Lämmönsiirron tiede: Mikä on johtuminen?
Lämpö on mielenkiintoinen energiamuoto. Sen lisäksi, että se ylläpitää elämää, tekee meistä mukavia ja auttaa meitä valmistamaan ruokamme, sen ominaisuuksien ymmärtäminen on avainasemassa monilla tieteellisen tutkimuksen aloilla. Esimerkiksi sen tietäminen, miten lämpö siirtyy ja missä määrin eri materiaalit voivat vaihtaa lämpöenergiaa, ohjaa kaikkea lämmityslaitteiden rakentamisesta ja vuodenaikojen vaihtelun ymmärtämisestä alusten lähettämiseen avaruuteen.
Lämpö voi siirtyä vain kolmella tavalla: johtumalla, konvektiolla ja säteilyllä. Näistä johtuminen on ehkä yleisin, ja sitä esiintyy luonnossa säännöllisesti. Lyhyesti sanottuna se on lämmön siirtymistä fyysisen kosketuksen kautta. Sitä tapahtuu, kun painat kätesi ikkunalasia vasten, kun asetat kattilan vettä aktiivisen elementin päälle ja kun asetat silitysraudan tuleen.
Tämä siirtyminen tapahtuu molekyylitasolla – kappaleesta toiseen – kun lämpöenergia imeytyy pintaan ja saa tämän pinnan molekyylit liikkumaan nopeammin. Samalla ne törmäävät naapureihinsa ja siirtävät energiaa niihin, ja tämä prosessi jatkuu niin kauan kuin lämpöä vielä lisätään.
Lämmön johtumisprosessi riippuu neljästä perustekijästä: lämpötilagradientista, osallistuvien materiaalien poikkileikkauksesta, niiden kulkureitin pituudesta ja näiden materiaalien ominaisuuksista.
Lämpötilagradientti on fysikaalinen suure, joka kuvaa sitä, mihin suuntaan ja millä nopeudella lämpötila muuttuu tietyssä paikassa. Lämpötila virtaa aina kuumimmasta lähteestä kylmimpään, mikä johtuu siitä, että kylmyys ei ole muuta kuin lämpöenergian puuttumista. Tämä siirtyminen kappaleiden välillä jatkuu, kunnes lämpötilaero pienenee ja syntyy tila, jota kutsutaan termiseksi tasapainotilaksi.
Lämpötilan poikkileikkaus ja polun pituus ovat myös tärkeitä tekijöitä. Mitä suurempi on siirtoon osallistuvan aineen koko, sitä enemmän lämpöä tarvitaan sen lämmittämiseen. Lisäksi mitä enemmän pinta-alaa on alttiina ulkoilmalle, sitä suurempi todennäköisyys on lämpöhäviölle. Niinpä lyhyemmät esineet, joiden poikkileikkaus on pienempi, ovat paras keino minimoida lämpöenergian hävikki.
Viimeisenä, mutta ei suinkaan vähäisimpänä, on mukana olevien materiaalien fysikaaliset ominaisuudet. Periaatteessa kaikki aineet eivät ole lämmön johtamisen kannalta samanarvoisia. Metalleja ja kiveä pidetään hyvinä lämmönjohtimina, koska ne pystyvät siirtämään lämpöä nopeasti, kun taas sellaiset materiaalit kuin puu, paperi, ilma ja kangas ovat huonoja lämmönjohtimia.
Nämä johtavuusominaisuudet luokitellaan ”kertoimen” perusteella, joka mitataan suhteessa hopeaan. Tältä osin hopean lämmönjohtavuuskerroin on 100, kun taas muut materiaalit sijoittuvat alemmas. Näitä ovat kupari (92), rauta (11), vesi (0,12) ja puu (0,03). Vastakkaisessa ääripäässä on täydellinen tyhjiö, joka ei kykene johtamaan lämpöä, ja siksi se luokitellaan nollaan.
Materiaaleja, jotka johtavat huonosti lämpöä, kutsutaan eristeiksi. Ilma, jonka johtumiskerroin on 0,006, on poikkeuksellinen eriste, koska se pystyy olemaan suljetussa tilassa. Tämän vuoksi keinotekoisissa eristeissä hyödynnetään ilmatiloja, kuten kaksinkertaisissa lasi-ikkunoissa, joita käytetään lämmityslaskujen pienentämiseen. Periaatteessa ne toimivat puskureina lämpöhäviötä vastaan.
