Videnskaben om varmeoverførsel: Hvad er ledning?
Varme er en interessant form for energi. Ikke alene opretholder den livet, gør det behageligt for os og hjælper os med at tilberede vores mad, men det er også vigtigt at forstå dens egenskaber for mange videnskabelige forskningsområder. For eksempel styrer viden om, hvordan varme overføres, og i hvilken grad forskellige materialer kan udveksle varmeenergi, alt fra bygning af varmeapparater og forståelse af årstidsændringer til at sende skibe ud i rummet.
Varme kan kun overføres på tre måder: ledning, konvektion og stråling. Af disse er ledning måske den mest almindelige, og den forekommer regelmæssigt i naturen. Kort sagt er det overførsel af varme gennem fysisk kontakt. Det sker, når man trykker sin hånd på en rude, når man sætter en gryde med vand på et aktivt element, og når man sætter et strygejern i ilden.
Denne overførsel sker på molekylært niveau – fra et legeme til et andet – når varmeenergi absorberes af en overflade og får molekylerne på denne overflade til at bevæge sig hurtigere. I processen støder de ind i deres naboer og overfører energien til dem, en proces, der fortsætter, så længe der stadig tilføres varme.
Varmeledningsprocessen afhænger af fire grundlæggende faktorer: temperaturgradienten, tværsnittet af de involverede materialer, deres banelængde og materialernes egenskaber.
En temperaturgradient er en fysisk størrelse, der beskriver i hvilken retning og med hvilken hastighed temperaturen ændrer sig på et bestemt sted. Temperaturen flyder altid fra den varmeste til den koldeste kilde, hvilket skyldes, at kulde ikke er andet end fraværet af varmeenergi. Denne overførsel mellem legemer fortsætter, indtil temperaturforskellen aftager, og der opstår en tilstand, der kaldes termisk ligevægt.
Tværsnit og vejlængde er også vigtige faktorer. Jo større størrelsen af det materiale, der er involveret i overførslen, er, jo mere varme er nødvendig for at opvarme det. Desuden er der større sandsynlighed for varmetab, jo større overfladeareal, der er udsat for åben luft. Så kortere genstande med et mindre tværsnit er det bedste middel til at minimere tabet af varmeenergi.
Sidst, men bestemt ikke mindst, er de fysiske egenskaber ved de involverede materialer. Når det drejer sig om at lede varme, er det dybest set ikke alle stoffer, der er lige gode til at lede varme. Metaller og sten anses for at være gode ledere, da de hurtigt kan overføre varme, mens materialer som træ, papir, luft og stof er dårlige varmekonduktorer.
Disse ledende egenskaber vurderes på baggrund af en “koefficient”, som måles i forhold til sølv. I denne henseende har sølv en varmeledningskoefficient på 100, mens andre materialer er lavere rangeret. Disse omfatter kobber (92), jern (11), vand (0,12) og træ (0,03). I den modsatte ende af spektret er et perfekt vakuum, som ikke er i stand til at lede varme, og som derfor er rangeret til nul.
Materialer, der er dårlige varmeledere, kaldes isolatorer. Luft, som har en ledningskoefficient på 0,006, er en ekstraordinær isolator, fordi den er i stand til at blive holdt inde i et lukket rum. Det er derfor, at kunstige isolatorer gør brug af luftrum, f.eks. dobbeltglasvinduer, som bruges til at reducere varmeregningen. I bund og grund fungerer de som buffere mod varmetab.
Fjer, pels og naturfibre er alle eksempler på naturlige isolatorer. Det er materialer, der gør det muligt for fugle, pattedyr og mennesker at holde varmen. Havoddere lever f.eks. i havvand, der ofte er meget koldt, og deres luksuriøse tykke pels holder dem varme. Andre havpattedyr som søløver, hvaler og pingviner er afhængige af tykke lag fedt (også kaldet spæk) – en meget dårlig leder – for at forhindre varmetab gennem huden.
Denne samme logik anvendes til at isolere boliger, bygninger og endda rumfartøjer. I disse tilfælde involverer metoderne enten indfangede luftlommer mellem vægge, glasfiber (som indfanger luft i sig selv) eller skum med høj tæthed. Rumfartøjer er et særligt tilfælde og anvender isolering i form af skum, forstærket kulstofkompositmateriale og silikatfiberfliser. Alle disse er dårlige varmeledere og forhindrer derfor, at varme går tabt i rummet og forhindrer også, at de ekstreme temperaturer, der opstår ved atmosfærisk genindtræden, trænger ind i besætningskabinen.
Se denne videodemonstration af varmefliserne på rumfærgen:
De love, der styrer varmeledning, ligner meget Ohm’s lov, der styrer elektrisk ledelse. I dette tilfælde er en god leder et materiale, der tillader elektrisk strøm (dvs. elektroner) at passere igennem det uden de store problemer. En elektrisk isolator er derimod et materiale, hvis indre elektriske ladninger ikke flyder frit og derfor gør det meget vanskeligt at lede en elektrisk strøm under påvirkning af et elektrisk felt.
I de fleste tilfælde er materialer, der er dårlige varmekonduktorer, også dårlige elektricitetsledere. Kobber er f.eks. godt til at lede både varme og elektricitet, og derfor anvendes kobbertråde i så stor udstrækning til fremstilling af elektronik. Guld og sølv er endnu bedre, og når prisen ikke er et problem, anvendes disse materialer også i konstruktionen af elektriske kredsløb.
Og når man ønsker at “jordforbinde” en ladning (dvs. neutralisere den), sender man den gennem en fysisk forbindelse til jorden, hvor ladningen forsvinder. Dette er almindeligt i forbindelse med elektriske kredsløb, hvor udsat metal er en faktor, hvilket sikrer, at folk, der ved et uheld kommer i kontakt, ikke bliver elektrochokeret.
Isolerende materialer, som f.eks. gummi på skosålerne, bæres for at sikre, at folk, der arbejder med følsomme materialer eller omkring elektriske kilder, er beskyttet mod elektriske ladninger. Andre isolerende materialer som glas, polymerer eller porcelæn anvendes almindeligvis på højspændingsledninger og højspændingstransmittere for at holde strømmen flydende til kredsløbene (og intet andet!)
Kort sagt kan man sige, at ledelse handler om overførsel af varme eller overførsel af en elektrisk ladning. Begge sker som følge af et stofs evne til at tillade molekyler at overføre energi på tværs af dem.
Vi har skrevet mange artikler om ledning for Universe Today. Se denne artikel om termodynamikkens første lov eller denne om statisk elektricitet.
Hvis du vil have mere info om ledning, kan du læse BBC’s artikel om varmeoverførsel, og her er et link til The Physics Hypertextbook.
Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast om magnetisme – Episode 42: Magnetism Everywhere.