Nauka o przenoszeniu ciepła: Co to jest przewodzenie?
Ciepło jest interesującą formą energii. Nie tylko podtrzymuje życie, sprawia, że jest nam wygodnie i pomaga nam przygotować jedzenie, ale zrozumienie jego właściwości jest kluczem do wielu dziedzin badań naukowych. Na przykład, wiedza o tym, jak ciepło jest przenoszone i w jakim stopniu różne materiały mogą wymieniać energię cieplną, reguluje wszystko, od budowy grzejników i zrozumienia zmian sezonowych do wysyłania statków w kosmos.
Ciepło może być przenoszone tylko przez trzy sposoby: przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Spośród nich, przewodzenie jest prawdopodobnie najbardziej powszechne i występuje regularnie w przyrodzie. Krótko mówiąc, jest to przekazywanie ciepła poprzez kontakt fizyczny. Występuje, gdy naciskamy dłonią na szybę okienną, gdy stawiamy garnek z wodą na aktywnym elemencie i gdy wkładamy żelazko do ognia.
Ten transfer zachodzi na poziomie molekularnym – z jednego ciała do drugiego – gdy energia cieplna jest absorbowana przez powierzchnię i powoduje, że molekuły tej powierzchni poruszają się szybciej. W procesie tym wpadają one na swoich sąsiadów i przekazują im energię, proces ten trwa tak długo, jak długo ciepło jest jeszcze dodawane.
Proces przewodzenia ciepła zależy od czterech podstawowych czynników: gradientu temperatury, przekroju zaangażowanych materiałów, długości ich drogi oraz właściwości tych materiałów.
Gradient temperatury jest wielkością fizyczną, która opisuje, w którym kierunku i z jaką szybkością zmienia się temperatura w określonym miejscu. Temperatura zawsze przepływa od najgorętszego do najzimniejszego źródła, co wynika z faktu, że zimno to nic innego jak brak energii cieplnej. Ten transfer między ciałami trwa do momentu, gdy różnica temperatur maleje i pojawia się stan znany jako równowaga termiczna.
Przekrój i długość ścieżki są również ważnymi czynnikami. Im większy jest rozmiar materiału biorącego udział w wymianie, tym więcej ciepła potrzeba do jego ogrzania. Ponadto, im większa powierzchnia jest wystawiona na działanie otwartego powietrza, tym większe prawdopodobieństwo utraty ciepła. Więc krótsze obiekty o mniejszym przekroju są najlepsze środki minimalizacji utraty energii cieplnej.
Ostatni, ale na pewno nie najmniej, jest właściwości fizyczne materiałów zaangażowanych. Zasadniczo, jeśli chodzi o przewodzenie ciepła, nie wszystkie substancje są stworzone równe. Metale i kamień są uważane za dobre przewodniki, ponieważ mogą szybko przenosić ciepło, podczas gdy materiały takie jak drewno, papier, powietrze i tkaniny są słabymi przewodnikami ciepła.
Te właściwości przewodzące są oceniane na podstawie „współczynnika”, który jest mierzony w stosunku do srebra. Pod tym względem srebro ma współczynnik przewodzenia ciepła równy 100, podczas gdy inne materiały są oceniane niżej. Należą do nich miedź (92), żelazo (11), woda (0,12) i drewno (0,03). Na przeciwnym końcu spektrum jest doskonała próżnia, która jest niezdolna do przewodzenia ciepła, a zatem jest w rankingu na zero.
Materiały, które są słabe przewodniki ciepła nazywane są izolatory. Powietrze, którego współczynnik przewodzenia wynosi 0,006, jest wyjątkowym izolatorem, ponieważ jest w stanie zmieścić się w zamkniętej przestrzeni. Dlatego też sztuczne izolatory wykorzystują komory powietrzne, takie jak okna z podwójnymi szybami, które są używane do obniżania rachunków za ogrzewanie. Zasadniczo działają one jako bufory przeciwko utracie ciepła.
