Теплопроводность интересные факты: 8 Теплопроводность. Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей

Содержание

8 Теплопроводность. Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей

8

Теплопроводность

Для опыта нам потребуются: алюминиевая ложка или кусок толстой медной проволоки, деревянная ложка или обычный карандаш, чашка с кипятком.

Знаешь ли ты, мой уважаемый читатель, почему баню или сауну изнутри обшивают деревом? Более того, если дерево для лавки прибивают гвоздями, то шляпки гвоздей забивают так, чтобы они были ниже поверхности дерева. Зачем это делают?

Представим себе, что в парилке, где температура достигает 110 градусов (а иногда и выше!), один из гвоздей немного выскочил наружу и голой кожей вы коснулись металла. Немедленно возникнет ощущение боли, и небольшой ожог обеспечен. Но как же так, ведь температура поверхности дерева и температура поверхности гвоздя должны быть одинаковыми!

Действительно, температура поверхности и металла, и дерева в одном и том же помещении одинаковая. Дело в том, что температура – это еще не самое главное. Есть такое понятие, как теплопроводность.

Что это означает? Это означает то, как вещество, из которого состоит предмет, пропускает (проводит) через себя тепло. Тепло можно представить себе как невидимую воду, текущую через все предметы. Есть только одно правило, которому эта «вода» – или тепло – подчиняется. Тепло всегда перетекает от более теплого тела к более холодному.

Именно поэтому было время, когда ученые думали, что наш мир через много-много лет ожидает «тепловая смерть». Ведь если все теплые тела отдадут тепло более холодным, нагревая их, то настанет такой момент, когда все тела станут одинаковой температуры. И все процессы, все движение, все реакции (например, переваривание пищи в желудке) станут невозможными. Мир как бы будет остановлен. (На самом деле, во-первых, до этого еще так далеко, что и нам, и нашим прапрапрапрапраправнукам эта опасность не грозит. Во-вторых, ученые потом подумали получше и поняли, что вселенная может оказаться бесконечной и тогда «тепловая смерть» не наступит.)

Итак, разные тела проводят тепло по-разному. Очень хорошо проводят тепло металлы. Металлы для тепла – как широкие речки, по ним тепло быстро и далеко течет.

Если начать охлаждать (или нагревать) любую часть металлического предмета, то очень быстро тепло распространяется на весь предмет (или весь предмет охлаждается). Кстати, если металл охладить до невероятно низкой температуры, то у металла начинают проявляться просто фантастические свойства. Например, пущенный по металлу ток будет бежать вечно, никогда не ослабляясь. В обычных проводах ток потихонечку слабеет с расстоянием и через несколько тысяч километров может почти совсем исчезнуть. (Ток, как и тепло, лучше всего поначалу представлять в виде воды. Вода в реке быстрее течет у истока и медленнее – у устья.)

Другие материалы проводят тепло хуже и отдают тепло только с поверхности. Дерево, например, почти вообще не проводит тепло. Это уже не «речка», а плотина какая-то! Чем хуже проводит тепло материал, тем лучше им защищаться от холода (или жары). Например, обычный жир очень плохо проводит тепло (у него низкая теплопроводность, как сказали бы физики). Поэтому все теплокровные животные, живущие в холодных морях или на севере, такие жирные. Тюлень, белый медведь, каланы, морские львы и котики – посмотрите на них: жировой слой с его плохой теплопроводностью служит им скафандром, одеялом, укутывающим их с ног до головы. Проведем простой опыт. Для него нам понадобятся две ложки: деревянная и алюминиевая. Если у тебя не найдется в доме деревянной ложки, возьми деревянную палочку или обычный карандаш. Вместо алюминиевой ложки можно взять кусок толстой медной проволоки. Вскипяти чайник и налей кипятка в обычную чашку. Теперь возьми в одну руку деревянную ложку (карандаш), а в другую – алюминиевую (кусок проволоки) и опусти обе в кипяток. Некоторое время ты можешь размешивать кипяток и той и другой ложкой. Но скоро металл придется бросить – он сильно нагревается.

Теперь нам ясно, как отличаются вещества по теплопроводности. Ведь температура воды в чашке одна и та же, а тепло, бегущее по опущенным в воду предметам, передается по-разному. Еще можно представить, что если тепло – это невидимая жидкость, то металл – это удобный шланг, по которому жидкость бежит быстро. А дерево, пластмасса – это губка, которая, хоть и впитывает тепло, но медленно и отдает неохотно.

И нам становится ясно, почему в бане (сауне) гвозди забивают глубоко, чтобы не торчали шляпки наружу. Это все из-за теплопроводности!

Практический совет: никогда не дотрагивайся языком до железных предметов на морозе. Жидкость, которая содержится на языке, с такой скоростью отдает свое тепло металлу (ведь у металла хорошая теплопроводность!), что мгновенно превращается в лед, и язык прочно пристывает, примерзает к металлу. Но уж если такое произошло, надо чтобы кто-нибудь налил большую кружку теплой воды и лил на металл и язык. Когда металл в этом месте нагреется, лед растает и язык отлипнет от металла сам.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Виды теплопередачи

В своей работе по теме «Виды теплопередачи» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: внутреннюю энергию тел можно изменять путем теплопередачи. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Опыт № 1. Теплопроводность

На примере этого опыта я хотел показать действие теплопроводности наглядно. При нормальных условиях тепло должно передаваться равномерно вследствие колебательных движений частиц.

К металлической линейке с помощью воска я прикрепил несколько кнопок. Закрепив линейку в штативе, я начал нагревать один конец линейки с помощью спиртовки. Линейка начала постепенно нагреваться, это можно доказать тем, что воск начал таять постепенно и кнопки поочерёдно начали отпадать.

Вывод из опыта № 1

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 в следующей части линейки. При теплопроводности не происходит переноса самого вещества. Теплопроводность металла хорошая, у жидкостей невелика, у газов еще меньше.

Применения теплопроводности

  • Теплопроводность используется при плавлении металлов.
  • В электронике используют настолько плотное расположение плат, что теплоноситель проникает туда с трудом. Поэтому приходится тепло от электронных чипов отводить теплопроводностью.
  • Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. В кухонной посуде ручки чайников и кастрюль обычно делают деревянными или пластмассовыми в связи с тем, что у дерева и пластмассы плохая теплопроводность.
  • Поверхность утюга, которой гладят металлическая, чтобы хорошо прогревалась, а вся остальная часть утюга пластмассовая, чтобы не обжечься.
  • Плохую теплопроводность газов в основном используют, как теплоизоляцию, чтобы предохранять помещения от замерзания.
  • Плохая теплопроводность газов используется в окнах. Между двумя стёклами в окне находится воздух, поэтому воздух долгое время сохраняет тепло.
  • Термос работает по такому же принципу, что и окно. Между внутренними стенками и внешними находится воздух, и тепло очень медленно уходит.
  • Теплопроводность газов используется во многих строительных материалах, например, в кирпичах. В кирпиче находятся отверстия не просто так, а для сохранения тепла. Стены состоят из двух слоёв, между которыми находится воздух, это сделано для сохранения тепла.
  • Дома в зонах вечной мерзлоты строят на сваях.
  • Тонкой полиэтиленовой плёнкой можно защищать растения от холода, потому что полиэтилен – плохой проводник тепла.
  • Материалы, не пропускающие тепло, используются при космических полётах, чтобы пилоты не замерзали.
  • Горячие предметы лучше брать сухой тряпкой, нежели мокрой, потому что воздух хуже проводит тепло, чем вода.

Теплопроводность в природе

У многих не перелётных птиц температура лапок и тела может различаться до 30 °С. Это связано с тем, что им приходится ходить по холодной земле или по снегу, чтобы не замёрзнуть, низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу.

Образование ветра это тоже теплопроводность. Зарождаются ветра обычно около водоёмов. Днём суша нагревается быстрее чем вода, то есть над водой воздух более холодный, следовательно, его давление выше, чем у воздуха, который над сушей, и ветер начинает дуть в сторону суши. Ночью же суша остывает быстрее, чем над водой, и воздух над ней становится холоднее, чем тот, что над водой и ветер дует в сторону воды.

Мех животных обладает плохой теплопроводностью, что защищает их от перегрева и замерзания.

Снег, будучи плохим проводником тепла, предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Внешняя температура тела у человека держится постоянной благодаря теплопроводности и её свойству, согласно которому, при взаимодействии микрочастиц они передают друг другу тепло.

Интересные факты о теплопроводности

Самую большую теплопроводность имеет алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше чем у меди. Если алмазную ложечку опустить в горячий чай, то вы сразу обожжётесь из-за того, что тепло дошло до конца ложки.

Теплопроводность стекла настолько мала, что вы можете взять стеклянную палочку, раскаленную посередине, за концы, и при этом даже не почувствовать тепла.

Итальянские учёные изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Лето в ней не буде жарко, а зимой – холодно. Это связано с тем, что она сшита из специального материала, не пропускающего тепло.

Опыт № 2. Излучение

В этом опыте я хотел показать способ передачи тепла без взаимодействия двух тел. Тепло должно передаваться приёмнику, а тот в свою очередь пускать его через трубку в жидкостный манометр. Вследствие нагрева воздуха в колене соединённом с жидкостным манометром, жидкость должна опуститься.

Я соединил колено жидкостного манометра с теплоприемником. Зажёг спиртовку и поднёс к ней теплоприёмник светлой стороной, но на определённое расстояние. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, немного уменьшилась. Выровняв количество жидкости в манометре, я снова поднёс теплоприемник к источнику тепла, но уже тёмной стороной. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, уменьшилась, но значительно сильнее и быстрее. Воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился, стал давить на жидкость в колене манометра.

Вывод из опыта № 2

Энергия передавалась не теплопроводностью. Между нагретым телом и теплоприемником находился воздух – плохой проводник тепла. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.

Передача тепла излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться даже в полном вакууме.

Важным и отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если поместить тело в теплоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии. Часть тепла полученного излучением поглощается, а часть отражается.

Применения излучения

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолетов красят в серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем.

Лучевой нагрев помещения специальными инфракрасными радиаторами. Такой нагрев более эффективный, чем нагрев конвекцией, так как лучи свободно проходят сквозь воздух.

Излучение используют на космических аппаратах. Так как там нет воздуха, не получится по-другому передать тепло.

Если находиться рядом с лампой накаливания можно почувствовать тепло исходящее от неё.

Солнечные батареи работают по принципу излучения. Солнце испускает мощные тепловые лучи. Солнечные батареи принимают тепловые лучи и перерабатывают их в энергию. Такие батареи хорошие приёмники для солнечных лучей, потому что их поверхность тёмного цвета, и они хорошо нагреваются. Такие батареи используются на космических станциях и спутниках.

От компьютеров и мобильных телефонов тоже исходит тепловые лучи.

Приборы ночного видения. Такие приборы сделаны из материалов способных превращать тепловые излучения в видимые. Такие приборы используются для съёмки в абсолютной темноте. Они способны улавливать различные участки, температура которых различается на сотые доли градуса.

Интересные факты

Чем более тёмное тело, тем лучше оно поглощает тепло. Зеркальные поверхности отражают тепло полученное излучением. Абсолютно черное тело – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Когда объект нагревается до высокой температуры, он начинает светиться красным цветом. В процессе дальнейшего нагревания объекта, цвет его излучения меняется, проходя через оранжевый, желтый, и дальше по спектру, чем горячее — тем меньше длина волны излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Змеи отлично воспринимают тепловое излучение, но не глазами, а кожей. Поэтому и в полной темноте они способны обнаружить теплокровную жертву. Гремучие змеи и сибирские щитомордники реагируют на изменения температуры до тысячной доли градуса.

80 процентов тепла тела излучается головой человека.

Если бы не свойства излучения, то земля бы замёрзла. Так как земля постоянно излучает тепловые лучи в бесконечное пространство.

Глаза таракана чувствуют колебания температуры в сотую долю градуса.
На каждый квадратный метр земной поверхности попадает около 1 кВт тепловой энергии Солнца, что достаточно, чтобы вскипятить чайник за считанные минуты.

Опыт № 3. Конвекция

Рассмотрю явление передачи тепла с помощью конвекции. Этим опытом я хочу показать, как действует конвекция. Если опыт пройдёт успешно, то тепло должно передаваться снизу вверх.

Я налил холодную воду в колбу и добавил туда марганцовокислого калия для того, чтобы видно было процесс нагрева. Зажег спиртовку и начал подогревать колбу. Видно, как струи подкрашенной воды поднимаются вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается.

Вывод из опыта № 3

При конвекции энергия переносится самими струями жидкости или газа. При конвекции происходит перенос вещества в пространстве. Для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу. Конвекция в твердых телах происходить не может.

Конвекция бывает двух видов: естественная – нагревание жидкости или газа и его самостоятельное движение; принудительная – смешивание жидкостей или газов с помощью насосов или вентиляторов.

Применение конвекции

Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. Далее тепло от дна кастрюли поступает в воду и распространяется по всему объему воды путем конвекции.

Конвекция используется в конвекционных печах или микроволновках. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон.

В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным.

Батареи отопления в жилых помещениях располагаются снизу, а не сверху, потому что тёплый воздух поднимается вверх и помещение прогревается везде одинаково, если бы батареи располагались у потолка, то помещение бы не нагревалось вовсе.

Батареи располагаются именно под окнами, потому что горячий воздух поднимается и распространяется по комнате, а сам уступает место холодному воздуху, поступающему из окна.

Конвекция используется в двигателях внутреннего сгорания. Если воздух не будет поступать в камеру сгорания, то горение прекратится. Из-за горения воздух там расширяется, давление уменьшается и холодный воздух поступает внутрь. К двигателю внутреннего сгорания обязательно должен поступать воздух.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло препятствует движению тёплого воздуха вверх, то есть осуществлению конвекции. Таким образом, теплица является ловушкой энергии.

Вентилятор фена прогоняет воздух через трубу с тонкой длинной нагревательной спиралью. Спираль нагревается проходящим по ней электрическим током. Далее происходит передача тепла от разогретой спирали окружающему её воздуху. Здесь используется явление принудительной вентиляции воздуха и явление теплопередачи.

Конвекция в природе

Конвекция участвует в образовании ветра. Если бы работала только теплопроводность, то ветров бы почти не было, но благодаря конвекции теплый воздух поднимается над сушей и уступая холодному воздуху.

Благодаря конвекции появляются облака и тучи. Так как вода испаряется, конвекция подгоняет пар высоко вверх, и там образуются облака под воздействием холодного воздуха и низкого давления.

Конвекция участвует в возникновении волн. Волны появляются благодаря ветру, а ветер в свою очередь благодаря конвекции и теплопередачи, следовательно, без конвекции волн не могло бы быть.

Стекло начинает замерзать снизу раньше, чем сверху. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и опускается вниз и тем самым замораживает поверхность стекла.

Листья осины дрожат даже в безветренную погоду. У листьев осины длинные, тонкие и сплющенные черенки, имеющие очень малую изгибную жесткость, поэтому листья осины чувствительны к любым, незначительным потокам воздуха. Даже в безветренную погоду, особенно в жару, над землей имеются вертикальные конвекционные потоки. Они и заставляют дрожать осину.

Интересные факты

В сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Выводы из проделанных опытов

Если изменение внутренней энергии происходит путем теплопередачи, то переход энергии от одних тел к другим осуществляется теплопроводностью, конвекцией или излучением. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.

Источник

Что такое теплопроводность в природе

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Источник



ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ

Тепловые явления – явления, связанные с изменением температуры тел.

Тепловое движение – хаотическое движение частиц, из которых состоят тела.

Интенсивность теплового движения очень высока. Например, при комнатной температуре средняя скорость молекул – несколько сотен метров в секунду (скорость пули).

Температура – физическая величина, определяющая направление теплопередачи: при теплопередаче внутренняя энергия всегда переходит от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Тела с одинаковой температурой находятся в состоянии теплового равновесия.

Температуру измеряют с помощью термометров. Часто используют жидкостные термометры, действие которых основано на том, что жидкость при нагревании расширяется. Измеряют температуру в градусах.

В шкале Цельсия за 0° принята температура плавления льда. Градусы Цельсия обозначают °С.

В шкале Фаренгейта за 0° принята температура плавления льда, а за 100° температура кипения воды при атмосферном давлении. Градусы Фаренгейта обозначают °F.

В шкале Кельвина за 0° принята температура абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела). Градусы Кельвина обозначают K.

БИЛЕТ №2

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ОБЪЯСНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ УЧЕНИЯ О МОЛЕКУЛЯРНОМ СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА.

Энергия характеризует способность тела или системы взаимодействующих тел совершить работу.
Частицы, из которых состоят тела, движутся и взаимодействуют друг с другом. Поэтому они обладают и кинетической, и потенциальной энергией.
Внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц, из которых состоит тело. U – внутренняя энергия
Внутренняя энергия тела изменяется при его нагревании или охлаждении, изменении агрегатного состояния и при химических реакциях.

Кинетическая энергия движущихся молекул Потенциальная энергия взаимодействия молекул

Внутренняя энергия зависит от

t тела агрегатного состояния тела m тела
m1 < m2
U1 < U2

Способы изменения внутренней энергии

Совершение работы Теплопередача
трение, деформация передача тепла от более нагретого
тела к менее нагретому без совершения
работы

Е – энергия (Дж)
Еп = mgh (А — работа)
Ек =
U = Еп + Ек

БИЛЕТ №3

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ. ПРИМЕРЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ПРИРОДЕ, БЫТУ, ТЕХНИКЕ.

Теплопроводность – вид теплопередачи, обусловленный передачей энергии от одного тела к другому в результате теплового движения и взаимодействия молекул.
Передача энергии посредством теплопередачи может происходить и между частями одного тела.
При теплопроводности происходит передача энергии, но не происходит переноса вещества.
Теплопроводностью называют также способность вещества проводить тепло. Высокой теплопроводностью обладают все металлы. Намного хуже проводят тепло: вода, кирпич и стекло. Вакуум тепло не проводит.
Особенно мала теплопроводность газов. Дело в том, что в газах молекулы находятся далеко друг от друга, а теплопроводность обусловлена взаимодействием молекул между собой.

1. Птицы зимой сидят нахохлившись. Перья задерживают воздух, а он обладает плохой теплопроводностью.

2. Ручки чайников, сковородок и т.д. из пластмассы, т.к. она плохо нагревается; корпус посуда из металла – он лучше проводит тепло и еда быстрее нагревается.

3. Пористые вещества (пенопласт, ткани, паралон и т.д.) – хорошая теплоизоляция, т.к. воздух обладает плохой теплопроводностью.

Источник

Что такое теплопроводность в физике?

Явление теплопроводности заключается в передаче энергии в виде тепла при непосредственном контакте двух тел без какого-либо обмена материей или с ее обменом. При этом энергия переходит из одного тела или области тела, имеющего более высокую температуру, в тело или область с более низкой температурой. Физической характеристикой, которая определяет параметры передачи тепла, является теплопроводность. Что такое теплопроводность, и как ее описывают в физике? На эти вопросы ответит данная статья.

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Если отвечать простыми словами на вопрос о том, что такое теплопроводность в физике, то следует сказать, что передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело (молекулы, атомы, электроны и ионы). Сама внутренняя энергия состоит из двух важных частей: из кинетической и из потенциальной энергии.

Что такое теплопроводность в физике с точки зрения природы этой величины? На микроскопическом уровне способность материалов проводить тепло зависит от их микроструктуры. Например, для жидкостей и газов указанный физический процесс происходит за счет хаотичных столкновений между молекулами, в твердых телах основная доля переносимого тепла приходится на обмен энергией между свободными электронами (в металлических системах) или фононами (неметаллические вещества), которые представляют собой механические колебания кристаллической решетки.

Математическое представление теплопроводности

Ответим на вопрос о том, что такое теплопроводность, с математической точки зрения. Если взять однородное тело, тогда количество тепла, переданного через него в данном направлении, будет пропорционально площади поверхности, перпендикулярной направлению теплопередачи, теплопроводности самого материала и разнице температур на концах тела, а также будет обратно пропорционально толщине тела.

В итоге получается формула: Q/t = kA(T2-T1)/x, здесь Q/t — теплота (энергия), переданная через тело за время t, k — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлено рассматриваемое тело, A — площадь поперечного сечения тела, T2-T1 — разница температур на концах тела, причем T2>T1, x — толщина тела, через которую передается тепло Q.

Способы передачи тепловой энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое теплопроводность материалов, следует упомянуть о возможных способах передачи тепла. Тепловая энергия может передаваться между различными телами с помощью следующих процессов:

  • проводимость — этот процесс идет без переноса материи;
  • конвекция — перенос тепла непосредственно связан и с движением самой материи;
  • излучение — передача тепла осуществляется за счет электромагнитного излучения, то есть с помощью фотонов.

Чтобы тепло было передано с помощью процессов проводимости или конвекции, необходим непосредственный контакт между различными телами с тем отличием, что в процессе проводимости не существует макроскопического движения материи, а в процессе конвекции это движение присутствует. Отметим, что микроскопическое движение имеет место во всех процессах теплопередачи.

Для обычных температур в несколько десятков градусов Цельсия можно сказать, что на долю конвекции и проводимости приходится основная часть передаваемого тепла, а количество энергии, переданной в процессе излучения, является незначительным. Однако излучение начинает играть главную роль в процессе теплопередачи при температурах в несколько сотен и тысяч Кельвин, поскольку количество энергии Q, передаваемой этим способом, растет пропорционально 4-й степени абсолютной температуры, то есть ∼ T 4 . Например, наше солнце теряет большую часть энергии именно за счет излучения.

Теплопроводность твердых тел

Так как в твердых телах каждая молекула или атом находятся в определенном положении и не могут его покинуть, то передача тепла с помощью конвекции оказывается невозможной, и единственным возможным процессом является проводимость. При увеличении температуры тела кинетическая энергия составляющих его частиц увеличивается, и каждая молекула или атом начинают интенсивнее колебаться. Этот процесс приводит к их столкновению с соседними молекулами или атомами, в результате таких столкновений передается кинетическая энергия от частицы к частице до тех пор, пока все частицы тела не будут охвачены этим процессом.

В результате описанного микроскопического механизма при нагреве одного конца металлического стержня температура через некоторое время выравнивается по всему стержню.

Тепло не передается одинаково в различных твердых материалах. Так, существуют материалы, которые обладают хорошей теплопроводностью. Они легко и быстро проводят тепло через себя. Но также существуют плохие теплопроводники или изоляторы, через которые тепло практически не проходит.

Коэффициент теплопроводности для твердых тел

Коэффициент термической проводимости для твердых тел k имеет следующий физический смыл: он указывает на количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности в каком-либо теле единичной толщины и бесконечной длины и ширины при разнице температур на его концах, равной одному градусу. В международной системе единиц СИ коэффициент k измеряется в Дж/(с*м*К).

Данный коэффициент в твердых веществах зависит от температуры, поэтому его принято определять при температуре 300 K с целью сравнения способности проводить тепло различными материалами.

Коэффициент теплопроводности для металлов и неметаллических твердых материалов

Все металлы без исключения являются хорошими проводниками тепла, за перенос которого в них отвечает электронный газ. В свою очередь ионные и ковалентные материалы, а также материалы, имеющие волокнистую структуру, являются хорошими теплоизоляторами, то есть плохо проводят тепло. Для полноты раскрытия вопроса о том, что такое теплопроводность, следует заметить, что этот процесс требует обязательного наличия вещества, если он осуществляется за счет конвекции или проводимости, поэтому в вакууме тепло может передаваться только за счет электромагнитного излучения.

В списке ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых металлов и неметаллов в Дж/(с*м*К):

  • сталь — 47-58 в зависимости от марки стали;
  • алюминий — 209,3;
  • бронза — 116-186;
  • цинк — 106-140 в зависимости от чистоты;
  • медь — 372,1-385,2;
  • латунь — 81-116;
  • золото — 308,2;
  • серебро — 406,1-418,7;
  • каучук — 0,04-0,30;
  • стекловолокно — 0,03-0,07;
  • кирпич — 0,80;
  • дерево — 0,13;
  • стекло — 0,6-1,0.

Таким образом, теплопроводность металлов на 2-3 порядка превышает значения теплопроводности для изоляторов, которые являются ярким примером ответа на вопрос о том, что такое низкая теплопроводность.

Значение теплопроводности играет важную роль во многих индустриальных процессах. В одних процессах стремятся увеличить ее, используя хорошие теплопроводники и увеличивая площадь контакта, в других же стараются уменьшить теплопроводность, уменьшая площадь контакта и применяя теплоизолирующие материалы.

Конвекция в жидкостях и газах

Передача тепла в текучих средах осуществляется за счет процесса конвекции. Этот процесс предполагает перемещение молекул вещества между зонами с различной температурой, то есть при конвекции происходит перемешивание жидкости или газа. Когда текучая материя отдает тепло, ее молекулы теряют часть кинетической энергии, и материя становится более плотной. Наоборот, когда текучая материя нагревается, ее молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, их движение становится более интенсивным, соответственно, объем материи увеличивается, а плотность уменьшается. Именно поэтому холодные слои материи стремятся опуститься вниз под действием силы тяжести, а горячие слои пытаются подняться вверх. Этот процесс приводит к перемешиванию материи, способствуя передачи тепла между ее слоями.

Коэффициент теплопроводности некоторых жидкостей

Если отвечать на вопрос о том, что такое теплопроводность воды, то следует понимать, что она обусловлена конвекционным процессом. Коэффициент теплопроводности для нее равен 0,58 Дж/(с*м*К).

Для других жидкостей эта величина приведена в списке ниже:

  • этиловый спирт — 0,17;
  • ацетон — 0,16;
  • глицерол — 0,28.

То есть значения теплопроводности для жидкостей сравнимы с таковыми для твердых теплоизоляторов.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики.

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

Источник

Что такое теплопроводность в природе

В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.

Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.

Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.

Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.

Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.

Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.

Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?

Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.

Источник

12 различных интересных фактов, которые вас удивят

  1. Теплопроводность стекла настолько мала, что вы можете взять стеклянную палочку, раскаленную посередине, за концы, и при этом даже не почувствовать тепла. Однако интересно то, что материалом с наивысшей теплопроводностью является вовсе не какой-либо металл (серебро или медь), как думают многие. Самую высокую теплопроводность имеет материал, который так похож на стекло — алмаз. Теплопроводность алмаза почти в 6 раз больше чем у серебра или меди. Поэтому, если кто-нибудь сделает чайную ложечку из алмаза, вы не сможете ей воспользоваться, потому что будете обжигать пальцы в ту же секунду, как опустите ложечку в горячий чай.
  2. Остров Манхэттен (США) был куплен в 1626 году Питером Минуитом у местных индейцев за сумму, примерно равную 25 долларов. В настоящее время совокупная стоимость острова исчисляется миллионами долларов. Однако, если бы Питер вложил свои 25 долларов в банк под 7% годовых, то в настоящее время он бы получил 3.6 триллионов долларов США, что существенно больше нынешней стоимости острова со всеми сооружениями на нем. Вот к чему приводит принятие однажды неправильного решения. Мотайте на ус, пригодится при покупке острова 🙂
  3. Поскольку европейские рыбаки долго не могли поймать никого, напоминающего молодого угря, жизненный цикл этого существа был покрыт тайной в течение долгого времени. Так продолжалось до 1922 года, когда датский профессор обнаружил, что угри, обитающие в Европе, на самом деле рождаются в Саргассовом море, и затем осуществляют долгое путешествие вместе с водами Гольфстрима через океан. И только спустя три года достигают Англии. Ещё один факт: кровь угря чрезвычайно токсична, однако токсины разрушаются в процессе приготовления угря. Именно поэтому вы никогда не найдете суши, сделанные из сырого угря.
  4. Прежде, чем США приступили к строительству Панамского канала, было потрачено более двух с половиной миллионов галлонов керосина, при проведении подготовительных работ. Однако этот керосин не был использован для каких-либо машин. Его использовали для распыления по болотам в районе будущей стройки с целью уничтожения москитов Aedes Aegypti и малярийных комаров, переносчиков желтой лихорадки и малярии. Смертность от желтой лихорадки и малярии были основными причинами провала французских строителей, которые предприняли первую попытку строительства канала.
  5. Вы знаете сколько цветов в радуге? Оказывается, вариант ответа зависит от страны проживания. Жители Китая считают, что в радуге пять цветов. Для жителей США типичным ответом будет шесть цветов, в то время как жители России насчитывают их семь.
  6. Самая высокая гора на Земле вовсе не Эверест, как принято считать. Если измерять высоту от земной коры до вершины, то гора Мауна-Кеа является самой высокой на Земле. Ее полная высота от земной коры до вершины составляет более десяти километров. Однако только 4245 метров находятся над поверхностью моря.
  7. Мы часто видим викингов, изображенных в шлемах с рогами. Тем не менее, это большое заблуждение, причиной которому послужила одна из художественных школ, основанная в 1811 году с Стокгольме. Целью этой школы было популяризация скандинавской мифологии. Именно они начали изображать викингов в шлемах с рогами, однако нет никаких исторических подтверждений, что древние скандинавские воины носили подобные шлемы. Хочется так же отметить один забавный факт — перед атакой для смелости и как обезболивающее, они пили отвар мухоморов. Это приводило к тому, что после бойни их прошибал недетский понос. Причем все эти засранцы были рыжие и с бородами.
  8. Все циклоны, зародившиеся в северном полушарии, вращаются против часовой стрелки, в то время как циклоны, зародившиеся в южном полушарии вращаются по часовой стрелке. Это является прямым следствием эффекта Кориолиса. А что происходит, когда циклон пересекает экватор? Ответ: циклоны никогда не пересекают экватор, обычно они рождаются вблизи экватора, а затем двигаются по направлению к одному из полюсов.
  9. Вы наверняка знаете, что Солнце над горизонтом выглядит значительно больше, чем в зените. Многие люди думают, что это атмосферный оптический эффект. На самом деле размер Солнца не меняется в течение дня, это иллюзия, основанная на факте, что любой объект выглядит больше рядом с прямой линией, нежели в пустом пространстве.
  10. Фрэнсис Дрейк открыл пролив Дрейка, промахнувшись мимо Магелланова пролива.
  11. В начале XVII века ложка удлинилась в несколько раз: ей пришлось приспособиться к моде на сильно выступающие вперед жабо. А в конце XVII века появились ложки для супа, на конце у которых были особого рода щитки: во время еды с их помощью отодвигали бороду от губ.
  12. Вилку в Россию впервые привез Лжедмитрий I из Польши в начале XVII века. Ее демонстративное использование во время пиршества в Грановитой палате по случаю бракосочетания Лжедмитрия с Мариной Мнишек вызвало взрыв возмущения боярства и послужило поводом к заговору Шуйского. Вилка сыграла решающую роль в организации восстания, поскольку убедительно доказывала простому народу нерусское происхождение Лжедмитрия (русским инструментом считалась только ложка).

Теперь ты знаешь больше 🙂

Интересные факты о клееном брусе

Строительство и ремонт

Натуральная древесина имеет множество достоинств: экологичность, низкая теплопроводность, великолепная природная текстура. Но, пожалуй, главным недостатком при работе с натуральным деревом является его геометрическая нестабильность. Этой негативной особенности лишена клееная древесина, имеющая в своем арсенале все преимущества натурального дерева.

При работе с древесным монолитом, неизбежен период усадки, который таит в себе массу неприятных неожиданностей: скручивание, выгибы (деформация), растрескивание бревна при сушке. Решение этой проблемы долгие годы было главенствующим при разработке технологии деревянного домостроения.

И не так давно была окончательно опробована технология производства строительного материала, сохраняющего все отменные характеристики дерева, при этом обладающего практически абсолютной геометрической стабильностью. Клееный брус (ламель), ставший таким востребованным в последние годы.

Технология производства клееного бруса включает в себя несколько этапов:

  • Распиловка бревен на ламели (доски необходимой толщины).
  • Сушка в сушильной камере. Сушка отдельных досок более эффективна, чем сушка цельного бревна. Готовый продукт имеет влажность не выше 8-10%.
  • Сухой брус калибруется (идет отбраковка дефектных участков) и сращивается по длине.
  • Каждая доска отдельно шлифуется с четырех сторон. Гладкая поверхность позволит впоследствии добиться высокой точности прилегания при склейке.
  •  Склеивание под мощным прессом при помощи специального клея.
  • Профилирование: нарезание необходимых пазов, выборок, гребней.
  • Торцовка.
  • Изготовление конструктивных элементов.

Применение клееного бруса

Полученный продукт обладает исключительными свойствами: отсутствие деформации и усадки в процессе производства и эксплуатации, высокая прочность и несущая способность, долговечность и экологическая безопасность. Все эти и многие другие качества нового материала делают его перспективным во многих отраслях жизнедеятельности человека. Деревянное домостроительство, архитектурный и ландшафтный дизайн и др.

Благодаря низкому коэффициенту усадки, дому из профильного бруса нет необходимости выстаивать, его можно сразу строить и заселяться. А производство универсальных комплектующих конструктивных элементов позволяет возводить дома в сжатые временные сроки.

Продажа клееного бруса ведется в любом строительном магазине, поэтому при приобретении данного материала не возникнет трудностей.

30.09.2013 Алексей Кошкин

Интересные факты про тепло –

11

Тепло – это одна из ключевых жизненных потребностей для многих организмов на нашей планете, в том числе для нас. И наличие или отсутствие такового сильно сказывается на том, как ведут себя живые существа и как они развиваются. Мы подготовили несколько интересных фактов о тепле и о всем, что с этой темой связано. А тем, кто сам нуждается в тепле и ищет вот такие https://www.itbox.ua/ru/category/Obogrevateli-c7897/ обогреватели, мы можем посоветовать магазин ITbox.ua, где продаются хорошие и экономичные устройства.

Одним из самых продолжительных периодов повышенного тепла был зафиксирован между 1000 и 1200 годам нашей эры. Эти два столетия даже получили свое имя в истории и называются не иначе как «Средневековый климатический оптимум». Благодаря тому, что в эти времена была очень высокая средняя температура, произошло заселение многих доселе необитаемых земель, например, появилось первое поселение в Гренландии. Кроме того, в Европе произошел земледельческий бум, который поспособствовал росту населения – оно увеличилось с 10 миллионов до 31.

Самое теплое море в мире – это Красное море, расположенное между Аравийским полуостровом и Африкой, средняя температура летом составляет около 27 градусов, а кое-где она достигает даже 30. Кроме того, это море еще и самое соленое – если испарить литр воды из этого моря, то получиться 41 грамм соли.

Самой жаркой страной на планете считается государство Катар, которое находиться в юго-западной части Азии. Средняя температура тут колеблется на отметке в 35 градусов днем, и 23 градуса ночью.

Многие знают, что алмаз – это один из самых твердых материалов на планете, но мало кто знает о свойствах теплопроводности данного вещества. А они в раз 6 выше, нежели у серебра или меди. Чтобы понять насколько хорошо алмаз проводит тепло, стоит привести пример, что если поместить алмазный стержень толщиной с чайную ложку в горячую воду, то практически мгновенно он начнет обжигать вам руки.

Человек сам генерирует очень много тепла. Среднестатистический человек за день создает тепловой энергии столько, что ее эквивалента хватило бы чтобы вскипятить около 30 литров воды. И еще больше если человек находиться в холодных условиях.

Мало кто знает, но растения также могут генерировать тепло – у них оно вырабатывается в митохондриях на клеточном уровне. Так что несмотря на то, что большинство растений на ощупь являются нейтральными, внутри них все же происходит генерация тепла и они чувствительны к холоду.

Чем опасна гипотермия в воде? » Вечерний курьер

17 сентября 2018, 14:28. Ненецкий автономный округ.

Чем опасна гипотермия в воде?

 

 

Гипотермией называют падение температуры тела человека ниже 35?С (нормальная температура – 37?С). Это ещё достаточно далеко от холодной смерти, ведь потеря сознания происходит при опускании температуры тела до 30-32?, а остановка сердца – при 29?С.

Теплоёмкость воды в 4 раза больше теплоёмкости воздуха, теплопроводность – в 27 раз больше теплопроводности воздуха. Закономерный итог: потеря тепла в воде происходит примерно в 30 раз быстрее чем на воздухе при той же температуре.

Теплоёмкость и теплопроводность среды являются не единственными факторами, влияющими на скорость охлаждения. Роль играют также:

· Разница температур (чем холоднее среда, тем быстрее охлаждение). · Качество теплоизоляции (толщина кожи и подкожного жира). Обнажённое мясо теряет тепло в три раза быстрее чем защищённое кожей. · Площадь соприкосновения (прямо пропорциональная зависимость) · Конвекционные процессы (насколько быстро подогретая у поверхности кожи вода заменяется новой, холодной).

Такими явлениями как испарение и излучение в воде можно пренебречь. Конвекцию можно уменьшить одеждой.

Согласно научным данным, обнажённый человек необратимо теряет тепло при температуре воды 32?С и ниже. Что это значит? Даже в очень тёплой воде, с температурой 32?С, при отсутствии солнца (нет нагрева тела за счёт излучения) обнажённый человек через несколько дней потеряет сознание от переохлаждения. Разумеется, такие условия маловероятны, и в целом надо помнить следующее: если температура воды ниже 26?С и вы находитесь в открытой воде без надежды на быстрое получение помощи, именно гипотермические процессы станут определяющим фактором вашего выживания. Проблема в том что в мировом океане температура воды достаточно нечасто поднимается выше 25?С, а в пресноводных водоёмах и того реже, поэтому о переохлаждении надо знать и помнить всегда.

При температуре воды 15? и ниже гипотермические процессы станут определяющим фактором независимо от того как близко находится помощь или берег. Так, согласно статистике канадской гребной ассоциации, 40% гребцов тонет на расстоянии менее 10 метров до берега, 60% – на расстоянии менее 15 метров до берега. Если вы думаете, что это происходит из-за неумения плавать, то глубоко заблуждаетесь.

Учитывайте также, что более ранние, локальные эффекты, которые гипотермия оказывает на человеческое тело, в воде могут оказаться фатальными задолго до наступления смерти от переохлаждения. Утопление, сухое утопление, остановка сердца – эти и другие проблемы становятся всё более актуальными по мере потери тепла.

С точки зрения происходящих при попадании в холодную среду процессов тело можно разделить на три области:

1. Голова (сюда же относится и шея).

Эта область имеет наименьшую площадь (15% от площади всего тела). Однако именно в голове расположен мозг, клеткам которого необходимо постоянное питание и большое количество кислорода, без которого они погибают в течение минут.

2. Конечности (руки и ноги).

Площадь поверхности этой области наибольшая (более 50%). Но в конечностях отсутствуют жизненно важные центры, а мышечная ткань даже при полном отсутствии снабжения кислородом и питательными веществами способна сохранять жизнеспособность на протяжении часов.

3. Корпус (или туловище).

Площадь поверхности порядка 30%. Здесь находятся жизненно важные органы, как правило, хорошо защищённые слоем мышц и подкожного жира.
Как реагирует наше тело на попадание в холод?

