Tepelná vodivost: třídy, příklady, tabulka, druhy, vlastnosti, vzorec, jednotky měření, mechanismy, praktická aplikace, úlohy s odpověďmi ve fyzice pro 8. ročník

Proč si v zimě nemůžeme olíznout houpačku a zahřejí nás plstěné boty a péřové bundy? Spolu s odborníkem pochopíme mechanismy přenosu tepla, porovnáme tepelnou vodivost různých materiálů a zjistíme, jaké další způsoby přenosu tepla jsou k dispozici

Pamatujete si, jak je skvělé se za sychravého podzimního večera zabalit do nadýchané hřejivé deky a pít kakao z velkého puntíkovaného hrnku? Okolní chlad jako by okamžitě ustoupil a v duši se usadila pohoda a klid. Málokdo si v takových chvílích myslí, že přikrývka ve skutečnosti nehřeje: jen brání teplu našeho těla, aby se rozptýlilo ve vzduchu. Ale horké kakao se s námi naopak pilně dělí o své teplo.

Společně s odborníkem přijdeme na to, jak tyto jevy souvisí s pojmem tepelná vodivost, zapamatujeme si vzorec z kurzu fyziky a dozvíme se, jak různé materiály vedou teplo.

Stanovení tepelné vodivosti

Tepelná vodivost, jak název napovídá, je schopnost materiálu vést teplo. Je to také jev přenosu energie v důsledku srážky částic hmoty buď uvnitř fyzického těla nebo z jednoho těla do druhého při jejich přímém kontaktu.

Užitečné informace o tepelné vodivosti

Pro numerické měření tepelné vodivosti se používá součinitel tepelné vodivosti λ.	Čím vyšší je, tím vyšší je schopnost materiálu přenášet teplo.
Tepelná vodivost závisí na hustotě materiálu a velikosti jeho částic.	Kovy mají nejvyšší součinitel tepelné vodivosti, nejnižší plyny.
Ve vakuu je výměna tepla nemožná.	Protože ve vakuu nejsou žádné částice hmoty, což znamená, že není co vyměňovat energii.

Jednotky tepelné vodivosti

Číselným vyjádřením schopnosti materiálu vést teplo je koeficient tepelné vodivosti. Označuje se písmenem λ (lambda) a měří se ve W/(m*K).

Pomocí tohoto koeficientu můžete pochopit, kolik tepla se přenese materiálem s plochou průřezu 1 m² a tloušťkou 1 metr za 1 sekundu s teplotním rozdílem 1 stupeň.

Například součinitel tepelné vodivosti vody je 0,6 W/(m*K). To znamená, že za 1 sekundu projde 1 W tepla objemem vody o ploše 1 m² a výšce 1 m při rozdílu teplot 0,6 stupeň.

Vzorec pro výpočet tepelné vodivosti

Součinitel tepelné vodivosti se vypočítá podle následujícího vzorce:

Q – množství tepla procházejícího materiálem v joulech (J)

d – tloušťka materiálu v metrech (m)

S – plocha průřezu v metrech čtverečních (m²)

t – trvání procesu v sekundách (s)

ΔT – teplotní rozdíl ve stupních (K)

Mechanismy vedení tepla

Abyste pochopili mechanismus tepelné vodivosti, musíte nejprve pochopit, jak se studený materiál liší od vyhřívaného. A velmi zjednodušeně řečeno, molekuly se v zahřáté látce pohybují rychleji než ve studené. Zvláště patrné je to samozřejmě u pevných materiálů, protože za studena stojí jejich molekuly tiše na svých místech v krystalové mřížce.

Při zahřátí získávají částice látky kinetickou energii a začnou vibrovat nebo se v případě kapalin a plynů rychle pohybovat. Proces přenosu energie z jedné molekuly látky na druhou při jejich srážce se nazývá tepelná vodivost. Ve skutečnosti se proto žádný předmět nezahřívá úplně celý najednou, ale postupně: některým částicím trvá, než předají teplo jiným. Rychlost, s jakou k tomu dojde, je určena koeficientem tepelné vodivosti konkrétního materiálu.

to je zajímavé
Definice moci jednoduchými a vědeckými slovy

Jiné způsoby přenosu tepla

Spolu s tepelnou vodivostí existují ještě dva způsoby přenosu tepla: konvekce a sálání. Podívejme se blíže na každou z nich, ale nezapomínejme, že v životě se nejčastěji vyskytují všechny tři možnosti přenosu tepla současně.

Každý, kdo viděl šálek horkého čaje, se setkal s fenoménem smíšeného přenosu tepla:

• stěny hrnku se při přímém kontaktu od čaje zahřívají – to je tepelná vodivost;
• horká pára stoupá vzhůru – konvekce;
• pocit tepla i na dálku od hrnku je záření.

Proudění

Konvekce je přenos tepla v prostoru spolu s ohřívanou látkou: horký vzduch z baterie stoupá ke stropu, studené částice vody padají dolů ve formě mlhy. Vzhledem k tomu, že při konvekci dochází ke smíchání hmoty, je tento jev možný pouze v kapalinách a plynech.

Záření

Dalším způsobem přenosu tepla je radiace, tedy přenos tepla bez pohybu molekul. Jaký předmět v přírodě je podle vás nejvýraznějším příkladem tohoto procesu? Samozřejmě, Slunce! Sluneční teplo je přenášeno vakuem vesmíru bez jakýchkoli molekul a ohřívá povrch Země a vše na ní.

to je zajímavé
Zakon Kulona
Co to je a jak se v praxi uplatňuje jeden ze základních fyzikálních zákonů?

Druhy a vlastnosti tepelné vodivosti

Tepelnou vodivost podmíněně rozdělme na vnitřní, tedy proces přenosu tepla uvnitř jednoho fyzického tělesa, a vnější, tedy přenos tepla z jednoho předmětu na druhý přímým fyzickým kontaktem. V tomto případě se rychlost přenosu tepla zvyšuje úměrně s rozdílem teplot: čím větší je rozdíl, tím rychleji dochází k přenosu tepla.

Musíte také pamatovat na to, že výměna tepla vždy jde z oblasti s vysokou teplotou do oblasti s nízkou, a ne naopak. Akumulátor chladu v termotašce proto nevydává svůj chlad vašemu nanuku, ale pouze odebírá teplo z okolního prostoru. A to tak dlouho, dokud se jeho teplota nevyrovná teplotě vzduchu uvnitř sáčku. A zmrzlina, vytažená z mrazáku v horkém dni, se okamžitě začne zahřívat kontaktem s horkým vzduchem a rychle taje. V obou případech se jedná o vnější tepelnou vodivost.

Vliv vnější tepelné vodivosti poznali i ti, kteří v dětství v mrazech zkoušeli jako pokus olíznout kovovou houpačku, trubku, hrazdu nebo jakýkoli jiný velký kus kovu. Teplo z vlhkého jazyka téměř okamžitě pohltí studená žehlička, která se pro svou obrovskou tepelnou kapacitu vůbec nezahřívá. Jazyk se však prudce ochladí, horní vrstvy kůže zmrznou a pokrývají se vrstvou ledu a led se stává vynikajícím „lepidlem“, které těsně spojuje krátkozrakého experimentátora a objekt jeho výzkumu.

Jazyk z houpačky odlepíte zahřátím kovu na teplotu nad nulou. Led roztaje a jazyk bude zachráněn spolu se svým majitelem. Můžete například použít teplou nebo dokonce pokojovou vodu nebo aktivně dýchat do oblasti, kde se jazyk dotýká kovu. Ale samozřejmě nemůžete použít oheň nebo vroucí vodu, abyste se nespálili!

Vnitřní tepelná vodivost je důležitá i v zimě: čím nižší je součinitel tepelné vodivosti materiálu, tím lépe udrží teplo uvnitř domu, auta nebo dokonce oblečení. Například tepelná vodivost plsti, ze které jsou plstěné boty vyrobeny, je asi 0.04 W/m*K, proto v nich nezmrznete ani v největších mrazech. Naše nohy o teplotě 36,6 stupňů ohřívají vzduch uvnitř plstěných bot, ale teplo z molekul vnitřní vrstvy plsti se na vnější povrch dostává velmi pomalu a ve studeném vzduchu se hned nerozptýlí. Ukazuje se, že nás nehřejí plstěné boty, ale naše vlastní tělo a hlavním úkolem je nenechat jeho úsilí přijít vniveč.

Stejným způsobem fungují péřové bundy: tepelná vodivost péřové směsi nebo umělého materiálu Thinsulate je přibližně 0,03 W/m*K, což znamená, že tělesné teplo zůstane uvnitř bundy poměrně dlouhou dobu, aniž by uniklo dovnitř. okolní prostor.

Tabulka tepelné vodivosti různých materiálů

Sestavme si tabulku součinitelů tepelné vodivosti různých materiálů.

Materiál	Součinitel tepelné vodivosti λ, W/(m*K)
Stříbro	420
Měď	395
Zlato	320
Hliník	207
Železo	92
Nerezová ocel (nerezová ocel)	15
sklo	1,15
Voda	0,6
dřevo	0,15 – 0,2
Thinsulate	0,04
Cítil	0,03
ovzduší	0,026
Absolutní vakuum

Problémy na téma “Tepelná vodivost”

Pojďme vyřešit několik problémů na toto téma, abychom upevnili materiál.

1 výzva

Představme si, že na stole jsou tři svíčky a nad nimi jsou vodorovně upevněné desky stejné tloušťky a šířky, ale vyrobené z různých kovů:

1. hliník
2. z mědi
3. nerezové oceli.

Konce destiček jsou umístěny přesně nad knoty svíček a ve vzdálenosti 10 cm od okraje ke spodní straně každé destičky je voskem přilepen ořech.

Podívejte se do tabulky tepelné vodivosti materiálů a zkuste odpovědět, která matice padne jako první a která jako poslední, pokud budou svíčky zapáleny současně?

2 výzva

Odpovězte na otázky týkající se tepelné vodivosti materiálů:

1. Proč okna s dvojitým zasklením poskytují lepší ochranu před chladem než okna s jednoduchým zasklením?
2. Proč při vaření v troubě používáte rukavice plněné vatou nebo plstí, než obyčejné gumové?
3. Kterou místnost je snazší vytápět ohřívačem v chladném období: kovový přívěs nebo dřevěný dům? Předpokládejme, že plocha a výška stropů šatny a domu jsou stejné.
4. Když zabalíte nanuk do teplého norkového kožichu, poroste rychleji?
5. Který druh kávy rychleji vychladne, pokud je její počáteční teplota stejná: espresso s mlékem nebo cappuccino?

3 výzva

Nejlepší student třídy Vasja Einshteinov se vsadil se svým kamarádem Petyou Kulachkovem, že kápne vodu na rozpálenou pánev, ale ta se do 15 sekund neodpaří. Poražený bude muset koupit housky pro vítěze ve školní jídelně na celý měsíc. Péťa okamžitě souhlasil se sázkou, protože si byl jistý, že takový trik se nikomu nepovede!

Kdo si myslíte, že vyhraje tento spor? Zkuste svou odpověď vysvětlit.

Odpovědi na problémy

Pojďme zkontrolovat odpovědi pro vlastní kontrolu.

1 výzva

Jak je vidět z tabulky, nejvyšší součinitel tepelné vodivosti má měď – 395 W/(m*K), hliník – 207 W/(m*K) a nerez – nejnižší, pouze 15 W/(m* K). Z toho usuzujeme, že při stejné ploše průřezu desek se teplo přenese přes měď ve směru od zapalovací svíčky k matici téměř dvakrát rychleji než přes hliník a 26krát rychleji než přes nerezovou ocel. . To znamená, že se vosk nejprve roztaví na druhé desce, po ní na první a naposledy na třetí.

