Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 5. Теплопровідність
Навіщо жителі спекотних районів Центральної Азії влітку носять ватяні халати? Як зробити, щоб морозиво в літню спеку швидко не розтануло, якщо поблизу немає холодильника? У якому взутті швидше змерзнуть ноги — в тому, яке щільно прилягає до ноги, чи в просторому? Після вивчення матеріалу цього параграфа ви зможете правильно відповісти на всі ці запитання.
1. Знайомимося з механізмом теплопровідності
Проведемо дослід. Закріпивши в лапці штатива мідний стрижень, за допомогою воску прикріпимо вздовж стрижня кілька канцелярських кнопок. Почнемо нагрівати вільний кінець стрижня в полум’ї пальника. Через деякий час побачимо, що кнопки по черзі падатимуть на стіл (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Дослід, який демонструє теплопровідність металів
Для пояснення цього явища скористаємося знаннями з молекулярно-кінетичної теорії. Частинки в металах увесь час рухаються: йони коливаються навколо положень рівноваги; рух вільних електронів нагадує рух молекул газу. Коли кінець стрижня поміщують у полум’я пальника, ця частина стрижня розігрівається. Швидкість руху частинок металу, які перебувають власне в полум’ї, збільшується. Ці частинки взаємодіють із сусідніми частинками і «розгойдують» їх. У результаті підвищується температура наступної частини стрижня й так далі. Образно кажучи, уздовж стрижня йде «потік» тепла, який послідовно розігріває метал. Енергія від металу передається до воску, він розм’якшується, і через це кнопки одна за одною відпадають від стрижня. Зверніть увагу: в ході цього процесу сама речовина (мідь) не переміщується від одного кінця стрижня до іншого.
Теплопровідність — це вид теплопередачі, який зумовлений хаотичним рухом і взаємодією частинок речовини й не супроводжується перенесенням цієї речовини.
2. Переконуємося, що різні речовини мають різну теплопровідність
Ви, напевно, помічали, що одні речовини проводять тепло краще, ніж інші. Так, якщо помістити в склянку з гарячим чаєм дві чайні ложки — сталеву та мідну, то мідна нагріється набагато швидше. Це означає, що мідь краще проводить тепло, ніж сталь.
Досліди показали, що найкращими провідниками тепла є метали. Деревина, скло, чимало видів пластмас проводять тепло значно гірше, саме тому ми можемо, наприклад, тримати запалений сірник доти, доки полум’я не торкнеться пальців (рис. 5.2, а).
Погано проводять тепло й рідини (винятком є розплавлені метали). Проведемо дослід. Покладемо на дно пробірки з холодною водою шматочок льоду, а щоб лід не спливав, притиснемо його важком (рис. 5.2, б). Нагріватимемо на спиртівці верхній шар води. Через певний час вода поблизу поверхні закипить, а лід унизу пробірки ще не розтане.
Ще гірше за рідину проводять тепло гази. І це легко пояснити. Відстань між молекулами газів набагато більша, ніж відстань між молекулами рідин і між молекулами твердих тіл. Отже, зіткнення частинок і, відповідно, передавання енергії від однієї частинки до іншої відбуваються рідше.
Скловолокно, вата, хутро дуже погано проводять тепло, оскільки, по-перше, між їхніми волокнами є повітря, по-друге, ці волокна погано проводять тепло самі по собі.
Розгляньте рис. 5.3, 5.4. Поясніть, чому окремі деталі кухонного начиння виготовлені з різних матеріалів. Чому будинки будують з деревини або цегли? Чому підкладки курток заповнюють пухом?
Рис. 5.2. Досліди, які ілюструють низьку теплопровідність деревини (а) та води (б)
Рис. 5.3. Там, де потрібно швидко передати тепло, застосовують речовини з високою теплопровідністю
Рис. 5.4. Щоб зменшити охолодження тіл (або зменшити їх нагрівання), застосовують речовини з низькою теплопровідністю
3. Звертаємо увагу на теплопровідність у природі, в житті людини
Ви, напевно, знаєте, що свійські тварини навесні та восени линяють. Навесні хутро тварин стає коротшим і менш густим, восени ж, навпаки, — довшає та густішає. Вовна, хутро, пух погано проводять тепло й надійно захищають тіла тварин від охолодження.