Höyhenet, turkikset ja luonnonkuidut ovat kaikki esimerkkejä luonnollisista eristeistä. Nämä ovat materiaaleja, joiden avulla linnut, nisäkkäät ja ihmiset voivat pysyä lämpiminä. Esimerkiksi merisaukot elävät merivesissä, jotka ovat usein hyvin kylmiä, ja niiden ylellisen paksu turkki pitää ne lämpiminä. Muut merinisäkkäät, kuten merileijonat, valaat ja pingviinit, luottavat paksuun rasvakerrokseen (eli blubberiin) – joka on erittäin huono lämmönjohdin – estääkseen lämpöhäviön ihonsa kautta.
Tätä samaa logiikkaa sovelletaan asuntojen, rakennusten ja jopa avaruusalusten eristämiseen. Näissä tapauksissa menetelmissä käytetään joko seinien väliin jääviä ilmataskuja, lasikuitua (joka sitoo ilmaa sisäänsä) tai suuritiheyksistä vaahtomuovia. Avaruusalukset ovat erikoistapaus, ja niissä käytetään vaahtomuovin, vahvistetun hiilikomposiittimateriaalin ja kvartsikuitulaattojen muodossa olevia eristeitä. Kaikki nämä ovat huonoja lämmönjohtimia, ja siksi ne estävät lämmön häviämisen avaruudessa ja estävät myös ilmakehään palaamisen aiheuttamien äärimmäisten lämpötilojen pääsyn miehistön matkustamoon.
Katso tämä videodemonstraatio Avaruussukkulan lämpölaatoista:
Lämmön johtumista säätelevät lait muistuttavat hyvin paljon Ohmin lakia, joka säätelee sähkön johtumista. Tässä tapauksessa hyvä johdin on materiaali, joka päästää sähkövirran (eli elektronit) kulkemaan sen läpi ilman suurempia ongelmia. Sähköeriste on sitä vastoin mikä tahansa materiaali, jonka sisäiset sähkövaraukset eivät pääse virtaamaan vapaasti, minkä vuoksi sähkövirran johtaminen sähkökentän vaikutuksesta on hyvin vaikeaa.
Useimmissa tapauksissa materiaalit, jotka johtavat huonosti lämpöä, johtavat huonosti myös sähköä. Esimerkiksi kupari johtaa hyvin sekä lämpöä että sähköä, minkä vuoksi kuparijohtoja käytetään niin paljon elektroniikan valmistuksessa. Kulta ja hopea ovat vielä parempia, ja jos hinta ei ole ongelma, näitä materiaaleja käytetään myös sähköpiirien rakentamisessa.
Ja kun joku haluaa ”maadoittaa” varauksen (eli neutralisoida sen), se lähetetään fyysisen yhteyden kautta maahan, jossa varaus häviää. Tämä on yleistä sähkövirtapiireissä, joissa alttiina oleva metalli on tekijä, varmistaen, että ihmiset, jotka joutuvat vahingossa kosketuksiin, eivät saa sähköiskua.
Eristäviä materiaaleja, kuten kengänpohjien kumia, käytetään sen varmistamiseksi, että ihmiset, jotka työskentelevät herkkien materiaalien parissa tai sähkölähteiden läheisyydessä, ovat suojassa sähkövarauksilta. Muita eristysmateriaaleja, kuten lasia, polymeerejä tai posliinia, käytetään yleisesti sähkölinjoissa ja korkeajännitelähettimissä, jotta virta pysyy virtapiireissä (eikä mitään muuta!)
Lyhyesti sanottuna johtuminen on lämmön siirtymistä tai sähkövarauksen siirtymistä. Molemmat tapahtuvat seurauksena aineen kyvystä sallia molekyylien siirtää energiaa niiden läpi.
Olemme kirjoittaneet useita artikkeleita johtumisesta Universe Today -lehteen. Katso tämä artikkeli termodynamiikan ensimmäisestä laista tai tämä staattisesta sähköstä.
Jos haluat lisää tietoa johtumisesta, katso BBC:n artikkeli lämmönsiirrosta, ja tässä on linkki The Physics Hypertextbookiin.
Olemme myös nauhoittaneet kokonaisen jakson Astronomy Cast -ohjelmasta magneettisuudesta – jakso 42: Magnetism Everywhere.