Предпринимаются ответные меры. Уязвимость конечностей невелика, а площадь огромна, поэтому кровеносные сосуды в руках и ногах сужаются, замедляя поступление крови. При нарастании гипотермии кровообращение в конечностях почти полностью останавливается, организм их практически отсекает, замыкаясь в туловище и голове. В попытках минимизировать потери тепла подкожные кровеносные сосуды туловища также сужаются, жизнь теплится в глубине тела, поддерживая внутренние органы. В таком состоянии организм пытается переждать неблагоприятные условия. Слабым местом остаётся мозг – жизненно важный и крайне уязвимый орган. Он продолжает получать постоянное питание, в результате более 50% общих потерь тепла приходится на голову.

В чём отличие гипотермии в воде от гипотермии на воздухе? Физически – только в скорости протекания, но она (скорость) оказывает большое влияние на оптимальную стратегию поведения. Ведь в конечностях расположены крупные группы мышц, обладающие большими запасами легко извлекаемой энергии в виде гликогена. Эту энергию можно использовать для обогрева. Именно поэтому на воздухе советуют согреваться движением: да, потери тепла возрастут, но с лихвой окупятся извлекаемой из мышц конечностей энергией, которая иначе просто осталась бы за бортом, не принимая участия в борьбе за жизнь.

Совсем другое дело в воде, где теплообмен протекает в 30 раз быстрее (если только вы не одеты в гидрокостюм, разумеется). Вся извлекаемая при движении энергия немедленно уходит, кровь возвращается в туловище не только не согретой, но даже ещё более охлаждённой. Из-за расширения сосудов, кажется, что стало теплее, но это обманчивое ощущение, смерть отнюдь не отдалилась – она приблизилась.

Соблюдайте правила поведения на водоемах. Не подвергайте свою жизнь опасности. Не выходите на тонкий весенний лед. ГУ МЧС России по НАО напоминает, что выход и выезд на лед запрещен на всей территории Ненецкого автономного округа с 27 апреля 2016 года.

В случае возникновения непредвиденных ситуаций, звоните по телефонам:

Единый телефон экстренных служб 112

Телефон доверия Главного управления (81853)-4-99-99

 

Источник:

Главное управление МЧС России по Ненецкому АО

Нашли ошибку в тексте? Выделите ее, и нажмите CTRL+ENTER

Интересные факты из физики, математики и информатики

День физики, математики и информатики

МКОУ Суккозерская СОШ

Смирнова Г.Н.

Физика – одна из ведущих наук о природе потому,  что все естественные науки используют законы физики. 

Физика часто ассоциируется со скучной и сложной темой.

Мы даже не осознаем, сколько интересных

Физических явлений мы видим и используем в нашей жизни

Физика — удивительный и интересный предмет, занимательная наука

При кипячении воды молекулы ее движутся со скоростью 650 метров в секунду.

  В те доли секунды, когда вы чиркаете спичкой о коробку, температура спичечной головки поднимается до 200 градусов С.

Температура пламени обыкновенного примуса достигает 1500 градусов, а может и 2000 тысяч градусов. Температура вулканической лавы – около 1000 градусов.

  Высота Эйфелевой башни меняется в зависимости от погоды: в теплую солнечную погоду железный материал башни может нагреться +40° C . Учтя физические свойства железа, ученые вычислили, что высота башни может колебаться на120 мм, то есть на 12 см.

На конце иголки в швейной машине развивается давление до 5000 атмосфер. Такого давление достаточно, чтобы выбросить снаряд из пушки со скоростью 2000 м/сек. Впрочем, такое же давление образуется и при сжатии челюстей питбультерьера.

Теплопроводность алмаза почти в 6 раз больше чем у серебра или меди. Поэтому, если кто-нибудь сделает чайную ложечку из алмаза, вы не сможете ей воспользоваться, потому что будете обжигать пальцы в ту же секунду, как опустите ложечку в горячий чай.

Находиться у женщины под каблуком опасно для жизни — ведь давление под набойкой высокого каблука превышает 37 атмосфер, что в два раза больше, чем давление в бытовом баллоне со сжиженным газом.

Жители Африки и Азии с лёгкостью носят на голове тяжёлые грузы. Это объясняется законами физики. При ходьбе корпус человека поднимается и опускается, таким образом затрачиваются силы на подъём груза. Голова при этом поднимается и опускается с меньшей вертикальной амплитудой, чем всё тело, причём эта особенность вырабатывалась эволюционным путём: мозг оберегался от сотрясения, рессорой же служил пружинящий позвоночник с двойным изгибом. 

Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, по традиции в нём выделяют 7 цветов. Считают, что первым выбрал это число Исаак Ньютон. Причём первоначально он различал только пять цветов — красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый, о чём и написал в своей «Оптике». Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил ещё два цвета. 

Ведро воды, которую нагрели или даже вскипятили, а затем охладили до той же самой температуры, что и у такого же ведра с холодной водой, может замерзнуть быстрее. Это связано с тем, что нагревание и кипячение выводит некоторые воздушные пузырьки из воды. Так как воздушные пузырьки понижают теплопроводность, они могут задерживать замерзание воды.

По той же самой причине предварительно нагретая вода образует более плотный лед, чем ненагретая вода. И опять же по этой же причине при замерзании трубы с горячей водой лопаются раньше, чем трубы с холодной водой .

Вопреки распространенному мнению, молния бьет не вниз, а вверх (хотя нам и кажется, что молния бьет сверху вниз)! Так как разнозаряженные потенциалы небо и Земля находят наивысшую проводящую точку и разряд с Земли устремляется в небо. Вот по этой причине молния выбирает кратчайшее расстояние от земли до тучи .

Молния в 3 раза ярче , чем солнце

Капля дождя весит больше, чем комар. Но волоски, которые размещены на поверхности тела насекомого, практически, не передают импульс от капли к  комару. Поэтому насекомое выживает даже под проливным дождем. Этому способствует еще один фактор. Столкновение воды с комаром происходит на незакрепленной поверхности. Поэтому если удар приходится в центр насекомого, оно некоторое время падает с каплей, а потом быстро освобождается. Если дождь попадает не в центр, траектория движения комара немного  отклоняется.

Вы слышали щелчок после резкого взмаха кнутом?

Это происходит из-за того, что его кончик движется со сверхзвуковой скоростью. Кстати, кнут – это первое изобретение, которое преодолело сверхзвуковой барьер.  И то же происходит с самолетом, который летит со скоростью, больше звуковой. Щелчок, похожий на взрыв, происходит из-за созданной самолетом ударной волны .

Для льда больших ледников характерна деформация, то есть текучесть, обусловленная напряжением. По этой причине гималайские ледники сдвигаются со скоростью в два-три метра в сутки.

Рота идущих по мосту солдат, шагающих в ногу, могут его разрушить. Объясняется это тем, что солдаты, одновременно шагая в ногу, создают резонанс. И таких случаев было немало, вот почему строю солдат, которые собираются идти по мосту, отдается приказ идти не в ногу.

Почему при ходьбе люди размахивают руками? Когда человек перемещает ногу вперед, несколько вперед смещается также центр тяжести. Чтобы сохранить первоначальное положение центра тяжести, руку отводят назад. Такое чередование положений рук и ног повторяется при каждом шаге.

Всеобщие заблуждения «Молния не бьет дважды в одно и то же место».

Однако молния не только может ударить в одно и тоже место, но чаще всего именно так и бьет. Например, в 102-этажный нью-йоркский небоскрёб Эмпайр-стейт-билдинг молния бьет в среднем 25 раз в году. Помимо высоких зданий, молния любит высокие деревья и другие ближайшие к небесам объекты.

Всеобщие заблуждения «Выйдя на мороз, можно подхватить насморк».

Насморк случается от вирусной инфекции. Вирусы не могут магическим образом попасть к вам в организм только из-за того, что вы вышли на улицу без шарфа и варежек. В большинстве случаев он попадает к нам в ходе контакта с уже инфицированными людьми.  Что означает, что посиделки с друзьями в тепле опаснее прогулки по зимнему лесу в одиночестве

Всеобщие заблуждения «Альберт Эйнштейн отставал по математике в школе».

С успеваемостью у Эйнштейна, по общим отзывам, всё всегда было хорошо. Сохранившиеся документы показывают, что он учился отлично и оценки получал достойные. Жаль, что пропадает такое замечательное оправдание для нерадивых школьников, но прикрыться лентяем Эйнштейном у них всё-таки не получится. Учиться, учиться, и ещё раз учиться!

  • На самом деле в космосе довольно сильная гравитация. Именно гравитация заставляет звезды вращаться вокруг центра галактики, Землю вокруг Солнца, а спутники вокруг Земли.
  • Почему же тогда астронавты парят в невесомости? Они свободно падают на земную поверхность. Но летят они по прямой линии вдоль Земли с такой огромной скоростью, что Земля, скругляясь, в каждый момент времени удаляется от них ровно на те несколько метров, которые космонавты в спутнике за это время преодолевают по направлению к ней в падении

Всеобщие заблуждения « В космосе почти нет гравитации ».

Всеобщие заблуждения «Выйдя на мороз, можно подхватить насморк».

  • Насморк случается от вирусной инфекции. Вирусы не могут магическим образом попасть к вам в организм только из-за того, что вы вышли на улицу без шарфа и варежек. В большинстве случаев он попадает к нам в ходе контакта с уже инфицированными людьми.  Что означает, что посиделки с друзьями в тепле опаснее прогулки по зимнему лесу в одиночестве

Это интересно…

  • Температура молнии в пять раз выше температуры на поверхности Солнца и составляет 30 000К.

Лучи Солнца, которые проходят через капельки в воздухе, образуют спектр. А его разные оттенки преломляются под разными углами. В результате такого явления образуется радуга – окружность, часть от которой люди видят с земли. Центр радуги всегда находится на прямой, проведенной от глаза наблюдателя до Солнца. Вторичную радугу можно увидеть тогда, когда свет в капельке отражается именно два раза.

Это инте-ресно …

Язык математики – язык многих наук .

  • Ещё в древности языком математики пользовались и астрономы, и землемеры.

Из истории:

«Если река (Нил) размывала у кого – нибудь часть его участка, то потерпевший отправлялся к царю и сообщал ему, что с ним случилось. Тогда царь посылал на место землемеров определить, насколько участок уменьшился, с тем, чтобы налог уплачивался лишь с оставшейся части. Здесь я думаю, и лежит начало геометрии, которая потом перешла из этой страны в Грецию».

Геродот. V век до нашей эры.

  • Иногда школьники говорят: «Мне математика не нужна, я буду учителем русского языка или артисткой, или художником.
  • Они, конечно, не правы. Кто с детских лет занимается математикой, тот развивает свой ум и внимание, воспитывает волю и настойчивость в достижении цели. Поэтому она нужна и учителю, и врачу, и артисту, и художнику.
  • Математика помогает нам избегать излишних пересчитываний, учит, как с помощью известного находить то, что раньше нам было неизвестно.
  • В этом её огромное значение для производства, техники и науки.

Из истории:

  • Замечательный учёный Кеплер, живший более 350 лет назад, заинтересовался однажды, как виноторговцы определяют вместительность винных бочек самой разнообразной формы.
  • Они палкой мерили расстояние в бочке до дальнейшей точки днища.
  • Размышляя, как это у торговцев получается, Кеплер нашёл математические формулы для вычисления объёмов различных тел, имеющих форму бочки, лимона, яблока и даже турецкой чалмы.

Математика на службе у человека

  • Математика помогает предсказывать погоду, рассчитывать мосты, своды зданий, орбиты спутников.

Архитектура

  • Велика роль пропорций в архитектуре. «Божественные пропорции» придают сооружению гармонию.

Архитектура

Важна роль геометрии в архитектуре. Только неотступно следуя законам геометрии, архитекторы древности могли создавать шедевры

Архитектурные сооружения, созданные человеком, в большей своей части симметричны. Они приятны для глаза, их люди считают красивыми.

  • Симметричные объекты обладают высокой функциональностью в различных направлениях. Всё это привело человека к мысли степенью целесообразности: большей устойчивостью и равной, что чтобы сооружение было красивым, оно должно быть симметричным. Симметрия исполнялась при сооружении культовых и бытовых сооружений жителями в Древнем Египте. Но наиболее ярко симметрия появлялась в античных сооружениях Древней Греции.
  • С тех пор и до наших дней симметрия в сознании человека стала объективным признаком красоты. Соблюдение симметрии является первым правилом архитектора при проектировании различных сооружений.

Симметрия в сознании человека стала объективным признаком красоты. Соблюдение симметрии является первым правилом архитектора при проектировании различных сооружений.

Музыка

Математики, начиная с Пифагора, постоянно проявляли интерес к музыке.

Оказывается, длины трёх струн, дающих ноты до,ми, соль образуют арифметическую пропорцию. Именно длины струн относятся, как число 1 : 4/5 : 2/3.

Приятные для слуха созвучия

подчиняются простым

математическим законам.

Позже учёные – математики

создали теорию музыки.

Проектируем, конструируем, моделируем

  • Одежду, обувь прежде чем сшить, проектируют. В основе современного производства одежды обязательно должен быть точный инженерный расчёт. Это относится не только к фабричной продукции, но и к самой простой первой вещи, которую вы сделаете своими руками.
  • А разве можно это сделать без математических расчётов?

Это интересно:

  • Так, в xv веке причудой моды были башмаки с длиннейшими носами. Причём крестьянам разрешалось иметь обувь с носами длиной не более 6 дюймов, горожанам 12 дюймов, дворянам 24 дюйма (в дюйме 2,6 см).
  • Узкий нос башмаков притягивали к голени цепочкой.

