§ 6. Теплопровідність повітря

Тверді, рідкі та газоподібні речовини по-різному передають тепло. Здатність проводити тепло називається теплопровідністю. Ця властивість пов’язана з розташуванням та рухом молекул речовини.

У рідинах і газах тепло передається саме через рух молекул. Проте найкращими провідниками тепла є тверді речовини, особливо метали.

• Пригадай фізичні тіла, які добре проводять тепло. Наведи приклади.

Хорошими провідниками тепла є алюміній, мідь і нержавіюча сталь. Це — метали. З них виготовляють каструлі й чайники. Ми використовуємо їх для приготування їжі. Каструлі швидко нагріваються. Тому їжу можна приготувати за коротший час.

Деякі матеріали не дозволяють теплу проходити через них. Вони відомі як ізолятори (теплоізолятори). Такі матеріали не пропускають тепло. Погані провідники — це хороші ізолятори.

Теплоізоляторами є дерево, скло, папір, шерсть, гума, рідини, пластик, гази, особливо повітря.

Пластик і дерево використовують, наприклад, для виготовлення ручок каструль, прасок і чайників. Вони допомагають зручно тримати їх.

Будівельні матеріали, такі як цегла, скловолокно, полістирол, азбест і пінопласт, погано проводять тепло. Вони зберігають у будинках тепло взимку і прохолоду влітку (мал. 15).

Певні транспортні засоби покриті матеріалами з поганими провідниками тепла. Вони перевозять легкозаймисті матеріали, наприклад, бензин. Таке покриття автомобілів запобігає нагріванню бензину і його загорянню.

Мал. 15. Приклади теплоізоляторів у будівництві

Мал. 16. Приклади теплоізоляції у природі

У термосах, холодильниках і духовках дуже ефективно використовують ізоляцію. Саме тому наша їжа та напої залишаються гарячими або холодними.

Повітря — поганий провідник тепла. Його молекули не перебувають у постійному контакті одна з одною. Молекули повітря розташовані занадто далеко, щоб ефективно передавати тепло одна одній.

Люди використовують повітря як ізоляційний матеріал для збереження тепла, наприклад, для виготовлення склопакетів. Вікно зі склопакетом створюють шляхом склеювання двох листів скла. Між ними залишають простір, заповнений повітрям. Це запобігає витоку тепла.

Теплоізолятором є шерсть. Її використовують для виготовлення ковдр і шерстяного одягу. Хутро тварин погано проводить тепло. Це захищає їх від холоду (мал. 16).

Вівці обростають густою шерстю — вона утримує повітря. Коли на вулиці холодно, тварини розпушують хутро. Птахи те ж саме роблять зі своїм пір’ям. Це затримує повітря і знижує кількість втраченого тепла. Багато тварин облаштовують свої домівки під снігом. Між сніжинками затримується повітря. Таким чином створюється повітряний шар. Він зберігає власне тепло тварини. Так само захищені від холоду й озимі культури.

Мал. 17. Приклади теплоізоляції в одязі

Один зі способів зберегти власне тепло у холодний день — одягати вбрання, що затримує повітря. Зимові комбінезони з пуховим наповнювачем добре захищають від холоду взимку. їхній пір’яний наповнювач затримує багато повітря (мал. 17).

Ти колись чув / чула про термобілизну? Термобілизна — хороший ізолятор. Її використовують для збереження тепла.

Висновки

Здатність речовини проводити тепло називається теплопровідністю.

У рідинах і газах тепло передається через рух молекул. Повітря — поганий провідник тепла. Його молекули не перебувають у постійному контакті одна з одною. Молекули повітря розташовані занадто далеко, щоб ефективно передавати тепло одна одній. Найкращими провідниками тепла є тверді речовини, особливо метали.

Деякі матеріали не проводять тепло. Вони відомі як ізолятори (теплоізолятори). Через такі матеріали тепло не може проходити.

Конспект учня

Теплопровідність — це здатність речовини проводити тепло. Теплопровідність залежить від розташування та руху молекул.

Теплоізолятори — це матеріали, які не проводять тепло. Теплоізоляторами є дерево, скло, папір, шерсть, хутро, пір’я, гума, рідини, пластик, гази, особливо повітря.

