1. Definicja przenoszenia ciepła przez przewodzenie
Jeśli usiądziesz na drewnianym krześle, jego powierzchnia nagrzeje się. Natomiast jeśli usiądziesz na krześle wykonanym z plastiku lub metalu, powierzchnia metalowego lub plastikowego krzesła nie będzie ciepła po siedzeniu. Dlaczego powierzchnia drewnianego krzesła jest nagrzewana, a metalowego nie? Dlaczego spanie na zimnej podłodze bez materaca może powodować ból? Czy nosiłeś kiedyś kurtkę przeciwmgielną? Dlaczego większość kurtek przeciwmgielnych jest wykonana z wełny? Wciąż istnieje wiele kwestii, które można rozważyć i zakwestionować w kontekście przewodzenia ciepła.
Gdy jedna część obiektu o wysokiej temperaturze styka się z obiektem o niskiej temperaturze, energia przemieszcza się z obiektu o wysokiej temperaturze do części obiektu o niskiej temperaturze. Dodanie energii powoduje, że atomy i cząsteczki poruszają się szybciej. Podczas ruchu cząsteczka ma energię kinetyczną (KE = 1/2 mv 2 ). Cząsteczki, które poruszają się szybciej (mają większą energię kinetyczną), uderzają w cząsteczki znajdujące się obok nich. Cząsteczka uderza w inną cząsteczkę znajdującą się obok niej. I tak dalej. Tak więc cząsteczki zderzają się ze sobą, przekazując energię. Przenoszenie ciepła, które następuje poprzez zderzenia między cząsteczkami obiektu, nazywa się przenoszeniem ciepła przez przewodzenie.
2. Równanie przenoszenia ciepła przez przewodzenie
Obiekt znajdujący się po lewej stronie ma wyższą temperaturę (T1) podczas gdy obiekt znajdujący się po prawej stronie ma niższą temperaturę (T2). Ze względu na różnicę temperatur (T1 - T2), ciepło przemieszcza się z obiektu o wysokiej temperaturze do obiektu o niskiej temperaturze (kierunek przepływu ciepła w prawo). Obiekt, przez który przepływa ciepło, ma pole przekroju poprzecznego (A) i długość (l).
Na podstawie wyników eksperymentu stwierdzono, że ciepło przemieszczające się w pewnym przedziale czasu (Q/t) jest wprost proporcjonalne do różnicy temperatur (T 1 – T 2 ),
pole przekroju poprzecznego (A), charakter obiektu (k = przewodność cieplna) i odwrotnie proporcjonalna do długości obiektu. Wzór na przenoszenie ciepła przez przewodzenie:
Opis: Q/t = szybkość wymiany ciepła, k = przewodność cieplna, A = pole przekroju poprzecznego, T 1 = wysoka temperatura, T 2 = niska temperatura, l = długość obiektu.
3. Przewodność cieplna (k)
Dlaczego większość naczyń kuchennych jest wykonana z aluminium? Jeśli lewą ręką trzymasz żelazko, a prawą szklankę, to żelazo i szklanka stykają się z ogniem. Lewa czy prawa ręka czuje się szybciej? Te pytania, a być może i inne, które sobie zadajesz, dotyczą przewodnictwa cieplnego przedmiotów. Przewodnictwo cieplne przedmiotu to zdolność przedmiotu do przenoszenia ciepła przez przedmiot. Przedmioty o dużej przewodności cieplnej (k) są dobrymi przewodnikami ciepła (dobrymi przewodnikami ciepła). Natomiast przedmioty o małej przewodności cieplnej są złymi przewodnikami ciepła (złymi przewodnikami ciepła).
4. Zastosowanie przenoszenia ciepła przez przewodzenie
Dlaczego płytki wydają się chłodniejsze niż dywan? Płytki mają większą przewodność cieplną niż dywany. Zatem płytki są dobrym przewodnikiem ciepła, a dywan złym. Kiedy chodzimy po dywanie, ciepło przepływa od stóp w kierunku dywanu. Dzieje się tak, ponieważ temperatura naszego ciała jest wyższa niż temperatura dywanu. Dywan jest złym przewodnikiem ciepła, więc ciepło płynące od naszych stóp kumuluje się na jego powierzchni, przez co dywan staje się cieplejszy. Kiedy chodzimy po płytkach lub ceramice, ciepło przepływa od stóp w kierunku płytki lub ceramiki. Ponieważ płytki są dobrym przewodnikiem ciepła, ciepło nie zatrzymuje się na powierzchni płytki. Ciepło przepływa płynnie, dzięki czemu nasze stopy są zimne.
Spanie na podłodze domu bez cokołu może powodować ból. Dlaczego? Dzieje się tak ze względu na ilość ciepła, która przemieszcza się z ciała na podłogę. Ciepło to energia, która się porusza. Kiedy ciało traci dużo ciepła, energia w nim spada. Brak energii może prowadzić do choroby!
Jakie funkcje pełnią okna i drzwi? Dlaczego drzwi i okna powinny być drewniane? W nocy temperatura na zewnątrz domu jest niższa niż temperatura powietrza w domu. Ta różnica temperatur powoduje, że ciepło przedostaje się z wnętrza domu na zewnątrz. Dlatego zazwyczaj zamykamy drzwi lub okna na noc. Powietrze uwięzione po wewnętrznej stronie okna lub drzwi pełni funkcję dobrego izolatora. Im mniejsza przewodność cieplna obiektu, tym trudniej jest przewodzić ciepło przez obiekt.
Oprócz utrzymywania naszego statusu jako cywilizowanych i normalnych istot ludzkich, odzież służy również do utrzymywania stabilnej temperatury ciała. Ubrania, których używamy, są zazwyczaj dostosowane do temperatury powietrza. Gdy temperatura powietrza jest wystarczająco niska, ubrania, które nosimy, są grubsze. Grube koce lub ubrania (kurtki itp.) uniemożliwiają ruch powietrza. Powietrze jest uwięzione między skórą a kurtką lub kocem. Ponieważ istnieje różnica temperatur między naszym ciałem a uwięzionym powietrzem, ciepło przemieszcza się z ciała do powietrza. Dodanie ciepła z ciała powoduje wzrost temperatury uwięzionego powietrza (powietrze staje się cieplejsze). Wartość przewodnictwa cieplnego powietrza jest minimalna. Dlatego ciepło nie może wydostać się z ciała. Nasza temperatura ciała jest również utrzymywana. Jeśli nie używamy kurtki, gdy powietrze jest wystarczająco zimne, ciepło ucieka z naszego ciała. Im więcej ciepła ucieka z ciała, tym ciało traci dużo energii!