2 výzva

Odpovězte na otázky týkající se tepelné vodivosti materiálů:

1. Mezi dvěma vrstvami skla v dvojskle je vzduch, který má nízkou tepelnou vodivost. Pomáhá lépe udržet teplo v interiéru.
2. Plsť díky své nízké tepelné vodivosti nejen chrání naše nohy před chladem, když nosíme plstěné boty, ale také zabraňuje tomu, abychom se spálili o rozpálený plech. A latex, ze kterého se často vyrábějí rukavice pro domácnost, nejen dobře vede teplo, ale má také bod tání 130–150 stupňů a jídlo v troubě se vaří při 180–200 stupních: takové rukavice se jednoduše roztaví.
3. Kov dobře vede teplo, což znamená, že když se vzduch uvnitř kabiny zahřeje, teplo se rychle přenese ven. Ale dřevo udrží teplo uvnitř domu.
4. Právě naopak: kožich bude hrát roli termosky a nedovolí zmrzlině ohřát se od okolního vzduchu, díky čemuž bude tát mnohem pomaleji.
5. Jak víme, vzduch vede teplo hůř než tekutina, což znamená, že mléčná pěna na cappuccinu bude fungovat jako tepelný izolant a tento nápoj bude chladit pomaleji než espresso s mlékem.

3 výzva

Vasja by samozřejmě takový spor nenavrhl, kdyby si nebyl stoprocentně jistý svým vítězstvím. Ale jaké je jeho tajemství?

Pointou je Leidenfrostův jev, jev pojmenovaný po německém fyzikovi, který jej popsal v polovině 170. století. Tento efekt spočívá v tom, že při povrchové teplotě nad 180-0,035 stupňů Celsia se spodní vrstva kapky vody dopadající na ni téměř okamžitě promění v páru. Tato pára směřuje vzhůru a vytlačuje kapku ze dna pánve. Je také přirozeným tepelným izolantem (součinitel tepelné vodivosti páry je 20 W/(m*K), což je XNUMXkrát nižší než u vody), takže zahřátí zbývající části kapky trvá hodně času. .

Oblíbené otázky a odpovědi

Odpovídá Yulia Sergeevna Krutova, učitelka fyziky, Městský vzdělávací ústav Střední škola č. 16, městská část Orekhovo-Zuevsky:

Proč mají tělesa různou tepelnou vodivost?

Tepelná vodivost přímo souvisí s vnitřní strukturou látky a závisí na velikosti molekul a vzdálenostech mezi nimi.

Jak se energie přenáší vedením?

Tepelná vodivost je druh přenosu tepla. Dochází k přenosu energie z více zahřátých těles nebo částí těla do méně zahřátých. Všechny látky jsou tvořeny molekulami, a pokud vezmeme v úvahu dvě tělesa, můžeme říci, že molekuly teplejšího tělesa se pohybují rychleji, srážejí se s molekulami méně zahřátého tělesa (pohybují se pomaleji) a nutí je k rychlejšímu pohybu, což zvyšuje teplotu.

Proč se v hodině fyziky v 8. ročníku studuje tepelná vodivost?

V 8. ročníku začíná studium oddílu „Tepelné jevy“, jelikož osmáci znají pojem energie, znají zákon zachování energie, mají představu o struktuře hmoty, tzn. existuje základ pro studium.

Když máme na mysli tepelnou vodivost stavebních materiálů, máme na mysli číselně vyjádřenou charakteristiku tělesa o schopnosti vést teplo. Pro porovnání výpočtových ukazatelů během stavby byla vyvinuta speciální tabulka tepelné vodivosti. Podle jejích údajů můžete zvolit požadovanou pevnost materiálu a určit paropropustnost větší části stavebních materiálů.

Diagram tepelné vodivosti a tloušťky materiálů.

