Tepelná vodivost: třídy, příklady, tabulka, druhy, vlastnosti, vzorec, jednotky měření, mechanismy, praktická aplikace, úlohy s odpověďmi ve fyzice pro 8. ročník

Proč si v zimě nemůžeme olíznout houpačku a zahřejí nás plstěné boty a péřové bundy? Spolu s odborníkem pochopíme mechanismy přenosu tepla, porovnáme tepelnou vodivost různých materiálů a zjistíme, jaké další způsoby přenosu tepla jsou k dispozici

Pamatujete si, jak je skvělé se za sychravého podzimního večera zabalit do nadýchané hřejivé deky a pít kakao z velkého puntíkovaného hrnku? Okolní chlad jako by okamžitě ustoupil a v duši se usadila pohoda a klid. Málokdo si v takových chvílích myslí, že přikrývka ve skutečnosti nehřeje: jen brání teplu našeho těla, aby se rozptýlilo ve vzduchu. Ale horké kakao se s námi naopak pilně dělí o své teplo.

Společně s odborníkem přijdeme na to, jak tyto jevy souvisí s pojmem tepelná vodivost, zapamatujeme si vzorec z kurzu fyziky a dozvíme se, jak různé materiály vedou teplo.

Stanovení tepelné vodivosti

Tepelná vodivost, jak název napovídá, je schopnost materiálu vést teplo. Je to také jev přenosu energie v důsledku srážky částic hmoty buď uvnitř fyzického těla nebo z jednoho těla do druhého při jejich přímém kontaktu.

Užitečné informace o tepelné vodivosti

Jednotky tepelné vodivosti

Číselným vyjádřením schopnosti materiálu vést teplo je koeficient tepelné vodivosti. Označuje se písmenem λ (lambda) a měří se ve W/(m*K).

Pomocí tohoto koeficientu můžete pochopit, kolik tepla se přenese materiálem s plochou průřezu 1 m² a tloušťkou 1 metr za 1 sekundu s teplotním rozdílem 1 stupeň.

Například součinitel tepelné vodivosti vody je 0,6 W/(m*K). To znamená, že za 1 sekundu projde 1 W tepla objemem vody o ploše 1 m² a výšce 1 m při rozdílu teplot 0,6 stupeň.

Vzorec pro výpočet tepelné vodivosti

Součinitel tepelné vodivosti se vypočítá podle následujícího vzorce:

Q – množství tepla procházejícího materiálem v joulech (J)

d – tloušťka materiálu v metrech (m)

S – plocha průřezu v metrech čtverečních (m²)

t – trvání procesu v sekundách (s)

ΔT – teplotní rozdíl ve stupních (K)

Mechanismy vedení tepla

Abyste pochopili mechanismus tepelné vodivosti, musíte nejprve pochopit, jak se studený materiál liší od vyhřívaného. A velmi zjednodušeně řečeno, molekuly se v zahřáté látce pohybují rychleji než ve studené. Zvláště patrné je to samozřejmě u pevných materiálů, protože za studena stojí jejich molekuly tiše na svých místech v krystalové mřížce.

Při zahřátí získávají částice látky kinetickou energii a začnou vibrovat nebo se v případě kapalin a plynů rychle pohybovat. Proces přenosu energie z jedné molekuly látky na druhou při jejich srážce se nazývá tepelná vodivost. Ve skutečnosti se proto žádný předmět nezahřívá úplně celý najednou, ale postupně: některým částicím trvá, než předají teplo jiným. Rychlost, s jakou k tomu dojde, je určena koeficientem tepelné vodivosti konkrétního materiálu.

to je zajímavé
Definice moci jednoduchými a vědeckými slovy

Jiné způsoby přenosu tepla

Spolu s tepelnou vodivostí existují ještě dva způsoby přenosu tepla: konvekce a sálání. Podívejme se blíže na každou z nich, ale nezapomínejme, že v životě se nejčastěji vyskytují všechny tři možnosti přenosu tepla současně.

Každý, kdo viděl šálek horkého čaje, se setkal s fenoménem smíšeného přenosu tepla:

• stěny hrnku se při přímém kontaktu od čaje zahřívají – to je tepelná vodivost;
• horká pára stoupá vzhůru – konvekce;
• pocit tepla i na dálku od hrnku je záření.