Запитання і завдання

• 1. Що називають теплопровідністю?
• 2. Які речовини добре проводять тепло?
• 3. Чому повітря — поганий провідник тепла?
• 4. Назви відомі тобі теплоізолятори.
• 5. Як людина використовує властивості теплоізоляторів?
• 6. Які приклади теплоізоляції у природі ти можеш навести?

Попрактикуй науку разом із дорослими

Виготовлення термоса

13.4: Методи теплопередачі

Провідність – це передача тепла через нерухоме речовина фізичним контактом. (Питання нерухоме в макроскопічному масштабі – ми знаємо, що відбувається тепловий рух атомів і молекул при будь-якій температурі вище абсолютного нуля.) Тепло, що передається від електричної плити на дно горщика, є прикладом провідності.

Деякі матеріали проводять теплову енергію швидше, ніж інші. Наприклад, подушка у вашій кімнаті може бути такою ж температурою, як і металева дверна ручка, але дверна ручка на дотик відчувається прохолодніше. Взагалі хороші провідники електрики (такі метали, як мідь, алюміній, золото, срібло) також є хорошими теплопровідниками, тоді як ізолятори електрики (дерево, пластик, гума) – погані теплопровідники.

Мікроскопічний опис провідності

У мікроскопічних масштабах провідність відбувається у міру того, як швидко рухаються або вібруючі атоми і молекули взаємодіють з сусідніми частинками, передаючи частину своєї кінетичної енергії. Тепло передається провідністю, коли сусідні атоми вібрують один проти одного, або як електрони рухаються від одного атома до іншого. Провідність є найбільш значущим засобом передачі тепла всередині твердого тіла або між твердими предметами, що знаходяться в тепловому контакті. Провідність більша в твердих тілах, оскільки мережа відносно тісних фіксованих просторових зв’язків між атомами допомагає передавати енергію між ними за допомогою вібрації.

Рідини і гази менш провідні, ніж тверді речовини. Це пов’язано з великою відстанню між атомами в рідині або (особливо) газі: менша кількість зіткнень між атомами означає меншу провідність.

Мікроскопічна ілюстрація провідності: Молекули в двох тілах при різних температурах мають різну середню кінетичну енергію. Зіткнення, що відбуваються на поверхні контакту, мають тенденцію передавати енергію з високотемпературних областей в низькотемпературні області. На цій ілюстрації молекула в області нижньої температури (права сторона) має низьку енергію перед зіткненням, але її енергія збільшується після зіткнення з поверхнею контакту. На відміну від цього, молекула в області вищої температури (ліва сторона) має високу енергію перед зіткненням, але її енергія зменшується після зіткнення з поверхнею контакту.

(Середня) кінетична енергія молекули в гарячому тілі вище, ніж в більш холодному тілі. При зіткненні двох молекул відбувається передача енергії від гарячої до холодної молекули (див. Малюнок вище). Сукупний ефект від усіх зіткнень призводить до чистого потоку тепла від гарячого тіла до більш холодного тіла. Тепловий потік при цьому залежить від різниці температур \(\mathrm−T_>\) . Тому ви отримаєте більш сильний опік від окропу, ніж від гарячої водопровідної води. І навпаки, якщо температури однакові, чиста швидкість тепловіддачі падає до нуля, і досягається рівновага. Внаслідок того, що кількість зіткнень збільшується зі збільшенням площі, теплопровідність залежить від площі поперечного перерізу. Якщо доторкнутися до холодної стіни долонею, ваша рука охолоджується швидше, ніж якщо ви просто торкаєтеся до неї кінчиком пальця.

Фактори, що впливають на швидкість передачі тепла через провідність

Крім температури і площі поперечного перерізу, ще одним фактором, що впливає на провідність, є товщина матеріалу, через який передається тепло. Тепловіддача з лівого боку в праву сторону здійснюється серією молекулярних зіткнень. Чим товщі матеріал, тим більше часу потрібно для передачі такої ж кількості тепла. Якщо ви застудилися вночі, ви можете отримати більш товсту ковдру, щоб зігрітися.

Вплив товщини на теплопровідність: Теплопровідність відбувається через будь-який матеріал, представлений тут прямокутним бруском. Температура матеріалу знаходиться \(\mathrm\) зліва і \(\mathrm\) справа, де більше \(\mathrm\) ніж \(\mathrm\) . Швидкість теплопередачі по провідності прямо пропорційна площі поверхні \(\mathrm\) \(\mathrm\) , різниці температур і провідності речовини кк. Швидкість тепловіддачі обернено пропорційна товщині \(\mathrm\) .

