Przekazywanie ciepła w zjawisku przewodnictwa. Rola izolacji cieplnej
Dlaczego gdy chcesz zdjąć z kuchenki garnek z gotującą się potrawą, musisz użyć w tym celu specjalnych rękawic? Przecież uchwyty garnka nie znajdują się bezpośrednio nad palnikiem. Gdyby rączka patelni nie była pokryta materiałem termoizolującym, to czy wymagałaby to użycia takich rękawic? Dlaczego domy budowane są z materiałów porowatych i w dodatku są oklejane styropianem? Odpowiedzi na te pytania znajdziesz w poniższym materiale.
jaki jest związek temperatury ze średnią energią kinetyczną atomów i cząsteczek;
dlaczego ciepło jest przekazywane od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze;
definicję energii wewnętrznej.
wyjaśniać mechanizm transportu ciepła, zwany przewodzeniem ciepła;
klasyfikować substancje ze względu na zdolność przewodzenia ciepła;
wyjaśniać rolę izolacji cieplnej;
wskazywać zastosowanie materiałów przewodzących ciepło i izolacyjnych w życiu codziennym.
Obserwacja zjawiska przewodnictwa cieplnego.
pręt metalowy (może być na przykład aluminiowy) o długości około ;
palnik gazowy lub spirytusowy;
statyw wraz z uchwytami i drewnianymi szczypcami;
koraliki przymocowane do pręta za pomocą parafiny;
trzy termometry elektroniczne w postaci giętkiej taśmy.
Przymocuj termometry do pręta w równych odstępach: jeden na końcu, a dwa pozostałe i od tego końca. Drugi koniec pręta pozostaw wolny.
Zamocuj pręt na statywie tak, jak pokazano na rysunku.
RCXvxK1yYAa8L 
Sposób zamocowania prętaŹródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.Zapal palnik i ten koniec pręta, na którym nie ma termometru, umieść w płomieniu.
Obserwuj wskazania termometrów.
Z przeprowadzonych obserwacji wynika, że stopniowo rośnie temperatura całego pręta, mimo że w płomieniu umieszczono tylko jeden z jego końców.
Nie obserwujemy żadnych ruchów całego pręta, a mimo to przez pręt transportowana jest energia. Ten sposób transportu energii nazywamy przewodnictwem cieplnym.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym obserwowano zjawisko przewodnictwa cieplnego.
Obserwacja zjawiska przewodnictwa cieplnego.
pręt metalowy (może być na przykład aluminiowy) o długości około ;
palnik gazowy lub spirytusowy;
statyw wraz z uchwytami i drewnianymi szczypcami;
koraliki przymocowane do pręta za pomocą parafiny;
trzy termometry elektroniczne w postaci giętkiej taśmy.
Przymocowano termometry do pręta w równych odstępach: jeden na końcu, a dwa pozostałe i od tego końca. Drugi koniec pręta pozostawiono wolny.
Zamocowano pręt na statywie tak, jak pokazano na rysunku.
RCXvxK1yYAa8L Sposób zamocowania prętaŹródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.Zapalono palnik i ten koniec pręta, na którym nie było termometru, umieszczono w płomieniu.
Obserwowano wskazania termometrów.
Z przeprowadzonych obserwacji wynika, że stopniowo rośnie temperatura całego pręta, mimo że w płomieniu umieszczono tylko jeden z jego końców.
Nie obserwujemy żadnych ruchów całego pręta, a mimo to przez pręt transportowana jest energia. Ten sposób transportu energii nazywamy przewodnictwem cieplnym.
– pojawia się wtedy, gdy między obszarami tego samego ciała występuje różnica temperatur (np. podgrzewamy jeden koniec pręta). Cząsteczki substancji mają w różnych punktach różne średnie energie kinetyczne (i różne temperatury). Cząsteczki bądź atomy z miejsc o wyższej temperaturze przekazują energię cząsteczkom z obszarów chłodniejszych; w ten sposób energia następnych obszarów rośnie i proces trwa tak długo, jak długo dostarczamy ciepło i jak długo istnieje różnica temperatur. Przenoszenie energii odbywa się w tę stronę, w której jest niższa temperatura; warto podkreślić, że nie następuje przenoszenie się materii.
Jak wygląda ten proces z punktu widzenia mikroskopowej budowy materii?
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1XqFZJpxZF9V
Materiał filmowy o mechanizmie przewodnictwa cieplnego
Czy proces przewodzenia ciepła odbywa się tak samo we wszystkich substancjach?
Odpowiedzi na to pytanie poszukajmy w kolejnym doświadczeniu.
