Какие вещества плохо проводят тепло. Примеры теплопередачи в природе, быту, технике
Теплопроводность - это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.
Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.
Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском или пластилином несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится, и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, что находятся ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим образом. Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые находятся ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д., пока не прогреется вся проволока.
Но развитие науки с тех пор сделало невозможным. Поскольку теории постоянно меняются, чтобы учитывать новые наблюдения, они никогда не полностью «обосновываются» или упрощаются, поэтому они понятны среднему человеку. Вы должны быть специалистом, и даже тогда вы можете только надеяться по-настоящему понять небольшую часть научных теорий. Более того, темпы прогресса настолько быстры, что то, что мы изучаем в школе или в университете, всегда немного устарело. Немногие согласуются с быстро развивающимся фронтом знаний, и им приходится посвящать все свое время специализации в узком поле.
Следует помнить, что при теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела, переносится лишь энергия.
Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой. Положим в нее кусочек льда и станем нагревать верхнюю часть пробирки. Вода у поверхности скоро закипит. Лед же на дне пробирки за это время почти не растает. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и жидких металлов.
Остальные мало знают об успехах и радости, которые они достигли. 70 лет назад, если бы нам пришлось поверить Эддингтону, общая теория относительности была понятна только двум. Теперь это понимают десятки тысяч выпускников, и миллионы людей, по крайней мере, знакомы с основной идеей.
Если будет обнаружена завершенная единая теория, это будет только вопросом времени, чтобы ее «обосновали» и упростили таким же образом, и преподавать в школах, по крайней мере, в общих чертах. Но даже если мы найдем полную единую теорию, это не значит, что мы можем предсказать все события вообще по двум причинам. Первое - это ограничение, налагаемое принципом неопределенности квантовой механики на наши интеллектуальные способности. На практике, однако, это первое ограничение не так сильно, как второе.
Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.
Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышко. Палец при этом долго не чувствует тепла.
Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Следовательно, теплопроводность газов еще меньше.
Это происходит из-за того, что мы не можем точно решить уравнения теории, за исключением некоторых простых случаев. Мы уже знаем законы, в которых материя подчинена во всем, кроме крайности. В частности, мы знаем основные законы, изложенные в области химии и биологии. Тем не менее, мы едва сводили проблемы к уровню решаемых задач; но наши успехи в прогнозировании человеческого поведения с математическими уравнениями малы! Таким образом, даже если мы найдем полный набор основных законов, все еще будет сложной задачей для интеллекта разработать более эффективные методы аппроксимации, чтобы мы могли делать полезные прогнозы относительно вероятного результата в сложных ситуациях реального мира.
Итак, теплопроводность различных веществ различна.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. Если теплопроводность различных веществ сравнивать с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она меньше примерно в 5 раз, у воды - в 658 раз, у пористого кирпича - в 848 раз, у свежевыпав-шего снега - почти в 4000 раз, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти - почти в 10 ООО раз, а у воздуха она меньше примерно в 20 000 раз. Плохой теплопроводностью обладают также волосы, перья, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность - это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Завершающая, последовательная единая теория - это первый шаг: наша цель - полностью понять окружающие нас события, а также наше само существование. Передача тепла является одной из форм передачи энергии и происходит при разнице температур. В природе мы находим три вида тепла.
Конвекционная радиационная проводимость. . Конвекция, обозначенная на польском языке как «плавающая», включает передачу тепловой энергии через нагретые газы или жидкости. Например, нагрев воздуха при контакте с нагревателем вызывает его тонение и подталкивание нагретого воздуха вверх. Охлажденное место занимает более холодные частицы, и, следовательно, процесс может продолжаться до тех пор, пока существует разность температур. Если в воздухе есть дым или пыль, можно легко наблюдать воздушную конвекцию.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, ручки для кастрюль, сковородок изготавливают из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют помещения от охлаждения. На применении вакуума в качестве теплоизоляционного «материала» основано устройство термоса, или сосуда Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.
Радиация - это распространение тепловой энергии в виде электромагнитной волны. Все тела вокруг нас являются источником излучения, диапазон и интенсивность излучения зависят от температуры тела. Эти очень высокие температуры дают очень сильное излучение, некоторые из которых мы видим невооруженным глазом. Например, мы говорим, что железо «нагревается до красноты» или даже до «белизны». Очень теплый радиатор - источник излучения, которого мы не видим, но мы легко почувствуем на нашей коже. Наконец, слабое излучение, посылаемое низкотемпературными телами, не будет ни видеть, ни ощущаться, но может быть записано, например, с помощью тепловизора.
