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 przy ściąganiu z palnika użycia takich rękawic? Dlaczego domy budowane są z materiałów porowatych i w dodatku oklejane styropianem?
podać związek temperatury ze średnią energią kinetyczną atomów i cząsteczek: wyższej temperaturze odpowiada większa wartość tej energii;
wyjaśniać, dlaczego ciepło jest przekazywane od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze;
podać 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 40 cm;
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 15 i 30 cm od tego końca. Drugi koniec pręta pozostaw wolny.
Zamocuj pręt na statywie tak, jak pokazano na rysunku.
RfRi5DpLZYwns1 
Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.Zapal palnik i ten koniec pręta, na którym nie ma termometru, umieść w płomieniu.
Obserwuj wskazania termometrów przymocowanych do pręta.
Z przeprowadzonych obserwacji widać, 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 (podgrzewamy jeden koniec pręta lub jedną ścianę płyty). Cząsteczki substancji mają w różnych jej miejscach objętości 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 na portalu epodreczniki.pl
Mechanizm 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 30 cm) i średnicy (około 0,5 cm): 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.
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.
Popatrz na zdjęcie pokazujące przekrój pianki poliuretanowej, aby zrozumieć jej izolujące właściwości.
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 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.
Przyjrzyj się dokładnie, 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?
Nad drzwiami domu znajduje się gruba stalowa belka. W bardzo zimne dni w tym miejscu (wewnątrz budynku) pojawia się szron. Dlaczego tak się dzieje?
Zrób przegląd naczyń i urządzeń w kuchni. W których miejscach wykorzystujemy dobre przewodniki ciepła, a w których dobre izolatory? Dlaczego?
Używanie metalowych naczyń do picia napojów bywa przyczyną oparzeń. Dlaczego tak się dzieje?
Przypomnij sobie, w jakich warunkach ciała toną, a kiedy wypływają na powierzchnię po zanurzeniu. Czym musi być wypełniony balonik, aby poruszał się do góry w powietrzu? Dlaczego?
Zadania podsumowujące lekcję
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.
neon, srebro, wata, stal, słoma, kołdra puchowa, grafit, wolfram, powietrze, rtęć, tłuszcz
| Przewodniki ciepła | |
|---|---|
| Izolatory |
Jakie właściwości powinna mieć substancja, z której wykonamy następujące przedmioty?
piłka do koszykówki, końcówka termometru, kubek termiczny, rączka patelni, forma do pieczenia ciasta, stopa żelazka, zimowa czapka, strój płetwonurka, chłodnica samochodowa, dno garnka, kaloryfer, obudowa bojlera (zbiornika na ciepłą wodę)
| Dobre przewodnictwo cieplne | |
|---|---|
| Małe przewodnictwo cieplne | |
| Elementy niepasujące do żadnej kategorii |