Proudění

Konvekce je přenos tepla v prostoru spolu s ohřívanou látkou: horký vzduch z baterie stoupá ke stropu, studené částice vody padají dolů ve formě mlhy. Vzhledem k tomu, že při konvekci dochází ke smíchání hmoty, je tento jev možný pouze v kapalinách a plynech.

Záření

Dalším způsobem přenosu tepla je radiace, tedy přenos tepla bez pohybu molekul. Jaký předmět v přírodě je podle vás nejvýraznějším příkladem tohoto procesu? Samozřejmě, Slunce! Sluneční teplo je přenášeno vakuem vesmíru bez jakýchkoli molekul a ohřívá povrch Země a vše na ní.

to je zajímavé
Zakon Kulona
Co to je a jak se v praxi uplatňuje jeden ze základních fyzikálních zákonů?

Druhy a vlastnosti tepelné vodivosti

Tepelnou vodivost podmíněně rozdělme na vnitřní, tedy proces přenosu tepla uvnitř jednoho fyzického tělesa, a vnější, tedy přenos tepla z jednoho předmětu na druhý přímým fyzickým kontaktem. V tomto případě se rychlost přenosu tepla zvyšuje úměrně s rozdílem teplot: čím větší je rozdíl, tím rychleji dochází k přenosu tepla.

Musíte také pamatovat na to, že výměna tepla vždy jde z oblasti s vysokou teplotou do oblasti s nízkou, a ne naopak. Akumulátor chladu v termotašce proto nevydává svůj chlad vašemu nanuku, ale pouze odebírá teplo z okolního prostoru. A to tak dlouho, dokud se jeho teplota nevyrovná teplotě vzduchu uvnitř sáčku. A zmrzlina, vytažená z mrazáku v horkém dni, se okamžitě začne zahřívat kontaktem s horkým vzduchem a rychle taje. V obou případech se jedná o vnější tepelnou vodivost.

Vliv vnější tepelné vodivosti poznali i ti, kteří v dětství v mrazech zkoušeli jako pokus olíznout kovovou houpačku, trubku, hrazdu nebo jakýkoli jiný velký kus kovu. Teplo z vlhkého jazyka téměř okamžitě pohltí studená žehlička, která se pro svou obrovskou tepelnou kapacitu vůbec nezahřívá. Jazyk se však prudce ochladí, horní vrstvy kůže zmrznou a pokrývají se vrstvou ledu a led se stává vynikajícím „lepidlem“, které těsně spojuje krátkozrakého experimentátora a objekt jeho výzkumu.

Jazyk z houpačky odlepíte zahřátím kovu na teplotu nad nulou. Led roztaje a jazyk bude zachráněn spolu se svým majitelem. Můžete například použít teplou nebo dokonce pokojovou vodu nebo aktivně dýchat do oblasti, kde se jazyk dotýká kovu. Ale samozřejmě nemůžete použít oheň nebo vroucí vodu, abyste se nespálili!

Vnitřní tepelná vodivost je důležitá i v zimě: čím nižší je součinitel tepelné vodivosti materiálu, tím lépe udrží teplo uvnitř domu, auta nebo dokonce oblečení. Například tepelná vodivost plsti, ze které jsou plstěné boty vyrobeny, je asi 0.04 W/m*K, proto v nich nezmrznete ani v největších mrazech. Naše nohy o teplotě 36,6 stupňů ohřívají vzduch uvnitř plstěných bot, ale teplo z molekul vnitřní vrstvy plsti se na vnější povrch dostává velmi pomalu a ve studeném vzduchu se hned nerozptýlí. Ukazuje se, že nás nehřejí plstěné boty, ale naše vlastní tělo a hlavním úkolem je nenechat jeho úsilí přijít vniveč.

Stejným způsobem fungují péřové bundy: tepelná vodivost péřové směsi nebo umělého materiálu Thinsulate je přibližně 0,03 W/m*K, což znamená, že tělesné teplo zůstane uvnitř bundy poměrně dlouhou dobu, aniž by uniklo dovnitř. okolní prostor.