1. Введение.
Проект разработан в соответствии со стандартом среднего общего образования по физике. При написании данного проекта рассмотрено изучение тепловых явлений, применение их в быту и технике. Помимо теоретического материала большое внимание уделено исследовательской работе - это опыты, которые отвечают на вопросы «Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела», «Одинаковая ли теплопроводность различных веществ», «Почему струи теплого воздуха или жидкости поднимаются вверх», «Почему тела с темной поверхностью нагреваются сильнее»; поиск и обработка информации, фотографий.Время работы над проектом: 1 - 1,5 месяца.Цели проекта:* практическая реализация имеющихся у школьников знаний о тепловыхявлениях;* формирование навыков самостоятельной исследовательской деятельности;* развитие познавательных интересов;* развитие логического и технического мышлений;* развитие способностей к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами;
Передача тепла осуществляется путем пропускания энергии между соседними твердыми частицами. Изменение температуры на одном конце тела, вызванное его нагревом, вызывает распространение тепла внутри тела для уравновешивания температуры. Вот почему серебряная чайная ложка в горячем чае подогревается. Однако мы знаем, что деревянная ложка, смоченная в том же чае, не будет нагреваться, как серебро. Это потому, что разные материалы по-разному проводят тепло, некоторые интенсивные, другие очень плохо. Последние могут быть изоляторами, которые позволяют нам сохранять тепло там, где это необходимо.
2. Основная часть.
2.1. Теоретическая часть
В жизни мы действительно ежедневно встречаемся с тепловыми явлениями. Однако не всегда мы задумываемся, что эти явления можно объяснить, если хорошо знать физику. На уроках физики мы познакомились со способами изменения внутренней энергии: теплопередачей и совершением работы над телом или самим телом. При контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока температуры тел не сравняются (не наступит тепловое равновесие). При этом механическая работа не совершается. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплообменом или теплопередачей. При теплопередаче энергия всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный процесс самопроизвольно (сам по себе) никогда не происходит, т. е. теплообмен необратим. Теплообмен определяет или сопровождает многие процессы в природе: эволюцию звезд и планет, метеорологические процессы на поверхности Земли и др. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.
По этой причине тестирование теплопроводности имеет первостепенное значение при выборе изоляционного материала, который наилучшим образом соответствует вашей задаче. Способность материала проводить тепло определяется коэффициентом теплопроводности, определяемым греческой буквой λ. Это значение соответствует количеству тепла в джоулях, которое переносится слоем толщиной 1 м и поверхностью 1 м 2, с разностью температур с обеих сторон, равной одной степени за одну секунду. Чем ниже значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше изолятор.
Теплопроводностью называется явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
Значения лямбда для конкретных материалов получают путем специализированных испытаний, в которых измеряется фактический поток тепла, переносимый образцом определенного материала. Эти испытания, хотя и простые в принципе, непросто реализовать, требуют очень дорогостоящего измерительного оборудования и квалифицированных лабораторных услуг. Достаточно упомянуть, что один ярлык, без которого не будет проходить экзамен, будет стоить в зависимости от модели от 60 до 80 тысяч злотых и столько, сколько хороший автомобиль.
Дизайнер или инвестор, имеющий только общие данные изоляционного материала, узнают от них, например, что полистирольная лямбда, однако, такая информация является исключительно показательной. Соответствующие стандарты дают значения, которые не должны превышаться, независимо от производителя материала и других условий использования. На практике это может быть иначе. Каждый производитель дает подробную информацию о конкретном полистироле. В этом случае доверие изготовителя становится более важным. Дело не только в том, что оно может обеспечить систематическое тестирование продукта, но и строго придерживаться технологии производства.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Такие условия обычно встречаются только с крупными, авторитетными компаниями. Изготовитель по отношению к конкретному типу полистирола заявляет значение коэффициента теплопередачи. Способ определения этого значения точно определен в польском и европейском законодательстве. В случае пенополистирола производитель должен иметь по меньшей мере десять результатов испытаний, полученных через регулярные интервалы, чтобы точно рассчитать значение лямбда, которое будет сообщено клиенту. Кроме того, из-за отношения теплопроводности к температуре и влажности значение лямбда должно быть указано для строго определенных условий.
