Przeczytaj
Warto przeczytać
Przewodność cieplna właściwa (często w użyciu jest termin „przewodnictwo cieplne właściwe”) to wielkość określająca, jak dana substancja przewodzi ciepło. Duża wartość przewodności właściwej oznacza, że ciało jest dobrym przewodnikiem ciepła. Ciała słabo przewodzące ciepło, zwane izolatorami cieplnymi, mają małą wartość przewodności właściwej.
Energia cieplna przepływa zawsze od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze i jest przenoszona przez zderzenia między cząsteczkami. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Cząsteczki ciała o wysokiej temperaturze poruszają się z dużą średnią energią kinetyczną, a cząsteczki ciała chłodniejszego mają mniejszą średnią energię kinetyczną. W zderzeniach cząsteczek energia kinetyczna jest przekazywana od cząsteczki o większej energii do cząsteczki o mniejszej energii. Przy kolejnym zderzeniu energia przekazywana jest coraz dalej w stronę obszaru o niższej temperaturze. W ten sposób następuje przewodzenie ciepła.
Zastanówmy się od czego zależy szybkość przewodzenia ciepła, czyli ilość ciepła, która przepłynęła przez ciało w jednostce czasu. Jeśli w czasie przez ciało przepłynęła energia , to szybkość przewodzenia ciepła wynosi . Jednostką energii cieplnej jest dżul (J), jednostką czasu sekunda. Zatem jednostką jest (wat) – jednostka mocymocy.
Załóżmy dla uproszczenia, że ciało przewodzące ciepło ma kształt prostopadłościanu o długości i polu powierzchni przekroju poprzecznego (Rys. 1.).
Ponieważ energia cieplna przekazywana jest w bezpośrednich zderzeniach cząsteczek, to im większa powierzchnia przekroju poprzecznego ciała, tym więcej będzie tych zderzeń i tym szybciej będzie przepływać energia. Zatem możemy zapisać, że szybkość przepływu energii jest wprost proporcjonalna do pola powierzchni przekroju poprzecznego ,
Szybkość przepływu energii zależy też od różnicy temperatur na końcach przewodzącego ciała – im większa różnica temperatur , tym szybciej przepływa energia:
Natomiast szybkość przepływu energii cieplnej jest odwrotnie proporcjonalna do grubości przewodzącego ciała.
Dlatego zimą nosimy grube okrycia, a foki i inne zwierzęta morskie chronią się przed utratą ciepła grubą warstwą tłuszczu pod skórą.
Współczynnik proporcjonalności nazywamy przewodnością właściwą (przewodnictwem właściwym). Jest ona właściwością substancji, z której zbudowane jest ciało przewodzące ciepło.
Przewodność właściwą możemy powiązać z wielkościami znanymi z doświadczenia z pomocą wzoru
gdzie
– ilość ciepła przepływającego przez ciało,
– pole przekroju, przez który przepływa ciepło,
– czas przepływu,
– różnica temperatur między końcami ciała,
– grubość przegrody.
Jednostką k jest (wat na metr i kelwin).
Do najlepszych przewodników ciepła należą metale, które również dobrze przewodzą prąd elektryczny. Wiąże się to z istnieniem w metalach wolnych elektronów, które mogą swobodnie poruszać się i w zderzeniach szybko przekazywać energię kinetyczną. Natomiast ciała, które są izolatorami i nie przewodzą prądu, są również dobrymi izolatorami ciepła, czyli mają małą wartość przewodności właściwej.
Tabela 1. przedstawia przykładowe wartości przewodności właściwej.
Tabela 1. | ||
Materiał | Przewodność właściwa | |
miedź | 370 | |
stal | 58 | |
srebro | 429 | |
tektura | 0,14 | |
papier | 0,25 | |
woda | 0,6 | |
szkło okienne | 0,8 | |
drewno | 0,2 | |
pianka poliuretanowa | 0,035 | |
wełna mineralna | 0,031 – 0,045 | |
powietrze (nieruchome) | 0,025 | |
śnieg, świeży | 0,05 | |
śnieg, ubity | 0,6 |
Zwróć uwagę na małą wartość przewodności właściwej powietrza. Właśnie dlatego kurtka puchowa doskonale chroni przed mrozem, bo puch zawiera dużo powietrza. Ptaki wykorzystują powietrze jako świetny izolator cieplny, strosząc zimą pióra i wyglądają wtedy jak kulki (Fot. 1.).
Dzięki izolującym właściwościom świeżo spadłego śniegu () zwierzęta znajdują pod śniegiem dobre schronienie przed mrozem.
Natomiast materiały dobrze przewodzące ciepło stosowane są do wyrobu garnków i patelni. Gdy porównamy przewodnictwo właściwe miedzi () i stali (), to zrozumiemy, dlaczego od dawna uważano miedziane rondle i patelnie za najlepsze.
Słowniczek
(ang.: power) - co do wartości równa jest pracy wykonanej w jednostce czasu lub energii cieplnej wydzielonej w jednostce czasu .