Provodljivost je sposobnost tijela ili materijala da prenose toplinu. Pritom se kreće kroz čvrsti predmet ili s jednog predmeta na drugi, jer su oba međusobno u dodiru. To je jedini način da toplina prođe kroz cijelo tijelo. Postavlja se pitanje: "Kako zrak i drugi materijali provode toplinu?" Saznajte u članku!
Toplinska vodljivost
Sposobnost prijenosa topline unutar objekta naziva se toplinska vodljivost. Ovo svojstvo je označeno slovom k, a mjeri se u W / (m × K). Vrijednosti toplinske vodljivosti razlikuju se za različite materijale. Dakle, zlato, srebro i bakar imaju visoku toplinsku vodljivost. Inače, ovi materijali su također dobri vodiči električne energije. Kako zrak provodi toplinu? Odgovor je kratak: loš je dirigent. Visoka vodljivost zlata, srebra i bakra posljedica je činjenice da elektroni koji su odgovorni za prijenos naboja također sudjeluju u prijenosu toplinske energije.
Ali materijali kao što su staklo i mineralna vuna imaju nisku toplinsku vodljivost. To se objašnjava činjenicom da imaju vrlo malo "slobodnih" elektrona za prijenos toplinske energije unutar krutine. Materijali ove vrste nazivaju se izolatori. Brzina prijenosa topline (odnosno brzina kretanja toplinske energije) izravno ovisi o toplinskoj vodljivosti, temperaturnoj razlici te kontaktnoj površini i materijalu koji tijelo posjeduje. Iz istog razloga, ne može se reći da zrak dobro provodi toplinu.
Ako je materijal dobar provodnik topline, tada se brzo kreće kroz tijelo. Metali se naširoko koriste u svrhu prijenosa topline jer imaju svojstva koja omogućuju kruženje topline dok istovremeno podnose ekstremne temperature povezane s zagrijavanjem.
Za prijenos toplinske energije, kao i električnog naboja, odgovorni su elektroni. Stoga su metali dobri provodnici topline i struje! Tu leži odgovor na pitanje: "Zašto je zrak loš provodnik topline?"
Međutim, nemojte brkati električnu vodljivost (koja je povezana s nabojem elektrona) kada mislite na toplinsku vodljivost (koja je povezana s prijenosom energije elektrona).
Dokazujemo iskustvom
Probajte držati jedan kraj metalne šipke iznad plamena - nakon nekoliko minuta će se zagrijati.
Sada držite kraj drvenog štapa u plamenu i kraj će postati toliko vruć da će se na kraju zapaliti. Međutim, kraj štapa za kojidrži se, ostani relativno cool.
Toplina se ne širi po cijelom volumenu tijela zbog svog sastava: njegova struktura otežava elektronima prijenos topline kroz materijal.
Dakle, svakodnevno iskustvo pokazuje da drvo nije dobar provodnik topline. Ako ste ikada vidjeli dio drveta pod mikroskopom, vjerojatno ste primijetili strukturu drva: sastoji se od pojedinačnih stanica koje djeluju kao izolatori jer nisu međusobno povezane. Stanice su razbacane poput kamenja u potoku. Toplina putuje mnogo sporije kroz takav materijal nego u metalima, gdje su atomi povezani u trodimenzionalnu "rešetku".
Zrak je loš provodnik topline. Iskustvo svakodnevnog života pokazuje: zapamtite strukturu prozora. Uvijek se sastoje od najmanje dvije čaše, između kojih se nalazi zračni „jastučić“. Ovaj sloj pomaže zadržati toplinu u prostoriji, a da je ne ispušta.
Dakle, ako se toplinska energija primijeni izravno na jedan dio čvrstog objekta, elektroni u objektu postaju pobuđeni. To rezultira vibracijama atomske rešetke koje putuju kroz objekt, podižući temperaturu dok prolaze. Što su veze unutar čvrste tvari bliže, prijenos topline je brži.
Tekućine su loši provodnici topline
Ako pričvrstite kocku leda na dno epruvete s vodom (za to morate koristiti uteg, inače će plutati na površini, pakao što led ima manju gustoću od vode) i zatim zagrijte vodu na vrhu cijevi, vidjet ćete da će voda proključati na vrhu cijevi i kocka leda će ostati smrznuta.
To je zbog činjenice da je voda loš provodnik topline. Većina topline će se kretati konvekcijskom strujom unutar vode na vrhu cijevi, samo će mali dio potonuti u kocku leda.
Kako zrak provodi toplinu?
Zrak je skup plinova. Iako je izvrstan za konvekciju, količina topline koju može prenijeti je minimalna jer mala masa tvari ne može pohraniti puno topline – zbog čega se ne smatra dobrim vodičem. Izolacijska svojstva zraka čovječanstvo koristi u svakodnevnom životu. Dakle, koriste se za izolaciju hladnjaka u zidovima zgrade. Čak se i rad termosice temelji na činjenici da zrak ne provodi dobro toplinu. Primjera je zaista mnogo!
Pa što uzrokuje ovaj fenomen? Budući da zrak nije gust, postoji određena količina mase na raspolaganju za prijenos toplinske energije kroz vođenje. Stoga je loš vodič, ali izvrstan izolator. Ipak, odgovor na pitanje: "Provodi li zrak toplinu?" - nije tako jednoznačno. Dakle, razmotrite sljedeće pojave.
Zračenje je prijenos energije kroz valove ili pobuđene čestice. Zrak stvara toplinski jaz koji ne dopušta toplinskoj energiji da ga prevlada. Toplina se mora isijavati s površine načestice zraka, onda ga treba zračiti iz zraka na suprotnu površinu. Toplina se kreće vrlo sporo između tri materijala, a većina prenesene toplinske energije apsorbira se u zrak.
Konvekcija je kretanje topline kroz tekućinu ili plin zbog smanjenja gustoće uslijed apsorpcije topline. U tom slučaju svojstva zraka postaju iznimno korisna. Također se pomiče prema gore prijenosom topline iz izoliranog spremnika ili prostora. Stoga se konvekcija koristi za uklanjanje topline i može se koristiti za hlađenje površine. Distribucija topline konvekcijom u zraku je donekle neučinkovita, ali se koristi u mnoge svrhe hlađenja. Da, zrak je loš provodnik topline.
Primjeri izolacije
Izolacija se koristi u mnoge svrhe. Neki od njih uključuju hlađenje pića i hrane, stvaranje zračnih praznina u zidovima i uvođenje zračnih džepova u kuhinjsko posuđe. Značajke načina na koji zrak provodi toplinu odnose se čak i na izolacijsku pjenu.
Zaključak
Konduktivnost je prolaz topline kroz čvrsto tijelo. Razlikuje se od fenomena konvekcije po tome što pri tome ne dolazi do pomicanja tvari. Sada znamo provodi li zrak dobro toplinu i zašto.
