24. Воздух — плохой проводник тепла

Определения и обозначения

Теплопроводность — передача тепла от более нагретой части тела к менее нагретой при непосредственном контакте. Например, если нагреть один конец металлической ложки, тепло постепенно дойдёт до другого конца. Это понятие помогает сравнивать, насколько быстро разные материалы передают тепло.

Плохой проводник тепла — материал, который медленно передаёт тепло. Это не значит, что тепло через него совсем не проходит: просто для передачи требуется больше времени. Такое свойство полезно, когда нужно замедлить охлаждение или нагрев предмета.

Воздушная прослойка — слой воздуха между предметами или внутри материала. Она может находиться, например, между оконными рамами или между волокнами ваты. Если воздух в прослойке почти не движется, тепло проходит через неё медленно.

Теплоизоляция — уменьшение передачи тепла с помощью материалов, плохо проводящих тепло. Для этого используют, например, материалы с множеством воздушных промежутков. Теплоизоляция нужна, чтобы тепло дольше оставалось в комнате, одежде или ёмкости.

Как это устроено

Воздух плохо проводит тепло, поэтому неподвижный слой воздуха передаёт его медленно. Тепло движется от более тёплого места к более холодному, но через воздух этот процесс идёт не так быстро, как через хороший проводник, например металл. Это происходит потому, что воздух не является плотным твёрдым телом, частицы которого тесно соприкасаются. Чем спокойнее слой воздуха, тем меньше он переносит тепло с места на место.

В рыхлых материалах, таких как вата и шерсть, между волокнами остаются небольшие полости. В них находится воздух, который плохо проводит тепло. Благодаря этому тепло от тела не сразу проходит сквозь материал и уходит наружу медленнее. Чем лучше материал удерживает воздух и чем меньше тот движется, тем заметнее его теплоизоляционное действие.

Пух и перья помогают птице сохранять тепло тела благодаря промежуткам между ними. В этих промежутках удерживается воздух, а плотный покров не даёт ему легко сменяться холодным наружным воздухом. Тепло тела птицы всё же постепенно передаётся окружающей среде, но медленнее. Поэтому пух и перья не создают тепло, а уменьшают его потерю.

Между рамами окна зимой оставляют слой воздуха, чтобы тепло из комнаты медленнее уходило наружу. Воздух в промежутке плохо проводит тепло и отделяет более тёплый воздух комнаты от холодной улицы. Две рамы создают замкнутое пространство, в котором воздух меньше перемещается. Поэтому окно с такой прослойкой лучше сохраняет тепло, чем одно стекло.

Если воздух перемещается, он переносит тепло вместе с собой. Например, поток тёплого воздуха может унести тепло от нагретой поверхности, а холодный воздух — занять его место. Поэтому движение воздуха усиливает перенос тепла и уменьшает пользу воздушного слоя. Для сохранения тепла лучше, когда прослойка воздуха остаётся неподвижной.

Как материалы проводят тепло

Сначала сравните, как быстро тепло проходит через каждый материал, а затем обратите внимание на примеры применения. Материалы, которые медленно проводят тепло или удерживают неподвижный воздух, подходят для утепления. Металл, напротив, быстро передаёт тепло и поэтому удобен там, где предмет нужно нагреть.

Разбор задач

Почему зимой надевают шерстяные варежки, а не оставляют руки открытыми?

Зимой рука теплее окружающего воздуха, поэтому тепло стремится от неё наружу. Нужно выяснить, что меняют варежки и почему шерсть подходит для этой цели. Сравним открытую руку с рукой, закрытой шерстяным материалом.

1. Открытая кожа соприкасается с холодным воздухом, и тепло быстро уходит от руки.
2. Шерстяные волокна образуют множество промежутков, в которых задерживается воздух.
3. Неподвижный воздух плохо проводит тепло, поэтому варежки замедляют охлаждение руки.

Ответ: шерстяные варежки помогают сохранять тепло, потому что между их волокнами удерживается воздух. Варежки не нагревают руки, а замедляют потерю их тепла.

