Om du sitter på en trästol blir ytan på trästolen varm. Om du däremot sitter på en stol av plast eller metall känns inte ytan på metall- eller plaststolen varm efter att du suttit på den. Varför är ytan på en trästol varm, medan ytan på en metallstol inte är det? Varför kan det orsaka smärta att sova på ett kallt golv utan madrass? Har du någonsin burit en kall jacka? Varför är de flesta kalljackor gjorda av ull? Det finns fortfarande många saker att tänka på och fråga sig om relaterat till ämnet värmeöverföring genom ledning.
Förbered ett ljus och en bit tunn tråd. Håll ena änden av tråden och rör den andra änden av tråden vid ljuslågan. Vänta några ögonblick tills din hand känns varm. Varför känns din hand varm? När ena änden av tråden rör vid ljuslågan, rör sig värme från ljuslågan (hög temperatur) till den andra änden av tråden (låg temperatur). Denna värmeöverföring gör att temperaturen på den ände av tråden som rör vid lågan ökar. Temperaturskillnaden mellan den ände av tråden som rör vid ljuslågan och den andra änden av tråden gör att värme rör sig från den ände av tråden som rör vid lågan till den ände av tråden som din hand rör vid. Närvaron av värmeöverföring Detta gör att temperaturen på den ände av tråden som berörs stiger. Värmen överförs sedan till din kallare hand, vilket gör att din hand känns varm.
När en del av ett föremål har suhu kontakt med ett föremål med låg temperatur, kalori förflyttning från ett objekt med hög temperatur till ett objekt med låg temperatur. Den extra energin gör att atomerna och molekylerna som utgör objektet rör sig snabbare. När molekylerna rör sig har de kinetisk energi (EK = ½ mV)2Molekyler som rör sig snabbare (med större kinetisk energi) kolliderar med molekylerna bredvid sig. Dessa molekyler kolliderar sedan med andra molekyler bredvid sig. Och så vidare. Så kolliderar molekylerna med varandra och överför energi. Den värmeöverföring som sker genom kollisioner mellan molekylerna som utgör ett objekt kallas värmeöverföring genom ledning.
Formeln för värmeöverföring genom ledning
Objektet till vänster har en högre temperatur (T1) medan objektet till höger har en lägre temperatur (T2). På grund av temperaturskillnaden (T1 - T2), rör sig värme från ett föremål med hög temperatur till ett föremål med låg temperatur (värmeflödets riktning är åt höger). Föremålet genom vilket värme passerar har en tvärsnittsarea (A) och en längd (l).
Baserat på experimentets resultat är den värme som överförs under ett visst tidsintervall (Q/t) direkt proportionell mot temperaturskillnaden (T1 - T2), tvärsnittsarean (A), ett objekts egenskaper (k = värmeledningsförmåga) och är omvänt proportionell mot objektets längd. Formeln för värmeöverföringshastigheten genom ledning:
Beskrivning: Q/t = värmeöverföringshastighet, k = värmeledningsförmåga, A = tvärsnittsarea, T1 = hög temperatur, T2 = låg temperatur, l = objektlängd.
Tillämpning av värmeöverföring genom ledning
Varför känns kakel svalare än heltäckningsmatta? Kakel har högre värmeledningsförmåga än heltäckningsmattor. Därför är kakel bra värmeledare, medan heltäckningsmattor är dåliga värmeledare. När vi kliver på en matta flödar värme från våra fötter till mattan. Detta händer eftersom vår kroppstemperatur är högre än mattans temperatur. Mattor är dåliga värmeledare, därför ackumuleras värmen som flödar från våra fötter på mattans yta, vilket gör mattan varmare. När vi kliver på kakel eller keramik flödar värme från våra fötter till kakel eller keramik. Eftersom kakel är bra värmeledare behålls inte värmen på kakelytan. Värmen flödar smidigt, vilket gör att våra fötter känns kalla. Om ditt hus ligger i ett kallt område bör du täcka ditt sovrumsgolv med heltäckningsmatta så att din kropp inte förlorar värme. Omvänt, om ditt hus ligger i ett varmt område, bör du inte täcka ditt sovrumsgolv med heltäckningsmatta eftersom du inte kommer att känna dig sval utan varm 😉
Att sova på golvet utan madrass kan orsaka sjukdom. Varför? Detta beror på att en stor mängd värme överförs från kroppen till golvet. Värme är energi i rörelse. När kroppen förlorar mycket värme minskar dess energinivåer. Om du saknar energi kan du bli sjuk!
Vilken funktion har fönster och dörrar? Varför ska dörrar och fönster vara gjorda av trä? På natten är lufttemperaturen utanför huset lägre än lufttemperaturen inuti huset. Denna skillnad i lufttemperatur gör att värme rör sig från husets insida till utsidan. Därför stänger vi vanligtvis dörrarna eller fönstren på natten. Förutom att avskräcka brottslingar är en av fönsters eller dörrars funktioner att förhindra att värme slipper ut från huset. Vanligtvis är dörrar eller fönster gjorda av trä. Träets värmeledningsförmåga är tillräckligt låg för att det kan fungera som en värmeisolator. En annan funktion hos fönster eller dörrar är att hålla luft. Luft som är fångad på insidan av fönstret eller dörren fungerar som en bra isolator (blockerar värme från att läcka ut). Luftens värmeledningsförmåga är mycket låg. Ju lägre värmeledningsförmåga ett föremål har, desto svårare är det för värme att överföras genom ledning genom det föremålet.
Förutom att upprätthålla vår status som civiliserade och normala människor 🙂, tjänar kläder också till att upprätthålla en stabil kroppstemperatur. Kläderna vi bär är vanligtvis anpassade till lufttemperaturen. När lufttemperaturen är ganska låg är kläderna vi bär tjockare. Filtar eller tjocka kläder (jackor etc.) hindrar luften från att röra sig smidigt. Luft är instängd mellan huden och jackan eller filten. Eftersom det finns en temperaturskillnad mellan vår kropp och den instängda luften, rör sig värme från kroppen till luften. Den extra värmen från kroppen gör att temperaturen på den instängda luften ökar (luften blir varmare). Titta på värmeledningsförmågastabellen ovan. Luftens värmeledningsförmåga är mycket liten. Därför kan värme inte avgå från kroppen. Vår kroppstemperatur förblir stabil. Om vi inte bär en jacka när luften är ganska kall, avgår värme från vår kropp. Ju mer värme som avgår från kroppen, desto mer energi förlorar kroppen.
Problem exempel
1. Nationella provet 2011/2012, fråga A81 nr 10
Var uppmärksam på följande påstående!
(1) Metallledningsförmåga
(2) Temperaturskillnaden mellan metalländarna
(3) Metalllängd
(4) Metallmassa
Faktorerna som avgör värmeutbredningshastigheten i metall är...
A. (1), (2) och (3)
B. (1) och (4)
C. (2) och (4)
D. (3) och (4)
Endast E. (4)
Diskussion
Baserat på formeln för värmeöverföringshastigheten genom ledning är de faktorer som bestämmer värmeöverföringshastigheten metallens konduktivitet (k), temperaturskillnaden mellan metallens ändar (T) och metallens längd (l). Metallens massa har ingen effekt.
Det rätta svaret är A.