2.2. Практическая часть.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Опыт №1
Взяли различные предметы: одну алюминевую ложку, другую деревянную, третью - пластмассовую, четвертую - из нержавеющего сплава, а пятую - серебряную. Прикрепили к каждой ложке каплями меда скрепки для бумаг. Вложили ложки в стакан с горячей водой, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Ложки нагреются, и по мере нагревания мед будет плавиться и скрепки отпадут.
Если испытания проводятся в других условиях, их результаты следует корректировать с учетом влияния влажности и температуры. Следующим шагом будет статистическая обработка данных, полученных во время измерений. Почему средний результат теста сообщается в коммерческой информации? Ну, во время измерений есть образцы лучших и худших свойств. Изготовитель, который выбирает только один лучший результат измерения и придает ему по мере необходимости всю свою продукцию, будет нечестным. Таким образом, заявленное значение коэффициента лямбда не может быть предметом аллегорических обещаний и заверений производителя, который хочет быть найденным на рынке, но должен быть результатом тщательного тестирования и контроля.
Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен. Для этого опыта я взял стакан с кипятком и четыре вида ложек: алюминиевую, серебряную, пластмассовую и нержавеющую. Я опускал их по одной в стакан и засекал время: за сколько минут она нагреется. Вот, что у меня получилось:
Почему исследование должно быть систематическим?
Потребитель, который решает иметь фирменный продукт, гораздо более уверен в том, что такие правила применяются к исследованиям и производству. Указание объявленного значения лямбда не может быть одноразовой. Согласно польским строительным нормам, заявленная стоимость лямбда для полистирола должна рассчитываться с интервалом не более трех месяцев. Производитель должен показать соответствие продукта заявленным значениям. Постоянный тест лямбда-фактора очень важен. К сожалению, некоторые производители заказали такой тест один раз в несколько месяцев и рассчитали коэффициент в течение длительного времени.
Вывод: ложки, изготовленные из дерева и пластмасса, греются дольше, чем ложки из металла, значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.
Опыт №2
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность
В то же время даже незначительное нарушение производственного процесса может привести к изменению конкретной производственной партии. В результате его свойства могут отличаться от заявленной стоимости производителя. Если испытания проводятся в других условиях, результаты этих испытаний должны быть скорректированы с учетом влияния влажности и температуры. Лямбда для различных материалов очень прочно связана с их видом и внутренней структурой. Лучшими тепловыми направляющими являются металлы и, следовательно, тела с упорядоченными кристаллическими внутренними структурами.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. На шта-ти-ве го-ри-зон-таль-но за-креп-лён стер-жень. На стержне через оди-на-ко-вые про-ме-жут-ки вер-ти-каль-но за-креп-ле-ны с по-мо-щью воска металлические гвоздики.
По этой причине алюминиевые рамы, разделяющие окна в современных окнах, заменяются стальными рамами, а теперь также пластиковыми рамами, с теплопроводностью в несколько десятков раз ниже, чем сталь. Коэффициент теплопроводности также может быть определен для жидкостей и газов при условии, что их молекулы неподвижны, т.е. они не могут совершать конвективные движения. Отличным изолятором является воздух. Вот почему влажные материалы быстро теряют свои изоляционные свойства. Так как воздух настолько хорошо изолирован, легко понять, почему лучший способ заставить какой-то материал стать хорошим изолятором - это аэрировать его.
К краю стерж-ня под-но-сят свечу. По-сколь-ку край стерж-ня на-гре-ва-ет-ся, то по-сте-пен-но стер-жень про-гре-ва-ет-ся. Когда тепло до-хо-дит до места креп-ле-ния гвоздиков со стерж-нем, сте-а-рин пла-вит-ся, и гвоздик па-да-ет. Мы видим, что в дан-ном опыте нет пе-ре-но-са ве-ще-ства, со-от-вет-ствен-но, на-блю-да-ет-ся теп-ло-про-вод-ность.
Опыт №3
Идея состоит в том, чтобы приложить максимально возможное количество воздуха в полученном материале, но таким образом, чтобы воздух не мог двигаться. Хорошими изоляционными материалами являются материалы с высокой пористостью и закрытыми порами. Хотя в этом случае мы в основном говорим о теплопроводности, ведь в пористых изоляторах есть все три, упомянутые в начале форм движения тепла. Тепло осуществляется самим изолятором, через неподвижный воздух и воду, содержащуюся в порах материала. Герметичные частицы воздуха и воды имеют возможность перемещать и передавать тепло через конвекцию. Внутри материала, между стенками воздушных пор, тепло также передается через излучение. Именно поэтому лямбда-фактор конкретного материала зависит от многих факторов.