В каком доме теплу труднее уходить наружу: с одним оконным стеклом или с двумя стёклами и воздушным промежутком между ними?

В обоих случаях тепло из более тёплой комнаты стремится к холодной улице. Нужно сравнить путь тепла через одно стекло и через конструкцию с двумя стёклами. Важное отличие второго окна — неподвижный воздух между стёклами.

1. При одном стекле тепло проходит через стекло и затем уходит наружу.
2. Между двумя стёклами находится воздух, который плохо проводит тепло.
3. Если этот воздух не движется, он замедляет передачу тепла от комнаты к улице.

Ответ: теплу труднее уходить наружу через окно с двумя стёклами и воздушным промежутком. Воздушная прослойка замедляет передачу тепла, хотя не останавливает её полностью.

Две одинаковые ёмкости с тёплой водой обернули: одну — ватой, другую — тонкой металлической фольгой. В какой воде тепло будет сохраняться дольше и почему?

Ёмкости одинаковые, поэтому сравнивать нужно только материалы обёртки. Важно выяснить, какой из них медленнее передаст тепло от воды окружающему воздуху. Вата рыхлая, а металл хорошо проводит тепло.

1. Между волокнами ваты находится воздух, который плохо проводит тепло.
2. Ватная обёртка замедляет передачу тепла от ёмкости наружу.
3. Тонкая металлическая фольга хорошо проводит тепло и сама по себе не удерживает столько воздуха, сколько рыхлая вата.

Ответ: дольше тепло будет сохраняться в воде в ёмкости, обёрнутой ватой. Она удерживает воздушные промежутки и поэтому лучше замедляет уход тепла, чем тонкая металлическая фольга.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что воздух совсем не проводит тепло. Такое представление возникает потому, что воздух проводит тепло медленно, и охлаждение не всегда заметно сразу. Проверьте себя: если горячий предмет оставить в комнате, он со временем остынет. Значит, тепло через воздух всё-таки передаётся.

Ошибка: думать, что любой слой воздуха одинаково хорошо сохраняет тепло. Иногда забывают, что движущийся воздух переносит тепло вместе с собой. Проверьте, защищено ли пространство от сквозняка: неподвижная воздушная прослойка лучше удерживает тепло, чем поток воздуха.

Ошибка: считать, что шерсть или пух сами нагревают тело. Они кажутся источником тепла, потому что в тёплой одежде человеку комфортнее. Но шерсть и пух удерживают тепло тела, в том числе благодаря воздуху между волокнами. Проверьте объяснение вопросом: откуда материал мог бы получить тепло, если бы рядом не было тёплого тела?

Ошибка: путать плохую теплопроводность с полным отсутствием охлаждения. Материал может медленно передавать тепло, но это не значит, что потери остановились. Проверьте себя: оставьте тёплую воду в утеплённой ёмкости и убедитесь, что со временем она всё равно остывает. Утеплитель лишь замедляет этот процесс.

Связь с другими темами

Для понимания этой темы нужно знать, что нагретые тела передают тепло более холодным. Тепло может распространяться разными способами, а теплопроводность — один из них. Изучая свойства воздуха и других материалов, можно понять, почему одни предметы быстро нагреваются или остывают, а другие медленно.

Знание о теплоизоляции пригодится при изучении жилища и сохранения тепла в быту. Оно объясняет, зачем утепляют дома и используют одежду с воздушными промежутками. Также оно помогает понять, как приспособления животных, например пух и перья, защищают их от холода.

Что запомнить

• Воздух — плохой проводник тепла.
• Воздух не прекращает передачу тепла полностью, а замедляет её.
• Неподвижный воздух лучше сохраняет тепло, чем движущийся.
• Вата, шерсть и пух удерживают воздух между волокнами.
• Воздушные промежутки помогают сохранять тепло в одежде и между оконными рамами.
• Теплоизоляционные материалы замедляют уход тепла.