Tabulka tepelné vodivosti různých materiálů

Sestavme si tabulku součinitelů tepelné vodivosti různých materiálů.

Problémy na téma „Tepelná vodivost“

Pojďme vyřešit několik problémů na toto téma, abychom upevnili materiál.

1 výzva

Představme si, že na stole jsou tři svíčky a nad nimi jsou vodorovně upevněné desky stejné tloušťky a šířky, ale vyrobené z různých kovů:

1. hliník
2. z mědi
3. nerezové oceli.

Konce destiček jsou umístěny přesně nad knoty svíček a ve vzdálenosti 10 cm od okraje ke spodní straně každé destičky je voskem přilepen ořech.

Podívejte se do tabulky tepelné vodivosti materiálů a zkuste odpovědět, která matice padne jako první a která jako poslední, pokud budou svíčky zapáleny současně?

2 výzva

Odpovězte na otázky týkající se tepelné vodivosti materiálů:

1. Proč okna s dvojitým zasklením poskytují lepší ochranu před chladem než okna s jednoduchým zasklením?
2. Proč při vaření v troubě používáte rukavice plněné vatou nebo plstí, než obyčejné gumové?
3. Kterou místnost je snazší vytápět ohřívačem v chladném období: kovový přívěs nebo dřevěný dům? Předpokládejme, že plocha a výška stropů šatny a domu jsou stejné.
4. Když zabalíte nanuk do teplého norkového kožichu, poroste rychleji?
5. Který druh kávy rychleji vychladne, pokud je její počáteční teplota stejná: espresso s mlékem nebo cappuccino?

3 výzva

Nejlepší student třídy Vasja Einshteinov se vsadil se svým kamarádem Petyou Kulachkovem, že kápne vodu na rozpálenou pánev, ale ta se do 15 sekund neodpaří. Poražený bude muset koupit housky pro vítěze ve školní jídelně na celý měsíc. Péťa okamžitě souhlasil se sázkou, protože si byl jistý, že takový trik se nikomu nepovede!

Kdo si myslíte, že vyhraje tento spor? Zkuste svou odpověď vysvětlit.

Odpovědi na problémy

Pojďme zkontrolovat odpovědi pro vlastní kontrolu.

1 výzva

Jak je vidět z tabulky, nejvyšší součinitel tepelné vodivosti má měď – 395 W/(m*K), hliník – 207 W/(m*K) a nerez – nejnižší, pouze 15 W/(m* K). Z toho usuzujeme, že při stejné ploše průřezu desek se teplo přenese přes měď ve směru od zapalovací svíčky k matici téměř dvakrát rychleji než přes hliník a 26krát rychleji než přes nerezovou ocel. . To znamená, že se vosk nejprve roztaví na druhé desce, po ní na první a naposledy na třetí.

2 výzva

Odpovězte na otázky týkající se tepelné vodivosti materiálů:

1. Mezi dvěma vrstvami skla v dvojskle je vzduch, který má nízkou tepelnou vodivost. Pomáhá lépe udržet teplo v interiéru.
2. Plsť díky své nízké tepelné vodivosti nejen chrání naše nohy před chladem, když nosíme plstěné boty, ale také zabraňuje tomu, abychom se spálili o rozpálený plech. A latex, ze kterého se často vyrábějí rukavice pro domácnost, nejen dobře vede teplo, ale má také bod tání 130–150 stupňů a jídlo v troubě se vaří při 180–200 stupních: takové rukavice se jednoduše roztaví.
3. Kov dobře vede teplo, což znamená, že když se vzduch uvnitř kabiny zahřeje, teplo se rychle přenese ven. Ale dřevo udrží teplo uvnitř domu.
4. Právě naopak: kožich bude hrát roli termosky a nedovolí zmrzlině ohřát se od okolního vzduchu, díky čemuž bude tát mnohem pomaleji.
5. Jak víme, vzduch vede teplo hůř než tekutina, což znamená, že mléčná pěna na cappuccinu bude fungovat jako tepelný izolant a tento nápoj bude chladit pomaleji než espresso s mlékem.

