Główna zawartość
Kurs: Fizyka > Rozdział 10
Lekcja 2: Ciepło właściwe i wymiana ciepła- Ciepło właściwe; ciepło utajone (ciepło przemiany fazowej) topnienia i parowania.
- Przewodnictwo cieplne, konwekcja i promieniowanie
- Przewodnictwo cieplne
- Przewodnictwo cieplne metalu i drewna
- Intuicyjne wyjaśnienie wzoru na przewodnictwo cieplne
- Przewodnictwo cieplne - co to jest?
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie
Przewodnictwo cieplne - co to jest?
W tym artykule dyskutujemy zjawisko przewodnictwa cieplnego. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości.
Czym jest przewodzenie ciepła?
Z pewnością przyznasz, że chodzenie na bosaka po kafelkach w łazience jest nieprzyjemne - stopy marzną nam wtedy znacznie bardziej, niż gdy chodzimy po dywanie. To dosyć ciekawe - przecież dywan i kafelki mają zazwyczaj tę sama temperaturę (czyli temperaturę, która panuje całym wnętrzu naszego domu). Fakt, że dotykając wielu obiektów o tej samej temperaturze, odczuwamy chłód mniej lub bardziej, wynika z tego, że odmienne materiały mają różne współczynniki przewodnictwa cieplnego. Kafelki czy kamienie mają przewodzą ciepło szybciej niż dywan lub tkanina, dlatego jeśli stojąc boso zima na kamieniu zmarzniemy bardziej, niż gdybyśmy stali na dywanie - ciepło z naszych stóp będzie uciekało szybciej w pierwszym przypadku.
Zazwyczaj materiały, które dobrze przewodzą prąd (metale takie jak miedź, aluminium, złoto czy srebro) są również dobrymi przewodnikami cieplnymi; i w drugą stronę - izolatory elektryczne (drewno, plastik, guma) słabo przewodzą ciepło. Na rysunku poniżej pokazano cząsteczki dwóch stykających się ciał o różnych temperaturach. Średnia energia kinetyczna cząsteczek w gorącym ciele jest większa, niż w tym chłodniejszym. Kiedy dochodzi między nimi do zderzeń, część energii kinetycznej zostaje przekazana cząsteczce, która początkowo poruszała się wolnej. W każdym momencie zachodzi mnóstwo takich zderzeń i energia jest sukcesywnie przekazywana z gorętszego ciała do chłodniejszego. Taki transport ciepła miedzy dwoma obiektami nazywamy przewodzeniem termicznym.
Rysunek: Cząsteczki dwóch ciał o różnych temperaturach mają różne średnie energie kinetyczne. Zderzenia molekuł na granicy styku tych ciał powoduja transport energii z gorętszego do chłodniejszego. (Image Credit: Openstax College Physics)
Czym jest równanie przewodnictwa cieplnego?
Są cztery czynniki ( , , , ), które wpływają na to, jak szybko ciepło przepływa przez dany obiekt. Matematyczna zależność, która została zaobserwowana i sprawdzona doświadczalnie, wyraża się następującym wzorem:
Literą oznaczamy ilość ciepła, które przepłynęło w czasie , to współczynnik przewodnictwa cieplnego danego materiału, to pole powierzchni poprzecznego przekroju ciała, - różnica wartości temperatury na jego końcach, a - grubość materiału (odległość, która musi "przepłynąć" ciepło). Wszystkie te parametry zaprezentowane są na rysunku poniżej.
Rysunek: Zjawisko przewodnictwa cieplnego zachodzi dla każdego obiektu - tutaj schematycznie narysowaliśmy regularny prostopadłościan, ale ciepło może być przewodzone przez szyby w oknach naszych domów, czy warstwę tłuszczu u zwierząt. (Image Credit: Openstax College Physics)
Co oznaczają poszczególne wyrazy w równaniu przewodnictwa cieplnego?
Aby zrozumieć równanie przewodnictwa cieplnego , musi wpierw wyjaśnić poszczególne pojęcia. A więc po kolei:
Dlaczego zima metale wydają się chłodniejsze niż reszta otoczenia, a latem - gorętsze?
Materiały o dużym współczynniki przewodnictwa (jak metale i kamienie) dobrze przewodzą ciepło w obie strony; mogę je od nas zarówno pobrać, jak i je nam dostarczyć. Zatem, jeśli dotkniemy ręką metalu, którego temperatura jest niższa od naszej własnej, nastąpi szybki przepływ ciepła z naszej dłoni do metalu, w skutek czego poczujemy zimno. I odwrotnie - gdy dotkniemy metalu o wysokiej temperaturze, bardzo szybko przekaże on nam dużą ilość ciepła, a więc poczujemy gorąco (lub nawet poparzenie).
To tłumaczy, dlaczego, chodząc boso, zimą czujemy chłód (ciepło gwałtownie przepływa z naszych stóp do zimnej ziemi), a latem odczuwamy ciepło (rozgrzane podłoże przekazuje energię cieplną naszym stopom).
Jak wygląda rozwiązanie zadania o przewodnictwie cieplnym?
Przykład pierwszy 1: Wymiana okna
Pewna osoba zamierza wymienić u siebie w domu okno, jednak zależy mu, aby rachunki za ogrzewanie i klimatyzację pozostały niezmienione. Okno, które miał dotychczas, ma powierzchnię , grubość i jest zrobione ze szkła o współczynniku przewodnictwa .
Która z poniższych opcji nie zmieni ilości ciepła, które jest przewodzone przez okno z jednostce czasu? (wybierz jedną odpowiedź)
Przykład 2: Ciepło ucieka przez zamknięte okno
Typowa, jednowarstwowe okno ma około szerokości, wysokości i grubość . Współczynnik przewodnictwa cieplnego dla szkła wynosi . Przyjmij, że temperatura zewnętrznej powierzchni szkła (równa temperaturze powietrza na dworze, o ile jest ono jednorodne) wynosi , a wewnętrznej powierzchni (czyli również temperatura powietrza w domu) wynosi .
Jak wiele ciepła (w ) przepływa przez okno w ciągu godziny?
Rozwiązanie:
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji