Как человек использует плохую теплопроводность воздуха

Человек и животные в своей повседневной жизни используют различные свойства воздуха. Рассмотрим на примерах как использовать свойство воздуха — плохо проводить тепло.

Раньше окна делали из двух рам. Это для того, чтобы лучше сохранять тепло в доме. Между рамами находится воздух, который благодаря своей низкой плотности плохо проводит тепло, и если нет щелей, то такое окно сохраняет комфортную температуру в помещении.

Современные пластиковые окна аналогичны по конструкции. Стеклопакет состоит из нескольких стекол, между которыми находится слои воздуха, поэтому такое окно также хорошо удерживает тепло. Пластиковая рама содержит перегородки и состоит из нескольких воздушных камер, плохо проводящих тепло. Раньше чаще применялись рамы деревянные — дерево тоже плохой проводник тепла.

Когда мы надеваем пуховик или шерстяной свитер, нам становится тепло. Это происходит по той причине, что вещи удерживают вокруг нас теплый воздух, согретый нашим телом. Воздух снова плохо передает тепло в окружающее пространство.

Лучше всего данное свойство научились использовать животные и птицы.

Почему северные олени не замерзают даже в большой мороз? Что защищает их от холода? Оказывается, у оленя надувная шерсть, пустотелые шерстинки наполнены воздухом. Поскольку воздух плохо проводит тепло, то такая шерсть хорошо защищает оленя от холода.

Во время сильных морозов птицы нахохливаются. Почему при этом они легче переносят холод? Когда птицы нахохливаются, слой воздуха между перьями увеличивается и вследствие плохой теплопроводности задерживает отдачу тепла телом птицы в окружающее пространство.

Еще несколько интересных фактов из жизни птиц и животных.

В сильный мороз птицы чаще замерзают на лету, чем сидя на месте. Чем это можно объяснить? При полете оперение птицы сжато и содержит мало воздуха, а вследствие быстрого движения в холодном воздухе, происходит усиленная отдача тепла в окружающее пространство. Эта потеря тепла бывает настолько большой, что птица на лету замерзает.

Животные обитающие в холодном климате, имеют более густой волосяной покров, чем животные жарких стран. Более густой волосяной покров уменьшает отдачу тепла, что особенно важно в условиях крайнего севера.

Благодаря низкой плотность воздух обладает замечательным свойством: он плохо проводит тепло. Звери поднимают шерсть, птицы хохлятся, когда им холодно, а человек надевает теплый свитер все это только для того, чтобы окружить себя воздушной оболочкой, которая плохо проводит тепло. Свитер не дает телу потерять свое тепло. С той же целью в окна вставляют вторые рамы. Стекла сами по себе не защищают от холода, они лишь удерживают прослойку воздуха, который не пропускает теплый воздух из квартиры на улицу.

Свойство воздуха плохо проводить тепло можно подтвердить следующим опытом:

Наполним два стакана горячей водой и накроем их крышками. Один стакан поставим на стол, а другой на пустую спичечную коробочку, и сверху накроем этот стакан стеклянной банкой. Вскоре вода в первом стакане остынет. А вода под стеклянной банкой будет ещё тёплой. Это происходит потому, что воздух плохо проводит тепло.

Надеемся, что данная статья будет полезна школьникам 2 — 3 класса при подготовке домашнего задания по предмету окружающий мир.

Использованы материалы из книги: Физика в живой природе. В.М.Варикаш, Б.А. Кимбар, И.М.Варикаш. г Минск

Проводимость — это способность тела или материала пропускать тепло. При этом оно перемещается через твердый объект или из одного объекта в другой, потому что оба они находятся в контакте друг с другом. Это единственный способ прохождения тепла по всему телу. Возникает вопрос: «Как проводит тепло воздух и другие материалы?» Узнайте в статье!

Теплопроводность

Способность передавать тепло внутри объекта называется теплопроводностью. Это свойство обозначают буквой k, а измеряют в Вт/(м×K). Показатели теплопроводности варьируются для разных материалов. Так, золото, серебро и медь имеют высокую теплопроводность. К слову, эти материалы также являются хорошими проводниками электричества. А как воздух проводит тепло? Ответ краток: он является плохим проводником. Высокая проводимость золота, серебра и меди связана с тем, что электроны, которые отвечают за перенос заряда, также принимают участие в передаче тепловой энергии.

А вот такие материалы, как стекло и минеральная вата, имеют низкую теплопроводность. Объясняется это тем, что у них очень мало «свободных» электронов для переноса тепловой энергии внутри твердого тела. Материалы такого типа называют изоляторами. Скорость теплопередачи (то есть скорость движения тепловой энергии) напрямую зависит от теплопроводности, разности температур и площади контакта и материала, которыми обладает тело. По этой же причине нельзя утверждать, что воздух проводит тепло хорошо.

