A hőátadás tudománya: Mi a vezetés?
A hő az energia egy érdekes formája. Nemcsak az életet tartja fenn, kényelmünket biztosítja, és segít elkészíteni az ételeinket, de tulajdonságainak megértése kulcsfontosságú a tudományos kutatás számos területén. Például a hő átadásának ismerete és az, hogy a különböző anyagok milyen mértékben képesek hőenergiát cserélni, mindent meghatároz a fűtőberendezések építésétől és az évszakok változásának megértésétől kezdve az űrhajók űrbe küldéséig.
A hő csak három módon adható át: vezetés, konvekció és sugárzás útján. Ezek közül talán a vezetés a legelterjedtebb, és rendszeresen előfordul a természetben. Röviden, ez a hő fizikai érintkezés útján történő átadása. Ez történik, amikor a kezünket az ablaküvegre nyomjuk, amikor egy fazék vizet teszünk egy aktív elemre, és amikor a vasalót a tűzbe tesszük.
Ez az átvitel molekuláris szinten történik – egyik testből a másikba -, amikor a hőenergiát egy felület elnyeli, és a felület molekuláit gyorsabb mozgásra készteti. Eközben összeütköznek szomszédaikkal, és átadják nekik az energiát, és ez a folyamat mindaddig folytatódik, amíg a hő hozzáadása folytatódik.
A hővezetés folyamata négy alapvető tényezőtől függ: a hőmérsékleti gradienstől, az érintett anyagok keresztmetszetétől, az út hosszától és ezen anyagok tulajdonságaitól.
A hőmérsékleti gradiens olyan fizikai mennyiség, amely leírja, hogy egy adott helyen milyen irányban és milyen sebességgel változik a hőmérséklet. A hőmérséklet mindig a legmelegebbtől a leghidegebb forrás felé áramlik, mivel a hideg nem más, mint a hőenergia hiánya. Ez a testek közötti átvitel addig folytatódik, amíg a hőmérsékletkülönbség le nem bomlik, és be nem következik a hőegyensúlynak nevezett állapot.
A keresztmetszet és az úthossz szintén fontos tényezők. Minél nagyobb az átvitelben részt vevő anyag mérete, annál több hőre van szükség a felmelegítéséhez. Továbbá minél nagyobb felület van kitéve a szabad levegőnek, annál nagyobb a valószínűsége a hőveszteségnek. Ezért a kisebb keresztmetszetű, rövidebb tárgyak a legjobb eszköz a hőenergia veszteség minimalizálására.
Az utolsó, de nem utolsósorban az érintett anyagok fizikai tulajdonságai. Alapvetően, amikor a hővezetésről van szó, nem minden anyag egyenlő. A fémek és a kő jó hővezetőnek számítanak, mivel gyorsan képesek átadni a hőt, míg az olyan anyagok, mint a fa, a papír, a levegő és a szövet rossz hővezetők.
Ezeket a hővezető tulajdonságokat egy “együttható” alapján értékelik, amelyet az ezüsthöz viszonyítva mérnek. Ebből a szempontból az ezüst hővezetési együtthatója 100, míg más anyagokat alacsonyabbra sorolnak. Ezek közé tartozik a réz (92), a vas (11), a víz (0,12) és a fa (0,03). A spektrum másik végén a tökéletes vákuum áll, amely képtelen a hővezetésre, ezért a nulla értéket kapja.
Azokat az anyagokat, amelyek rossz hővezetők, szigetelőknek nevezzük. A levegő, amelynek hővezetési együtthatója 0,006, kivételes szigetelő, mert képes zárt térbe záródni. Ez az oka annak, hogy a mesterséges szigetelők légtereket használnak, mint például a dupla üvegablakok, amelyeket a fűtésszámlák csökkentésére használnak. Alapvetően pufferként működnek a hőveszteséggel szemben.
A toll, a szőrme és a természetes szálak mind példák a természetes szigetelőanyagokra. Ezek olyan anyagok, amelyek lehetővé teszik a madarak, az emlősök és az emberek számára, hogy melegen maradjanak. A tengeri vidrák például gyakran nagyon hideg óceáni vizekben élnek, és fényűzően vastag bundájuk melegen tartja őket. Más tengeri emlősök, például a tengeri oroszlánok, a bálnák és a pingvinek vastag zsírrétegre (más néven blubber) – amely nagyon rossz vezető – támaszkodnak, hogy megakadályozzák a bőrükön keresztül történő hőveszteséget.
Ezt a logikát alkalmazzák az otthonok, az épületek, sőt az űrhajók szigetelésénél is. Ezekben az esetekben a módszerek vagy a falak közé zárt légzsákokat, üvegszálakat (amelyek magukba zárják a levegőt) vagy nagy sűrűségű habot alkalmaznak. Az űrhajók speciális esetet jelentenek, és szigetelést alkalmaznak hab, megerősített szénszálas kompozit anyag és szilikaszálas csempe formájában. Ezek mindegyike rossz hővezető, ezért megakadályozzák a hőveszteséget az űrben, és azt is, hogy a légköri visszatérés okozta szélsőséges hőmérsékletek a legénységi kabinba jussanak.
Nézze meg ezt a videós bemutatót az űrsikló hőcsempéiről:
A hővezetést szabályozó törvények nagyon hasonlóak Ohm törvényéhez, amely az elektromos vezetést szabályozza. Ebben az esetben a jó vezető olyan anyag, amely az elektromos áramot (azaz az elektronokat) különösebb gond nélkül átengedi rajta. Ezzel szemben az elektromos szigetelő olyan anyag, amelynek belső elektromos töltései nem áramlanak szabadon, és ezért nagyon megnehezítik az elektromos áram vezetését elektromos tér hatására.
A legtöbb esetben azok az anyagok, amelyek a hőnek rossz vezetői, az elektromosságnak is rossz vezetői. A réz például jól vezeti a hőt és az elektromosságot is, ezért használják olyan széles körben a rézhuzalokat az elektronika gyártásában. Az arany és az ezüst még jobb, és ahol az ár nem számít, ott ezeket az anyagokat is használják az elektromos áramkörök építésénél.
És amikor valaki “földelni” akar egy töltést (azaz semlegesíteni), akkor fizikai kapcsolaton keresztül a Földre küldi, ahol a töltés elvész. Ez olyan elektromos áramköröknél gyakori, ahol a szabadon lévő fém is szerepet játszik, biztosítva, hogy a véletlenül érintkezésbe kerülő embereket ne érje áramütés.
A szigetelőanyagokat, például a cipőtalpakon a gumit, azért viselik, hogy az érzékeny anyagokkal vagy elektromos források közelében dolgozó emberek védve legyenek az elektromos töltésektől. Más szigetelőanyagokat, mint például az üveg, a polimerek vagy a porcelán, általában a távvezetékeken és a nagyfeszültségű áramátvivőkön használnak, hogy az áramkörökben áramot tartsanak (és semmi mást!)
Röviden, a vezetés a hőátadásra vagy az elektromos töltés átvitelére vezethető vissza. Mindkettő annak eredményeként történik, hogy egy anyag képes lehetővé tenni, hogy a molekulák energiát adjanak át rajta.
A Universe Today számára számos cikket írtunk a vezetésről. Nézd meg ezt a cikket a termodinamika első törvényéről, vagy ezt a statikus elektromosságról.
Ha még több információt szeretnél a vezetésről, nézd meg a BBC cikkét a hőátvitelről, és itt egy link a The Physics Hypertextbookhoz.
Asztronómia Cast egy egész epizódját is felvettük a mágnesességről – 42. epizód: Mágnesesség mindenütt.