Различные металлы обладают различной теплопроводностью. В физическом кабинете есть прибор, с помощью которого мы можем убедиться в том, что различные металлы обладают разной теплопроводностью. Однако, в домашних условиях мы смогли в этом убедиться с помощью самодельного прибора.
Прибор для показа различной теплопроводности твердых веществ.
Не только от его химического состава и количества воздуха в порах, но и от. Во влажном материале вода поглощает воздух и уменьшает его изоляционные свойства.
- Размера пор и их комбинаций.
- Чем меньше время, тем лучше температура, при которой он используется.
- Температура влияет на интенсивность конвекции от влажности материала.
Мы изготовили прибор для показа различной теплопроводности твердых тел. Для этого использовали пустую банку из алюминиевой фольги, два резиновых кольца (самодельные), три отрезка проволоки из алюминия, меди и железа, плитку, горячую воду, 3 фигурки человечков с поднятыми вверх руками, вырезанные из бумаги.
Порядок изготовления прибора:
проволоки изогнуть в виде буквы «Г»;
укрепить их с внешней стороны банки при помощи резиновых колец;
подвесить к горизонтальным частям проволочных отрезков (посредством расплавленного парафина или пластилина) бумажных человечков.
Проверка действия прибора . Налить в банку горячей воды (при необходимости подогреть банку с водой на электрической плитке) и наблюдать, какая фигурка упадет первой, второй, третьей.
Результаты. Упадет первой фигурка, закрепленная на медной проволоке, вторая - на алюминиевой, третья - на стальной.
Вывод. Разные твердые вещества обладают различной теплопроводностью.
Теплопроводность у различных веществ различна.
Опыт №4
Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмём пробирку с водой и станем нагревать её верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика.
Опыт №5
Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх. Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа ещё больше, чем у жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, теплопроводность у газов ещё меньше.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, снег и другие пористые тела.
Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. А воздух - плохой теплопроводник.
Так под снегом сохраняется зеленая трава, озимые сохраняются от вымерзания.
Опыт №6
Распушил небольшой комок ваты и обернул им шарик термометра.Теперь подержал некоторое время термометр на определенном расстоянии от пламени и заметил, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сжал и туго обмотал им шарик термометра и снова поднес к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее. Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!
Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
3. Заключение.
У различных веществ различная теплопроводность.
Большой теплопроводностью обладают твердые тела (металлы), меньшей - жидкости, и плохой - газы.
Теплопроводность различных веществ мы можем использовать в быту, технике и природе.
Явление теплопроводности присуще всем веществам, независимо от того, в каком агрегатном состоянии они находятся.
Теперь без затруднения я смогу ответить и объяснить с физической точки зрения на вопросы:
1.Почему птицы в холодную погоду распушают свои перья?
(Между перьями находится воздух, а воздух плохой проводник тепла).
2. Почему шерстяная одежда лучше предохраняет от холода, чем синтетическая?
(Между шерстинками находится воздух, который плохо проводит тепло).
3. Почему зимой, когда погода холодная, кошки спят, свернувшись в клубок? (Свернувшись в клубок, они уменьшают площадь поверхности, отдающей тепло).
4. Зачем ручки паяльников, утюгов, сковородок, кастрюль делают из дерева или пластмассы? (Дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью, поэтому при нагревании металлических предметов мы, держась за деревянную или пластмассовую ручку, не будем обжигать руки).
5. Зачем кусты теплолюбивых растений и кустов на зиму укрывают опилками?
(Опилки являются плохими проводниками тепла. Поэтому растения укрывают опилками, чтобы они не замёрзли).
6. Какие сапоги лучше защищают от мороза: тесные или просторные?
(Просторные, так как воздух плохо проводит тепло, он является ещё одной прослойкой в сапоге, которая сохраняет тепло).
4. Список используемой литературы.
Печатные издания:
1.А.В. Перышкин Физика 8 класс -М: Дрофа,2012г.
2.М.И.Блудов Беседы по физике часть1 -М: Просвещение 1984г.
Интернет - ресурсы:
1.http://class-fizika.narod.ru/8_3.htm
2.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C