Důležité informace o tepelné vodivosti

Proces přenosu tepla mezi molekulami homogenního tělesa s různými teplotami se nazývá tepelná vodivost stavebních materiálů. V rámci tohoto procesu si nejmenší částice, které tvoří těleso, aktivně vyměňují energii atomů. V tomto případě se atomy tělesa začnou rychle a chaoticky pohybovat. Takové výměně tepla podléhá jakékoli fyzické těleso, ve kterém dochází k nerovnoměrnému rozložení teploty. Mechanismus tepelné vodivosti do značné míry závisí na skupenství látky v daném okamžiku.

Každá látka vede teplo odlišně. Pro měření byl zaveden koeficient, který ukazuje hodnotu měrné tepelné vodivosti. Digitální vyjádření této charakteristiky odpovídá množství tepla procházejícího materiálem o tloušťce 1 m.

Tabulka tepelné vodivosti izolačních materiálů.

Před několika desetiletími se vědci domnívali, že přenos tepelné energie závisí na přenosu tepla z jednoho tělesa na druhé. Výzkum tento názor vyvrátil. Dnes je tepelná vodivost přirozenou snahou objektů dosáhnout termodynamické rovnováhy. K tomu dochází poté, co se teplota tělesa vyrovná.

Vysoce porézní stavební materiály mají nízkou tepelnou vodivost. Nelze ji srovnávat s tepelnou vodivostí stavebních materiálů s vysokou hustotou. Tepelný tok těchto materiálů prochází póry vyplněnými vzduchem. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti vzduchu existuje silný odpor proti směrovanému pohybu tepla. Pokud je pórovitost materiálů stejná, bude tepelná vodivost nižší u materiálu s nejmenším průměrem pórů. Pokud jsou póry velké, dochází k přenosu tepla v důsledku konvekce. Pohyb tepla se urychluje, pokud jsou přítomny komunikující velké póry.

Při navrhování tepelné izolace je nutné pamatovat na to, že pokud je zvýšená vlhkost, tepelná vodivost samotných stavebních materiálů se několikanásobně zvyšuje. To je dáno tím, že póry, do kterých se voda dostala, mnohem lépe propouštějí teplo.

Struktura materiálu ovlivňuje tepelnou vodivost. Směr vláken materiálu způsobuje odlišnou tepelnou vodivost. Například dřevo s podélně uspořádanými vlákny má mnohem nižší tepelný odpor než dřevo s příčně uspořádanými vlákny. V důsledku toho je tepelná vodivost parketové podlahy mnohem nižší než u podlahy z jiného dřeva.

Schéma pro porovnání tepelné vodivosti stěn z pórobetonu a cihel.

Tuto závislost je nutné vzít v úvahu při použití vrstevnatých materiálů.

Dnes můžeme s jistotou říci, že tepelná vodivost je jednou z nejdůležitějších vlastností stavebních materiálů používaných pro stavbu:

• stěny;
• podlahy;
• izolace;
• chladničky;
• kotle

Správné použití tepelně izolačních materiálů, ze kterých jsou vyrobeny obvodové konstrukce, do značné míry určuje finanční náklady na vytápění v zimě.

Hodnota součinitele tepelné vodivosti stavebních materiálů

Rovná se množství tepla, které projde materiálem o tloušťce 1 m za jednu hodinu. Teplota se navíc na opačných stranách může lišit pouze o jeden stupeň. Samotný parametr se měří ve wattech.

Použití takového parametru bylo způsobeno požadavky na správnou volbu fasády pro dosažení maximální tepelné izolace. Pouze dodržení této podmínky umožní obyvatelům budovy cítit se pohodlně. Kromě toho tento aspekt pomáhá při výběru látky pro dodatečnou izolaci budovy. Chyby ve výpočtu jsou v tomto případě nepřijatelné, protože může dojít k posunu rosného bodu, stěny začnou vlhnout. Takový dům je vždy studený, je plný vlhkosti.