В останню чергу швидкість тепловіддачі залежить від властивостей матеріалу, описаних коефіцієнтом теплопровідності. Всі чотири фактори включені в просте рівняння, яке було виведено з і підтверджено експериментами. Швидкість провідної теплопередачі через плиту матеріалу, така як та, що на малюнку вище, задається тим, \(\mathrm=\frac>\) де \(\mathrm>\) – швидкість теплопередачі в Джоулі в секунду (Ватт), \(\mathrm\) є теплопровідністю матеріалу, \(\mathrm\) і \(\mathrm\) є його площа поверхні і товщина, а \(\mathrm\) це різниця температур по всій плиті.

Конвекція

Конвекція – це передача тепла макроскопічним рухом рідини, наприклад, двигун автомобіля, який підтримується прохолодною водою в системі охолодження.

Розрахунок тепловіддачі конвекцією: Конвекція повітря крізь стіни будинку.

Більшість будинків не герметичні: повітря надходить і назовні навколо дверей і вікон, через щілини і щілини, слідуючи проводці до вимикачів і розеток і так далі. Повітря в типовому будинку повністю замінюється менш ніж за годину.

Припустимо, що будинок помірних розмірів має внутрішні розміри 12,0 м × 18,0 м × 3,00 м заввишки, і що все повітря замінюється за 30,0 хв. Розрахуйте тепловіддачу за одиницю часу у ватах, необхідних для прогріву вхідного холодного повітря на 10,0 ºC, замінивши таким чином тепло, що передається лише конвекцією.

Стратегія:

Тепло використовується для того, щоб підняти температуру повітря так \(\mathrm\) . Швидкість тепловіддачі – то \(\mathrm>\) , де \(\mathrm\) час для обороту повітря. Нам дається, що \(\mathrm\) це 10.0ºC, але ми все одно повинні знайти значення маси повітря та його питомої теплоти, перш ніж ми зможемо обчислити QQ. Питома теплоємність повітря – це середньозважена питома теплоємність азоту і кисню, яка є \(\mathrm\) (зверніть увагу, що питома теплоємність при постійному тиску повинна бути використана для цього процесу).

Рішення

(1) Визначте масу повітря по його щільності і заданого обсягу будинку. Щільність задається від щільності \(\mathrm\) і обсягу \(\mathrm\)

(2) Обчисліть тепло, що передається від зміни температури повітря: \(\mathrm\) так, щоб \(\mathrm\)

(3) Обчисліть тепловіддачу від тепла \(\mathrm\) та час обороту \(\mathrm\) . Оскільки повітря перевертається, то тепло \(\mathrm\) , що передається за одиницю часу, є \(\mathrm<\frac=\frac=4.64 \; kW>\) .

Ця швидкість тепловіддачі дорівнює потужності, споживаної приблизно сороком шістьма 100-Вт лампочками.

Нещодавно побудовані будинки розраховані на час обороту від 2 годин і більше, а не на 30 хвилин для будинку цього прикладу. Зазвичай використовуються зачистка погоди, конопатка та вдосконалені віконні ущільнення. Більш екстремальні заходи іноді вживаються в дуже холодному (або жаркому) кліматі для досягнення жорсткого стандарту більше 6 годин для одного обороту повітря. Ще більші терміни обороту шкідливі для здоров’я, тому що мінімальна кількість свіжого повітря необхідна для подачі кисню для дихання і розведення побутових забруднювачів. Термін, який використовується для процесу, за допомогою якого зовнішнє повітря просочується в будинок з щілин навколо вікон, дверей, фундаменту, називається «інфільтрація повітря».

Конвекція

Конвекція (ілюстрована на) – це узгоджений, колективний рух ансамблів молекул всередині рідин (наприклад, рідин, газів). Конвекція маси не може відбуватися в твердих тілах, оскільки ні об’ємні потоки струму, ні значна дифузія не можуть відбуватися в твердих тілах. Натомість дифузія тепла в твердих тілах називається теплопровідністю, яку ми щойно розглянули.

Конвекційні клітини: Конвекційні клітини в гравітаційному полі.