Porównanie przewodnictwa cieplnego różnych ciał stałych.
cztery pręty o jednakowej długości (około ) i średnicy (około ): aluminiowy, mosiężny, drewniany, szklany;
naczynie z pokrywą wykonaną ze styropianu lub z gąbki z otworami, w których można umieścić badane pręty;
parafina;
cztery koraliki do przyklejenia parafiną do prętów;
źródło gorącej wody.
Do jednego końca każdego z prętów przyklej parafiną koralik.
Pręty umieść w pokrywie naczynia, tak aby koniec z koralikiem był nad pokrywą, a długości prętów pod pokrywą były jednakowe i mniejsze niż głębokość naczynia.
Do naczynia nalej gorącej wody.
Pokrywę z prętami umieść na naczyniu. Staraj się zrobić to dość szybko i tak, aby wszystkie pręty zanurzyły się w gorącej wodzie jednocześnie i na tę samą głębokość.
Obserwuj i zanotuj kolejność, w jakiej koraliki oderwą się od prętów. Możesz też zanotować czasy, po których koraliki odpadną od poszczególnych prętów.
Czas, po którym koraliki oderwały się od prętów, był różny dla każdego z nich. Oznacza to, że szybkość, z jaką transportowana jest energia cieplna, jest różna dla różnych materiałów. Mówimy, że różne materiały mają różne współczynniki przewodnictwa cieplnego.
Najszybciej odkleiły się koraliki przyklejone do pręta aluminiowego, potem mosiężnego, dłużej trwało to w przypadku pręta szklanego, a najdłużej – drewnianego. Oznacza to, że energia cieplna najszybciej transportowana jest w aluminium, najwolniej zaś w drewnie.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym dokonano porównania przewodnictwa cieplnego różnych ciał stałych.
Porównanie przewodnictwa cieplnego różnych ciał stałych.
cztery pręty o jednakowej długości (około ) i średnicy (około ): aluminiowy, mosiężny, drewniany, szklany;
naczynie z pokrywą wykonaną ze styropianu lub z gąbki z otworami, w których można umieścić badane pręty;
parafina;
cztery koraliki do przyklejenia parafiną do prętów;
źródło gorącej wody.
Do jednego końca każdego z prętów przyklejono parafiną koralik.
Pręty umieszczono w pokrywie naczynia, tak aby koniec z koralikiem był nad pokrywą, a długości prętów pod pokrywą były jednakowe i mniejsze niż głębokość naczynia.
Do naczynia nalano gorącej wody.
Pokrywę z prętami umieszczono na naczyniu. Zrobiono to dość szybko i tak, aby wszystkie pręty zanurzyły się w gorącej wodzie jednocześnie i na tę samą głębokość.
Obserwowano i zanotowano kolejność, w jakiej koraliki odrywały się od prętów. Zanotowano również czasy, po których koraliki odpadały od poszczególnych prętów.
Czas, po którym koraliki oderwały się od prętów, był różny dla każdego z nich. Oznacza to, że szybkość, z jaką transportowana jest energia cieplna, jest różna dla różnych materiałów. Mówimy, że różne materiały mają różne współczynniki przewodnictwa cieplnego.
Najszybciej odkleiły się koraliki przyklejone do pręta aluminiowego, potem mosiężnego, dłużej trwało to w przypadku pręta szklanego, a najdłużej – drewnianego. Oznacza to, że energia cieplna najszybciej transportowana jest w aluminium, najwolniej zaś w drewnie.
Materiały, które łatwo i szybko transportują ciepło, nazywamy przewodnikami cieplnymi. W naszym doświadczeniu są nimi mosiądz i aluminium. Materiały, które wolno transportują energię cieplną, nazywamy izolatorami cieplnymi. W naszym doświadczeniu są nimi szkło i drewno.
Przewodzenie ciepła odbywa się zarówno w ciałach stałych, jak i cieczach oraz gazach. Jednak w cieczach i gazach proces przewodzenia ciepła zachodzi wolniej niż w ciałach stałych. Wyjątkiem są tu ciekłe metale. Woda odznacza się małym przewodnictwem cieplnym, co zaprezentowane zostało dokładniej w obserwacji pt. Przewodnictwo cieplne w cieczach.
Najlepszymi przewodnikami ciepła są metale. Przyczyna tkwi w tym, że w procesie przenoszenia energii wewnętrznej biorą udział nie tylko atomy, ale także występujące w nich swobodne elektrony.
Najlepszym izolatorem cieplnym jest próżnia – nie ma w niej cząsteczek i atomów, brak więc możliwości bezpośredniego przekazywania energii cieplnej od cząsteczki do cząsteczki. Drugie miejsce w tej kategorii zajmują gazy – duże odległości między ich cząsteczkami utrudniają przekazywanie energii od cząsteczki do cząsteczki.