3 výzva

Vasja by samozřejmě takový spor nenavrhl, kdyby si nebyl stoprocentně jistý svým vítězstvím. Ale jaké je jeho tajemství?

Pointou je Leidenfrostův jev, jev pojmenovaný po německém fyzikovi, který jej popsal v polovině 170. století. Tento efekt spočívá v tom, že při povrchové teplotě nad 180-0,035 stupňů Celsia se spodní vrstva kapky vody dopadající na ni téměř okamžitě promění v páru. Tato pára směřuje vzhůru a vytlačuje kapku ze dna pánve. Je také přirozeným tepelným izolantem (součinitel tepelné vodivosti páry je 20 W/(m*K), což je XNUMXkrát nižší než u vody), takže zahřátí zbývající části kapky trvá hodně času. .

Oblíbené otázky a odpovědi

Odpovídá Yulia Sergeevna Krutova, učitelka fyziky, Městský vzdělávací ústav Střední škola č. 16, městská část Orekhovo-Zuevsky:

Proč mají tělesa různou tepelnou vodivost?

Tepelná vodivost přímo souvisí s vnitřní strukturou látky a závisí na velikosti molekul a vzdálenostech mezi nimi.

Jak se energie přenáší vedením?

Tepelná vodivost je druh přenosu tepla. Dochází k přenosu energie z více zahřátých těles nebo částí těla do méně zahřátých. Všechny látky jsou tvořeny molekulami, a pokud vezmeme v úvahu dvě tělesa, můžeme říci, že molekuly teplejšího tělesa se pohybují rychleji, srážejí se s molekulami méně zahřátého tělesa (pohybují se pomaleji) a nutí je k rychlejšímu pohybu, což zvyšuje teplotu.

Proč se v hodině fyziky v 8. ročníku studuje tepelná vodivost?

V 8. ročníku začíná studium oddílu „Tepelné jevy“, jelikož osmáci znají pojem energie, znají zákon zachování energie, mají představu o struktuře hmoty, tzn. existuje základ pro studium.

Tepelná vodivost označuje schopnost materiálu přenášet teplo. Materiály s vysokou tepelnou vodivostí dokáží teplo efektivně přenášet a rychle absorbovat z okolního prostředí. Na druhou stranu, špatné tepelné vodiče brání toku tepla a absorbují teplo pomaleji. Podle Mezinárodní soustavy jednotek (SI) se tepelná vodivost měří ve wattech na metr na kelvin (W/m K). Následující seznam ukazuje 10 materiálů s nejvyššími hodnotami tepelné vodivosti na základě průměrných měření.

Přírodní tepelně vodivé materiály

1. Diamant – 2000–2200 W/m K

Diamant je nejlepším přirozeným vodičem tepla s tepelnou vodivostí pětkrát vyšší než měď, jeden z nejčastěji používaných kovů ve výrobě. Atomová struktura diamantu, sestávající z jednoduché uhlíkové mřížky, z něj činí ideální materiál pro efektivní přenos tepla. Jeho použití v moderní přenosné elektronice pomáhá odvádět teplo a chránit citlivé součástky. Vysoká tepelná vodivost diamantu je navíc užitečná při určování pravosti drahokamů.

2. Stříbrná – 429 W/m K

Stříbro je relativně cenově dostupný a běžný tepelný vodič, který se široce používá v elektrických zařízeních. Díky své tvárnosti je stříbro jedním z nejuniverzálnějších kovů a přibližně 35 % stříbra vyrobeného ve Spojených státech se používá v elektrickém nářadí a elektronických výrobcích. Stříbrná pasta je navíc velmi žádaná díky svému použití ve fotovoltaických článcích, klíčové součásti solárních panelů.

3. Měď – 398 W/m K

Měď je jedním z nejčastěji používaných kovů v aplikacích elektrické a tepelné vodivosti. Díky vysokému bodu tání a střední rychlosti koroze minimalizuje měď ztráty energie během přenosu tepla. Používá se v řadě zařízení, jako jsou kovové pánve, vodovodní potrubí a automobilové chladiče.