Конвекція рухається великомасштабним потоком речовини. У випадку з Землею циркуляція атмосфери обумовлена потоком гарячого повітря від тропіків до полюсів, і потоком холодного повітря від полюсів у напрямку до тропіків. (Зверніть увагу, що обертання Землі викликає зміни напрямку повітряного потоку в залежності від широти.). Прикладом конвекції є автомобільний двигун, який підтримується прохолодним потоком води в системі охолодження, при цьому водяний насос підтримує приплив прохолодної води до поршнів.

Хоча конвекція зазвичай складніша за провідність, ми можемо описати конвекцію і виконати деякі прості, реалістичні розрахунки її ефектів. Природна конвекція рухається плавучими силами: гаряче повітря піднімається, оскільки щільність зменшується з підвищенням температури. Цей принцип однаково застосовується з будь-якою рідиною. Наприклад, горщик з водою на плиті в теплий таким чином; океанічні течії і великомасштабна циркуляція атмосфери переносять енергію з однієї частини земної кулі в іншу.

Конвекція в горщику з водою: Конвекція відіграє важливу роль у передачі тепла всередині цього горщика з водою. Після того, як проводиться всередину, передача тепла в інші частини горщика відбувається здебільшого за допомогою конвекції. Гаряча вода розширюється, зменшується в щільності і піднімається, щоб передати тепло іншим областям води, тоді як холодніша вода опускається на дно. Цей процес продовжує повторюватися.

Конвекція та ізоляція

Хоча повітря може швидко передавати тепло за допомогою конвекції, це поганий провідник і, отже, хороший ізолятор. Кількість доступного простору для повітряного потоку визначає, чи діє повітря як ізолятор або провідник. Наприклад, простір між внутрішньою та зовнішньою стінами будинку становить близько 9 см (3,5 дюйма) – достатньо великий для ефективної роботи конвекції. Додавання ізоляції стін перешкоджає потоку повітря, тому втрати тепла (або посилення) зменшуються. Аналогічно, зазор між двома стеклами вікна з подвійним склом становить близько 1 см, що запобігає конвекції та використовує низьку провідність повітря, щоб запобігти більшим втратам. Хутро, волокно та скловолокно також користуються низькою провідністю повітря, захоплюючи його в приміщеннях, занадто малих для підтримки конвекції. У тварин хутро та пір’я легкі і, таким чином, ідеально підходять для їх захисту.

Конвекція та фазові зміни

Деякі цікаві явища трапляються, коли конвекція супроводжується зміною фази. Вона дозволяє охолодитися потовиділенням, навіть якщо температура навколишнього повітря перевищує температуру тіла. Тепло від шкіри потрібно для того, щоб піт випаровувався з шкіри, але без повітряного потоку повітря стає насиченим і випаровування припиняється. Повітряний потік, викликаний конвекцією, замінює насичене повітря сухим повітрям і, таким чином, випаровування триває.

Ще один важливий приклад поєднання зміни фаз і конвекції відбувається при випаровуванні води з океану. Тепло відводиться з океану при випаровуванні води. Якщо водяна пара конденсується в краплях рідини у міру утворення хмар, тепло виділяється в атмосферу (це виділення тепла є прихованим теплом). Таким чином, відбувається загальна передача тепла від океану до атмосфери. Цей процес є рушійною силою за громами – великими кучевими хмарами, які піднімаються до 20,0 км у стратосферу. Водяна пара, що переноситься конвекцією, конденсується, виділяючи величезну кількість енергії, і ця енергія дозволяє повітрю ставати більш плавучим (тепліше, ніж його оточення) і підніматися. Оскільки повітря продовжує підніматися, відбувається більше конденсату, що, в свою чергу, рухає хмару ще вище. Такий механізм називають позитивними відгуками, так як процес посилюється і прискорюється сам. Ці системи іноді виробляють сильні шторми з блискавкою та градом і складають механізм, який приводить в рух урагани.

Кучеві хмари: Кумулюсні хмари викликані водяною парою, яка піднімається через конвекцію. Підйом хмар обумовлений механізмом позитивного зворотного зв’язку.

Радіація

Випромінювання – це передача тепла за допомогою електромагнітної енергії

• Поясніть, як енергія електромагнітного випромінювання відповідає довжині хвилі

Радіація

Ви можете відчути тепловіддачу від багаття або Сонця. І все ж простір між Землею і Сонцем значною мірою порожній, без будь-якої можливості передачі тепла шляхом конвекції або провідності. Так само ви можете сказати, що духовка гаряча, не торкаючись її і не заглядаючи всередину – вона просто зігріває вас, коли ви ходите повз.