Если материал является хорошим проводником тепла, тогда оно быстро перемещается по телу. Металлы широко используются для целей теплопередачи, поскольку они обладают свойствами, которые позволяют распространять тепло, одновременно выдерживая экстремальные температуры, связанные с нагревом.

Именно электроны отвечают за передачу тепловой энергии, а также электрического заряда. Поэтому металлы являются хорошими проводниками тепла и электричества! Тут-то и скрывается ответ на вопрос: «Почему воздух плохо проводит тепло?»

Тем не менее не следует путать электрическую проводимость (которая связана с зарядом электронов), когда вы имеете в виду теплопроводность (которая связана с переносом энергии электронов).

Доказываем опытным путем

Попробуйте подержать один конец металлического стержня над пламенем – через несколько минут он нагреется.

Теперь подержите конец деревянной палочки в пламени, и этот конец станет настолько горячим, что он в конце концов вовсе загорится. Однако тот конец палочки, за который вы держитесь, останется относительно прохладным.

Тепло не распространяется по всему объему тела из-за его состава: его структура затрудняет передачу тепла электронами по материалу.

Так, повседневный опыт свидетельствует, что древесина не является хорошим проводником тепла. Если вам когда-нибудь приходилось видеть срез дерева под микроскопом, то вы наверняка заметили особенности структуры древесины: она состоит из отдельных ячеек, которые действуют как изоляторы, потому что они не взаимосвязаны. Клетки разбросаны, как камни в потоке. По такому материалу тепло двигается значительно медленнее, чем в металлах, где атомы связаны друг с другом в трехмерной «решетке».

Воздух плохо проводит тепло. Опыт повседневной жизни показывает: вспомните строение окон. Они всегда состоят из как минимум двух стекол, между которыми находится воздушная «подушка». Эта прослойка помогает сохранять тепло в помещении, не пропуская его наружу.

Итак, если тепловая энергия применяется непосредственно к одной части твердого объекта, электроны в объекте становятся возбужденными. Это приводит к колебаниям атомной решетки, которые проходят по объекту, повышая температуру при прохождении. Чем ближе звенья внутри твердого тела, тем быстрее происходит передача тепла.

Жидкости — плохие проводники тепла

Если вы закрепите кубик льда в нижней части пробирки с водой (вам нужно использовать вес, чтобы сделать это, иначе он будет плавать на поверхности, так как у льда меньшая плотность, чем у воды), а затем нагреете воду в верхней части трубки, вы обнаружите, что вода будет кипеть в верхней части трубки, а кубик льда останется замороженным.

Это связано с тем, что вода является плохим проводником тепла. Большая часть тепла будет двигаться в конвекционном токе внутри воды в верхней части пробирки, только небольшая часть ее будет опускаться до кубика льда.

Как воздух проводит тепло?

Воздух представляет собой набор газов. Хотя он отлично подходит для конвекции, количество тепла, которое он может передать, минимально, потому что малая масса вещества не может хранить большое количество тепла — именно поэтому его не считают хорошим проводником. Изоляционные свойства воздуха применяются человечеством в повседневной жизни. Так, они используются для изоляции кулеров, в стенах здания. Даже работа термоса построена на том, что воздух плохо проводит тепло. Примеров действительно множество!

Так чем же обусловлено это явление? Поскольку воздух неплотный, существует определенная масса, доступная для передачи тепловой энергии через проводимость. Поэтому он является плохим проводником, но отличным изолятором. Тем не менее ответ на вопрос: «Проводит ли воздух тепло?» — не столь однозначный. Так, рассмотрим следующие явления.

Радиация — это передача энергии через волны или возбужденные частицы. Воздух создает тепловой зазор, который не позволяет преодолеть тепловую энергию над ним. Тепло должно излучаться от поверхности к воздушным частицам, затем оно должно излучаться из воздуха на противоположную поверхность. Тепло очень медленно передвигается между тремя материалами, и большая часть передаваемой тепловой энергии поглощается в воздухе.

Конвекция представляет собой движение тепла через жидкость или газ из-за уменьшения плотности за счет поглощения тепла. В таком случае свойства воздуха становятся крайне полезными. Он также двигается вверх, передавая тепло из изолированного контейнера или пространства. Поэтому конвекция используется для удаления тепла и может применяться для охлаждения поверхности. Распределение тепла через конвекцию в воздухе несколько неэффективно, однако оно используется для многих целей охлаждения. Да, воздух плохо проводит тепло.

