Hvis du sitter på en trestol, blir overflaten på trestolen varm. Omvendt, hvis du sitter på en stol laget av plast eller metall, føles ikke overflaten på metall- eller plaststolen varm etter at du har sittet på den. Hvorfor er overflaten på en trestol varm, mens overflaten på en metallstol ikke er det? Hvorfor kan det å sove på et kaldt gulv uten madrass forårsake smerte? Har du noen gang brukt en kuldejakke? Hvorfor er de fleste kuldejakker laget av ull? Det er fortsatt mange ting å tenke på og spørre om knyttet til temaet varmeoverføring ved konduksjon.
Forbered et stearinlys og et stykke tynn ståltråd. Hold den ene enden av ståltråden og berør den andre enden av ståltråden mot stearinlysflammen. Vent noen øyeblikk til hånden din føles varm. Hvorfor føles hånden din varm? Når den ene enden av ståltråden berører stearinlysflammen, beveger varme seg fra stearinlysflammen (høy temperatur) til den andre enden av ståltråden (lav temperatur). Denne varmeoverføringen fører til at temperaturen på enden av ståltråden som berører flammen øker. Temperaturforskjellen mellom enden av ståltråden som berører stearinlysflammen og den andre enden av ståltråden fører til at varme beveger seg fra enden av ståltråden som berører flammen til enden av ståltråden som berøres av hånden din. Denne varmeoverføringen fører til at temperaturen på enden av ståltråden som berøres øker. Varmen beveger seg deretter til den kjøligere hånden din. Som et resultat føles hånden din varm.
Når en del av et objekt med høy temperatur kommer i kontakt med et objekt med lav temperatur, beveger varme seg fra objektet med høy temperatur til objektet med lav temperatur. Den ekstra energien får atomene og molekylene som utgjør objektet til å bevege seg raskere. Når de beveger seg, har molekylene kinetisk energi (EK = ½ mv² ) . Molekylene som beveger seg raskere (med større kinetisk energi) kolliderer med molekylene ved siden av seg. Disse molekylene kolliderer deretter med andre molekyler ved siden av seg. Og så videre. Så kolliderer molekylene med hverandre og overfører energi. Varmeoverføring som skjer gjennom kollisjoner mellom molekylene som utgjør et objekt kalles varmeoverføring ved konduksjon.
Formelen for varmeoverføring ved konduksjon
Objektet til venstre har en høyere temperatur (T1) mens objektet til høyre har en lavere temperatur (T2). På grunn av temperaturforskjellen (T1 - T2), beveger varme seg fra et objekt med høy temperatur til et objekt med lav temperatur (varmestrømmens retning er til høyre). Objektet som varmen passerer gjennom har et tverrsnittsareal (A) og en lengde (l).
Basert på resultatene fra eksperimentet er varmen som overføres i løpet av et visst tidsintervall (Q/t) direkte proporsjonal med temperaturforskjellen (T1 – T2 ) , tverrsnittsarealet (A), objektets natur (k = varmeledningsevne) og omvendt proporsjonal med objektets lengde. Formelen for varmeoverføringshastigheten ved konduksjon:
Beskrivelse: Q/t = varmeoverføringshastighet, k = varmeledningsevne, A = tverrsnittsareal, T1 = høy temperatur, T2 = lav temperatur, l = objektlengde.
Anvendelse av varmeoverføring ved konduksjon
Hvorfor føles fliser kjøligere enn tepper? Fliser har høyere varmeledningsevne enn tepper. Derfor er fliser gode varmeledere, mens tepper er dårlige varmeledere. Når vi tråkker på et teppe, strømmer varme fra føttene våre til teppet. Dette skjer fordi kroppstemperaturen vår er høyere enn temperaturen på teppet. Tepper er dårlige varmeledere, derfor akkumuleres varmen som strømmer fra føttene våre på overflaten av teppet, noe som gjør teppet varmere. Når vi tråkker på fliser eller keramikk, strømmer varme fra føttene våre til flisene eller keramikken. Fordi fliser er gode varmeledere, holdes ikke varmen på overflaten av flisene. Varmen flyter jevnt, noe som gjør at føttene våre føles kalde. Hvis huset ditt er i et kaldt område, bør du dekke soveromsgulvet med teppe slik at kroppen din ikke mister varme. Omvendt, hvis huset ditt er i et varmt område, bør du ikke dekke soveromsgulvet med teppe fordi du ikke vil føle deg kjølig, men varm 😉
Å sove på gulvet uten madrass kan forårsake sykdom. Hvorfor? Dette er fordi en stor mengde varme overføres fra kroppen din til gulvet. Varme er energi i bevegelse. Når kroppen din mister mye varme, synker energinivået. Hvis du mangler energi, kan du bli syk!
Hva er funksjonen til vinduer og dører? Hvorfor bør dører og vinduer være laget av tre? Om natten er lufttemperaturen utenfor huset lavere enn lufttemperaturen inne i huset. Denne forskjellen i lufttemperatur fører til at varme beveger seg fra innsiden av huset og ut. Derfor lukker vi vanligvis dørene eller vinduene om natten. I tillegg til å avverge kriminelle, er en av funksjonene til vinduer eller dører å forhindre at varme slipper ut av huset. Vanligvis er dører eller vinduer laget av tre. Treets varmeledningsevne er lav nok til at det kan fungere som en varmeisolator. En annen funksjon til vinduer eller dører er å holde på luft. Luft fanget på innsiden av vinduet eller døren fungerer som en god isolator (blokkerer varme fra å slippe ut). Luftens varmeledningsevne er svært lav. Jo lavere varmeledningsevnen til et objekt er, desto vanskeligere er det for varme å overføres ved ledning gjennom det objektet.
I tillegg til å opprettholde vår status som siviliserte og normale mennesker 🙂, tjener klær også til å opprettholde en stabil kroppstemperatur. Klærne vi bruker er vanligvis tilpasset lufttemperaturen. Når lufttemperaturen er ganske lav, er klærne vi bruker tykkere. Tepper eller tykke klær (jakker osv.) hindrer luften i å bevege seg jevnt. Luft blir fanget mellom huden og jakken eller teppet. Fordi det er en temperaturforskjell mellom kroppen vår og den fangede luften, beveger varme seg fra kroppen til luften. Den ekstra varmen fra kroppen fører til at temperaturen på den fangede luften øker (luften blir varmere). Se på tabellen over varmeledningsevne ovenfor. Varmeledningsevnen til luft er svært liten. Derfor kan ikke varme unnslippe fra kroppen. Kroppstemperaturen vår forblir stabil. Hvis vi ikke bruker jakke når luften er ganske kald, unnslipper varme fra kroppen vår. Jo mer varme som slipper ut fra kroppen, desto mer energi mister kroppen.
Eksempel på hva
1. Nasjonal eksamen 2011/2012, spørsmål A81 nr. 10
Vær oppmerksom på følgende utsagn!
(1) Metallledningsevne
(2) Temperaturforskjellen mellom metallendene
(3) Lengde på metall
(4) Metallmasse
Faktorene som bestemmer varmeutbredelseshastigheten i metall er...
A. (1), (2) og (3)
B. (1) og (4)
C. (2) og (4)
D. (3) og (4)
Kun E. (4)
Diskusjon
Basert på formelen for varmeoverføringshastigheten ved konduksjon, er faktorene som bestemmer varmeoverføringshastigheten metallets konduktivitet (k), temperaturforskjellen mellom metallets ender (T) og metallets lengde (l). Metallets masse har ingen effekt.
Det riktige svaret er A.
