Prevodnost je sposobnost telesa ali materiala, da prenaša toploto. Pri tem se premika skozi trden predmet ali od enega predmeta do drugega, ker sta oba v stiku med seboj. To je edini način, da toplota prehaja skozi celotno telo. Postavlja se vprašanje: "Kako zrak in drugi materiali prevajajo toploto?" Izvedite v članku!
Toplotna prevodnost
Zmožnost prenosa toplote znotraj predmeta se imenuje toplotna prevodnost. Ta lastnost je označena s črko k in se meri v W / (m × K). Vrednosti toplotne prevodnosti se za različne materiale razlikujejo. Torej imajo zlato, srebro in baker visoko toplotno prevodnost. Mimogrede, ti materiali so tudi dobri prevodniki električne energije. Kako zrak prevaja toploto? Odgovor je kratek: to je slab prevodnik. Visoka prevodnost zlata, srebra in bakra je posledica dejstva, da pri prenosu toplotne energije sodelujejo tudi elektroni, ki so odgovorni za prenos naboja.
Toda materiali, kot sta steklo in mineralna volna, imajo nizko toplotno prevodnost. To je razloženo z dejstvom, da imajo zelo malo "prostih" elektronov za prenos toplotne energije znotraj trdne snovi. Materiali te vrste se imenujejo izolatorji. Hitrost prenosa toplote (to je hitrost gibanja toplotne energije) je neposredno odvisna od toplotne prevodnosti, temperaturne razlike ter kontaktne površine in materiala, ki ga ima telo. Iz istega razloga ni mogoče reči, da zrak dobro prevaja toploto.
Če je material dober prevodnik toplote, se hitro premika po telesu. Kovine se pogosto uporabljajo za namene prenosa toplote, saj imajo lastnosti, ki omogočajo kroženje toplote, hkrati pa prenesejo ekstremne temperature, povezane s segrevanjem.
Za prenos toplotne energije in električnega naboja so odgovorni elektroni. Zato so kovine dobri prevodniki toplote in elektrike! Tu se skriva odgovor na vprašanje: "Zakaj je zrak slab prevodnik toplote?"
Vendar ne zamenjujte električne prevodnosti (ki je povezana z nabojem elektronov), ko mislite na toplotno prevodnost (ki je povezana s prenosom energije elektronov).
Dokazujemo z izkušnjami
Poskusite držati en konec kovinske palice nad plamenom - po nekaj minutah se bo segrela.
Zdaj držite konec lesene palice v plamenu in konec bo postal tako vroč, da se bo sčasoma vnel. Vendar pa konec palice za katerodrži se, ostani relativno hladen.
Toplota se zaradi svoje sestave ne širi po celotnem volumnu telesa: zaradi svoje strukture elektroni težko prenašajo toploto skozi material.
Tako vsakdanje izkušnje kažejo, da les ni dober prevodnik toplote. Če ste že kdaj videli del lesa pod mikroskopom, ste verjetno opazili strukturo lesa: sestavljena je iz posameznih celic, ki delujejo kot izolatorji, ker niso med seboj povezane. Celice so raztresene kot kamni v potoku. Toplota potuje veliko počasneje skozi tak material kot v kovinah, kjer so atomi povezani v tridimenzionalno "mrežo".
Zrak je slab prevodnik toplote. Izkušnje vsakdanjega življenja kažejo: spomnite se strukture oken. Vedno so sestavljeni iz vsaj dveh kozarcev, med katerima je zračna »blazina«. Ta plast pomaga ohranjati toploto v prostoru, ne da bi jo izpuščala.
Torej, če se toplotna energija nanese neposredno na en del trdnega predmeta, se elektroni v objektu vzbudijo. Posledica tega so vibracije atomske mreže, ki potujejo skozi predmet in med prehodom dvigujejo temperaturo. Tesneje kot so povezave znotraj trdne snovi, hitrejši je prenos toplote.
Tekočine so slabi prevodniki toplote
Če na dno epruvete z vodo pritrdite ledeno kocko (za to morate uporabiti utež, sicer bo lebdela na površini, zatokot ima led manjšo gostoto kot voda) in nato segrejte vodo na vrhu cevi, boste ugotovili, da bo voda zavrela na vrhu cevi in ledena kocka bo ostala zamrznjena.
To je posledica dejstva, da je voda slab prevodnik toplote. Večina toplote se bo premikala v konvekcijskem toku znotraj vode na vrhu cevi, le majhen del bo potonil v ledeno kocko.
Kako zrak prevaja toploto?
Zrak je skupek plinov. Čeprav je odličen za konvekcijo, je količina toplote, ki jo lahko prenese, minimalna, ker majhna masa snovi ne more shraniti veliko toplote – zato ne velja za dober prevodnik. Izolacijske lastnosti zraka človeštvo uporablja v vsakdanjem življenju. Torej se uporabljajo za izolacijo hladilnikov v stenah stavbe. Tudi delo termosa temelji na dejstvu, da zrak slabo prevaja toploto. Primerov je res veliko!
Kaj je torej vzrok za ta pojav? Ker zrak ni gost, je na voljo določena količina mase za prenos toplotne energije s prevodnostjo. Zato je slab prevodnik, a odličen izolator. Kljub temu je odgovor na vprašanje: "Ali zrak prevaja toploto?" - ni tako nedvoumno. Torej, upoštevajte naslednje pojave.
Sevanje je prenos energije skozi valove ali vzbujene delce. Zrak ustvarja toplotno režo, ki toplotni energiji ne omogoča, da bi jo premagala. Toplota mora oddajati s površine nazračnih delcev, potem ga je treba sevati iz zraka na nasprotno površino. Toplota se zelo počasi premika med tremi materiali in večina prenesene toplotne energije se absorbira v zrak.
Konvekcija je gibanje toplote skozi tekočino ali plin zaradi zmanjšanja gostote zaradi absorpcije toplote. V tem primeru postanejo lastnosti zraka izjemno uporabne. Prav tako se premika navzgor s prenosom toplote iz izolirane posode ali prostora. Zato se konvekcija uporablja za odvajanje toplote in se lahko uporablja za hlajenje površine. Porazdelitev toplote s konvekcijo v zraku je nekoliko neučinkovita, vendar se uporablja za številne namene hlajenja. Da, zrak je slab prevodnik toplote.
Primeri izolacije
Izolacija se uporablja za številne namene. Nekatere od teh vključujejo hlajenje pijač in hrane, ustvarjanje zračnih rež v stenah in vnašanje zračnih žepov v kuhinjske pripomočke. Značilnosti, kako zrak prevaja toploto, veljajo celo za izolacijsko peno.
Sklep
Prevodnost je prehod toplote skozi trdno telo. Od pojava konvekcije se razlikuje po tem, da pri tem ne pride do gibanja snovi. Zdaj vemo, ali zrak dobro prevaja toploto in zakaj.