Тварини, що живуть або полюють у холодних морях, мають під шкірою товстий жировий прошарок, який завдяки слабкій теплопровідності дозволяє їм тривалий час перебувати у воді без значного переохолодження.
Багато комах узимку закопуються глибоко в землю — її гарні теплоізоляційні властивості дозволяють комахам вижити навіть у сильні морози. Деякі рослини пустелі вкриті дрібними ворсинками: нерухоме повітря між ними перешкоджає теплообміну з довкіллям.
Людина в різних сферах діяльності застосовує ті чи інші речовини, зважаючи на їхню теплопровідність. Речовини з кращою теплопровідністю застосовують там, де потрібно швидко передати тепло від одного тіла до іншого. Наприклад, каструлі, сковорідки, батареї опалення тощо виготовляють із металів.
Там, де потрібно запобігти нагріванню або охолодженню тіл, застосовують речовини, що погано проводять тепло. Наприклад, дерев’яна ручка джезви дозволить налити каву, не використовуючи рукавичок, а у водогінних трубах, які прокладено глибоко під землею, вода не замерзне й у сильні холоди і т. д.
Підбиваємо підсумки
Теплопровідність — це вид теплопередачі, який зумовлений хаотичним рухом і взаємодією частинок речовини й не супроводжується перенесенням цієї речовини.
Різні речовини та речовини в різних агрегатних станах по-різному проводять тепло. Одними з найкращих теплопровідників є метали, найгіршими — гази. Люди широко використовують у своїй життєдіяльності здатність речовин по-різному проводити тепло.
Контрольні запитання
1. Що називають теплопровідністю? 2. Опишіть дослід, який демонструє, що метали добре проводять тепло. 3. Як відбувається передавання енергії в разі теплопровідності? 4. У якому стані речовина гірше проводить тепло — у твердому, рідкому чи газоподібному? 5. Чому тварини не замерзають навіть у досить сильний холод? 6. Які матеріали добре проводять тепло? Де їх застосовують? 7. Назвіть матеріали, які погано проводять тепло. Де їх застосовують?
Вправа № 5
1. Чому з точки зору фізики вираз «шуба гріє» є неправильним?
2. Чому подвійні рами у вікнах сприяють кращій теплоізоляції?
3. Чому під соломою сніг довго не тане?
4. Чому безсніжними зимами озимина потерпає від морозів?
5. За кімнатної температури металеві речі на дотик здаються холоднішими, ніж дерев’яні. Чому? За якої умови металеві предмети здаватимуться на дотик теплішими, ніж дерев’яні? однаковими з ними за температурою?
6. Повітряна куля перебуває на певній висоті. Як поводитиметься куля, якщо температуру повітря всередині кулі збільшити? зменшити?
Експериментальне завдання
«Гріємо лід». Візьміть два шматочки льоду, кожний покладіть в окремий поліетиленовий пакет. Один із пакетів ретельно обмотайте ватою або махровим рушником. Покладіть пакети на тарілки та поставте їх у шафу. За годину розгорніть пакети. Поясніть результат.
Фізика і техніка в Україні
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України (Київ) — один із найбільших науково-технічних матеріалознавчих центрів Європи.
Ініціатор створення (1961 р.) інституту та його перший директор — Валентин Миколайович Бакуль (1908-1978). В основу розробки технології отримання надтвердих матеріалів були покладені роботи академіка Л. Ф. Верещагіна.
В інституті створено нові напрями сучасного матеріалознавства: синтез великих надміцних кристалів алмазу різного кольору, одержання алмазних і алмазоподібних плівок і покриттів з особливими властивостями, високотемпературна кераміка, комп’ютерне матеріалознавство. Розробки інституту застосовують у машинобудуванні, будівельній індустрії, видобутку й обробці природного каменю, геологорозвідувальному бурінні, електроніці, оптиці, медицині.
Від 1995 р. інститут є провідною організацією науково-технологічного алмазного концерну АЛКОН, продукція якого має попит як в Україні, так і в багатьох країнах світу.