У цих прикладах тепло передається випромінюванням. Гаряче тіло випромінює електромагнітні хвилі, які поглинаються нашою шкірою, і для їх поширення не потрібно ніякого середовища. Ми використовуємо різні назви електромагнітних хвиль різної довжини хвиль: радіохвилі, мікрохвильові хвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські промені та гамма-промені.

Випромінювання від пожежі: Велика частина теплопередачі від цього вогню спостерігачам здійснюється через інфрачервоне випромінювання. Видиме світло, хоча і драматичне, передає відносно мало теплової енергії. Конвекція передає енергію від спостерігачів, коли гаряче повітря піднімається вгору, тоді як провідність тут мізерно повільна. Шкіра дуже чутлива до інфрачервоного випромінювання, так що ви можете відчути наявність вогню, не дивлячись на нього безпосередньо.

Енергія електромагнітного випромінювання залежить від його довжини хвилі (кольору) і змінюється в широкому діапазоні; менша довжина хвилі (або більш висока частота) відповідає більш високій енергії. Ми можемо написати це як:

де \(\mathrm\) енергія, \(\mathrm\) це частота, \(\mathrm\) довжина хвилі, і \(\mathrm\) є постійною.

Оскільки при більш високих температурах випромінюється більше тепла, зміна температури супроводжується зміною кольору. Наприклад, електричний елемент на печі світиться від червоного до оранжевого, в той час як більш високотемпературна сталь в доменній печі світиться від жовтого до білого. Випромінювання, яке ви відчуваєте, в основному інфрачервоне, яке все ще нижче за температурою.

Випромінюється енергія залежить від її інтенсивності, яка представлена висотою розподілу.

Спектр випромінювання: (а) графік спектрів електромагнітних хвиль, випромінюваних ідеальним випромінювачем при трьох різних температурах. Інтенсивність або швидкість випромінювання різко зростає з температурою, а спектр зміщується в бік видимої і ультрафіолетової частин спектра. Затінена частина позначає видиму частину спектра. Очевидно, що зсув до ультрафіолету з температурою змушує видимий зовнішній вигляд зміщуватися від червоного до білого до синього з підвищенням температури. (b) Зверніть увагу на варіації кольору, що відповідають коливанням температури полум’я.

теплопередача

Всі предмети поглинають і випромінюють електромагнітне випромінювання. Швидкість тепловіддачі випромінюванням багато в чому визначається кольором об’єкта. Чорний – найефективніший, а білий найменше. Люди, які живуть у жаркому кліматі, як правило, уникають носити чорний одяг, наприклад. Точно так само чорний асфальт на стоянці буде спекотніше сусіднього сірого тротуару в літній день, адже чорний краще вбирає, ніж сірий. Зворотне також вірно – чорний випромінює краще, ніж сірий. Таким чином, в ясну літню ніч асфальт буде холодніше сірого тротуару, оскільки чорний випромінює енергію швидше, ніж сірий.

Ідеальний радіатор, який часто називають чорнимкорпусом, того ж кольору, що і ідеальний поглинач, і захоплює все випромінювання, яке потрапляє на нього. На відміну від цього, білий – поганий поглинач, а також поганий радіатор. Білий предмет відображає все випромінювання, як дзеркало. (Ідеальна, полірована біла поверхня дзеркальна на вигляд, а подрібнене дзеркало виглядає білим.)

Існує розумна залежність між температурою ідеального випромінювача і довжиною хвилі, при якій він випромінює найбільше випромінювання. Він називається законом переміщення Віена і дається:

де \(\mathrm\) константа дорівнює \(\mathrm \; m⋅K>\) .

Сірі предмети мають рівномірну здатність поглинати всі частини електромагнітного спектра. Кольорові об’єкти поводяться подібними, але більш складними способами, що надає їм певний колір у видимому діапазоні і може зробити їх особливими в інших діапазонах невидимого спектру. Взяти, наприклад, сильне поглинання інфрачервоного випромінювання шкірою, що дозволяє нам бути дуже чутливими до нього.

Хороші та погані радіатори: Чорний предмет – це хороший поглинач і хороший радіатор, тоді як білий (або сріблястий) предмет – поганий поглинач і поганий радіатор. Це ніби випромінювання зсередини відбивається назад в срібний предмет, тоді як випромінювання зсередини чорного предмета «поглинається» при попаданні на поверхню і виявляється зовні і сильно випромінюється.

