Știința transferului de căldură: Ce este conducția?
Căldura este o formă interesantă de energie. Nu numai că întreține viața, ne face să ne simțim confortabil și ne ajută să ne pregătim mâncarea, dar înțelegerea proprietăților sale este esențială pentru multe domenii de cercetare științifică. De exemplu, cunoașterea modului în care se transferă căldura și a gradului în care diferite materiale pot face schimb de energie termică guvernează totul, de la construirea de aparate de încălzire și înțelegerea schimbărilor sezoniere până la trimiterea de nave în spațiu.
Căldura poate fi transferată doar prin trei mijloace: conducție, convecție și radiație. Dintre acestea, conducția este poate cea mai comună și apare în mod regulat în natură. Pe scurt, este transferul de căldură prin contact fizic. Are loc atunci când vă apăsați mâna pe un geam, când puneți o oală cu apă pe un element activ și când puneți un fier de călcat în foc.
Acest transfer are loc la nivel molecular – de la un corp la altul – atunci când energia termică este absorbită de o suprafață și face ca moleculele acelei suprafețe să se miște mai repede. În acest proces, ele se ciocnesc de vecinii lor și le transferă energia, proces care continuă atâta timp cât încă se adaugă căldură.
Procesul de conducție a căldurii depinde de patru factori de bază: gradientul de temperatură, secțiunea transversală a materialelor implicate, lungimea traseului lor și proprietățile acestor materiale.
Un gradient de temperatură este o mărime fizică care descrie în ce direcție și cu ce viteză se schimbă temperatura într-o anumită locație. Temperatura curge întotdeauna de la sursa cea mai caldă la cea mai rece, datorită faptului că frigul nu este altceva decât absența energiei termice. Acest transfer între corpuri continuă până când diferența de temperatură se diminuează și apare o stare cunoscută sub numele de echilibru termic.
Secțiunea transversală și lungimea drumului sunt, de asemenea, factori importanți. Cu cât dimensiunea materialului implicat în transfer este mai mare, cu atât este nevoie de mai multă căldură pentru a-l încălzi. De asemenea, cu cât este mai mare suprafața care este expusă la aer liber, cu atât este mai mare probabilitatea de pierdere de căldură. Așadar, obiectele mai scurte și cu o secțiune transversală mai mică sunt cele mai bune mijloace de a minimiza pierderea de energie termică.
În sfârșit, dar cu siguranță nu în ultimul rând, sunt proprietățile fizice ale materialelor implicate. Practic, când vine vorba de conducerea căldurii, nu toate substanțele sunt create la fel. Metalele și piatra sunt considerate buni conductori, deoarece pot transfera rapid căldura, în timp ce materiale precum lemnul, hârtia, aerul și țesăturile sunt slabi conductori de căldură.
Aceste proprietăți conductoare sunt evaluate pe baza unui „coeficient” care este măsurat în raport cu argintul. În acest sens, argintul are un coeficient de conducție termică de 100, în timp ce alte materiale sunt clasate mai jos. Printre acestea se numără cuprul (92), fierul (11), apa (0,12) și lemnul (0,03). La capătul opus al spectrului se află vidul perfect, care este incapabil să conducă căldura și, prin urmare, este clasificat la zero.
Materialele care conduc prost căldura se numesc izolatori. Aerul, care are un coeficient de conducție de 0,006, este un izolator excepțional, deoarece este capabil să fie conținut într-un spațiu închis. Acesta este motivul pentru care izolatorii artificiali se folosesc de compartimente de aer, cum ar fi geamurile cu geam dublu care sunt folosite pentru reducerea facturilor la încălzire. Practic, ele acționează ca amortizoare împotriva pierderilor de căldură.
Pana, blana și fibrele naturale sunt toate exemple de izolatori naturali. Acestea sunt materiale care permit păsărilor, mamiferelor și ființelor umane să rămână calde. Vidrele de mare, de exemplu, trăiesc în apele oceanice care sunt adesea foarte reci, iar blana lor luxuriantă și groasă le ține de cald. Alte mamifere marine, cum ar fi leii de mare, balenele și pinguinii, se bazează pe straturi groase de grăsime (aka. blubber) – un conductor foarte slab – pentru a preveni pierderea de căldură prin piele.
Aceeași logică este aplicată la izolarea locuințelor, clădirilor și chiar a navelor spațiale. În aceste cazuri, metodele implică fie pungile de aer prinse între pereți, fie fibra de sticlă (care reține aerul în ea), fie spuma de înaltă densitate. Navele spațiale reprezintă un caz special și folosesc izolația sub formă de spumă, material compozit din carbon armat și plăci din fibră de siliciu. Toate acestea sunt conductoare slabe de căldură și, prin urmare, împiedică pierderea căldurii în spațiu și, de asemenea, împiedică temperaturile extreme cauzate de reintrarea în atmosferă să pătrundă în cabina echipajului.
Vezi această demonstrație video a plăcilor termice de pe naveta spațială:
Legile care guvernează conducerea căldurii sunt foarte asemănătoare cu legea lui Ohm, care guvernează conducerea electrică. În acest caz, un bun conductor este un material care permite curentului electric (adică electronilor) să treacă prin el fără prea multe probleme. Un izolator electric, în schimb, este orice material ale cărui sarcini electrice interne nu circulă liber și, prin urmare, face foarte dificilă conducerea unui curent electric sub influența unui câmp electric.
În majoritatea cazurilor, materialele care sunt proaste conducătoare de căldură sunt și proaste conducătoare de electricitate. De exemplu, cuprul este bun la conducerea atât a căldurii, cât și a electricității, de aceea firele de cupru sunt utilizate pe scară atât de largă în fabricarea produselor electronice. Aurul și argintul sunt și mai bune, iar acolo unde prețul nu este o problemă, aceste materiale sunt folosite și în construcția circuitelor electrice.
Și atunci când cineva caută să „pună la pământ” o sarcină (adică să o neutralizeze), o trimite printr-o conexiune fizică la Pământ, unde sarcina se pierde. Acest lucru este obișnuit în cazul circuitelor electrice în care metalul expus este un factor, asigurându-se că persoanele care intră accidental în contact nu sunt electrocutate.
Materialele izolatoare, cum ar fi cauciucul de pe tălpile pantofilor, sunt purtate pentru a se asigura că persoanele care lucrează cu materiale sensibile sau în jurul surselor electrice sunt protejate de sarcinile electrice. Alte materiale izolatoare, cum ar fi sticla, polimerii sau porțelanul, sunt utilizate în mod obișnuit pe liniile electrice și pe emițătoarele de înaltă tensiune pentru a menține fluxul de energie către circuite (și nimic altceva!)
În concluzie, conducția se reduce la transferul de căldură sau la transferul unei sarcini electrice. Ambele se întâmplă ca urmare a capacității unei substanțe de a permite moleculelor să transfere energie prin ele.
Am scris multe articole despre conducție pentru Universul Azi. Consultați acest articol despre prima lege a termodinamicii sau acesta despre electricitatea statică.
Dacă doriți mai multe informații despre conducție, consultați articolul BBC despre transferul de căldură, iar aici aveți un link către The Physics Hypertextbook.
Am înregistrat, de asemenea, un întreg episod din Astronomy Cast despre magnetism – Episodul 42: Magnetismul pretutindeni.