Подведение итогов

  • В современном познании, современной практической деятельности роль математики так велика, что наше время называют эпохой математизацией знаний.

Философы считают, что именно математика прививает такие высокие нравственные качества человека, как разумность, точность, обязательность, определённость мысли, любовь к истине, способность к аргументированному убеждению, дисциплинированность и собранность в рассуждениях, внимательность .

  • Самый древний математический труд был найден в Свазиленде – кость бабуина с выбитыми чёрточками (кость из Лембобо), которые предположительно были результатом какого-то вычисления. Возраст кости – 37 тысяч лет.

Американский математик Джордж Данциг, будучи аспирантом университета, однажды опоздал на урок и принял написанные на доске уравнения за домашнее задание.

Оно показалось ему сложнее обычного, но через несколько дней он смог его выполнить.

Оказалось, что он решил две «нерешаемые» проблемы в статистике, над которыми бились многие учёные

Интересные факты

информатика

Кто был изображён на первом логотипе компании Apple?

На самом первом логотипе Apple был изображён сэр Исаак Ньютон и яблоня, с которой вот-вот ему на голову упадёт яблоко. Этой эмблемы не было на корпусе компьютера Apple I, только в инструкции к нему. Общая композиция логотипа была сильно перегружена деталями, поэтому менее чем через год его сменил привычный нам надкушенный фрукт.

Почему талисман операционной системы Linux пингвин ?

Однажды Линуса Торвальдса , ещё до того, как он создал операционную систему Linux , в зоопарке укусил пингвин. Это стало одной из причин выбора талисмана Линукса — пингвина Такса .

Какая функция у игр Косынка и Сапер ?

Известные стандартные игры Windows — « Косынка », « Свободная ячейка » и « Сапёр » — были включены в операционную систему неслучайно. Помимо развлекательной функции, они, по замыслу разработчиков, должны были помочь пользователям в освоении мыши и адаптации к графическому интерфейсу после интерфейса командной строки.

Почему жёсткий диск называют винчестером ?

В 1973 году IBM выпустила жёсткий диск модели 3340, в который при разработке были заложены два модуля ёмкостью по 30 МБ . Хотя в финальной версии память была увеличена до 70 МБ , ассоциация чисел 30/30 с популярным охотничьим патроном 30-30 Winchester дала накопителю кодовое имя « винчестер ». Это название стало нарицательным для всех жёстких дисков, причём в английском языке уже вышло из употребления, а в русском активно используется.

Как игры скачивали из журналов и радиопередач ?

В 1980-х и начале 1990-х годов большой популярностью пользовались компьютеры ZX Spectrum . В качестве экрана у них использовался телевизор, а внешним накопителем служил магнитофон . В него вставлялись аудиокассеты с записанными играми и программами, звук которых компьютер интерпретировал как последовательность битов и загружал в память. Часто программы можно было «скачать» в специальных радиопередачах, записав на кассету. Также небольшие программы печатались в журналах в виде исходного кода — его нужно было набрать на клавиатуре, запустить и опять же сохранить на аудионоситель.

Почему технологию Bluetooth так называют?

Технология Bluetooth получила название в честь датского короля Харальда I Синезубого . В 10 веке этот король объединил разрозненные датские племена, а Bluetooth был призван сделать то же самое с протоколами связи, объединив их в один универсальный стандарт.

Какие пароли самые распространенные?

Для пользователей компьютеров важно использование пароля для защиты компьютеров и файлов. По проведенным опросам большинство пользователей в качестве пароля используют простейшие комбинации цифр – 12345 , 77777 , 11111 или 55555 . Немногим более 4% в качестве пароля применяют сам логин .

Почему у CD такой объем?

После изобретения накопителя информации CD перед разработчиками встал вопрос об его объеме. Было решено, что объем CD должен вмещать Девятую симфонию Бетховена, звучание которой равно 72 минутам .

Символ @

Только в России и некоторых странах бывшего СССР символ @ называют собакой . Иностранцы называют его улиткой или обезьянкой . В США – кошкой .

  • 4 декабря 1948 года считается днем рождения российской информатики.
  • Впервые термин «информатика» был введен Карлом Штейнбухом в 1957 году для обозначения технической области, которая занималась автоматизированной обработкой информации при помощи электронных вычислительных машин.

Учёному и врачу, инженеру и учителю, писателю и композитору, художнику и агроному – всем может помочь компьютер.

В ноябре 1962 года из-за дефиса, пропущенного в компьютерной программе, пришлось взорвать ракету, стартовавшую с мыса Канаверал к Венере.

Известен случай проявления психосоматических расстройств на почве зависимости от общения в социальных сетях. В Белграде пользователь Снежана Павлович (Snezhana Pavlović) попала в психиатрическую клинику после того, как её заметка в социальной сети Facebook не вызвала интереса среди её друзей.

Врачи клиники назвали этот случай «синдром Снежаны», объясняя поведение пациентки как обычный стресс от неудовлетворенности социальной потребности индивидуума в современном мире.

Как теплопроводность связана с электропроводностью

Поскольку точное определение теплопроводности является сложной задачей (часто не осознаваемой ни разработчиками, ни поставщиками), методы, основанные на измерении другого физического свойства, которое однозначно связано с теплопроводностью, являются очень сложными.

Один из таких методов основан на так называемом законе Видемана-Франца, который связывает теплопроводность с электропроводностью согласно:

к/ = L�T

, где k – теплопроводность в Вт/мК, T – абсолютная температура в К, –1 м –1 м, а L – число Лоренца, равное 2.45 10 -8 W/K 2 .

 

Очевидно, что между измерениями электропроводности и теплопроводности существует огромная разница. Соотношение справедливо только для материалов с более или менее свободно движущимися электронами; другими словами, металлы (по крайней мере, при комнатной температуре). Закон Видемана-Франца основан на аргументах, вытекающих из кинетической теории газов, применяемой к физике твердого тела, и был сформулирован около 150 лет назад.

Свободные электроны в металлической решетке взаимодействуют с решеточными колебаниями (так называемыми «фононами»), получая таким образом энергию.Когда приложено электрическое поле, электроны переносят эту энергию и, следовательно, переносят как электрический заряд, так и тепло. Очевидно, что должна существовать прямая связь.

Однако фононы также переносят тепло (это единственный транспортный механизм в изоляторах). Только в тех случаях, когда вклад электронов намного выше, чем вклад фононов, закон Видемана-Франца выполняется достаточно хорошо. Так бывает со всеми чистыми металлами, но закон нарушается для полупроводников (а может быть, и для некоторых сплавов).

В этом столетии эта теория была усовершенствована с помощью квантовой механики, и интересно отметить, что обе теории дают примерно одно и то же значение числа Лоренца. Однако это чисто случайно. Два члена в формулировке кинетического газа оказались далеки от правильного значения, но, как оказалось, они компенсируют друг друга.

Источник: Данные о физических свойствах для инженера-конструктора, изд. Битон и Хьюитт, Полушарие, 1989

В приведенной выше таблице представлены экспериментальные значения L для ряда чистых металлов.

За исключением вольфрама, соответствие теоретическому значению достаточно хорошее; конечно для практического применения. Я не знаю, доступны ли данные для других электронных проводников, представляющих практический интерес, таких как сплавы и гидриды, нитриды и карбиды переходных металлов, таких как вольфрам и титан, и я был бы признателен читателям за любые комментарии, указывающие на дополнительные данные.

фактов о жаре для детей | Крутые факты о детях

Пожалуйста, напишите или поделитесь этой статьей!

Солнце, чашка свежего какао и кипящая на плите кастрюля — все это дает тепло.Но что такое тепло? Как он создается? Продолжайте читать, чтобы узнать интересные факты о тепле!

Что такое тепло?

Тепло на самом деле является формой энергии. Когда атомы и молекулы внутри объекта движутся, они создают тепловую энергию. Чем быстрее они движутся, тем горячее объект.

Температура — это измерение скорости движения атомов или молекул внутри объекта!

А как насчет холодных предметов, таких как мороженое или снег? У них нет тепловой энергии? Нет, большинство объектов имеют некоторую тепловую энергию.

Холодные объекты просто имеют меньше тепловой энергии, чем более теплые объекты, а это означает, что их атомы и молекулы движутся медленнее.

Если они полностью перестают двигаться внутри объекта, объект достигает температуры, называемой абсолютным нулем. В этот момент у объекта не будет тепловой энергии.

Как движется тепло?

Тепло движется, когда предметы имеют разную температуру, и оно всегда движется в одном направлении: от горячего к холодному.

Например, если вы прикоснетесь к горячей плите, вы почувствуете, как тепло проникает в ваше тело.

Тепло может перемещаться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность возникает, когда что-то горячее касается чего-то более холодного, в результате чего тепло от более горячего объекта переходит к более холодному объекту, как в примере выше.

Если ваша рука, которая холоднее горячей плиты, протянет руку и коснется плиты, тепло перейдет в вашу руку.

Вы когда-нибудь ходили босиком по тротуару или парковке в жаркий день? Что случилось? Твои ноги стали очень, очень горячими, верно?

Это потому, что тепло от тротуара переносится в более прохладную температуру ваших ног.

Другим примером проводимости является то, как тает кубик льда, если вы держите его в руке. Это связано с тем, что тепло от вашей руки переходит в гораздо более холодный кубик льда, заставляя его таять.

Конвекция возникает, когда тепло передается через газ или жидкость, когда более горячий материал перемещается в более холодную область. Вы, наверное, слышали, что «теплый воздух поднимается вверх», и это один из примеров конвекции.

Конвекция также является причиной того, что вода движется столько же, сколько и кипит.Когда вода на дне кастрюли становится горячей, она поднимается вверх, а более холодная вода стекает вниз, чтобы заменить ее.

Это вызывает круговое движение, которое приводит к кипению.

Вы когда-нибудь видели пар, поднимающийся от горячего напитка, например, горячего шоколада, чая или, может быть, чашки кофе? Это тоже конвекция!

Пар, который вы видите, — это теплый воздух, поднимающийся из-за тепла жидкости в чашке.

Излучение — это когда тепло распространяется по воздуху невидимыми волнами.Например, если вы достаточно умны, чтобы не прикасаться к горячей плите, но наклоняетесь над ней, вы все равно можете почувствовать тепло, исходящее от печи.

Тепло, которое вы чувствуете, сидя у костра, является еще одним примером излучения. Микроволны также нагревают пищу с помощью излучения.

Факты о высокой температуре
  • При потреблении или использовании энергии выделяется тепло. Чем быстрее движутся молекулы объекта, тем он горячее.
  • Тепло передается от одного предмета к другому до тех пор, пока они не станут одинаковой температуры.Это называется проводимостью.
  • Некоторые материалы проводят или передают тепло лучше, чем другие. Например, металлы гораздо лучше проводят тепло, чем дерево или ткань.
  • Вот почему кастрюли и сковородки, в которых готовят ваши родители, сделаны из металла!
  • Когда тепло в объекте увеличивается, он может расширяться или становиться больше. Когда тепло уменьшается или становится холоднее, объект может сжиматься или становиться меньше.
  • Термометры работают, потому что ртуть в термометре расширяется, когда она горячая, и сжимается, когда она холодная.
  • Тепловая энергия Солнца передается на Землю излучением.
  • Тепловая энергия — это еще один термин для обозначения тепловой энергии.
  • Тепловая энергия вызывает плавление, замерзание, испарение и конденсацию.
  • В следующий раз, когда вы почувствуете что-то горячее, вспомните все интересные факты о тепле, которые вы теперь знаете!

Физика

Электропроводность | Encyclopedia.com

История

Материалы

Металлы

Полупроводники

Неомические проводники

Ресурсы

Проводимость — это способность материальной среды пропускать заряженные частицы или тепловую энергию.Теплопроводность — это способность материала передавать тепловую энергию, а электропроводность — его способность пропускать ток (движение заряженных частиц, чаще всего электронов). Вместе они являются наиболее значительными примерами более широкой классификации явлений, известных как процессы переноса. В металлах электропроводность и теплопроводность связаны, поскольку оба связаны с аспектами движения электронов.

Первые исследования электропроводности металлов проводились в восемнадцатом и начале девятнадцатого веков.Бенджамин Франклин (1706–1790) в своих экспериментах с молнией (приведших к его изобретению громоотвода) пришел к выводу, что заряд будет перемещаться по металлическому стержню. Алессандро Вольта (1745–1827) вывел понятие электрического потенциала из своих исследований статического электричества, а затем открыл принцип работы батареи в своих экспериментах с разнородными металлами, находящимися в обычном контакте с влагой. Как только батареи стали доступны для контакта с металлами, стали производиться и изучаться электрические токи.Георг Симон Ом (1787–1854) нашел прямую зависимость между током и разностью потенциалов, которая стала мерой способности различных металлов проводить электричество. Обширные теоретические исследования токов провел Андре Мари Ампер (1775–1836).

В честь этих ученых в Международной системе единиц (SI) используются их имена. Единицей разности потенциалов является вольт, а разность потенциалов чаще называют напряжением. Единицей электрического сопротивления является ом, а единицей тока – ампер.Связь между этими функциями известна как закон Ома.

