Če sedite na lesenem stolu, se površina lesenega stola segreje. Nasprotno pa, če sedite na stolu iz plastike ali kovine, se površina kovinskega ali plastičnega stola po sedenju na njem ne segreje. Zakaj je površina lesenega stola topla, površina kovinskega stola pa ne? Zakaj lahko spanje na hladnih tleh brez vzmetnice povzroči bolečino? Ste že kdaj nosili hladno jakno? Zakaj je večina hladnih jaken iz volne? V zvezi s temo prenosa toplote s prevodnostjo je še veliko stvari, o katerih je treba razmisliti in se vprašati.
Pripravite svečo in kos tanke žice. Primite en konec žice in se z drugim koncem žice dotaknite plamena sveče. Počakajte nekaj trenutkov, da se vaša roka segreje. Zakaj se vaša roka segreje? Ko se en konec žice dotakne plamena sveče, se toplota premakne s plamena sveče (visoka temperatura) na drugi konec žice (nizka temperatura). Zaradi tega prenosa toplote se temperatura konca žice, ki se dotika plamena, poveča. Temperaturna razlika med koncem žice, ki se dotika plamena, in drugim koncem žice povzroči, da se toplota premakne s konca žice, ki se dotika plamena, na konec žice, ki se ga dotikate z roko. Zaradi tega prenosa toplote se temperatura konca žice, ki se ga dotikate, poveča. Toplota se nato premakne na vašo hladnejšo roko. Posledično se vaša roka segreje.
Ko del predmeta z visoko temperaturo pride v stik s predmetom z nizko temperaturo, se toplota premakne s predmeta z visoko temperaturo na predmet z nizko temperaturo. Dodatna energija povzroči, da se atomi in molekule, ki sestavljajo predmet, gibljejo hitreje. Med gibanjem imajo molekule kinetično energijo (EK = ½ mv² ) . Molekule, ki se gibljejo hitreje (z večjo kinetično energijo), trčijo v molekule poleg sebe. Te molekule nato trčijo v druge molekule poleg sebe. In tako naprej. Tako molekule trčijo druga v drugo in prenašajo energijo. Prenos toplote, ki se pojavi s trki med molekulami, ki sestavljajo predmet, se imenuje prenos toplote s prevodnostjo.
Formula za prenos toplote s prevodnostjo
Predmet na levi ima višjo temperaturo (T1), medtem ko ima predmet na desni nižjo temperaturo (T2Zaradi temperaturne razlike (T1 - T.2), toplota se premika od predmeta z visoko temperaturo do predmeta z nizko temperaturo (smer toplotnega toka je v desno). Predmet, skozi katerega prehaja toplota, ima površino prečnega prereza (A) in dolžino (l).
Na podlagi rezultatov poskusa je toplota, prenesena v določenem časovnem intervalu (Q/t), neposredno sorazmerna s temperaturno razliko (T1 – T2 ) , površino prečnega prereza (A), naravo predmeta (k = toplotna prevodnost) in obratno sorazmerna z dolžino predmeta. Formula za hitrost prenosa toplote s prevodnostjo:
Opis: Q/t = hitrost prenosa toplote, k = toplotna prevodnost, A = površina prečnega prereza, T1 = visoka temperatura, T2 = nizka temperatura, l = dolžina predmeta.
Uporaba prenosa toplote s prevodnostjo
Zakaj se ploščice zdijo hladnejše od preprog? Ploščice imajo večjo toplotno prevodnost kot preproge. Zato so ploščice dobri prevodniki toplote, medtem ko so preproge slabi prevodniki toplote. Ko stopimo na preprogo, toplota teče z naših nog na preprogo. To se zgodi, ker je naša telesna temperatura višja od temperature preproge. Preproge so slabi prevodniki toplote, zato se toplota, ki teče z naših nog, kopiči na površini preproge, zaradi česar je preproga toplejša. Ko stopimo na ploščice ali keramiko, toplota teče z naših nog na ploščice ali keramiko. Ker so ploščice dobri prevodniki toplote, se toplota ne zadržuje na površini ploščic. Toplota teče gladko, zaradi česar so naša stopala hladna. Če je vaša hiša v hladnem območju, morate tla spalnice prekriti s preprogo, da vaše telo ne izgublja toplote. Nasprotno, če je vaša hiša v vročem območju, tal spalnice ne smete prekriti s preprogo, ker se ne boste počutili hladno, ampak vroče 😉
Spanje na tleh brez vzmetnice lahko povzroči bolezen. Zakaj? To pa zato, ker se velika količina toplote prenese iz telesa na tla. Toplota je energija v gibanju. Ko vaše telo izgubi veliko toplote, se njegova raven energije zmanjša. Če vam primanjkuje energije, lahko zbolite!
Kakšna je funkcija oken in vrat? Zakaj bi morala biti vrata in okna lesena? Ponoči je temperatura zraka zunaj hiše nižja od temperature zraka v hiši. Zaradi te razlike v temperaturi zraka se toplota premika iz notranjosti hiše navzven. Zato ponoči običajno zapremo vrata ali okna. Poleg tega, da odganjajo kriminalce, je ena od funkcij oken ali vrat preprečevanje uhajanja toplote iz hiše. Običajno so vrata ali okna izdelana iz lesa. Toplotna prevodnost lesa je dovolj nizka, da lahko deluje kot toplotni izolator. Druga funkcija oken ali vrat je zadrževanje zraka. Zrak, ujet na notranji strani okna ali vrat, deluje kot dober izolator (preprečuje uhajanje toplote). Toplotna prevodnost zraka je zelo nizka. Nižja kot je toplotna prevodnost predmeta, težje se toplota prenaša s prevodnostjo skozi ta predmet.
Poleg ohranjanja našega statusa civiliziranih in normalnih ljudi 🙂, oblačila služijo tudi za vzdrževanje stabilne telesne temperature. Oblačila, ki jih nosimo, so običajno prilagojena temperaturi zraka. Ko je temperatura zraka precej nizka, so oblačila, ki jih nosimo, debelejša. Odeje ali debela oblačila (jakne itd.) preprečujejo nemoteno gibanje zraka. Zrak je ujet med kožo in jakno ali odejo. Ker je temperaturna razlika med našim telesom in ujetim zrakom, se toplota premika iz telesa v zrak. Dodatna toplota iz telesa povzroči zvišanje temperature ujetega zraka (zrak postane toplejši). Oglejte si zgornjo tabelo toplotne prevodnosti. Vrednost toplotne prevodnosti zraka je zelo majhna. Zato toplota ne more uiti iz telesa. Naša telesna temperatura ostane stabilna. Če ne nosimo jakne, ko je zrak precej hladen, toplota uhaja iz našega telesa. Več toplote, ki uide iz telesa, več energije telo izgubi.
Primer težav
1. Vprašanje A81 št. 10 na državnem izpitu za leto 2011/2012
Bodite pozorni na naslednjo izjavo!
(1) Prevodnost kovin
(2) Temperaturna razlika med kovinskimi konci
(3) Dolžina kovine
(4) Kovinska masa
Dejavniki, ki določajo hitrost širjenja toplote v kovini, so ...
A. (1), (2) in (3)
B. (1) in (4)
C. (2) in (4)
D. (3) in (4)
Samo E. (4)
Razprava
Na podlagi formule za hitrost prenosa toplote s prevodnostjo so dejavniki, ki določajo hitrost prenosa toplote, prevodnost kovine (k), temperaturna razlika med koncema kovine (T) in dolžina kovine (l). Masa kovine nima vpliva.
Pravilen odgovor je A.
