"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Теплопроводность — способ передачи внутренней энергии от более нагретой части тела к менее нагретой без переноса самого вещества. Она объясняет, почему нагревается ручка металлической ложки в чае и почему кастрюлю делают из металла, а её ручку — из материала, который плохо проводит тепло. Скорость передачи энергии зависит от вещества: металлы обычно проводят тепло хорошо, а дерево, пластмассы и неподвижный воздух — плохо. Эти свойства используют при изготовлении посуды и теплоизоляции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Теплопроводность — передача внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым без переноса вещества. Например, нагретый конец стержня может передать энергию холодному концу, хотя сам стержень не течёт и не перемещается. Понятие помогает отличить теплопроводность от способов теплообмена, при которых перемещается вещество или энергия передаётся излучением.
Тепловое движение частиц — беспорядочное движение частиц вещества; при нагревании его интенсивность возрастает. Частицы не стоят на месте даже тогда, когда тело кажется неподвижным. Это представление нужно, чтобы объяснить, как энергия распространяется внутри вещества.
Теплопроводные вещества — вещества, хорошо передающие энергию между своими частями. Если один участок такого материала нагреть, его соседние участки сравнительно быстро тоже станут теплее. Зная это свойство, можно выбирать материал для предметов, которые должны передавать тепло.
Теплоизоляционные материалы — материалы, плохо проводящие тепло и замедляющие теплообмен. Они не прекращают передачу энергии полностью, но делают её медленнее. Такие материалы нужны, например, чтобы тепло дольше сохранялось в доме или чтобы не обжечь руку о ручку посуды.
Если одна часть тела нагрета сильнее другой, температуры его участков различаются. Частицы горячей области обладают большей энергией теплового движения и при взаимодействии могут передавать часть энергии соседним частицам. Те, в свою очередь, взаимодействуют со следующими, поэтому передача распространяется по телу. Она продолжается, пока температуры не выровняются; направление передачи энергии при этом — от более нагретого участка к менее нагретому.
В твёрдом теле частицы расположены близко друг к другу и связаны взаимодействием. Частицы у нагретого участка начинают двигаться интенсивнее и колебаться около своих положений, передавая энергию соседям. Сами частицы не пробегают от горячего конца тела к холодному, поэтому вместе с теплопроводностью не переносится вещество. Чем эффективнее взаимодействуют частицы, тем быстрее энергия распространяется по материалу.
Металлы проводят тепло лучше многих других твёрдых веществ не только благодаря взаимодействию частиц. В них есть свободные электроны — частицы, которые могут перемещаться по металлу и переносить энергию. Поэтому металлический предмет обычно быстро нагревается в месте контакта с горячим телом, а затем передаёт тепло дальше. У дерева и пластмасс такой перенос свободными электронами не происходит, и их теплопроводность обычно ниже.
В жидкостях и газах частицы в среднем расположены дальше друг от друга, чем в твёрдых телах. Из-за этого взаимодействие, передающее энергию от частицы к частице, обычно менее эффективно, и теплопроводность оказывается слабее. Это сравнение описывает именно передачу энергии теплопроводностью: движение потоков жидкости или газа относится к другому способу теплообмена. В реальных условиях одновременно могут действовать несколько способов передачи тепла.
Материал выбирают с учётом того, нужно ли быстро передавать или, наоборот, задерживать тепло. Металлическую посуду используют потому, что она хорошо проводит энергию от нагревателя к содержимому. Ручки делают из дерева или пластмассы, которые проводят тепло хуже и медленнее нагреваются. Воздух также плохо проводит тепло, поэтому его удерживают в утеплителях и между слоями конструкций.
| Материал или группа веществ | Теплопроводность | Как передаётся энергия | Пример применения |
|---|---|---|---|
| Металлы | Обычно высокая | При взаимодействии частиц, а также с участием свободных электронов | Корпус кастрюли, сковороды |
| Дерево и пластмассы | Обычно низкая | Между частицами, без эффективного переноса свободными электронами | Ручки посуды, теплоизоляционные детали |
| Воздух и другие газы | Обычно низкая | При взаимодействии частиц газа, расположенных сравнительно далеко друг от друга | Воздушная прослойка в утеплителе |
| Материалы с воздухом между волокнами или слоями | Низкая, если воздух удерживается и не перемещается | Передача замедляется из-за слабой теплопроводности воздуха и материала | Утеплитель для одежды и зданий |
Таблица помогает сравнить материалы и понять, какой из них подходит для передачи тепла, а какой — для его сохранения. При выборе учитывай не только название материала, но и его устройство: неподвижный воздух между волокнами тоже влияет на теплоизоляцию. Примеры применения показывают, как свойства вещества используют в быту.