Франклин запомнился своей неудачной ошибкой. Он постулировал, что в явлениях, известных в его дни, существует только один тип электричества, а не два, как думали другие. Одну форму статического электрического заряда он произвольно назвал положительным, а противоположный заряд приписал отсутствию положительного. Все последующие исследования продолжали установленную им условность. В конце девятнадцатого века, когда достижения как в электрических, так и в вакуумных технологиях привели к открытию катодных лучей, потоков частиц, исходящих от отрицательного электрода в вакуумной трубке, сэр Джозеф Джон Томсон (1856–1940) определил эти частицы как обычные для все металлы используются в качестве катодов и заряжены отрицательно.Историческая концепция положительного тока, выходящего из анода, математически непротиворечива и не приводит к аналитическим ошибкам, поэтому условность сохраняется, но понимается как удобство.

Электропроводность может иметь место в различных веществах. Наиболее известными проводящими веществами являются металлы, у многих из которых внешние электроны атомов могут легко перемещаться в межатомных пространствах. Другие проводящие материалы включают полупроводники, электролиты и ионизированные газы, которые обсуждаются далее в этой статье.

Металлы — это прежде всего элементы, характеризующиеся атомами, у которых на самой внешней орбитальной оболочке мало электронов. Наивысшая проводимость наблюдается у металлов, в которых только один электрон занимает состояние на самой внешней оболочке. Серебро, медь и золото являются примерами металлов с высокой проводимостью. Металлы находятся в основном в левой части периодической таблицы элементов и в переходных столбцах. Электроны, вносящие вклад в их проводимость, также являются электронами, определяющими их химическую валентность в образующихся соединениях.Некоторые металлические проводники представляют собой сплавы двух или более металлических элементов, таких как сталь, латунь, бронза и олово.

Кусок металла представляет собой блок металлических атомов. В отдельных атомах валентные электроны слабо связаны со своими ядрами. В блоке при комнатной температуре эти электроны обладают достаточной кинетической энергией, чтобы позволить им отойти от своих первоначальных местоположений. Однако этой энергии недостаточно, чтобы полностью удалить их из блока из-за потенциальной энергии поверхности, самого внешнего слоя атомов.Таким образом, в своих местах атомы ионизируются, то есть остаются с чистым положительным зарядом, и называются ионными ядрами. В целом металл электрически нейтрален, так как заряды электронов и ионных остовов равны и противоположны. Электроны проводимости связаны с блоком в целом, а не с ядрами.

Эти электроны движутся как облако через пространства, разделяющие ионные ядра. Их движение хаотично, имеет некоторое сходство с молекулами газа, особенно рассеяние, но природа рассеяния иная.Электроны не подчиняются классическим газовым законам; их движение в деталях должно быть проанализировано квантово-механически. Однако большая часть информации о проводимости может быть понята классически.

Конкретный образец металла может иметь удобную правильную форму, такую ​​как цилиндр (проволока) или призма (стержень). Когда батарея подключена к концам провода, электрохимическая энергия батареи создает разность потенциалов или напряжение между концами. Эта разность электрических потенциалов аналогична холму в гравитационной системе.Затем заряженные частицы будут двигаться в направлении, аналогичном нисходящему. В металле доступные электроны будут двигаться к положительной клемме или аноду батареи. Когда они достигают анода, батарея впрыскивает электроны в провод в равных количествах, тем самым сохраняя провод электрически нейтральным. Эта циркуляция заряженных частиц называется током, а замкнутый путь называется цепью. Аккумулятор действует как электрический аналог насоса. В отличие от гравитационной аналогии, в которой объекты могут падать и приземляться, перенос заряженных частиц требует замкнутого контура.

Ток определяется с точки зрения переноса заряда:

I = q/t

где I — ток, q — заряд, t — время. Таким образом, q/t — это скорость переноса заряда по проводу. В металле, пока его температура остается постоянной, ток прямо пропорционален напряжению. Эта прямая пропорция в математических терминах называется линейной, потому что ее можно описать простым линейным алгебраическим уравнением:

I=GV

не зависит от V и остается постоянным при постоянной температуре.Это уравнение является одной из форм закона Ома, принципа, применимого только к материалам с линейной электропроводностью. В свою очередь, такие материалы называются омиками.

Более известная форма закона Ома:

I = V/R

, где R равно 1/G и называется сопротивлением.

Концептуально идея сопротивления прохождению тока в историческом развитии предшествовала идее переноса заряда.

Сравнение разности электрических потенциалов с холмом в гравитационных системах приводит к идее градиента или уклона.Скорость изменения напряжения по длине провода, измеренная относительно любого конца, называется электрическим полем:

E = –(В/л)

L в линейном или омическом проводнике. Это поле совпадает с электростатическим полем, определенным в статье по электростатике. Знак минус связан с необходимостью отрицательного градиента для обозначения «спуска». Электрическое поле в этом описании концептуально аналогично гравитационному полю у поверхности Земли.

Экспериментальные измерения тока и напряжения в металлических проводах различных размеров при постоянной температуре показывают, что сопротивление увеличивается прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Эти вариации позволяют рассматривать сам металл отдельно от размеров образца. Использование константы пропорциональности для свойства материала дает соотношение:

R = ρ(L/A)

, где ρ называется удельным сопротивлением металла. При инвертировании этого уравнения на первое место ставится проводимость, а не сопротивление:

G = ζ(A/L)

, где ζ — проводимость, величина, обратная (1/ρ) удельного сопротивления.

Этот анализ может быть расширен заменой эквивалентных выражений:

G = I/V

ζ(A/L) = I/EL

ζ = I/AE

Введение понятия плотности тока или тока расход на единицу площади поперечного сечения:

J = I/A

дает выражение, свободное от всех внешних измерений, необходимых для его фактического расчета:

ζ = J/E

Это уравнение называется полевой формой уравнения Ома. закона, и является первым из двух физических определений проводимости, а не математическим.

Природа проводимости в металлах может быть изучена более глубоко, если рассматривать электроны в объеме металла. Такой подход называется микроскопическим, в отличие от макроскопических свойств металлического образца. Под влиянием внутреннего электрического поля в материале электронное облако будет дрейфовать к аноду батареи. Этот дрейф очень медленный по сравнению со случайными тепловыми движениями отдельных электронов. Облако можно охарактеризовать концентрацией электронов, определяемой как общее число электронов в единице объема:

n = N/U

, где n — концентрация, N — общее количество, а U — объем металла (здесь используется U для объема вместо V, который в качестве алгебраического символа зарезервирован для напряжения).Тогда общий дрейфующий заряд равен:

q = Ne = nUe

, где e — заряд каждого электрона.

N слишком велико для перечисления; однако, если в первом приближении считать, что каждый атом вносит в облако один валентный электрон, число атомов можно оценить по объему образца, плотности металла и атомной массе. Вычисленное таким образом значение n не совсем точно даже для одновалентного металла, но по порядку величины согласуется. (Поправки носят квантово-механический характер; для металлов более высокой валентности и сплавов требуются более сложные квантовые поправки.) Средняя скорость дрейфа облака — это отношение длины провода к среднему времени, необходимому электрону для прохождения этой длины. Алгебраические замены, подобные показанным ранее, покажут, что плотность тока пропорциональна дрейфовой скорости:

Дж = nev d

Дрейфовая скорость накладывается на тепловое движение электронов. Эта комбинация движений, при которой электроны отскакивают от металла, приводит к микроскопическому описанию электрического сопротивления, которое включает в себя идею предела поступательного движения.Предел выражается термином подвижность:

, так что подвижность, отношение скорости дрейфа к электрическому полю, является конечной и характерной для конкретного металла.

Объединение этих двух последних уравнений дает второе физическое определение проводимости:

ζ = J/E = nev d /E = neu

Движение электронов между вибрирующими ионными ядрами можно проанализировать с помощью второго закона Ньютона. , в котором говорится, что результирующая сила, действующая на массу, создает ускорение:

F = ma

Ускорение, в свою очередь, приводит к увеличению скорости.Если бы не было противодействия движению электрона в пространстве между ионными ядрами, подключение батареи к концам провода произвело бы ток, увеличивающийся со временем пропорционально такому увеличению скорости. Эксперимент показывает, что ток стабилен, так что результирующего ускорения нет.

Однако батарея создает электрическое поле в проводе, которое, в свою очередь, создает электрическую силу, действующую на каждый электрон:

F = eE

Таким образом, должна существовать равная и противоположная сила, связанная с поведением ионных ядер.Аналогией здесь является воздействие молекул воздуха на объект, падающий в атмосферу, например на каплю дождя. Это жидкостное трение создает силу, пропорциональную скорости, которая достигает предельного значения, когда сила трения становится равной весу. Это устойчивое состояние, для которого результирующая сила равна нулю, соответствует дрейфовой скорости электронов в проводнике. Подобно тому, как капля дождя быстро достигает постоянной скорости падения, электроны в металле гораздо быстрее достигают постоянной скорости дрейфа, проявляющейся в постоянном токе.

До сих пор это обсуждение требовало поддержания постоянной температуры. Для металлов экспериментальные измерения показывают, что проводимость уменьшается с повышением температуры. Исследования показывают, что для металла с фиксированными n и e именно снижение подвижности объясняет это снижение проводимости. Для умеренных повышений температуры экспериментальное изменение соответствует линейной зависимости:

ρ = ρ 0 [1 + α(T – T 0 )]

Здесь индекс «0» относится к начальным значениям а называется температурным коэффициентом удельного сопротивления.Установлено, что этот коэффициент меняется при больших изменениях температуры.

Для изучения взаимосвязи между температурой и подвижностью электронов в металле необходимо учитывать поведение ионных остовов. Ионные ядра расположены в трехмерной кристаллической решетке. В большинстве распространенных металлов структура кубическая, и транспортные функции не сильно зависят от направления. Тогда металл можно рассматривать как изотропный, то есть не зависящий от направления, и все предыдущие уравнения применяются так, как написано.Для анизотропных материалов ориентационная зависимость переноса в кристаллах приводит к семействам уравнений с наборами коэффициентов направления, заменяющих используемые здесь простые константы.

Температура связана с колебательной кинетической энергией ионных ядер, находящихся в движении относительно своего положения равновесия. Их можно уподобить массам, соединенным между собой пружинами в трех измерениях, причем их связи действуют как пружины. Электроны, пытающиеся двигаться среди них, будут случайным образом отклоняться или рассеиваться этими колебаниями решетки, которые квантуются.Колебательные кванты называются фононами по аналогии с фотонами. Усовершенствованная теория проводимости основана на анализе рассеяния электронов фононами.

С увеличением колебательной энергии при повышении температуры рассеивание увеличивается, так что дрейфовое движение подвергается большему нарушению. Таким образом, для поддержания данного тока потребуется более сильное поле при более высокой температуре.

Если бы ионные ядра определенного металла были идентичными и стационарными в своих точных равновесных узлах решетки, электронное облако могло бы дрейфовать между ними без сопротивления, то есть без сопротивления.Таким образом, можно выделить три фактора сопротивления: (а) колебания решетки, (б) смещение ионного ядра из узлов решетки и (в) химические примеси, которые являются неправильными ионными ядрами. Факторы (а) и (б) зависят от температуры, и посторонние атомы вносят свой вклад в их тепловое движение, а также в их неправильность. Кроме того, места, где отсутствуют ионы или вакансии, также являются неправильными и способствуют рассеянию. Смещения, вакансии и примеси относятся к дефектам решетки.

Прямое распространение теплового поведения вниз к абсолютному нулю температуры предполагает, что сопротивление должно падать до нуля монотонно.Этого не происходит, потому что дефекты решетки остаются неправильными, а колебательная энергия не падает до нуля. Квантовая механика объясняет остаточную энергию нулевой точки. Однако во многих металлах и многих других веществах при температуре, близкой к нулю, наблюдается совершенно новое явление — внезапное падение удельного сопротивления до нуля. Это называется сверхпроводимостью.

Полупроводники — это материалы, у которых проводимость намного ниже, чем у металлов, и она широко варьируется за счет регулирования их состава.Теперь известно, что эти вещества являются плохими изоляторами, а не плохими проводниками, с точки зрения их атомной структуры. Хотя некоторые полупроводниковые вещества были идентифицированы и изучены во второй половине девятнадцатого века, их свойства не могли быть объяснены на основе классической физики. Только в середине двадцатого века, когда современные принципы квантовой механики были применены к анализу как металлов, так и полупроводников, теоретические расчеты значений проводимости согласовывались с результатами экспериментальных измерений.

В хорошем изоляторе электроны не могут двигаться, потому что почти все разрешенные орбитальные состояния заняты. Затем необходимо подать энергию, чтобы перевести электрон из крайнего связанного положения в более высокое разрешенное состояние. При этом остается вакансия, в которую может перескочить другой связанный электрон под действием электрического поля. Таким образом, и возбужденный электрон, и его вакансия становятся подвижными. Вакансия действует как положительный заряд, называемый дыркой, и дрейфует в направлении, противоположном электронам.Электроны и дырки обычно называют носителями заряда.

В хороших изоляторах энергия активации носителей заряда высока, и для их наличия требуется соответственно высокая температура. В плохих изоляторах, то есть в полупроводниках, активация происходит при температурах немного выше 80,6°F (27°C). Каждое вещество имеет характеристическое значение.

