Konduktivnost je sposobnost tijela ili materijala da prenose toplinu. Pri tome se kreće kroz čvrsti predmet ili od jednog objekta do drugog, jer su oba u kontaktu jedan s drugim. To je jedini način da toplota prođe kroz cijelo tijelo. Postavlja se pitanje: "Kako zrak i drugi materijali provode toplinu?" Saznajte u članku!
Toplotna provodljivost
Sposobnost prenošenja toplote unutar objekta naziva se toplotna provodljivost. Ovo svojstvo je označeno slovom k, a mjeri se u W / (m × K). Vrijednosti toplinske provodljivosti variraju za različite materijale. Dakle, zlato, srebro i bakar imaju visoku toplotnu provodljivost. Inače, ovi materijali su i dobri provodnici električne energije. Kako zrak provodi toplinu? Odgovor je kratak: to je loš provodnik. Visoka provodljivost zlata, srebra i bakra je zbog činjenice da elektroni koji su odgovorni za prenos naelektrisanja takođe učestvuju u prenosu toplotne energije.
Ali materijali kao što su staklo i mineralna vuna imaju nisku toplotnu provodljivost. To se objašnjava činjenicom da imaju vrlo malo "slobodnih" elektrona za prijenos toplinske energije unutar čvrste tvari. Materijali ove vrste nazivaju se izolatori. Brzina prijenosa topline (odnosno brzina kretanja toplinske energije) direktno ovisi o toplinskoj provodljivosti, temperaturnoj razlici i kontaktnoj površini i materijalu koji tijelo posjeduje. Iz istog razloga, ne može se reći da zrak dobro provodi toplinu.
Ako je materijal dobar provodnik toplote, onda se brzo kreće kroz telo. Metali se naširoko koriste u svrhu prijenosa topline jer imaju svojstva koja omogućavaju cirkulaciju topline dok istovremeno podnose ekstremne temperature povezane sa grijanjem.
Za prenos toplotne energije, kao i električnog naboja, odgovorni su elektroni. Stoga su metali dobri provodnici toplote i struje! Tu leži odgovor na pitanje: „Zašto je vazduh loš provodnik toplote?“
Međutim, nemojte brkati električnu provodljivost (koja je povezana sa nabojem elektrona) kada mislite na toplotnu provodljivost (koja je povezana sa prenosom energije elektrona).
Dokazujemo iskustvom
Probajte držati jedan kraj metalne šipke iznad plamena - nakon nekoliko minuta će se zagrijati.
Sada držite kraj drvenog štapa u plamenu i kraj će postati toliko vruć da će se na kraju zapaliti. Međutim, kraj štapa za kojiizdrži, ostani relativno cool.
Toplota se ne širi po volumenu tijela zbog njegovog sastava: njegova struktura otežava elektronima da prenesu toplinu kroz materijal.
Dakle, svakodnevno iskustvo pokazuje da drvo nije dobar provodnik toplote. Ako ste ikada vidjeli dio drveta pod mikroskopom, vjerovatno ste primijetili strukturu drveta: sastoji se od pojedinačnih ćelija koje djeluju kao izolatori jer nisu međusobno povezane. Ćelije su razbacane kao kamenje u potoku. Toplota putuje mnogo sporije kroz takav materijal nego u metalima, gdje su atomi povezani zajedno u trodimenzionalnu "rešetku".
Vazduh je loš provodnik toplote. Iskustvo svakodnevnog života pokazuje: zapamtite strukturu prozora. Uvek se sastoje od najmanje dve čaše, između kojih se nalazi vazdušni „jastučić“. Ovaj sloj pomaže u održavanju topline u prostoriji, a da je ne ispušta.
Dakle, ako se toplotna energija primeni direktno na jedan deo čvrstog objekta, elektroni u objektu postaju pobuđeni. Ovo rezultira vibracijama atomske rešetke koje putuju kroz objekat, podižući temperaturu dok prolaze. Što su veze unutar čvrstog tijela bliže, prijenos topline je brži.
Tečnosti su loši provodnici toplote
Ako na dno epruvete s vodom pričvrstite kocku leda (za to morate koristiti uteg, inače će plutati po površini, tako dakao da led ima manju gustinu od vode) i zatim zagrejte vodu na vrhu cevi, videćete da će voda ključati na vrhu cevi i kocka leda će ostati zamrznuta.
To je zbog činjenice da je voda loš provodnik toplote. Većina toplote će se kretati konvekcijskom strujom unutar vode na vrhu cijevi, samo mali dio će potonuti u kocku leda.
Kako zrak provodi toplinu?
Vazduh je skup gasova. Iako je odličan za konvekciju, količina topline koju može prenijeti je minimalna jer mala masa materije ne može pohraniti mnogo topline - zbog čega se ne smatra dobrim provodnikom. Čovječanstvo koristi izolacijska svojstva zraka u svakodnevnom životu. Dakle, koriste se za izolaciju hladnjaka u zidovima zgrade. Čak se i rad termosa zasniva na činjenici da zrak ne provodi dobro toplinu. Zaista ima mnogo primjera!
Pa šta uzrokuje ovaj fenomen? Budući da zrak nije gust, postoji određena količina mase na raspolaganju za prijenos toplinske energije kroz provodljivost. Stoga je loš provodnik, ali odličan izolator. Ipak, odgovor na pitanje: "Provodi li zrak toplinu?" - nije tako jednoznačno. Dakle, razmotrite sljedeće fenomene.
Zračenje je prijenos energije kroz valove ili pobuđene čestice. Vazduh stvara termalni jaz koji ne dozvoljava toplotnoj energiji da ga savlada. Toplota se mora emitovati sa površine načestice zraka, onda ga treba zračiti iz zraka na suprotnu površinu. Toplota se kreće veoma sporo između tri materijala, a većina prenesene toplotne energije se apsorbuje u vazduhu.
Konvekcija je kretanje toplote kroz tečnost ili gas usled smanjenja gustine usled apsorpcije toplote. U tom slučaju svojstva zraka postaju izuzetno korisna. Takođe se kreće prema gore prenoseći toplotu iz izolovanog kontejnera ili prostora. Stoga se konvekcija koristi za uklanjanje topline i može se koristiti za hlađenje površine. Distribucija toplote putem konvekcije u vazduhu je donekle neefikasna, ali se koristi za mnoge svrhe hlađenja. Da, vazduh je loš provodnik toplote.
Primjeri izolacije
Izolacija se koristi u mnoge svrhe. Neki od njih uključuju rashlađivanje pića i hrane, stvaranje zračnih praznina u zidovima i uvođenje zračnih džepova u kuhinjski pribor. Karakteristike načina na koji zrak provodi toplinu odnose se čak i na izolacijsku pjenu.
Zaključak
Konduktivnost je prolazak toplote kroz čvrsto tijelo. Razlikuje se od fenomena konvekcije po tome što u tom procesu nema kretanja materije. Sada znamo da li vazduh dobro provodi toplotu i zašto.