4. Zlato – 315 W/m K

Zlato je vzácný a drahý kov používaný pro určité elektricky vodivé aplikace. Na rozdíl od stříbra a mědi je zlato odolné vůči zmatnění a odolává korozivním podmínkám. Často se používá v elektronice, kde je odolnost proti korozi zásadní.

5. Nitrid hliníku – 310 W/m K

Nitrid hliníku se často používá jako náhrada oxidu berylia kvůli jeho podobným tepelným a fyzikálním vlastnostem, ale bez zdravotních rizik spojených s beryliem. Je to jeden z mála materiálů, které kombinují vysokou tepelnou vodivost s elektrickou izolací, a hraje důležitou roli v elektronických zařízeních jako izolant s výjimečnou odolností vůči tepelným šokům.

6. Karbid křemíku – 270 W/m K

Karbid křemíku, polovodič složený z atomů křemíku a uhlíku, tvoří při slitinování velmi pevný materiál. Karbid křemíku se díky své tvrdosti a odolnosti proti opotřebení široce používá v brzdových systémech automobilů, turbínách a ocelových kompozitech.

7. Hliník – 247 W/m K

Hliník se často používá jako cenově výhodná náhrada mědi v tepelně vodivých aplikacích. Ačkoli není tak vodivý jako měď, je běžný, snadno se s ním manipuluje a má nižší bod tání. Je důležitou součástí LED osvětlení a stále častěji se používá ve směsích slitin mědi a hliníku.

8. Wolfram – 173 W/m K

Wolfram se svým vysokým bodem tání a nízkým tlakem par je ideální pro zařízení vystavená vysokým elektrickým proudům. Jeho chemická inertnost umožňuje jeho použití jako elektrody v elektronových mikroskopech bez změny proudu. Wolfram se také používá v žárovkách a katodových trubicích.

9. Grafit – 168 W/m K

Grafit, na suroviny bohatá, levná a lehká forma uhlíku, se často používá jako přísada do polymerních směsí ke zlepšení jejich tepelné vodivosti. Baterie jsou jedním z nejběžnějších zařízení, která využívají vysokou tepelnou vodivost grafitu.

10. Zinek – 116 W/m K

Zinek je jedním z mála kovů, které se snadno slučují s jinými kovy za vzniku slitin. Asi 20 % zinku ve Spojených státech se používá k výrobě zinkových slitin. Galvanizace, proces potahování oceli nebo železa vrstvou zinku, pomáhá chránit kov před povětrnostními vlivy a rzí.

Technické materiály pro povrchové úpravy

1.DLC diamantově podobný uhlíkový povlak

Povlaky DLC, vyrobené pomocí technologie vakuového nanášení a PVD (fyzikální nanášení z plynné fáze), mají vynikající tepelnou vodivost a izolační vlastnosti. Tyto povlaky se používají v široké škále aplikací, kde je vyžadována tepelná i elektrická izolace.

2. Povlak z oxidu hlinitého (Al2O3)

Povlaky oxidu hlinitého, vyráběné metodou CVD (chemické nanášení z plynné fáze), se obvykle používají v aplikacích vyžadujících jak izolaci, tak dobrou tepelnou vodivost. Přestože tyto povlaky poskytují lepší kontrolu tloušťky filmu a přilnavost ve srovnání s žárovým stříkáním, jejich vysoká cena omezuje široké použití. Tepelná vodivost: 23–32 W/m K.

3. Povlak z hexagonálního nitridu boru (HBN)

Povlaky HBN s tepelnou vodivostí 33 W/m K jsou nejlepšími keramickými povlaky pro aplikace při vysokých teplotách nad 500 °C. HBN je také vynikající keramický izolant s průrazným napětím 3 kV/mm. Je chemicky inertní a odolává oxidaci v kyslíku při teplotách až 900 °C a v bezkyslíkatém prostředí až do 2000 °C.

4. Povlak z oxidu berylia (BeO)

Oxid berylia má tepelnou vodivost podobnou mědi a používá se ve vysoce výkonných aplikacích pro odvod tepla. Prášková forma je však toxická a BeO začíná těkat při teplotách nad 1000 °C. V důsledku toho je postupně vyřazován ve prospěch bezpečnějších alternativ.