Физика. 8 класс. Барьяхтар
Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.
§ 5. Теплопроводность
Зачем жители жарких районов Центральной Азии летом носят ватные халаты? Как сделать, чтобы мороженое в летнюю жару быстро не растаяло, если поблизости нет холодильника? В какой обуви быстрее замерзнут ноги — в той, которая плотно прилегает к ноге, или в просторной? После изучения данного параграфа вы сможете правильно ответить на все эти вопросы.
1. Знакомимся с механизмом теплопроводности
Проведем опыт. Зажав в лапке штатива медный стержень, прикрепим к нему воском несколько канцелярских кнопок. Начнем нагревать свободный конец стержня в пламени спиртовки. Спустя некоторое время кнопки по очереди будут падать на стол (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Опыт, демонстрирующий теплопроводность металлов
Для объяснения этого явления воспользуемся знанием молекулярно-кинетической теории. Частицы в металлах все время движутся: ионы колеблются вокруг положений равновесия; движение свободных электронов напоминает движение молекул газа. Когда конец стержня помещают в пламя спиртовки, скорость движения частиц металла, находящегося непосредственно в пламени, увеличивается. Эти частицы взаимодействуют с соседними и «раскачивают» их. В результате повышается температура следующей части стержня и так далее. Образно говоря, вдоль стержня идет «поток» тепла, который последовательно разогревает металл. Тепло от металла передается воску, воск размягчается, и кнопки одна за другой отпадают от стержня.
Обратите внимание: во время процесса само вещество (медь) не перемещается от одного конца стержня к другому.
Теплопроводность — это вид теплопередачи, который обусловлен хаотичным движением и взаимодействием частиц вещества и не сопровождается перемещением этого вещества.
2. Убеждаемся, что разные вещества по-разному проводят тепло
Вы, наверное, замечали, что одни вещества проводят тепло лучше, чем другие. Так, если поместить в стакан с горячим чаем две чайные ложки — стальную и медную, то медная нагреется намного быстрее. Это значит, что медь лучше проводит тепло, чем сталь.
Опыты показали, что лучшие проводники тепла — металлы. Древесина, стекло, многие виды пластмасс проводят тепло значительно хуже, именно поэтому мы можем, например, держать зажженную спичку до тех пор, пока пламя не дойдет до пальцев (рис. 5.2, а).
Рис. 5.2. Опыты, иллюстрирующие низкую теплопроводность древесины (а) и воды (б)
Плохо проводят тепло и жидкости (за исключением расплавленных металлов). Проведем опыт. На дно пробирки с холодной водой положим кусочек льда, а чтобы лед не всплыл, прижмем его грузиком. Нагревая на спиртовке верхний слой воды, через некоторое время увидим, что вода у поверхности кипит, а лед внизу пробирки еще не растаял (рис. 5.2, б).
Еще хуже, чем жидкости, проводят тепло газы. И это легко объясняется. Расстояние между молекулами в газах намного больше, чем в жидкостях и твердых телах. Поэтому столкновение частиц и, соответственно, передача энергии от одной частицы к другой происходят реже.
Стекловолокно, вата, мех очень плохо проводят тепло: во-первых, между их волокнами находится воздух, во-вторых, эти волокна плохо проводят тепло сами по себе.
Рис. 5.3. Если нужно быстро передать тепло, используют вещества с высокой теплопроводностью
Рис. 5.4. Чтобы уменьшить охлаждение тел (или их нагревание), используют вещества с низкой теплопроводностью
• Рассмотрите рис. 5.3, 5.4. Объясните, почему отдельные детали кухонной утвари изготовлены из разных материалов. Почему дома строят из древесины или кирпича? Почему подкладки курток заполняют пухом?
3. Наблюдаем теплопроводность в природе, в жизни человека
Вы хорошо знаете, что домашние животные весной и осенью линяют. Весной мех животных становится короче и менее густым, осенью же, наоборот, — отрастает и становится гуще. Шерсть, мех, пух плохо проводят тепло и надежно защищают животных от охлаждения.