Швидкість тепловіддачі випромінюваним випромінюванням визначається законом Стефана-Больцмана випромінювання:

де \(\mathrm \; \frac>\) – постійна Стефана-Больцмана, А – площа поверхні об’єкта, а T – його абсолютна температура в кельвіні. Символ e позначає випромінювальну здатність об’єкта, яка є мірою того, наскільки добре він випромінює. Ідеальний струменево-чорний (або чорний корпус) радіатор має e = 1e = 1, тоді як ідеальний відбивач має \(\mathrm\) . Реальні об’єкти потрапляють між цими двома значеннями. Наприклад, нитки вольфрамових лампочок мають її близько 0,5, а сажа (матеріал, який використовується в тонері принтера), має (найбільшу відому) випромінювальну здатність близько 0,99.

Швидкість випромінювання прямо пропорційна четвертій потужності абсолютної температури – надзвичайно сильна залежність від температури. Крім того, випромінюване тепло пропорційно площі поверхні об’єкта. Якщо збити вугілля пожежі, відбувається помітне збільшення радіації через збільшення площі випромінюючої поверхні.

Чистий коефіцієнт теплопередачі

Чиста швидкість передачі тепла випромінюванням (поглинання мінус випромінювання) пов’язана як з температурою об’єкта, так і з температурою його оточення. Якщо припустити, що об’єкт з температурою \(\mathrm\) оточений середовищем з рівномірною температурою \(\mathrm\) , чиста швидкість тепловіддачі випромінюванням становить:

де е – випромінювальна здатність одного об’єкта. Іншими словами, не має значення, чи є оточення білим, сірим або чорним; баланс випромінювання в об’єкт і поза ним залежить від того, наскільки добре він випромінює і поглинає випромінювання. Коли \(\mathrmT_1>\) , величина \(\mathrm>>\) позитивна; тобто чиста тепловіддача відбувається від більш гарячих предметів до більш холодних предметів.

Ключові моменти

• У мікроскопічних масштабах провідність відбувається у міру того, як швидко рухаються або вібруючі атоми і молекули взаємодіють з сусідніми частинками, передаючи частину своєї кінетичної енергії.
• Провідність є найбільш значущою формою передачі тепла всередині твердого об’єкта або між твердими частинами в тепловому контакті.
• Провідність є найбільш значною в твердих тілах, і менше, хоча в рідинях і газах, через простір між молекулами.
• Швидкість теплопередачі по провідності залежить від різниці температур, розміру площі, що контактує, товщини матеріалу і теплових властивостей матеріалу (ів), що контактують.
• Конвекція приводиться в дію великим потоком речовини в рідинях. Тверді речовини не можуть транспортувати тепло через конвекцію.
• Природна конвекція рухається плавучими силами: гаряче повітря піднімається, оскільки щільність зменшується з підвищенням температури. Цей принцип однаково застосовується з будь-якою рідиною.
• Конвекція може транспортувати тепло набагато ефективніше, ніж провідність. Повітря є поганим провідником і хорошим ізолятором, якщо простір досить малий, щоб запобігти конвекції.
• Конвекція часто супроводжує фазові зміни, наприклад, коли піт випаровується з вашого тіла. Цей масовий потік при конвекції дозволяє людині охолоджуватися, навіть якщо температура навколишнього повітря перевищує температуру тіла.
• Енергія електромагнітного випромінювання залежить від довжини хвилі (кольору) і змінюється в широкому діапазоні: менша довжина хвилі (або більш висока частота) відповідає більш високій енергії.
• Всі об’єкти випромінюють і поглинають електромагнітну енергію. Колір об’єкта пов’язаний випромінювальною здатністю, або його ефективністю випромінювання енергії. Чорний є найбільш ефективним, тоді як білий – найменш ефективним ( \(\mathrm\) і \(\mathrm\) , відповідно).
• Ідеальний радіатор, який часто називають чорнимкорпусом, має той же колір, що і ідеальний поглинач і захоплює все випромінювання, яке потрапляє на нього.
• Швидкість тепловіддачі випромінюваним випромінюванням визначається законом Стефана-Больцмана випромінювання: \(\mathrm=σAT^4>\) де \(\mathrm \; \frac>\) постійна Стефана-Больцмана, \(\mathrm\) – площа поверхні об’єкта, і \(\mathrm\) – абсолютна його температура в кельвіні.
• Чиста швидкість тепловіддачі пов’язана з температурою об’єкта і температурою його оточення. Чим більше різниця, тим вище чистий тепловий потік.
• Температура об’єкта дуже значна, тому що випромінюється випромінювання пропорційно цій величині четвертої потужності.

