Роль теплопроводности в природе и технике

Введение

Но как же жизнь бывает

непроста с той дамой,

что зовётся «Теплота»!

 

 

Актуальность: изучение современных достижений науки и техники в области теплообмена на экспериментальном уровне вызывает живой интерес в исследовании данной темы.

В зимнее время года возникает необходимо утеплять как самих себя, так и своё жильё, желательно используя современные достижения науки. Изучение этих достижений и определило выбор темы исследования.

Объект исследования - процесс теплопередачи.

Предмет - закономерности теплопроводности.

Цель исследования - экспериментальное изучение теплопроводности воздуха.

Гипотеза исследования: скорость теплопередачи будет зависеть от разности температур окружающей среды и тела.

Задачи:

1. Описать природу тепла.

2. Экспериментально определить зависимость скорости теплопроводности от разности температур.

3. Описать роль теплопроводности в природе и технике.

Методы исследования: анализ, синтез, сравнение, обобщение; измерение температуры, времени с помощью термометра и часов.

Практическая значимость: исследование в данной области позволяет разобраться в современных достижениях учёта теплопроводности в строительстве, технике, одежде и рационально применять их в повседневной жизни. Результаты исследования могут быть использованы на факультативных занятиях по физике, кружках, внеклассных мероприятиях по занимательной физике при изучении темы «Теплопроводность»

Природа теплоты

Еще в 1744—1745 гг. М. В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода» высказал утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением частиц тела — его молекул.

Чтобы стало очевидным принципиальное отличие взглядов Ломоносова от господствовавших тогда теорий, остановимся крат­ко на тех представлениях о теплоте, которые прочно сложи­лись к XVIII столетию.

Теплоту представляли себе в виде невесомой и невидимой жидкости, пропитывающей поры тела, как вода пропитывает губ­ку. Действительно, мы замечаем, что тепло от огня в очаге пере­дается через стенки котла в воду, из воды — в погруженную в нее ложку; горячая ложка, опущенная в холодную воду, нагре­вает последнюю. Всякий сумеет найти множество примеров, как бы подкрепляющих представление о теплоте как о жидкости, протекающей через тончайшие поры тела. Что эта жидкость не только невидима, но и невесома, было к тому времени установлено сравнительным взвешиванием холодного и горячего тел. Эту жидкость назвали теплородом.

Опытное доказательство правильности идей Ломоносова было дано лишь в конце XVIII в. Это сделал англий­ский физик Румфорд. Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, Рум­форд обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются. То, что при трении тела нагреваются, было известно задолго до его наблюдений. Еще на заре своей истории люди пользовались трением для добывания огня. Но Румфорд был истинным исследователем и увидел за этим обычным явлением закон природы. Румфорд спросил себя: не происходит ли нагревание оттого, что получаемые от сверления металлические опилки обладают меньшей теплоемкостью, чем обрабатываемый металл? В этом случае имеющееся в целом куске металла количество теплоты при переходе его в опилки может уместиться в них, только вызвав повышение температуры.

Однако оказалось, что теплоемкость сплошного металла и опилок одинакова, и поэтому дать такое объяснение явлению нельзя. Тогда Румфорд предположил, что при сверлении теплота входит в изделие из воздуха. Он проверил это предположение, заливая рассверливаемый ствол водой. Результат, од­нако, получился прежний — вода нагрелась и даже закипела. Вот тогда-то Румфорд заявил: если можно получить теплоту в неограниченном количестве, для чего достаточно только про­должать сверление, то теплоту нельзя считать веществом (теп­лородом), и поэтому все тепловые явления следует рассматри­вать как движение.

Вскоре известный английский химик Дэви указал, что, нати­рая два куска льда один о другой, можно их превратить в воду; потом он же показал, что даже в пустоте воск может быть рас­плавлен соприкосновением с трущимися телами; в согласии с Румфордом, Дэви также утверждал, что нагревание тел вызвано движением частиц.

 

 

Механизм теплопроводности

 

Теплопроводность – это один из способов передачи тепла, при котором более нагретые части тела передают тепло менее нагретым. Движение, а, следовательно, и энергия, передаётся от частичек частичкам. При этом сами частички не перемещаются, они лишь начинают быстрее колебаться на своём месте. То есть механизм теплопроводности заключается в том, что усиление колебаний одних частиц вещества передаётся соседним частицам.

Различные тела по-разному передают или проводят тепло. Иначе говорят, что эти тела обладают различной теплопроводностью. Теплопроводность у различных веществ различна.

Свойство тел передавать тепло от более нагретых своих частей менее нагретым называют теплопроводностью.

Известно, что хорошую теплопроводность имеют металлы, особенно серебро и медь. Причина этого – во внутреннем строении металлов.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

 

 

Роль теплопроводности в природе и технике

 

Теплопроводность тел в трёх состояниях вещества различна. Именно этот факт используется в природе и технике.

Рис.1 Животные одеты в белую шубу

Так, например, вещества, являющиеся плохими проводниками тепла, называют изоляторами. Жидкости (кроме ртути) плохо проводят тепло, газы – ещё хуже. Самый лучший изолятор – безвоздушное пространство (вакуум). Из твёрдых веществ хорошими изоляторами являются кирпич, керамика, дерево. Так, например,дерево – лучший теплоизолятор, чем другие строительные материалы. Оно в шесть раз эффективней кирпича и в полтора раза – пенобетона.

Эти материалы используются в строительстве для лучшей теплоизоляции зданий.

Из какой кружки вы предпочитаете пить горячий чай – фарфоровой или металлической? Конечно, не желая получить ожог, вы выберите фарфоровую.

Воздух, лёд, снег, жир являются плохими проводниками тепла. Это спасает жизнь многим животным, обитающим в лесах и водных средах. Например, тетерев зимой спит, зарывшись головой в снег. А благодаря тому, что водоёмы покрываются льдом, который препятствует дальнейшему их промерзанию, выживают многие представители водной фауны.

Вы спросите, какую роль играет воздух в сохранении жизни животных? Не каждый из вас знает, что белая окраска, которую получают животные к зиме, помогает переносить им суровый климат. Например, заяц меняет свою «шубку» (рис.1) не только для того, чтобы зимой укрыться от хищников, но и для утепления. Когда из волос уходит пигмент, дающий окраску, в них собирается воздух. Этот воздух, благодаря плохой теплопроводности, защищает зайца от потери тепла. Северный медведь, полярная куропатка и другие полярные животные имеют белый окрас.

Если говорить о современных достижениях науки, где учитывается теплопроводность, то можно отметить появление нового вида белья это термобельё (рис.2)

Рис. 2. Термобельё

Благодаря уникальному плетению нитей ткани термобелья, в нем образовывается воздушная прослойка, которая не пропускает ни тепло, ни холод, так как воздух обладает плохой теплопроводностью. Такое белье можно носить и зимой, и летом.