Теплопровідність
На відміну від газів і рідин, тверді тіла мають більш щільну кристалічну решітку, в якій сусідні елементи мають більш міцні зв’язки. З цієї причини конвекція в твердих тілах принципово неможлива (вона починається тільки при дуже високих температурах, коли тверде тіло переходить в інший фазовий стан – рідина). Основна передача теплової енергії у твердих тілах відбувається за рахунок теплопровідності.
Під час нагрівання будь-якої частини твердого тіла, молекули, що знаходяться поблизу джерела теплової енергії, у міру їхнього нагріву починають рухатися все швидше і швидше. Стикаючись із сусідніми молекулами, вони передають їм частину своєї енергії, змушуючи їх коливатися інтенсивніше. У свою чергу, ці молекули, зіштовхуючись вже зі своїми сусідами, передають тепло далі. Така ланцюгова реакція передачі теплової енергії в жорстких кристалічних решітках твердого тіла і називається теплопровідністю.
Оскільки різні тверді тіла мають різну кристалічну решітку, з різною щільністю, ступенем зв’язку з сусідніми вузлами та ін., то тверді тіла мають різну теплопровідність, яка виражається коефіцієнтом теплопровідності.
Коефіцієнт теплопровідності
Коефіцієнт теплопровідності є довідковою величиною, він експериментально визначений для багатьох твердих тіл.
Ніколи не замислювалися над питанням, чому при однаковій температурі різні тіла на дотик здаються холоднішими чи теплішими? Наприклад, якщо при температурі 10°C торкнутися металевого і дерев’яного предмета, то перший буде холоднішим. Нюанс полягає в їхній різній теплопровідності – метали мають більшу теплопровідність, в порівнянні з деревом, тому, набагато швидше відводять теплову енергію від теплих пальців. Те саме відбувається (але в інший бік) при температурах, що перевищують температуру тіла людини. Наприклад, залізний предмет, нагрітий до 60°C на дотик здаватиметься більш гарячим, ніж дерев’яний.
Для вивчення теплопровідності слід враховувати різні речі (площу тіла, його лінійні розміри, час нагріву та ін.). Фізики зупинилися на чотирьох величинах:
- Q ∝ ΔT – кількість переданої теплової енергії Q пропорційна різниці температур ΔT (чим вище різниця температур, тим інтенсивніше передається тепло).
- Q ∝ А – кількість переданої теплової енергії Q пропорційна площі поперечного перерізу А.
- Q ∝ 1/L – кількість переданої теплової енергії Q обернено пропорційна довжині тіла L.
- Q ∝ t – кількість переданої теплової енергії Q пропорційна часу впливу тепла.
Таким чином, передачу теплової енергії у твердих тілах можна виразити формулою:
k – коефіцієнт теплопровідності, якась постійна величина, яка є унікальною для конкретного твердого тіла (вимірюється в Дж/с·м·°C).
Використовуючи формулу розрахунку теплопровідності, можна визначити, наприклад, кількість теплової енергії, яка буде передана від одного кінця сталевої кочерги, яка опущена в гарячу золу, до іншого – за який тримається людина, за 1 секунду, за наступних даних:
- kсталі = 14,0 Дж/с·м·°C
- L = 100 см
- A = 4 см2
- ΔT = 500°C
Можна констатувати, що сторона ручки кочерги, за яку тримається людина, нагріватиметься зі швидкістю 3,2 Дж/сек.
Зі сказаного вище, стає зрозуміло, чому, наприклад, для утеплення будинків застосовують пінопласт, а не метал.