Животные, которые обитают или охотятся в холодных морях (тюлени, моржи и др.), имеют под кожей толстую жировую прослойку — благодаря слабой теплопроводности она позволяет долгое время находиться в воде без значительного переохлаждения.
Многие насекомые зимой закапываются глубоко в землю — ее хорошие теплоизоляционные свойства помогают насекомым выжить даже в сильные морозы. Некоторые растения пустыни покрыты мелкими ворсинками: неподвижный воздух между ними препятствует теплообмену с окружающей средой.
Человек часто использует те или иные вещества, учитывая их теплопроводность. Вещества с хорошей теплопроводностью применяются там, где нужно быстро передать тепло от одного тела к другому. Например, кастрюли, сковородки, батареи отопления и т. п. изготовляют из металлов. А вот там, где нужно избежать нагревания или охлаждения тел, используют вещества, которые плохо проводят тепло. Например, деревянная ручка джезвы позволяет налить кофе, не пользуясь прихваткой, а в водопроводных трубах, проложенных глубоко под землей, вода не замерзает даже в сильные морозы и т. д.
Подводим итоги
Теплопроводность — это вид теплопередачи, который обусловлен хаотичным движением и взаимодействием частиц вещества и не сопровождается перемещением этого вещества.
Вещество в разных агрегатных состояниях, а также различные вещества по-разному проводят тепло, то есть имеют разную теплопроводность. Лучшие проводники тепла — металлы, худшие — газы. Человек широко использует способность веществ по-разному проводить тепло.
Контрольные вопросы
1. Что называют теплопроводностью? 2. Опишите опыт, демонстрирующий, что металлы хорошо проводят тепло. 3. Как происходит передача энергии при теплопроводности? 4. В каком состоянии вещество хуже проводит тепло — в твердом, жидком или газообразном? 5. Почему животные не замерзают даже в достаточно сильный холод? 6. Какие материалы хорошо проводят тепло? Где их применяют? 7. Какие материалы плохо проводят тепло? Где их применяют?
Упражнение № 5
1. Почему с точки зрения физики выражение «шуба греет» неверно?
2. Почему двойные рамы в окнах способствуют лучшей теплоизоляции?
3. Почему под соломой снег долго не тает?
4. Почему в бесснежные зимы озимые страдают от морозов?
5. При комнатной температуре металлические предметы на ощупь кажутся холоднее, чем деревянные. Почему? При каком условии металлические предметы будут казаться на ощупь теплее деревянных? одинаковыми с ними по температуре?
6. Воздушный шар расположен на некоторой высоте. Как будет вести себя шар, если температуру воздуха внутри шара увеличить? уменьшить?
Экспериментальное задание
«Греем лед». Возьмите два кусочка льда, каждый положите в отдельный полиэтиленовый пакет. Один пакет тщательно оберните ватой или махровым полотенцем. Положите пакеты на тарелки и поставьте в шкаф. Через час разверните пакеты. Объясните результат.
Физика и техника в Украине
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины (Киев) считается одним из крупнейших научно-технических материаловедческих центров Европы.
Инициатор создания (1961 г.) и первый директор института — Валентин Николаевич Бакуль (1908-1978). В 1977-2014 гг. институт возглавлял академик НАН Украины Николай Васильевич Новиков; в настоящее время он является его почетным директором.
В институте разрабатываются технологии получения и использования сверхтвердых материалов. Под руководством Н. В. Новикова созданы новые направления современного материаловедения: синтез крупных сверхпрочных кристаллов алмаза разного цвета, получение алмазных и алмазоподобных пленок и покрытий с особыми свойствами, высокотемпературная керамика, компьютерное материаловедение. Разработки института применяются в машиностроении, строительной индустрии, добыче и обработке природного камня, геолого-разведочном бурении, электронике, оптике, медицине и т. д.
С 1995 г. институт — ведущая организация научно-технологического алмазного концерна АЛКОН, продукция которого пользуется спросом как в Украине, так и во многих странах мира.
С 2014 г. институт возглавляет член-корреспондент НАН Украины Владимир Зиновьевич Туркевич.
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України