legtöbb hidegkabát gyapjúból? Még mindig sok minden elgondolkodtató és feltehető a hővezetéssel történő hőátadással kapcsolatban.
Készíts elő egy gyertyát és egy darab vékony drótot. Fogd meg a drót egyik végét, és a másik végét érintsd a gyertyalánghoz. Várj néhány pillanatot, amíg a kezed forrónak nem érzed. Miért érzed forrónak a kezed? Amikor a drót egyik vége hozzáér a gyertyalánghoz, a hő a gyertyalángtól (magas hőmérséklet) a drót másik végéhez (alacsony hőmérséklet) áramlik. Ez a hőátadás a drót lánggal érintkező végének hőmérsékletének emelkedését okozza. A drót gyertyalánggal érintkező vége és a drót másik vége közötti hőmérsékletkülönbség miatt a hő a lánggal érintkező drótvégtől a kezed által megérintett drótvégig áramlik. Ez a hőátadás a drót megérintett végének hőmérsékletének emelkedését okozza. A hő ezután a hidegebb kezedhez kerül. Ennek eredményeként a kezed forrónak érződik.
Amikor egy magas hőmérsékletű tárgy egy része érintkezésbe kerül egy alacsony hőmérsékletű tárggyal, a hő a magas hőmérsékletű tárgyról az alacsonyabb hőmérsékletűre kerül. A többletenergia miatt a tárgyat alkotó atomok és molekulák gyorsabban mozognak. Mozgás közben a molekulák mozgási energiával rendelkeznek (EK = ½ mv 2 ). A gyorsabban mozgó molekulák (nagyobb mozgási energiával) ütköznek a mellettük lévő molekulákkal. Ezek a molekulák ezután ütköznek a mellettük lévő többi molekulával. És így tovább. Így a molekulák ütköznek egymással, energiát adva át. A tárgyat alkotó molekulák ütközésein keresztül bekövetkező hőátadást hővezetéses hőátadásnak nevezzük.
A hővezetéssel történő hőátadás képlete
A bal oldali objektum hőmérséklete magasabb (T1), míg a jobb oldali objektum hőmérséklete alacsonyabb (T2). A hőmérsékletkülönbség (T1 - T2), a hő egy magas hőmérsékletű tárgyról egy alacsony hőmérsékletű tárgyra áramlik (a hőáramlás iránya jobbra van). A tárgy, amelyen a hő áthalad, keresztmetszeti területtel (A) és hosszúsággal (l) rendelkezik.
A kísérlet eredményei alapján az egy bizonyos időintervallum alatt átadott hő (Q/t) egyenesen arányos a hőmérsékletkülönbséggel (T1 – T2 ) , a keresztmetszeti területtel (A), a tárgy jellegével (k = hővezető képesség), és fordítottan arányos a tárgy hosszával. A hővezetéses hőátadás sebességének képlete:
Leírás: Q/t = hőátadási sebesség, k = hővezető képesség, A = keresztmetszeti terület, T1 = magas hőmérséklet, T2 = alacsony hőmérséklet, l = tárgy hossza.
A hővezetéses hőátadás alkalmazása
Miért érződik a csempék hűvösebbnek, mint a szőnyegek? A csempék hővezető képessége nagyobb, mint a szőnyegeké. Ezért a csempék jó hővezetők, míg a szőnyegek rosszul. Amikor a szőnyegre lépünk, a hő a lábunktól a szőnyegre áramlik. Ez azért történik, mert a testhőmérsékletünk magasabb, mint a szőnyeg hőmérséklete. A szőnyegek rosszul vezetik a hőt, ezért a lábunktól áradó hő felhalmozódik a szőnyeg felületén, így a szőnyeg melegebb lesz. Amikor csempére vagy kerámiára lépünk, a hő a lábunktól a csempékhez vagy a kerámiához áramlik. Mivel a csempék jó hővezetők, a hő nem marad meg a csempék felületén. A hő simán áramlik, így a lábunk hidegnek érződik. Ha hideg helyen van a házad, akkor a hálószoba padlóját szőnyeggel kell letakarnod, hogy a tested ne veszítse el a hőt. Fordítva, ha meleg helyen van, akkor ne takard le a hálószoba padlóját szőnyeggel, mert nem hidegnek, hanem melegnek fogod érezni magad 😉
A matrac nélküli, padlón alvás betegséget okozhat. Miért? Ez azért van, mert nagy mennyiségű hő adódik át a testedről a padlóra. A hő mozgásban lévő energia. Amikor a tested sok hőt veszít, az energiaszintje csökken. Ha nincs energiád, megbetegedhetsz!
Mi az ablakok és ajtók funkciója? Miért kell fából készíteni az ajtókat és ablakokat? Éjszaka a házon kívüli levegő hőmérséklete alacsonyabb, mint a házon belüli levegő hőmérséklete. Ez a hőmérséklet-különbség miatt a hő a házon belülről a kifelé áramlik. Ezért éjszaka általában bezárjuk az ajtókat vagy ablakokat. A bűnözők távol tartása mellett az ablakok vagy ajtók egyik funkciója a hő házból való kiszökésének megakadályozása. Az ajtók vagy ablakok általában fából készülnek. A fa hővezető képessége elég alacsony ahhoz, hogy hőszigetelőként működjön. Az ablakok vagy ajtók másik funkciója a levegő megtartása. Az ablak vagy ajtó belsejében csapdába esett levegő jó szigetelőként működik (megakadályozza a hő kiszökését). A levegő hővezető képessége nagyon alacsony. Minél alacsonyabb egy tárgy hővezető képessége, annál nehezebb a hő átadása hővezetéssel rajta keresztül.
Amellett, hogy civilizált és normális emberi lényként tartjuk fenn magunkat 🙂, a ruházat a testhőmérséklet stabil fenntartását is szolgálja. A ruházatunk általában a levegő hőmérsékletéhez igazodik. Amikor a levegő hőmérséklete meglehetősen alacsony, a ruházatunk vastagabb. A takarók vagy vastag ruházat (dzsekik stb.) megakadályozzák a levegő akadálytalan áramlását. A levegő csapdába esik a bőr és a kabát vagy takaró között. Mivel hőmérsékletkülönbség van a testünk és a csapdába esett levegő között, a hő a testből a levegőbe áramlik. A testből származó további hő a csapdába esett levegő hőmérsékletének emelkedését okozza (a levegő melegebbé válik). Nézd meg a fenti hővezető képességi táblázatot. A levegő hővezető képessége nagyon kicsi. Ezért a hő nem tud távozni a testből. A testhőmérsékletünk stabil marad. Ha nem viselünk kabátot, amikor a levegő meglehetősen hideg, a hő távozik a testünkből. Minél több hő távozik a testből, annál több energiát veszít a test.
Problémákra példa
1. 2011/2012-es országos vizsgakérdés A81 10. sz.
Figyelj oda a következő állításra!
(1) Fémek vezetőképessége
(2) A fém végei közötti hőmérsékletkülönbség
(3) Fém hossza
(4) Fémtömeg
A fémekben a hő terjedésének sebességét meghatározó tényezők a következők...
A. (1), (2) és (3)
B. (1) és (4)
C. (2) és (4)
D. (3) és (4)
Csak E. (4)
Vita
A hővezetéses hőátadás sebességének képlete alapján a hőátadás sebességét meghatározó tényezők a fém vezetőképessége (k), a fém végei közötti hőmérsékletkülönbség (T) és a fém hossza (l). A fém tömegének nincs hatása.
A helyes válasz az A.