Dobrymi izolatorami są też materiały porowate, czyli takie, w których strukturze znajdują się pęcherzyki powietrza – należą do nich: pierze, futro, wełna oraz sztucznie wytworzone pianki poliuretanowe, styropian itp.
Poniżej znajduje się zdjęcie pokazujące przekrój pianki poliuretanowej. Na jego podstawie spróbuj zrozumieć jej izolujące właściwości.
Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. W pojemniku A, ponieważ aluminium jest najlepszym przewodnikiem ciepła., 2. W pojemniku C, ponieważ futro grzeje., 3. W pojemniku B, ponieważ papier pochłania wilgoć., 4. We wszystkich pojemnikach ogrzeje się tak samo szybko, ponieważ temperatura wokół wszystkich pojemników jest taka sama.
Z lodówki wyjęto i pozostawiono w ciepłym pokoju trzy metalowe pojemniki z taką samą ilością zimnej wody.
Pojemnik A owinięto szczelnie folią aluminiową, B papierem, a C futrzaną tkaniną.
W którym pojemniku woda ogrzeje się najszybciej i dlaczego?
- W pojemniku A, ponieważ aluminium jest najlepszym przewodnikiem ciepła.
- W pojemniku C, ponieważ futro grzeje.
- W pojemniku B, ponieważ papier pochłania wilgoć.
- We wszystkich pojemnikach ogrzeje się tak samo szybko, ponieważ temperatura wokół wszystkich pojemników jest taka sama.
Podsumowanie
Przewodnictwo cieplne polega na przekazywaniu energii pomiędzy częściami ciała, których temperatury są różne. Ze zjawiskiem tym mamy do czynienia, gdy wydzieloną część ciała podgrzejemy. Po pewnym czasie, dzięki przekazywaniu energii, temperatura całego ciała wyrówna się.
Mechanizm przewodnictwa cieplnego oparty jest na bezpośrednim przekazywaniu energii kinetycznej między cząsteczkami lub atomami materii.
Ze względu na zdolność transportowania energii cieplnej substancje dzielimy na:
przewodniki ciepła – energia cieplna jest w nich transportowana szybko i łatwo.
izolatory cieplne – transport energii cieplnej zachodzi w nich wolno.
Najlepszymi przewodnikami ciepła są: metale (również ciekłe), grafit i diament.
Dobrymi izolatorami ciepła są gazy, pierze, wata szklana, korek, styropian, futro.
Zwróć uwagę na to, jak zbudowane są okna. Jaki jest powód wykorzystania dwóch tafli szkła oddzielonych pustą przestrzenią? Czy ta przestrzeń jest naprawdę pusta?
W bardzo mroźne dni wskazane jest ubieranie się na tzw. cebulkę, czyli nakładanie kilku warstw odzieży. Daje to lepszą izolację niż jednowarstwowe grube ubranie. Dlaczego? Odpowiedź wpisz w pole poniżej.
Nad drzwiami domu znajduje się gruba stalowa belka. W bardzo zimne dni w tym miejscu (wewnątrz budynku) pojawia się szron. Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź wpisz w pole poniżej.
Zrób przegląd naczyń i urządzeń w kuchni. W których miejscach wykorzystujemy dobre przewodniki ciepła, a w których dobre izolatory? Dlaczego? Odpowiedź wpisz w pole poniżej.
Używanie metalowych naczyń do picia napojów bywa przyczyną oparzeń. Dlaczego tak się dzieje?
Zadania podsumowujące
Wśród wymienionych zjawisk fizycznych wskaż te, w których energia jest przekazywana dzięki przewodnictwu cieplnemu.
- Gotowanie zupy na kuchence elektrycznej.
- Pieczenie mięsa w piekarniku.
- Chłodzenie napoju w lodówce.
- Dotykanie termoforu zmarzniętymi stopami.
- Podgrzewanie wody w kolektorze słonecznym.
- Pocieranie dłoni jedną o drugą.
- Dotykanie dłonią wirującej tarczy.
Przyporządkuj każdej kategorii odpowiadające jej elementy.
rtęć, powietrze, wata, grafit, srebro, stal, tłuszcz, kołdra puchowa, wolfram, słoma, neon
| Przewodniki ciepła | |
|---|---|
| Izolatory |
Jakie właściwości powinna mieć substancja, z której wykonamy następujące przedmioty?
kaloryfer, dno garnka, forma do pieczenia ciasta, stopa żelazka, rączka patelni, chłodnica samochodowa, zimowa czapka, strój płetwonurka, obudowa bojlera (zbiornika na ciepłą wodę), kubek termiczny, piłka do koszykówki, końcówka termometru
| Dobre przewodnictwo cieplne | |
|---|---|
| Małe przewodnictwo cieplne | |
| Elementy niepasujące do żadnej kategorii |