Αγωγιμότητα είναι η ικανότητα ενός σώματος ή υλικού να μεταδίδει θερμότητα. Με αυτόν τον τρόπο, κινείται μέσα από ένα στερεό αντικείμενο ή από το ένα αντικείμενο στο άλλο, επειδή και τα δύο βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους. Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να περάσει η θερμότητα από ολόκληρο το σώμα. Τίθεται το ερώτημα: «Πώς ο αέρας και άλλα υλικά μεταφέρουν τη θερμότητα;» Μάθετε στο άρθρο!
Θερμική αγωγιμότητα
Η ικανότητα μεταφοράς θερμότητας μέσα σε ένα αντικείμενο ονομάζεται θερμική αγωγιμότητα. Αυτή η ιδιότητα συμβολίζεται με το γράμμα k και μετριέται σε W / (m × K). Οι τιμές θερμικής αγωγιμότητας ποικίλλουν για διαφορετικά υλικά. Έτσι, ο χρυσός, το ασήμι και ο χαλκός έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Παρεμπιπτόντως, αυτά τα υλικά είναι επίσης καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Πώς ο αέρας μεταφέρει τη θερμότητα; Η απάντηση είναι σύντομη: είναι κακός αγωγός. Η υψηλή αγωγιμότητα του χρυσού, του αργύρου και του χαλκού οφείλεται στο γεγονός ότι στη μεταφορά της θερμικής ενέργειας συμμετέχουν και τα ηλεκτρόνια που είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά φορτίου.
Όμως υλικά όπως το γυαλί και ο ορυκτοβάμβακας έχουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι έχουν πολύ λίγα «ελεύθερα» ηλεκτρόνια για τη μεταφορά της θερμικής ενέργειας μέσα στο στερεό. Τα υλικά αυτού του τύπου ονομάζονται μονωτές. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας (δηλαδή ο ρυθμός κίνησης της θερμικής ενέργειας) εξαρτάται άμεσα από τη θερμική αγωγιμότητα, τη διαφορά θερμοκρασίας και την περιοχή επαφής και το υλικό που διαθέτει το σώμα. Για τον ίδιο λόγο, δεν μπορεί να ειπωθεί ότι ο αέρας μεταφέρει καλά τη θερμότητα.
Αν το υλικό είναι καλός αγωγός της θερμότητας, τότε κινείται γρήγορα μέσα στο σώμα. Τα μέταλλα χρησιμοποιούνται ευρέως για σκοπούς μεταφοράς θερμότητας, καθώς έχουν ιδιότητες που επιτρέπουν την κυκλοφορία της θερμότητας ενώ ταυτόχρονα αντέχουν τις ακραίες θερμοκρασίες που σχετίζονται με τη θέρμανση.
Είναι τα ηλεκτρόνια που είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά της θερμικής ενέργειας, καθώς και του ηλεκτρικού φορτίου. Επομένως, τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού! Εδώ βρίσκεται η απάντηση στο ερώτημα: «Γιατί ο αέρας είναι κακός αγωγός της θερμότητας;»
Ωστόσο, μην συγχέετε την ηλεκτρική αγωγιμότητα (η οποία σχετίζεται με το φορτίο των ηλεκτρονίων) όταν εννοείτε τη θερμική αγωγιμότητα (η οποία σχετίζεται με τη μεταφορά ενέργειας ηλεκτρονίων).
Αποδεικνύουμε από την εμπειρία
Δοκιμάστε να κρατήσετε το ένα άκρο μιας μεταλλικής ράβδου πάνω από μια φλόγα - μετά από λίγα λεπτά θα ζεσταθεί.
Τώρα κρατήστε την άκρη ενός ξύλινου ραβδιού σε μια φλόγα και η άκρη θα γίνει τόσο ζεστή που τελικά θα πάρει φωτιά. Ωστόσο, το τέλος του ραβδιού για το οποίοκρατιέστε, μείνετε σχετικά ψύχραιμοι.
Η θερμότητα δεν εξαπλώνεται σε όλο τον όγκο του σώματος λόγω της σύνθεσής του: η δομή της καθιστά δύσκολη τη μεταφορά θερμότητας από τα ηλεκτρόνια μέσω του υλικού.
Έτσι, η καθημερινή εμπειρία δείχνει ότι το ξύλο δεν είναι καλός αγωγός της θερμότητας. Εάν έχετε δει ποτέ ένα τμήμα ξύλου κάτω από μικροσκόπιο, πιθανότατα θα έχετε παρατηρήσει τη δομή του ξύλου: αποτελείται από μεμονωμένα κύτταρα που λειτουργούν ως μονωτές επειδή δεν είναι αλληλένδετα. Τα κελιά είναι σκορπισμένα σαν πέτρες σε ρυάκι. Η θερμότητα ταξιδεύει πολύ πιο αργά μέσα από ένα τέτοιο υλικό από ότι στα μέταλλα, όπου τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους σε ένα τρισδιάστατο "πλέγμα".
Ο αέρας είναι κακός αγωγός της θερμότητας. Η εμπειρία της καθημερινής ζωής δείχνει: θυμηθείτε τη δομή των παραθύρων. Αποτελούνται πάντα από τουλάχιστον δύο ποτήρια, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα «μαξιλάρι» αέρα. Αυτό το στρώμα βοηθά στη διατήρηση της θερμότητας στο δωμάτιο χωρίς να το αφήνει έξω.