Существует гораздо больше соединений, чем элементов, которые можно отнести к полупроводникам. Некоторые элементы из столбца IV периодической таблицы имеют ковалентные связи: углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si).Для углерода только форма графита является полупроводниковой; алмаз является отличным изолятором. Следующий элемент в этой колонке, олово (Sn), претерпевает переход от полупроводника к металлу при 59°F (15°C), ниже комнатной температуры, что свидетельствует о бесполезно низкой энергии активации. Другие элементы, проявляющие полупроводниковые свойства, находятся в нижней части столбца VI, в частности, селен (Se) и теллур (Te).

Существуют две основные группы соединений с полупроводниковыми свойствами, названные по столбцам таблицы Менделеева, из которых они состоят: III-V, включая, среди прочего, арсенид галлия (GaAs) и антимонид индия (InSb); и II-VI, включая сульфид цинка (ZnS), селениды, теллуриды и некоторые оксиды.Эти соединения во многом имитируют поведение элементов IV столбца. Их химические связи смешанные ковалентные и ионные. Существуют также некоторые органические полупроводниковые соединения, но их анализ выходит за рамки данной статьи.

Полупроводник называется собственным, если его проводимость является результатом равных вкладов его собственных электронов и дырок. Затем уравнение необходимо расширить:

σ = n e e μ e + n h e μ h

В собственном полупроводнике n e = n , одно и то же числовое значение для электрона (-) и оставленной дырки (+).Подвижности обычно разные. Эти члены добавляются, потому что противоположные заряды движутся в противоположных направлениях, что приводит к паре одинаковых знаков в каждом произведении.

Для применения в устройствах полупроводники редко используются в чистом виде или в собственном составе. В тщательно контролируемых условиях вводятся примеси, которые вносят свой вклад либо в избыток, либо в недостаток электронов. Избыточные электроны нейтрализуют дырки, так что для проводимости доступны только электроны. Полученный материал называется n-типом, где n означает отрицательный носитель.Примером материала n-типа является Si с Sb, элементом столбца IV с примесью столбца V, известной как донор. В материале n-типа атомы доноров остаются фиксированными и положительно ионизированными. Когда примесь столбца III вливается в элемент столбца IV, электроны связываются, а дырки становятся доступными. Этот материал называется p-типом, p для положительного носителя. Примеси колонки III известны как акцепторы; в материале акцепторные атомы остаются фиксированными и отрицательно ионизированными. Примером материала p-типа является Si с Ga.Полупроводники как n-типа, так и p-типа называются внешними.

Тепловая кинетическая энергия — не единственный механизм высвобождения носителей заряда в полупроводниках. Фотоны с энергией, равной энергии активации, могут поглощаться связанным электроном, который в собственном полупроводнике добавляет и себя, и дырку в качестве подвижных носителей. Эти фотоны могут находиться в видимом диапазоне или в ближнем инфракрасном диапазоне, в зависимости от E G . Во внешних полупроводниках фотоны гораздо более низких энергий могут вносить вклад в пул преобладающего типа носителей при условии, что материал охлаждается до криогенных температур, чтобы уменьшить количество термически активированных носителей.Это поведение известно как фотопроводимость.

Каждая отдельная разновидность полупроводника является омической, с постоянной проводимостью при постоянной температуре. Однако при повышении температуры проводимость очень быстро возрастает. Концентрация доступных носителей изменяется в соответствии с экспоненциальной функцией:

n α exp[—(E G /kT)]

где E G — щель или энергия активации, k — постоянная Больцмана (1,38 ← × 10 23 джоулей/кельвин), T – абсолютная температура (в градусах Кельвина), а произведение kT – это тепловая энергия, соответствующая температуре T.Увеличение количества доступных носителей заряда перевешивает любое уменьшение подвижности, и это приводит к отрицательному значению a. Действительно, уменьшение сопротивления при повышении температуры является надежным признаком того, что вещество является полупроводником, а не металлом. Графит является примером проводника, который выглядит металлическим во многих отношениях, за исключением отрицательного значения α. Обратное, положительное α, не является таким отчетливым критерием металлической проводимости.

Уровень Ферми, E F , может быть показан по-разному для собственных, n-типа и p-полупроводников.Однако для материалов, физически связанных, E F должны быть одинаковыми для теплового равновесия. Это следствие законов термодинамики и сохранения энергии. Таким образом, поведение различных переходов, в которых внутренние энергетические уровни смещаются в соответствии с выравниванием уровня Ферми, чрезвычайно важно для полупроводниковых устройств.

Неомическая проводимость характеризуется нелинейными графиками зависимости тока от напряжения. Это происходит в полупроводниковых переходах, растворах электролитов, некоторых ионных твердых телах, не находящихся в растворе, ионизированных газах и электронных лампах.Соответствующие примеры включают полупроводниковые p-n-диоды, аккумуляторные кислотные или щелочные растворы, кристаллы галогенидов щелочных металлов, ионизированные пары ртути в люминесцентных лампах и электронно-лучевые трубки.

Ионная проводимость намного ниже электронной, потому что массы и диаметры ионов делают их гораздо менее подвижными. В то время как ионы могут медленно дрейфовать в газе или жидкости, их движение через пустоты твердой решетки гораздо более ограничено. Тем не менее, благодаря своей тепловой кинетической энергии ионы будут диффундировать через решетку и в присутствии электрического поля будут блуждать к соответствующему электроду.В большинстве случаев в зависимости от примесей будет иметь место как ионная, так и электронная проводимость. Таким образом, для исследования ионной проводимости материал должен быть очень чистым твердым телом.

В газах атомы газа должны быть ионизированы электрическим полем, достаточным для обеспечения энергии ионизации газа в трубке. Для стабильных течений основным параметром является отношение поля к давлению газа, E/P. Электроны, возвращаясь в связанные состояния, создают характерный спектр газа, качественно связанный с цветом, т.е.г., красный для неона, желто-оранжевый для паров натрия или сине-белый для паров ртути.

Основное определение плазмы в физике включает все материальные проводники, омические и неомические. Плазма — это среда, в которой присутствует примерно равное количество противоположных зарядов, так что среда является нейтральной или почти нейтральной. В металле отрицательные электроны отделены от равного числа остовов положительных ионов. В полупроводнике могут быть дырки и электроны (внутренние), дырки и ионизированные акцепторы (р-тип) или электроны и ионизированные доноры (n-тип).В растворе электролита и в ионном твердом теле есть положительные и отрицательные ионы. Ионизированный газ содержит электроны и положительные ионы. Небольшое различие между ними может быть сделано в зависимости от того, имеет ли среда одну или две мобильные несущие.

В современном использовании термин плазма обычно относится к очень горячим газам, таким как те, которые используются в токамаке для экспериментов по ядерному синтезу. Высокоэнергетическая плазма обсуждается в статье о термоядерном синтезе как способе получения электроэнергии.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Решетка — Строение атомов в твердом теле.В проводящем материале ионные ядра составляют решетку.

Разность потенциалов— В проводнике, по которому течет электрический ток, это разность потенциальной энергии на единицу заряда.

Остальной категорией неомической проводимости является электровакуумная трубка, в которой пучок электронов испускается либо с нагретого катода (термоэлектронный), либо с соответствующим образом освещенного катода (фотоэлектрический) и движется через вакуумированное пространство к аноду. Луч при своем прохождении подвергается воздействию электростатических или магнитных полей для контроля.Откачанное пространство нельзя отнести ни к материалу с определяемой проводимостью, ни к плазме, поскольку в нем присутствуют только электроны. Однако есть соотношения тока и напряжения, которые необходимо проанализировать. Эти графики, как правило, нелинейны или линейны в ограниченном диапазоне. Но электронные лампы не называются омическими даже в их линейных диапазонах, потому что нет материала, подвергающегося решетчатому поведению, ранее описанному как основа омического сопротивления.

Электрическая проводимость в организме человека и других животных организмов преимущественно ионная, так как биологические жидкости содержат жизненно важные электролиты, подверженные электрохимическому действию в органах.Дополнительная информация доступна в других статьях, особенно о сердце, мозге и нейронах.

См. также Химическая связка; электролит; Неметалл.

КНИГИ

Элс, Марк и Крис Ханивилл. Электричество и теплофизика . Челтнем, Великобритания: Нельсон Торнс, 2004.

Холлидей, Дэвид и др. Основы физики . New York: Wiley, 2004.

Frieda A. Stahl

Разница между электрической и теплопроводностью

Опубликовано Admin

Электрическая и теплопроводность
 

Теплопроводность и электропроводность — два очень важных физических свойства материи.Теплопроводность материала описывает, насколько быстро материал может проводить тепловую энергию. Электропроводность материала описывает электрический ток, который будет возникать из-за данной разности потенциалов. Оба эти свойства хорошо изучены и имеют множество применений в таких областях, как производство и передача электроэнергии, электротехника, электроника, термодинамика и тепловая промышленность, а также во многих других областях. В этой статье мы собираемся обсудить, что такое теплопроводность и электропроводность, их определения, сходство между теплопроводностью и электропроводностью, их применение и, наконец, разницу между теплопроводностью и электропроводностью.

Электропроводность

Сопротивление компонента зависит от различных параметров. Длина проводника, площадь проводника и материал проводника – вот некоторые из них. Проводимость материала можно определить как проводимость блока единичных размеров, изготовленного из материала. Электропроводность материала обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Проводимость обычно обозначают греческой буквой σ. Единицей проводимости в системе СИ является сименс на метр.Следует отметить, что проводимость является специфическим свойством материала при данной температуре. Электропроводность также известна как удельная проводимость. Проводимость компонента равна проводимости материала, умноженной на площадь материала, деленной на длину материала. Проводя электричество, электроны внутри материала перемещаются от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Проводимость компонента также может быть определена как ток, генерируемый на единицу разности напряжений.Электропроводность — это свойство объекта, тогда как электропроводность — это свойство материала.

Теплопроводность

Теплопроводность – это способность материала проводить тепловую энергию. Теплопроводность является свойством материала. Теплопроводность является свойством объекта. Наиболее важным законом теплопроводности является уравнение теплового потока. Это уравнение утверждает, что скорость теплового потока через данный объект пропорциональна площади поперечного сечения объекта и градиенту температуры.В математической форме это можно записать как dH/dt = kA(∆T)/l, где k — коэффициент теплопроводности, A — площадь поперечного сечения, ∆T — разность температур между двумя концами, а l — длина объекта. ∆T/l можно назвать температурным градиентом. Теплопроводность измеряется в ваттах на кельвин на метр.

 

В чем разница между теплопроводностью и электропроводностью?

• При теплопроводности тепло передается за счет колебаний атомов внутри материала.В электропроводности сами электроны движутся, чтобы создать ток.

• Большинство теплопроводников являются хорошими проводниками электричества. Как теплопроводность, так и электропроводность зависят от материала.

• При теплопроводности передается энергия, а при электропроводности передаются электроны.

 

Тепловая энергия: определение, виды, примеры и интересные факты

Тепловая энергия – это энергия, которой обладает тело или система благодаря движению частиц внутри тела или системы.Это один из различных видов энергии, где энергия в основном относится к способности выполнять работу. Так как такую ​​тепловую энергию можно определить и как способность чего-либо совершать работу в результате движения его частиц.

Другими словами, тепловая энергия — это энергия, которой обладает предмет или тело благодаря движению составляющих его частиц. Это полная внутренняя кинетическая энергия объекта из-за случайного движения его атомов и молекул. Тепловая энергия является разновидностью кинетической энергии, поскольку она возникает в результате движения частиц.Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает объект вследствие его движения.

Чем быстрее движутся атомы или молекулы или атомы, из которых состоит тело, тем выше тепловая энергия тела. Чаще всего понятие тепловой энергии часто путают с теплотой. В физике тепло рассматривается как передача энергии от более горячего тела к более холодному за счет разницы температур.

Термин «тепло» в физике относится к тепловой энергии в пути; оно всегда перетекает из вещества с более высокой температурой в вещество с более низкой температурой, повышая температуру последнего и понижая температуру первого вещества при условии, что объем тел остается постоянным.

Короче говоря, тепло — это передаваемая энергия, а тепловая энергия — это внутреннее свойство, которым обладает объект до передачи энергии в виде тепла (часто сумма кинетических энергий различных частиц, составляющих рассматриваемый объект).

Физики считают тепловую энергию равной произведению k на T, где:

K= постоянная Больцмана (1,381 x 10 -23 м 2 кг -2 K -1 )

T= Абсолютная температура

Это отношение обычно записывается как: kT или k B T

Тепловая энергия составляет основу изучения тепловой энергии и термодинамики.Это одна из древнейших форм энергии, используемых человечеством. Его использование существовало еще до открытия нефти и ядерных источников энергии.

Большинство людей называют тепловую энергию просто теплом. Тепловая энергия каждой материи всегда будет зависеть от скорости молекул и атомов, составляющих материю. Если движение этих молекул и атомов быстрее, говорят, что объект имеет более высокую кинетическую энергию.

Точно так же известно, что более быстрое движение молекул и атомов в объекте увеличивает температуру объекта.Следовательно, тепловая энергия увеличивается с увеличением движения и, следовательно, становится формой кинетической энергии.

Поскольку большинство людей путают тепловую энергию с другими формами энергии и другими терминами, такими как температура, некоторые факты скрыты от знания очень многих людей. Поэтому важно знать несколько примеров и основных фактов о тепловой энергии.

