Věda o přenosu tepla: Co je to vedení tepla?
Teplo je zajímavá forma energie. Nejenže udržuje život, zajišťuje nám pohodlí a pomáhá nám připravovat jídlo, ale pochopení jeho vlastností je klíčové pro mnoho oblastí vědeckého výzkumu. Například znalost toho, jak se teplo přenáší a do jaké míry si různé materiály mohou vyměňovat tepelnou energii, řídí vše od stavby topných těles a pochopení sezónních změn až po vysílání lodí do vesmíru.
Teplo se může přenášet pouze třemi způsoby: vedením, konvekcí a sáláním. Z nich je vedení asi nejběžnější a v přírodě se vyskytuje pravidelně. Stručně řečeno, jedná se o přenos tepla prostřednictvím fyzického kontaktu. Dochází k němu, když přiložíte ruku na okenní tabuli, když postavíte hrnec s vodou na aktivní prvek a když vložíte žehličku do ohně.
Tento přenos probíhá na molekulární úrovni – z jednoho tělesa na druhé – když je tepelná energie absorbována povrchem a způsobuje rychlejší pohyb molekul tohoto povrchu. Přitom narážejí do svých sousedů a předávají jim energii, přičemž tento proces pokračuje tak dlouho, dokud teplo stále přibývá.
Proces vedení tepla závisí na čtyřech základních faktorech: teplotním gradientu, průřezu zúčastněných materiálů, délce jejich dráhy a vlastnostech těchto materiálů.
Teplotní gradient je fyzikální veličina, která popisuje, jakým směrem a jakou rychlostí se mění teplota v určitém místě. Teplota vždy proudí od nejteplejšího zdroje k nejchladnějšímu, což je dáno tím, že chlad není nic jiného než nepřítomnost tepelné energie. Tento přenos mezi tělesy pokračuje, dokud se rozdíl teplot nezmenší a nenastane stav známý jako tepelná rovnováha.
Důležitými faktory jsou také průřez a délka dráhy. Čím větší je velikost materiálu, který se přenosu účastní, tím více tepla je potřeba k jeho ohřátí. Také čím větší plocha je vystavena volnému vzduchu, tím větší je pravděpodobnost tepelných ztrát. Takže kratší předměty s menším průřezem jsou nejlepším prostředkem k minimalizaci ztrát tepelné energie.
V neposlední řadě jsou to fyzikální vlastnosti zúčastněných materiálů. V zásadě platí, že pokud jde o vedení tepla, nejsou všechny látky stejné. Kovy a kámen jsou považovány za dobré vodiče, protože dokážou rychle přenášet teplo, zatímco materiály jako dřevo, papír, vzduch a látky jsou špatnými vodiči tepla.
Tyto vodivé vlastnosti se hodnotí na základě „koeficientu“, který se měří vzhledem ke stříbru. V tomto ohledu má stříbro koeficient tepelné vodivosti 100, zatímco ostatní materiály jsou hodnoceny níže. Patří mezi ně měď (92), železo (11), voda (0,12) a dřevo (0,03). Na opačném konci spektra je dokonalé vakuum, které není schopno vést teplo, a proto je hodnoceno nulou.
Materiály, které špatně vedou teplo, se nazývají izolanty. Vzduch, jehož součinitel vodivosti je 0,006, je výjimečným izolantem, protože je schopen se udržet v uzavřeném prostoru. Proto umělé izolátory využívají vzduchové prostory, jako jsou například okna s dvojitým sklem, která se používají pro snížení účtů za vytápění. V podstatě fungují jako nárazníky proti tepelným ztrátám.
Peří, kožešiny a přírodní vlákna jsou příklady přírodních izolantů. Jedná se o materiály, které umožňují ptákům, savcům i lidem zůstat v teple. Například mořské vydry žijí v oceánských vodách, které jsou často velmi chladné, a jejich luxusní hustá srst je udržuje v teple. Jiní mořští savci, jako jsou lachtani, velryby a tučňáci, se spoléhají na silné vrstvy tuku (tzv. blubber) – velmi špatného vodiče – aby zabránili ztrátám tepla kůží.
Stejná logika se uplatňuje při izolaci domů, budov, a dokonce i kosmických lodí. V těchto případech metody zahrnují buď zachycené vzduchové kapsy mezi stěnami, skleněná vlákna (která v sobě zachycují vzduch) nebo pěnu s vysokou hustotou. Speciálním případem jsou kosmické lodě, které používají izolaci ve formě pěny, vyztuženého uhlíkového kompozitního materiálu a dlaždic z křemíkových vláken. Všechny tyto materiály jsou špatnými vodiči tepla, a proto zabraňují tepelným ztrátám ve vesmíru a také zabraňují pronikání extrémních teplot způsobených návratem do atmosféry do kabiny posádky.
Podívejte se na tuto videoukázku tepelných dlaždic na raketoplánu:
Zákony, kterými se řídí vedení tepla, jsou velmi podobné Ohmovu zákonu, kterým se řídí vedení elektřiny. V tomto případě je dobrým vodičem materiál, který umožňuje průchod elektrického proudu (tj. elektronů) bez větších problémů. Elektrický izolant je naopak každý materiál, jehož vnitřní elektrické náboje neproudí volně, a proto je velmi obtížné jím vést elektrický proud pod vlivem elektrického pole.
Ve většině případů jsou materiály, které jsou špatnými vodiči tepla, také špatnými vodiči elektřiny. Například měď dobře vede teplo i elektřinu, proto se měděné vodiče tak hojně používají při výrobě elektroniky. Zlato a stříbro jsou ještě lepší, a tam, kde není problém s cenou, se tyto materiály používají i při konstrukci elektrických obvodů.
A když chce někdo „uzemnit“ náboj (tj. neutralizovat ho), pošle ho fyzickým spojením na Zemi, kde se náboj ztratí. To je běžné u elektrických obvodů, kde hraje roli obnažený kov, a zajišťuje to, aby lidé, kteří se náhodně dostanou do kontaktu, nebyli zasaženi elektrickým proudem.
Izolační materiály, jako je guma na podrážkách bot, se nosí proto, aby lidé pracující s citlivými materiály nebo v okolí elektrických zdrojů byli chráněni před elektrickými náboji. Další izolační materiály, jako je sklo, polymery nebo porcelán, se běžně používají na elektrickém vedení a vysokonapěťových vysílačích, aby do obvodů neproudil proud (a nic jiného!)
Vodivost se zkrátka omezuje na přenos tepla nebo přenos elektrického náboje. Obojí se děje v důsledku schopnosti látky umožnit molekulám přenášet přes ně energii.
O vedení jsme pro Vesmír dnes napsali mnoho článků. Podívejte se na tento článek o prvním termodynamickém zákonu nebo na tento článek o statické elektřině.
Pokud chcete získat více informací o vedení, podívejte se na článek BBC o přenosu tepla a zde je odkaz na Hyperučebnici fyziky.
Natočili jsme také celý díl pořadu Astronomy Cast o magnetismu – 42. díl: Magnetismus všude.