Έτσι, εάν η θερμική ενέργεια εφαρμόζεται απευθείας σε ένα μέρος ενός στερεού αντικειμένου, τα ηλεκτρόνια στο αντικείμενο διεγείρονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα δονήσεις ατομικού πλέγματος που ταξιδεύουν μέσα στο αντικείμενο, αυξάνοντας τη θερμοκρασία καθώς περνούν. Όσο πιο κοντά είναι οι σύνδεσμοι μέσα σε ένα στερεό, τόσο πιο γρήγορη είναι η μεταφορά θερμότητας.
Τα υγρά είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας
Εάν στερεώσετε ένα παγάκι στο κάτω μέρος ενός δοκιμαστικού σωλήνα νερού (πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα βάρος για να το κάνετε αυτό, διαφορετικά θα επιπλέει στην επιφάνεια, έτσιόπως ο πάγος έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό) και μετά ζεστάνετε το νερό στην κορυφή του σωλήνα, θα διαπιστώσετε ότι το νερό θα βράσει στην κορυφή του σωλήνα και το παγάκι θα παραμείνει παγωμένο.
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό είναι κακός αγωγός της θερμότητας. Το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας θα κινηθεί σε ένα ρεύμα μεταφοράς μέσα στο νερό στην κορυφή του σωλήνα, μόνο ένα μικρό μέρος της θα βυθιστεί στο παγάκι.
Πώς ο αέρας μεταφέρει τη θερμότητα;
Ο αέρας είναι μια συλλογή αερίων. Αν και είναι εξαιρετικό για μεταφορά, η ποσότητα θερμότητας που μπορεί να μεταφέρει είναι ελάχιστη επειδή η μικρή μάζα ύλης δεν μπορεί να αποθηκεύσει πολλή θερμότητα - γι' αυτό και δεν θεωρείται καλός αγωγός. Οι μονωτικές ιδιότητες του αέρα χρησιμοποιούνται από την ανθρωπότητα στην καθημερινή ζωή. Έτσι, χρησιμοποιούνται για τη μόνωση ψυγείων στους τοίχους ενός κτιρίου. Ακόμη και η εργασία ενός θερμός βασίζεται στο γεγονός ότι ο αέρας δεν μεταφέρει καλά τη θερμότητα. Υπάρχουν πραγματικά πολλά παραδείγματα!
Λοιπόν, τι προκαλεί αυτό το φαινόμενο; Επειδή ο αέρας δεν είναι πυκνός, υπάρχει μια συγκεκριμένη ποσότητα μάζας διαθέσιμη για τη μεταφορά θερμικής ενέργειας μέσω της αγωγιμότητας. Επομένως, είναι κακός αγωγός, αλλά εξαιρετικός μονωτήρας. Ωστόσο, η απάντηση στην ερώτηση: "Ο αέρας μεταφέρει τη θερμότητα;" - όχι τόσο ξεκάθαρο. Λοιπόν, εξετάστε τα ακόλουθα φαινόμενα.
Η ακτινοβολία είναι η μεταφορά ενέργειας μέσω κυμάτων ή διεγερμένων σωματιδίων. Ο αέρας δημιουργεί ένα θερμικό κενό που δεν επιτρέπει στη θερμική ενέργεια να το ξεπεράσει. Η θερμότητα πρέπει να εκπέμπεται από την επιφάνεια προςσωματίδια αέρα, τότε θα πρέπει να ακτινοβοληθεί από τον αέρα στην αντίθετη επιφάνεια. Η θερμότητα κινείται πολύ αργά μεταξύ των τριών υλικών και το μεγαλύτερο μέρος της μεταφερόμενης θερμικής ενέργειας απορροφάται στον αέρα.
Μεταφορά είναι η κίνηση της θερμότητας μέσω ενός υγρού ή αερίου λόγω μείωσης της πυκνότητας λόγω απορρόφησης θερμότητας. Σε αυτή την περίπτωση, οι ιδιότητες του αέρα γίνονται εξαιρετικά χρήσιμες. Κινείται επίσης προς τα πάνω μεταφέροντας θερμότητα από ένα μονωμένο δοχείο ή χώρο. Επομένως, η μεταφορά χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση της θερμότητας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ψύξη της επιφάνειας. Η κατανομή της θερμότητας μέσω της μεταφοράς στον αέρα είναι κάπως αναποτελεσματική, ωστόσο χρησιμοποιείται για πολλούς σκοπούς ψύξης. Ναι, ο αέρας είναι κακός αγωγός της θερμότητας.
Παραδείγματα μόνωσης
Η μόνωση χρησιμοποιείται για πολλούς σκοπούς. Μερικά από αυτά περιλαμβάνουν την ψύξη των ποτών και των τροφίμων, τη δημιουργία κενών αέρα στους τοίχους και την εισαγωγή θυλάκων αέρα στα μαγειρικά σκεύη. Τα χαρακτηριστικά του τρόπου με τον οποίο ο αέρας μεταφέρει τη θερμότητα ισχύουν ακόμη και για τον μονωτικό αφρό.
Συμπέρασμα
Αγωγιμότητα είναι η διέλευση θερμότητας από ένα στερεό σώμα. Διαφέρει από το φαινόμενο της μεταφοράς στο ότι καμία κίνηση της ύλης δεν συμβαίνει στη διαδικασία. Τώρα γνωρίζουμε αν ο αέρας μεταφέρει καλά τη θερμότητα και γιατί.