Tepelná vodivost je v podstatě ukazatelem stupně tepelné izolace. Samozřejmě ji lze považovat za nejdůležitější parametr během výstavby. Právě tento parametr pomáhá postavit teplý a útulný dům.

Použití součinitele tepelné vodivosti má dobré důvody. V dnešní době je nejpalčivějším problémem zachování tepla v rozestavěných prostorách a budovách. Hovora se týká nejběžnějších úspor.

Koneckonců, udržování normální teploty v obytné budově vyžaduje hodně paliva.

Pokud je tepelná izolace špatná, bude potřeba mnohem více paliva.

Tepelná vodivost moderních stavebních materiálů

Vlastnosti a klasifikace moderních stavebních materiálů.

Až donedávna měly dřevěné domy nejlepší tepelněizolační parametry. Například borovice má součinitel tepelné vodivosti 0,18 W/m*K. Tento ukazatel však může být ovlivněn řadou nuancí. Hustota dřeva a index vlhkosti jsou velmi důležité. Proto se při stavbě domu z kulatiny předem podrobuje speciální přípravě.

Každý druh dřeva má své vlastní charakteristiky tepelné vodivosti. Například borovicové dřevo dům velmi zahřeje, ale osika se na stavbu domu nehodí.

Nejnovější technologie pomohly získat nový materiál zvaný pórobeton. Skládá se z betonového základu, do kterého byl přidán hliníkový prášek. Výsledkem je porézní struktura. Vzduchové komory výrazně zvyšují hodnotu součinitele tepelné vodivosti. U pórobetonu překonal hodnotu dřeva a dosáhl 0,12 W/m*K, s hustotou materiálu okolo 500 kg/m³. Pěnobeton má nižší tepelnou vodivost – 0,38 W/m*K.

I s takovým rozdílem je však cena pórobetonu mnohem vyšší než cena pěnobetonu. V tomto ohledu se pěnobeton stal velmi populárním.

Klasickým materiálem pro stavbu budov je cihla. Vzhledem k obrovské rozmanitosti tohoto materiálu, různým tvarům a velikostem má tepelná vodivost také různé ukazatele.

Tabulka tepelné vodivosti izolačních materiálů.

Při výběru konkrétního typu materiálu je nutné zohlednit, jak bude budova využívána, jaké klima panuje v místě domu. Tyto parametry budou hlavními charakteristikami při analýze těchto stavebních materiálů. Nejdůležitější je součinitel tepelné vodivosti.

Při stavbě architektonických budov je zakázáno mít stavební materiál s vysokou tepelnou vodivostí. Čím vyšší je tepelná vodivost, tím horší jsou tepelně izolační vlastnosti materiálu. Jsou to ty, které udržují v místnosti určitou teplotu.

Pokud mají stavební materiály nízkou tepelnou vodivost, teplota v místnosti se udržuje bez ohledu na venkovní počasí. To se děje v důsledku difúze mezi částicemi s různými teplotami.

Jak se v praxi využívá nízká tepelná vodivost?

Nejnovější technologie pro výrobu tepelněizolačních materiálů otevírají stavebnictví mnoho příležitostí. V dnešní době není vůbec nutné mít domy s velmi silnými zdmi. Aby se budova stala energeticky úspornou, je možné během stavby kombinovat různé druhy materiálů.

Cihla má nízkou tepelnou vodivost. Pro kompenzaci se používá dodatečná izolace. K tomuto účelu se často používá polystyrenová pěna. Tento materiál má součinitel tepelné vodivosti 0,03 W/m°.

Dnes se místo velmi drahých cihlových domů s nízkou energetickou účinností, různých typů rámových konstrukcí, monolitických budov, jejichž stěny jsou z těžkého betonu, staví budovy s použitím pórobetonu. Technologické vlastnosti tohoto materiálu jsou podobné vlastnostem dřeva.

Dům z takového materiálu nikdy nemá zamrzlé stěny, a to ani když venku panují silné mrazy.