Задача 1. В металлический и деревянный стержни одинаковой длины одновременно опустили концы в горячую воду. Какой стержень быстрее нагреется на другом конце? Чтобы ответить, сравним свойства материалов и проследим, как энергия проходит от горячего конца к холодному.
Ответ: быстрее нагреется другой конец металлического стержня. Равная длина стержней позволяет сравнить именно влияние материалов, а не расстояние, которое должна пройти энергия.
Задача 2. Металлическая ложка лежит в горячем чае. Указать направление передачи энергии и объяснить, почему нагревается ручка. Чай горячее ложки, поэтому сначала энергия поступает к погружённой в него части.
Ответ: энергия передаётся от чая к ложке и от её погружённой части к ручке. Вещество ложки при этом не перемещается.
Задача 3. Нужно выбрать материал для ручки кастрюли и объяснить, почему между волокнами утеплителя удерживают воздух. Какой выбор будет разумным? Здесь важно решить две похожие задачи: не дать ручке быстро нагреться и замедлить потерю тепла через утеплитель.
Ответ: разумно сделать ручку из дерева или пластмассы, а в утеплителе сохранить неподвижный воздух между волокнами. В обоих случаях выбирают слабые проводники, чтобы уменьшить передачу энергии.
Ошибка — считать, что при теплопроводности тепло переносится вместе с веществом. Так думают, потому что бытовое слово «тепло» иногда связывают с движением горячего воздуха или воды. Проверь себя вопросом: перемещается ли само вещество от одного конца твёрдого стержня к другому? Нет, передаётся энергия благодаря взаимодействию частиц.
Неверно утверждать, что тепло само переходит от холодного тела к горячему. Такое представление может возникнуть, если перепутать направление передачи с тем, куда хочется передать тепло. Чтобы проверить ответ, сравни температуры: самопроизвольно энергия при теплопроводности идёт от более нагретого участка к менее нагретому.
Не все твёрдые тела проводят тепло одинаково хорошо. Ошибка появляется, если считать, что твёрдое состояние автоматически означает высокую теплопроводность. Сравни материалы: металл обычно нагревается вдоль тела быстрее дерева или пластмассы, потому что свойства вещества и наличие свободных электронов различаются.
Воздух не становится хорошим проводником только потому, что окружает предметы. Его легко не заметить, и поэтому кажется, будто тепло свободно проходит сквозь него. Проверь себя примером утеплителя: неподвижный воздух между волокнами замедляет теплообмен, значит, он служит теплоизолятором, а не хорошим проводником.
Чтобы понять теплопроводность, нужно знать, что тела состоят из частиц и что частицы непрерывно движутся. Также пригодятся понятия температуры и внутренней энергии: они помогают сравнить нагретость участков и объяснить передачу энергии. При дальнейшем изучении теплообмена теплопроводность можно будет сопоставить с конвекцией и излучением. Эти знания применяют, объясняя устройство теплоизоляции зданий и работу бытовых приборов.
Почему металлическая ложка в горячем чае нагревается?
Часть ложки в чае нагревается первой, и её частицы начинают интенсивнее двигаться. При взаимодействии они передают энергию соседним частицам, поэтому тепло распространяется вдоль ложки к ручке.
Перемещается ли вещество при теплопроводности?
Нет, при теплопроводности вещество целиком не перемещается. От одной части тела к другой передаётся энергия благодаря взаимодействию частиц.
Почему металлы обычно проводят тепло лучше дерева?
В металлах энергию передают не только взаимодействующие частицы, но и свободные электроны. В дереве такого переноса электронами нет, поэтому оно обычно проводит тепло хуже.
Почему воздух помогает сохранять тепло?
Воздух плохо проводит тепло, особенно если он неподвижен. Поэтому его удерживают между волокнами утеплителя или слоями материала, чтобы замедлить передачу энергии.
Может ли тепло при теплопроводности переходить от холодного участка к горячему?
Самопроизвольно энергия при теплопроводности переходит от более нагретого участка к менее нагретому. Обратное направление возможно только при внешнем воздействии, а не само по себе.
§ 21. Теплопроводность