Примеры изоляции

Изоляция используется для многих целей. Некоторые из них включают охлаждение напитков и пищевых продуктов, создание воздушных зазоров в стенах, внедрение воздушных полостей в кухонные принадлежности. Особенности того, как воздух проводит тепло, применяются даже в изоляционной пене.

Вывод

Проводимость — это прохождение тепла через твердое тело. От явления конвекции ее отличает то, что в процессе не происходит никакого движения материи. Теперь нам известно, хорошо ли воздух проводит тепло, а также чем это обусловлено.

Актуальность: В наше время разрабатываются новые материалы. Знания о теплопроводности различных веществ позволяет не только широко использовать их, но и предотвращать их вредное воздействие в быту, технике и природе.

Цель: изучение явления теплопроводности, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостями и газами.

Задачи:

• изучить теоретический материал по данному вопросу;
• исследовать теплопроводность твердых тел;
• исследовать теплопроводность жидкостей;
• исследовать теплопроводность газов;
• сделать выводы о полученных результатах.

Гипотеза: все вещества (твердые, жидкие и газообразные) имеют разную теплопроводность.

Оборудование: спиртовка, штатив, деревянная палочка, стеклянная палочка, медная проволока, пробирка с водой.

Элементы УМК к учебнику А.В.Перышкина: учебник «Физика. 8 класс» А.В.Перышкина

Содержание работы

Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Опыт 1. Исследование теплопроводности твердых тел на примере деревянной палочки, стеклянной палочки и медного стержня

Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится.

Вывод: дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным.

Вывод: стекло имеет плохую теплопроводность.

Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.

Вывод: металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.

Рассмотрим передачу тепла от одной части твердого тела к другой на следующем опыте. Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков (рис. 6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.

Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и т. д. Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Опыт 2. Исследование теплопроводности жидкостей на примере воды

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой и станем нагревать ее верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 7). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Вывод: теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности металлов.

Опыт 3. Исследование теплопроводности газов

Исследуем теплопроводность газов.

Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 8). Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел.

Вывод: теплопроводность у газов еще меньше, чем у жидкостей. Итак, теплопроводность у различных веществ различна.

Выводы и их обсуждение

Вывод: Проведенные опыты показывают, что теплопроводность у различных веществ различна. Наибольшей теплопроводность обладают металлы, у жидкостей теплопроводность невелика и самая малая теплопроводность у газов.

Используя §4 учебника физики для 8 класса, представим результаты в виде таблицы:

металлы (серебро, медь, железо)

пористые тела, пробка, бумага, стекло, кирпич, пластмассы

волосы, перья птиц, шерсть

Объяснение явления теплопроводности с молекулярно-кинетической точки зрения: теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В металлах частицы расположены близко, они постоянно взаимодействуют друг с другом. Скорость колебательного движения в нагретой части металла увеличивается и быстро передается соседним частицам. Повышается температура следующей части проволоки. В жидкостях и газах молекулы расположены на больших расстояниях, чем в металлах. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Применение теплопроводности

Теплопроводность на кухне

Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы (медь, алюминий…), так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается пище. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых пище передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью.

Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры пищи неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них пища остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, пище — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для пищи навынос. В вакуумном сосуде Дьюара (известном как «термос», по названию торговой марки) между наружной и внутренней стенкой почти нет воздуха — это еще больше уменьшает теплопроводность.

Отопительная система

Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы. Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Основные характеристики радиатора отопления: материал изготовления, тип конструкции, габаритные размеры (кол-во секций), теплоотдача. Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Наиболее часто используют чугунные радиаторы; алюминиевые радиаторы; стальные радиаторы; биметаллические радиаторы.

Теплопроводность для тепла

Мы используем материалы с низкой теплопроводностью для поддержания постоянной температуры тела. Примеры таких материалов — шерсть, пух, и синтетическая шерсть. Кожа животных покрыта мехом, а птиц — пухом с низкой теплопроводностью, и мы заимствуем эти материалы у животных или создаем похожие на них синтетические ткани, и делаем из них одежду и обувь, которые защищают нас от холода. Кроме этого мы делаем одеяла, так как спать под ними удобнее, чем в одежде. Воздух имеет низкую теплопроводность, но проблема с холодным воздухом в том, что обычно он может свободно двигаться в любом направлении. Он вытесняет теплый воздух вокруг нас, и нам становится холодно. Если движение воздуха ограничить, например, заключив его между внешней и внутренней стенками сосуда, то он обеспечивает хорошую термоизоляцию. У снега и льда тоже низкая теплопроводность, поэтому люди, животные и растения используют их для теплоизоляции. В свежем не утрамбованном снеге внутри находится воздух, что еще больше уменьшает его теплопроводность, особенно потому, что теплопроводность воздуха ниже теплопроводности снега. Благодаря этим свойствам, ледяной и снежный покров защищает растения от замерзания. Животные роют ямки и целые пещеры для зимовья в снегу. Путешественники, переходящие через заснеженные районы, иногда роют подобные пещеры, чтобы в них переночевать. С древнейших времен люди строили убежища изо льда, а сейчас создают целые развлекательные центры и гостиницы. В них часто горит огонь, и люди спят в мехах и синтетических спальных мешках.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности в организме людей и животных необходимо поддерживать определенную температуру в очень узких пределах. У крови и других жидкостей, а также у тканей разная теплопроводность и ее можно регулировать в зависимости от потребностей и окружающей температуры. Так, например, организм может изменить количество крови на участке тела или во всем организме с помощью расширения или сужения сосудов. Наше тело также может сгущать и разжижать кровь. При этом теплопроводность крови, а, следовательно, и части тела, где эта кровь течет, изменяется.

