Теплопроводность

Внутренняя энергия тела может изменяться без совершения работы — за счет теплопередачи. Когда мы подносим металлическую палку к пламени свечи, ее конец тоже становится горячим.

На этом примере видно, что внутренняя энергия может передаваться от одних тел к другим. Также внутренняя энергия может передаваться от одной части тела к другой — ведь нижняя часть палки не касается свечи, но нагревается.

То же явления мы можем наблюдать, опустив железную ложку в кипяток. Вскоре конец ложки, не погружённый в воду, станет горячим (рисунок 1).

Одним из видов теплопередачи является теплопроводность. Именно его мы наблюдаем в приведенном примере. На данном уроке мы более подробно рассмотрим это явление.

Определение тепловодности

Теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. 

• теплопроводность свойственна веществам во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном
• разные вещества обладают разной теплопроводностью

Рассмотрим подробнее последнее утверждение. Поднесем к огню конец деревянной палочки (рисунок 2). Он загорится. Тем не менее, другой ее конец останется холодным. Следовательно, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Если мы заменим деревянную палочку на металлическую, то она вся довольно быстро нагреется. Держа такой предмет, можно легко обжечься.

Это говорит о том, что металлы имеют большую теплопроводность. Серебро медь и золото имеют наибольшую теплопроводность.

Теплопроводность твердых тел

Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 3. 

Прикрепляем к штативу один конец толстой медной проволоки. Под другим концом проволоки расположим спиртовую горелку. К проволоке прикрепим с помощью воска небольшие гвоздики (рисунок 3, а).

Начнем нагревать свободный конец проволоки с помощью спиртовки (рисунок 3, б). Воск постепенно начнет таять.

Поочередно гвоздики начнут отваливаться, начиная с тех, что находятся ближе к огню спиртовки (рисунок 3, в).

Объясним происходящее со стороны физики:

1. Частицы металла находятся очень близко к друг другу. Они колеблются в определенных положениях
2. Скорость колебательного движения частиц при нагревании металла сначала увеличивается в той части проволоки, которая находится ближе к огню
3. За счет взаимодействия частиц металла друг с другом, увеличивается скорость движения соседних частиц
4. При увеличении скорости их движения, начинает подниматься температура

Этот процесс будет постепенно проходить по всей длине проволоки.

При теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Рассмотрим еще один опыт (рисунок 3). На этот раз с другой стороны подставим к горелке еще один штатив с закрепленной на нем проволокой. Различие будет в ее материале — проволока сделана из стали.

В процессе нагревания мы увидим, что гвоздики на медной проволоке отваливаются быстрее. Медь быстрее нагревается по всей длине. Это показывает нам, что тепловодность различных металлов неодинакова. Медь имеет большую тепловодность, чем сталь.

Теплопроводность жидкостей

Проведем простой опыт. Наполним пробирку водой и начнем подогревать ее верхнюю часть (рисунок 4).

Вода в верхней части пробирки быстро закипит, а у дна просто нагреется. Это говорит о том, что у жидкостей теплопроводность невелика (исключение составляют ртуть и расплавленные металлы).

Причина небольшой теплопроводности жидкостей — расположение молекул в их строении. Расстояние между молекулами жидкости больше, чем в твердых телах. 

Теплопроводность газов

Исследуем на опыте теплопроводность газов. Наденем на палец пробирку. Будем нагревать ее дно в пламени спиртовки (рисунок 5).

Нам придется долго ждать, чтобы почувствовать тепло нагретого в пробирке воздуха. Расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Значит, теплопроводность газов еще меньше.

Волосы, шерсть, перья птиц обладают плохой теплопроводностью. Причина этому — между волокнами этих веществ содержится воздух. 

Теплопроводность объясняется переносом энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии частиц вещества. Чем больше расстояние между частицами и слабее взаимодействие между ними, тем меньшей теплопроводностью обладает тело. Поэтому наименьшей теплопроводностью обладает вакуум (безвоздушное пространство). Нет частиц — нет теплопроводности.

Применение

Иногда необходимо предохранить тело от нагревания или охлаждения. Для этого используют тела с малой теплопроводностью. Если кастрюли и сковородки делают из металла (позволяет быстрее нагреваться), то их ручки делают из дерева или пластмассы. Это позволяет нам не обжигаться. По этой же причине кружки и стаканы изготавливают преимущественно из пластмассы, стекла, фарфора.

Материалы, которые используют при строительстве домов (бревна, кирпичи, бетон) обладают плохой теплопроводностью. Таким образом строения меньше охлаждаются.

В устройстве термоса тоже применяется явление теплопроводности (рисунок 6). Из пространства между колбой и кожухом выкачан воздух, так почти не осуществляется теплопередача.

Снежный покров имеет плохую теплопроводность. Это имеет огромное значение для живых организмов: многие зимующие растения защищены от вымерзания; крупные животные ночуют, зарывшись в снег; мелкие могут вести активную жизнь в норах, вырытых под снегом.