Pióra, futra i włókna naturalne są przykładami naturalnych izolatorów. Są to materiały, które pozwalają ptakom, ssakom i istotom ludzkim pozostać w cieple. Wydry morskie, na przykład, żyją w wodach oceanu, które są często bardzo zimne, a ich luksusowo grube futro utrzymuje je w cieple. Inne ssaki morskie, takie jak lwy morskie, wieloryby i pingwiny polegają na grubych warstwach tłuszczu (tzw. tran) – bardzo słabego przewodnika – aby zapobiec utracie ciepła przez ich skórę.
Ta sama logika jest stosowana do izolowania domów, budynków, a nawet statków kosmicznych. W tych przypadkach, metody obejmują albo uwięzione kieszenie powietrzne między ścianami, włókno szklane (które zatrzymuje powietrze w sobie) lub piankę o wysokiej gęstości. Statki kosmiczne są szczególnym przypadkiem, w którym stosuje się izolację w postaci pianki, wzmocnionego kompozytu węglowego i płytek z włókna krzemionkowego. Wszystkie te materiały są słabymi przewodnikami ciepła i dlatego zapobiegają utracie ciepła w przestrzeni kosmicznej, a także zapobiegają przedostawaniu się do kabiny załogi ekstremalnych temperatur spowodowanych wejściem w atmosferę.
Zobacz ten film demonstrujący płytki cieplne na promie kosmicznym:
Prawa rządzące przewodzeniem ciepła są bardzo podobne do prawa Ohma, które rządzi przewodzeniem prądu elektrycznego. W tym przypadku, dobrym przewodnikiem jest materiał, który pozwala prąd elektryczny (tj. elektrony), aby przejść przez niego bez większych problemów. Izolatorem elektrycznym, dla kontrastu, jest każdy materiał, którego wewnętrzne ładunki elektryczne nie przepływają swobodnie, a zatem bardzo trudno jest przewodzić prąd elektryczny pod wpływem pola elektrycznego.
W większości przypadków, materiały, które są słabymi przewodnikami ciepła są również słabymi przewodnikami elektryczności. Na przykład, miedź jest dobry w prowadzeniu zarówno ciepła i energii elektrycznej, stąd druty miedziane są używane tak szeroko w produkcji elektroniki. Złoto i srebro są jeszcze lepsze, a tam gdzie cena nie jest problemem, materiały te są wykorzystywane w budowie obwodów elektrycznych, jak również.
A kiedy ktoś szuka „uziemienia” ładunku (tj. zneutralizowania go), wysyła go przez fizyczne połączenie z Ziemią, gdzie ładunek jest tracony. Jest to powszechne w obwodach elektrycznych, gdzie odsłonięty metal jest czynnikiem, zapewniając, że ludzie, którzy przypadkowo wchodzą w kontakt nie są porażeni prądem.
Materiały izolacyjne, takie jak guma na podeszwach butów, jest noszony w celu zapewnienia, że ludzie pracujący z wrażliwych materiałów lub wokół źródeł elektrycznych są chronione przed ładunkami elektrycznymi. Inne materiały izolacyjne, takie jak szkło, polimery lub porcelana są powszechnie stosowane na liniach energetycznych i nadajnikach wysokiego napięcia, aby utrzymać przepływ prądu do obwodów (i nic więcej!)
W skrócie, przewodzenie sprowadza się do przenoszenia ciepła lub przenoszenia ładunku elektrycznego. Oba zdarzają się w wyniku zdolności substancji do pozwalania cząsteczkom na przenoszenie energii przez nie.
Napisaliśmy wiele artykułów o przewodzeniu dla Universe Today. Sprawdź ten artykuł o pierwszym prawie termodynamiki, lub ten o elektryczności statycznej.
Jeśli chciałbyś więcej informacji o przewodzeniu, sprawdź artykuł BBC o przenoszeniu ciepła, a tutaj jest link do The Physics Hypertextbook.
Nagraliśmy również cały odcinek Astronomy Cast o magnetyzmie – Episode 42: Magnetism Everywhere.