Ключові умови

• теплопровідність: міра здатності матеріалу проводити тепло
• природна конвекція: Спосіб транспортування тепла. Рідина, що оточує джерело тепла, отримує тепло, стає менш щільною і піднімається вгору. Навколишня, більш прохолодна рідина потім переміщається, щоб замінити її. Потім ця охолоджуюча рідина нагрівається і процес триває, утворюючи конвекційний струм.
• позитивний зворотний зв’язок: петля зворотного зв’язку, в якій вихід системи посилюється з чистим позитивним коефіцієнтом посилення кожного циклу.
• чорне тіло: Теоретичне тіло, наближене дірою в порожнистій чорній сфері, яке поглинає все падаюче електромагнітне випромінювання і не відображає жодного; воно має характерний спектр випромінювання.
• випромінювальна здатність: схильність до випромінювання енергії поверхні, зазвичай вимірюється на певній довжині хвилі.

ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

• Курація та доопрацювання. Надано: Boundless.com. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства

CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ

• теплопровідність. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/Wiki/Теплопровідність %20. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• Провідність (тепло). Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Conduction_ (тепло). Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• Коледж OpenStax, Коледж фізики. 18 вересня 2013 року. Надається: OpenStax, CNX. Знаходиться за адресою: http://cnx.org/content/m42228/latest/?collection=col11406/1.7. Ліцензія: CC BY: Зазначення авторства
• Коледж OpenStax, Коледж фізики. 15 жовтня 2012 року. Надається: OpenSTAX CNX. Знаходиться за адресою: http://cnx.org/content/m42228/latest/?collection=col11406/1.7. Ліцензія: CC BY: Зазначення авторства
• природна конвекція. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Природний% 20 Конвекція. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• Конвекція. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/Wiki/Конвекція. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• позитивні відгуки. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/positive_feedback. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• Коледж OpenStax, Коледж фізики. 17 вересня 2013 року.. Надається: OpenSTAX CNX. Знаходиться за адресою: http://cnx.org/content/m42229/latest/?collection=col11406/1.7. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• Кумулусні хмари. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Кумулус_хмари. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• чорне тіло. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/blackbody. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• емісійна здатність. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/випромінюваність. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
• Коледж OpenStax, Коледж фізики. 17 вересня 2013 року. Надається: OpenSTAX CNX. Знаходиться за адресою: http://cnx.org/content/m42230/latest/?collection=col11406/1.7. Ліцензія: CC BY: Зазначення авторства
• Вогонь. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Fire. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства

Recommended articles

1. Article type Section or Page Show Page TOC No on Page
2. Tags
   1. authorname:boundless
   2. black body
   3. emissivity
   4. natural convection
   5. positive feedback
   6. source[translate]-phys-14518
   7. thermal conductivity

   § 6. Теплопровідність

   Види теплообміну. У попередньому параграфі ми з’ясували, що внутрішню енергію тіла можна змінити завдяки передачі теплоти від одного тіла до іншого, тобто завдяки теплообміну.

   Теплообмін може здійснюватися різними способами: теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням.

   Теплопровідність. Вам, напевне, доводилось обпікатись гарячою ложкою, що міститься в чашці з чаєм або тарілці з гарячим борщем. Металева ручка ложки прогрівається, хоч безпосередньо і не контактує з окропом. Як же відбувається передача теплоти?

   Розглянемо механізм передавання теплоти з погляду атомно-молекулярного вчення. На малюнку 29. с. 40 зображено металеву посудину з водою, що нагрівається полум’ям.

   Мал. 29. Механізм теплопровідності

   Молекули повітря в полум’ї мають значно більшу кінетичну енергію, ніж молекули металевої посудини. Унаслідок зіткнення вони передають частину своєї енергії мікрочастинкам речовини посудини, що містяться найближче до полум’я. Згодом мікрочастинки розжареного дна посудини передають деяку кількість своєї енергії сусіднім частинкам, збільшуючи їхню кінетичну енергію (звісно, і температуру тіла). Така передача енергії в результаті безпосередньої взаємодії частинок здійснюється шар за шаром. Зрозуміло, що ніякого перенесення речовини при цьому не відбувається. Такий процес передачі теплоти називається теплопровідністю.

