Vetenskapen om värmeöverföring: Vad är ledning?
Värme är en intressant form av energi. Den upprätthåller inte bara livet, gör oss bekväma och hjälper oss att tillreda vår mat, utan att förstå dess egenskaper är nyckeln till många vetenskapliga forskningsområden. Att veta hur värme överförs och i vilken grad olika material kan utbyta värmeenergi styr till exempel allt från att bygga värmare och förstå årstidsväxlingar till att skicka skepp ut i rymden.
Värme kan bara överföras på tre sätt: konduktion, konvektion och strålning. Av dessa är konduktion kanske det vanligaste och förekommer regelbundet i naturen. Kort sagt är det överföring av värme genom fysisk kontakt. Det sker när du trycker din hand på en fönsterruta, när du ställer en kastrull med vatten på ett aktivt element och när du placerar ett strykjärn i elden.
Denna överföring sker på molekylär nivå – från en kropp till en annan – när värmeenergi absorberas av en yta och får molekylerna på denna yta att röra sig snabbare. I processen stöter de på sina grannar och överför energin till dem, en process som fortsätter så länge som värme fortfarande tillförs.
Värmeledningsprocessen beror på fyra grundläggande faktorer: temperaturgradienten, tvärsnittet av de inblandade materialen, deras banlängd och materialens egenskaper.
En temperaturgradient är en fysikalisk storhet som beskriver i vilken riktning och med vilken hastighet temperaturen förändras på en viss plats. Temperaturen flyter alltid från den varmaste till den kallaste källan, på grund av att kyla inte är något annat än frånvaron av värmeenergi. Denna överföring mellan kroppar fortsätter tills temperaturskillnaden avtar och ett tillstånd som kallas termisk jämvikt uppstår.
Tvärsnitt och banlängd är också viktiga faktorer. Ju större storlek på det material som är inblandat i överföringen, desto mer värme behövs för att värma upp det. Dessutom ökar sannolikheten för värmeförlust ju större yta som utsätts för öppen luft. Kortare föremål med ett mindre tvärsnitt är alltså det bästa sättet att minimera förlusten av värmeenergi.
Sist, men absolut inte minst, är de fysiska egenskaperna hos de inblandade materialen. I grund och botten, när det gäller att leda värme, är inte alla ämnen skapade lika. Metaller och sten anses vara goda ledare eftersom de snabbt kan överföra värme, medan material som trä, papper, luft och tyg är dåliga värmeledare.
Dessa ledningsegenskaper värderas utifrån en ”koefficient” som mäts i förhållande till silver. I detta avseende har silver en värmeledningskoefficient på 100, medan andra material rankas lägre. Dessa inkluderar koppar (92), järn (11), vatten (0,12) och trä (0,03). I motsatt ände av spektrumet finns ett perfekt vakuum, som inte kan leda värme och därför rangordnas till noll.
Material som är dåliga värmeledare kallas isolatorer. Luft, som har en ledningskoefficient på 0,006, är en exceptionell isolator eftersom den kan inneslutas i ett slutet utrymme. Detta är anledningen till att konstgjorda isolatorer använder sig av luftutrymmen, t.ex. dubbla glasfönster som används för att sänka värmeräkningarna. I grund och botten fungerar de som buffertar mot värmeförluster.
Fjäder, päls och naturfibrer är alla exempel på naturliga isolatorer. Det är material som gör att fåglar, däggdjur och människor kan hålla sig varma. Havsuttrar lever till exempel i havsvatten som ofta är mycket kalla och deras lyxigt tjocka päls håller dem varma. Andra havsdäggdjur som sjölejon, valar och pingviner förlitar sig på tjocka lager av fett (även kallat späck) – en mycket dålig ledare – för att förhindra värmeförlust genom huden.
Den här logiken används för att isolera hem, byggnader och till och med rymdfarkoster. I dessa fall innebär metoderna antingen instängda luftfickor mellan väggar, glasfiber (som stänger in luft i sig) eller skum med hög densitet. Rymdfarkoster är ett specialfall och använder isolering i form av skum, förstärkt kolkompositmaterial och kiselfiberplattor. Alla dessa är dåliga värmeledare och förhindrar därför att värme går förlorad i rymden och förhindrar också att de extrema temperaturer som orsakas av återinträde i atmosfären kommer in i besättningshytten.
Se den här videodemonstrationen av värmeplattorna på rymdfärjan:
Lagarna som reglerar värmeledning liknar i hög grad Ohm’s lag, som reglerar elektrisk ledning. I det här fallet är en god ledare ett material som tillåter elektrisk ström (dvs. elektroner) att passera genom det utan större problem. En elektrisk isolator är däremot ett material vars inre elektriska laddningar inte flyter fritt och därför gör det mycket svårt att leda en elektrisk ström under påverkan av ett elektriskt fält.
I de flesta fall är material som är dåliga värmeledare också dåliga ledare för elektricitet. Koppar är till exempel bra på att leda både värme och elektricitet, vilket är anledningen till att koppartrådar används i så stor utsträckning vid tillverkning av elektronik. Guld och silver är ännu bättre, och när priset inte är ett problem används dessa material också i konstruktionen av elektriska kretsar.
Och när man vill ”jorda” en laddning (dvs. neutralisera den) skickar man den genom en fysisk förbindelse till jorden, där laddningen går förlorad. Detta är vanligt med elektriska kretsar där exponerad metall är en faktor, vilket säkerställer att människor som råkar komma i kontakt inte blir elektrifierade.
Isolerande material, till exempel gummi på skosulorna, bärs för att se till att människor som arbetar med känsliga material eller i närheten av elektriska källor är skyddade från elektriska laddningar. Andra isolerande material som glas, polymerer eller porslin används vanligen på kraftledningar och högspänningssändare för att hålla strömmen i kretsarna (och inget annat!)
Samt sett handlar konduktion om överföring av värme eller överföring av en elektrisk laddning. Båda sker som ett resultat av ett ämnes förmåga att låta molekyler överföra energi över dem.
Vi har skrivit många artiklar om ledning för Universe Today. Kolla in den här artikeln om termodynamikens första lag eller den här om statisk elektricitet.
Om du vill ha mer information om ledning kan du kolla in BBC:s artikel om värmeöverföring och här är en länk till The Physics Hypertextbook.
Vi har också spelat in ett helt avsnitt av Astronomy Cast om magnetism – avsnitt 42: Magnetism överallt.