Теплолечение

Современные методы лечения теплом могут быть разделены на три большие группы: 1) контактное приложение нагретых сред; 2) светотепловое облучение и 3) использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока. Остановимся на использовании нагретых сред. Для теплолечения выбираются среды, позволяющие создать в них значительный запас теплоты. Эта теплота затем должна медленно и постепенно передаваться организму во все время процедуры. Для этого среда должна иметь, возможно, высокую теплоемкость и сравнительно низкие теплопроводность и конвекционную способности. Для теплолечения в основном применяют следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи и парафин.

Теплопроводность в бане

Многие любят отдыхать в саунах или банях, но сидеть там на скамейках из материала с высокой теплопроводностью — было бы невозможно. Требуется много времени, чтобы сравнять температуру таких материалов с температурой тела, поэтому вместо них используют материалы с низкой теплопроводностью, например дерево, верхние слои которого намного быстрее принимают температуру тела. Так как в сауне температура поднимается достаточно высоко, люди часто надевают на голову шапочки из шерсти или войлока, чтобы защитить голову от жары. В турецких банях хамамах температура намного ниже, поэтому там для скамеек используют материал с более высокой теплопроводностью — камень.

Интересные факты о теплопроводности

Тепло ли колючим зверям в иголках?

Шерсть не только спасает зверей от холода, но и служит средством защиты. А чтобы защита была внушительнее и надежнее, волосяной покров порой видоизменяется, превращаясь в своеобразные доспехи. Иглы, например. Но вот сохраняет ли такое облачение присущие шерсти свойства, не зябнут ли ежи и дикобразы в своих колючих шубках?

Ученые Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северова РАН обстоятельно изучили теплопроводные и теплоизоляционные свойства иголок, взятых со спины взрослого самца североамериканского дикобраза из коллекции Зоологического музея МГУ, и убедились, что греют эти самые иголки очень даже неплохо. Чтобы понять внутреннюю структуру игл, на них делали тонкие срезы, на которые напыляли золото для исследования в электронном микроскопе. Кератин — главная составляющая иголок — проводит тепло в 10 раз лучше, чем воздух. И благодаря этому иглы увеличивают теплопроводность «доспехов». Следовательно, возрастают и потери тепла с тела животного. Однако внутренняя пористая структура игл создает дополнительное экранирование теплового излучения, что, скорее всего, и компенсирует увеличение теплопроводности. Так что дикобраз, как и другие колючие звери, вовсе не страдает от холода. Иглистый покров сохраняет ровно столько тепла, сколько нужно теплокровному животному такого размера.

Полипропилен

Пока является лучшей основой для материалов (волокон, нитей, пряжи, полотен, тканей), используемых в производстве нательной спортивной одежды, термобелья и термоносков. Среди всех синтетических материалов, применяемых в этой области, он обладает самой низкой теплопроводностью. Поэтому одежда из полипропилена позволяет наилучшим образом сохранить тепло зимой и прохладу летом.

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Материалом с наивысшей теплопроводностью является вовсе не какой-нибудь металл (серебро или медь), как думают многие. Самую высокую теплопроводность имеет материал, который похож на стекло – алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше, чем у серебра или меди. Если изготовить чайную ложечку из алмаза, то воспользоваться ею не удастся, так как она будет обжигать пальцы в ту же секунду.

Из чего изготавливают сваи при строительстве зданий в регионах с вечной мерзлотой?

Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними. Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала, внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.

«Огнеупорный шарик»

Обычный воздушный шарик, надутый воздухом, легко воспламеняется в пламени свечи. Он тут же лопается. Если же к пламени свечи поднести такой же шарик, заполненный водой, он становится «огнеупорным». Теплопроводность воды в 24 раза больше, чем у воздуха. Значит, вода проводит тепло в 24 раза быстрее, чем воздух. Пока вода не испарится внутри шарика – он не лопнет.