   Теплопровідність — вид теплообміну, який полягає у процесі передачі теплоти від більш нагрітої до менш нагрітої частини тіла внаслідок теплового руху його частинок.

   Теплопровідність різних речовин. Чи всі речовини мають однакову теплопровідність? Вам, мабуть, доводилось помічати, що одні речовини проводять тепло краще, ніж інші. Ручку металевої сковороди або кавоварки виготовляють із дерева. Гаряче деко із духової шафи виймають за допомогою кухонної рукавички. Очевидно, що дерево й тканина проводять тепло гірше, ніж метал.

   Висока теплопровідність металів пов’язана з особливостями їх будови. З попередніх параграфів вам відомо, що частинки твердих тіл здійснюють хаотичні теплові коливання у вузлах кристалічної ґратки. Якби теплопровідність металів зумовлювалася лише цими коливаннями, то вона б не відрізнялася від теплопровідності інших твердих тіл. Але в металах є багато вільних електронів, які можуть вільно переміщуватися між вузлами кристалічних ґраток, що й забезпечує високу теплопровідність.

   На ділянці з вищою температурою частина електронів отримує більшу кінетичну енергію. Ці електрони легко долають проміжки між йонами. Стикаючись із йонами холодних ділянок металу, електрони передають їм надлишок своєї енергії, що зумовлює підвищення температури в цій ділянці.

   Рідини, за винятком розплавлених металів, наприклад ртуті, мають погану теплопровідність. У газів теплопровідність ще менша, оскільки їхні молекули перебувають далеко одна від одної й передавання кінетичної енергії від однієї молекули до іншої — утруднене.

   Для порівняння: теплопровідність повітря майже в 10 000 разів менша від теплопровідності міді. Теплопровідність води приблизно у 25 разів більша, ніж у повітря, але приблизно у 330 разів менша, ніж у міді.

   Вовна, пух, хутро й інші пористі тіла мають погану теплопровідність, бо в них між волокнами є повітря. Ось чому вовна, хутро й пух захищають тварин від переохолодження взимку і перегрівання влітку. Для утеплення будівель також застосовують пористі матеріали: пінопласт, хімічну вату. Малу теплопровідність мають пластмаса, деревина, скло. Речовини й матеріали, що погано проводять тепло, називають теплоізоляторами (мал. 30).

   Мал. 30. Використання теплоізоляційних матеріалів

   Від переохолодження тварин захищає ще й жировий шар, який є у водоплавних птахів, китів, моржів, тюленів.

   Найменшу теплопровідність має вакуум — дуже розріджений газ. Пояснюється це тим, що теплопровідність здійснюють молекули або інші частинки, отже, там, де немає частинок, теплопровідності також не може бути.

   Підбиваємо підсумки

   Теплопровідність — це процес передачі енергії від одних тіл до інших або від одних частин тіла до інших частин того самого тіла, який зумовлений хаотичним рухом частинок речовини й не супроводжується перенесенням цієї речовини.

   Різні речовини та речовини, що перебувають у різних агрегатних станах, по-різному проводять теплоту. Найкращими провідниками теплоти є метали, найгіршими — гази.

   Людина широко використовує у своїй життєдіяльності здатність різних речовин по-різному проводити теплоту.

   Я знаю, вмію й розумію

   • 1. Чим відрізняється механізм теплопровідності у твердих тіл, рідин і газів?
   • 2. Чому метали мають найкращу теплопровідність?
   • 3. Чому тварини не замерзають навіть у сильний холод?
   • 4. Які матеріали добре проводять теплоту? Де їх застосовують?
   • 5. Які матеріали називають теплоізоляційними? Наведіть приклади теплоізоляційних матеріалів.

   ПОЯСНІТЬ

   • 1. Чому жителі південних країн під час сильної спеки носять хутряні шапки, ватні халати?
   • 2. Чому пористі будівельні матеріали мають кращі теплоізоляційні властивості, ніж щільні будівельні матеріали.
   • 3. Шуба гріє людину, чи людина — шубу?
   • 4. Чи буде змінюватися теплопровідність повітря, якщо його стискати? Чи можлива теплопровідність у дуже розріджених газах, космічному просторі?