Виды тепловой энергии

Когда составляющие тело атомы и молекулы вибрируют, что приводит к увеличению внутренней энергии тела (тепловой энергии), устанавливается температурный градиент.Таким образом, тепловую энергию часто подразделяют на различные виды на основании того, как эта внутренняя энергия в виде теплоты передается от одного тела к другому. Ниже приведены различные типы:

1. Проводимость

Это тип тепловой энергии, который включает в себя движение составляющих частиц объекта без движения самого тела. Его могут проявлять объекты во всех фазах (твердое, жидкое и газообразное). Вибрационное движение частиц объекта приводит к увеличению тепловой энергии (форма внутренней энергии) каждого атома или молекулы, которая передается при контакте соседним атомам и молекулам внутри объекта.

Таким образом, тепловая энергия, связанная с проводимостью, является результатом передачи увеличенной внутренней энергии каждого составного атома или молекулы другому до тех пор, пока все атомы или молекулы не придут в колебание. В этом типе тепловой энергии должен быть установлен контакт между соседними частицами, прежде чем тепловая энергия сможет пройти вдоль тела.

При проводимости только часть проводника подвергается воздействию перемешивающего агента, но повышение или понижение тепловой энергии равномерно передается от одной составляющей частицы к другой.Типичным примером является повышение температуры ложки из нержавеющей стали, вставленной в кастрюлю на некоторое время, при продолжающемся нагреве.

Атомы или молекулы в ложке из нержавеющей стали, находящиеся в непосредственном контакте с самой горячей частью кастрюли, приходят в движение и обладают большей внутренней энергией из-за своего движения. Эта энергия передается соседним атомам или молекулам до тех пор, пока все атомы и молекулы в ложке не приходят в колебание с результирующим увеличением внутренней энергии, проявляющимся в повышении температуры ложки.

2. Конвекция

Тогда как конвекция происходит не только внутри тела, но и между двумя соприкасающимися телами. Если одно из веществ является жидкостью или газом, то движение жидкости обязательно будет происходить. Перенос энергии между твердой поверхностью и движущейся жидкостью или газом называется конвекцией.

Жидкость подвергается естественной или принудительной конвекции. При нагревании жидкости или газа их масса в единице объема обычно уменьшается. В случаях, когда жидкость или газ находятся в гравитационном поле, более горячая и легкая жидкость поднимается, а более холодная и тяжелая опускается.Такое движение, обусловленное исключительно неравномерностью температуры жидкости в присутствии гравитационного поля, называется естественной конвекцией.

Принудительная конвекция достигается за счет воздействия на жидкость градиента давления, что приводит к движению в соответствии с законом гидромеханики. Типичным примером этого вида тепловой конвекции является следующий: вода в кастрюле нагревается снизу, ближайшая ко дну жидкость расширяется и ее плотность уменьшается; в результате горячая вода поднимается вверх, а часть более холодной жидкости опускается вниз, создавая таким образом циркуляционное движение.

Аналогичным образом, в вертикальной газонаполненной камере, такой как воздушное пространство между двумя оконными стеклами в окнах с двойным остеклением или термопанелями, воздух возле холодного внешнего стекла движется вниз, а воздух возле внутреннего, более теплого стекла поднимается вверх , что приводит к циркуляторному движению (называемому «тепловой конвекцией»)

3. Радиация

Этот тип тепловой энергии принципиально отличается как от теплопроводности, так и от конвекции тем, что вещества, обменивающиеся теплом, не должны контактировать друг с другом.На самом деле передача тепловой энергии излучением происходит между двумя телами, несмотря на то, что они разделены вакуумом.

Термин «излучение» обычно применяется ко всем видам явлений электромагнитных волн. Закон Планка в физике гласит: все вещества излучают лучистую энергию только благодаря тому, что имеют положительную абсолютную температуру. Таким образом, более высокие температуры дают большее количество энергии.

Помимо излучения, все вещества способны поглощать излучение. Это иллюстрируется тем фактом, что, хотя кубик льда непрерывно излучает лучистую энергию, он тает, когда на него фокусируется лампа накаливания, потому что он будет поглощать большее количество тепла, чем может излучать.

Примеры тепловой энергии

Примеров использования тепловой энергии бесконечное множество. Дома, например, большинство объектов проявляют тепловую энергию, которая является формой как кинетической, так и потенциальной энергии. Мы также взаимодействуем с несколькими примерами тепловой энергии в нашей повседневной жизни. Ниже приведены некоторые примеры тепловой энергии, с которыми вы часто сталкиваетесь:

1. Солнечная энергия

Солнечное излучение (вид тепловой энергии) нагревает нашу атмосферу, поэтому на Земле ощущается тепло.

2. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия, которая представляет собой форму энергии в земной коре в виде сильного тепла, которое постоянно вытекает наружу из недр Земли. Это тепло возникает в основном в ядре. Это тепло вырабатывается в земной коре главным образом в результате распада радиоактивных элементов, присутствующих во всех горных породах.

Кора толщиной от 5 до 75 км (от 3 до 47 миль) изолирует земную поверхность от горячих недр, которые в ядре могут достигать температуры от 4000°C до 7000°C (приблизительно 7200°F). до 12 600° F).Когда тепло концентрируется у поверхности Земли, его можно использовать в качестве источника энергии.

3. Тепловая энергия океанов

Поверхности океана и морской воды обладают огромным потенциалом накопления тепловой энергии благодаря прямому воздействию солнечных лучей в течение длительных периодов времени. Эта тепловая энергия используется за счет использования разницы между температурами мелководных и глубоководных морских районов.

С помощью соответствующей технологии мы можем собирать тепловую энергию из океана и морских вод для питания различных отраслей промышленности, машин и приложений для экономического развития.Технология, используемая для использования этой энергии, широко известна как преобразование тепловой энергии океана (ПТЭО).

4. Энергия топливных элементов

Мы также можем использовать энергию, полученную из тепловой энергии, используя топливные элементы. Топливный элемент вырабатывает энергию в результате химической реакции, которая происходит в его электродах. В результате реакции между двумя электродами образуются ионы или заряженные частицы, переносимые электролитом. Тепло, выделяемое в ходе этого процесса, утилизируется и используется для повышения энергоэффективности.

5. Стакан холодного шоколада и чашка горячего шоколадного молока

Чашка горячего шоколада имеет тенденцию быть теплее, чем стакан того же шоколада в холодном виде. В этом случае можно сделать вывод, что горячее шоколадное молоко обладает более высокой тепловой энергией по сравнению с холодным шоколадным молоком. Если поставить шоколадное молоко на горячую плиту, температура молока повысится. Это так, потому что; молоко сможет поглотить тепловую энергию, идущую от горячей плиты.

С другой стороны, когда горячее шоколадное молоко остывает, оно теряет тепловую энергию, поскольку движение частиц уменьшается. Он не поглощает тепло от горящей печи. Таким образом, он отдает тепло окружающим холодным областям. Следовательно, кинетическая энергия его частиц уменьшается, что снижает тепловую энергию шоколадного молока.

6. Тающий лед

Когда в стакан с водой добавляется лед, температура воды уменьшается по мере увеличения температуры льда.Это происходит потому, что тепловая энергия более теплой воды, чем лед, заставляет лед таять.

Другие распространенные примеры тепловой энергии включают следующие :

7. Добавление льда в стакан с водой приводит к снижению температуры воды, поскольку тепловая энергия воды используется для таяния льда.

8. Стакан воды на восемь унций при температуре 70 градусов обладает большим количеством тепловой энергии по сравнению со стаканом воды на восемь унций при температуре 60 градусов.

9. Гриль вырабатывает тепловую энергию за счет сжигания пропана

10. Когда компьютер включен, его внутренние компоненты выделяют тепловую энергию. Эта энергия должна охлаждаться с помощью небольшого вентилятора, установленного внутри компьютера.

11. Горячая печь имеет тепловую энергию, которая передается металлическому горшку, увеличивая скорость молекул воды и, следовательно, повышая температуру воды.

12. Внутри кошки находится тепловая энергия, которая может передаваться человеку, когда теплое животное сидит у него на коленях.

13. Ванна, наполненная горячей водой, содержит достаточно тепловой энергии, чтобы согреть замерзшее тело и снова почувствовать себя комфортно в холодный день.

Точно так же объекты могут быть разделены путем нагревания их обоих, чтобы зажечь движение молекул, разделяющих их пути. Это увеличивает их тепловую энергию, возникающую в результате повышения температуры вещества. Опять же, если это происходит в жидкостях в процессе испарения, это известно как скрытая теплота парообразования, которая является формой тепловой энергии.

Интересные факты о тепловой энергии

Факт 1: Тепловая энергия измеряется в джоулях.

Факт 2: Существует связь между тепловой энергией и температурой объекта.

Факт 3: Тепловая энергия является компонентом общей энергии объекта.

Факт 4: Тепловую энергию труднее преобразовать в другие формы энергии по сравнению с другими формами энергии.

Факт 5: Предметы не могут содержать тепло.Они содержат тепловую энергию. Это потому, что тепло считается процессом.

Факт 6: Когда тепловая энергия передается к объекту или от него, это называется теплом.

Факт 7: Вам нужна машина, такая как двигатель, для преобразования тепловой энергии в другие формы энергии.

Факт 8: Солнечное тепло заменяет тепло Земли, которое уходит в космос.

Факт 9: Количество тепловой энергии не зависит от количества выполненной работы.Он отличается от других форм энергии.

Факт 10: Джеймс Джоуль признан первым, кто заговорил о притоке и потере тепла, но он не был первым, кто использовал термин «тепловая энергия».

Факт 11: Температура и тепло — две разные вещи. А именно, температура относится к тому, насколько холодным или горячим является объект.

Факт 12: Тепло может передаваться тремя способами – излучением, конвекцией и теплопроводностью.

Факт 13: Объекты, которые позволяют легко передавать тепловую энергию через себя, известны как проводники.Металлы являются хорошим примером проводников.

Факт 14: Объекты, которые не позволяют легко передавать тепловую энергию через себя, известны как изоляторы. Пластик является хорошим примером изоляторов.

Факт 15: Тепловая энергия часто передается тремя основными способами, а именно; теплопроводность, конвекция и излучение.

Факт 16: Тепловая энергия и температура не одно и то же. Это связано с тем, что температура просто определяет, насколько горячей или холодной является материя, в то время как тепловая энергия связана с кинетическим или потенциальным состоянием молекул и атомов объекта.

Факт 17: Хотя Джеймс Джоуль не был первым, кто использовал тепловую энергию, ему приписывают то, что он был первым, кто обсудил приток и потерю тепла.

Факт 18: Существует тесная связь между тепловой энергией и температурой любого вещества.

Факт 19: Количество тепловой энергии в объекте никак не связано с количеством работы, совершаемой объектом.

Факт 20: Предметы, которые используются в качестве изоляторов, такие как дерево и пластик, не позволяют тепловой энергии проходить через них быстро.

Факт 21: Тепловая энергия составляет значительную часть общей энергии, которой обладает объект.

Источники:

ScienceDirect, Википедия

Что такое электропроводность? – Matmatch

Электропроводность — это показатель того, насколько легко материал пропускает через себя электрический ток. И наоборот, удельное электрическое сопротивление измеряет, насколько сильно материал сопротивляется потоку электрического тока. Эти два свойства являются точными противоположностями друг друга.Электропроводность обозначается греческой буквой σ , а удельное электрическое сопротивление обозначается греческой буквой ρ .

Материалы часто выбирают или отбрасывают для приложений из-за их электропроводности, когда прохождение электрического тока имеет решающее значение для функциональности их применения. Металлы, как правило, являются лучшими проводниками электричества, а полимеры – наименее проводниками электричества. Серебро — лучший проводник электричества, но оно редко используется для этой цели из-за его дефицита и, как следствие, непомерно высокой стоимости.

В этой статье вы узнаете о:

  • Что такое электропроводность
  • Измерение электропроводности
  • Применение электропроводности
  • Будущие материалы и применение

Сечение подземного электрического кабеля.

Что такое электропроводность?

Хорошие проводники электричества также часто являются хорошими проводниками тепла, что очевидно для большинства металлов.Температура материала может влиять на его проводимость не столь прямолинейным образом. Для материалов, известных как проводники, повышение температуры обычно снижает их проводимость и наоборот. Но для изоляторов дело обстоит наоборот, так как повышение температуры фактически увеличивает их проводимость. Эта взаимосвязь между температурой и электропроводностью полезна при создании сверхпроводников. Сверхпроводник — это материал, который почти идеально проводит электричество, практически не имея сопротивления.До сих пор всем известным сверхпроводникам для проявления этого свойства требуются чрезвычайно низкие температуры (до -234 o C).

Электропроводность материала определяется формулой

`\sigma =\frac{1}{\rho}` 

Где ρ — удельное сопротивление материала.

Удельное сопротивление измеряется в ом·метрах (Ом·м), а электропроводность измеряется в сименсах на метр (См/м) , что является обратной величиной единицы удельного сопротивления. Электропроводность или удельное сопротивление материала является неизменным свойством, которое не меняется в зависимости от размера или формы материала.

Проводимость материала зависит от температуры, но она также может меняться в зависимости от приложенного магнитного поля. До сих пор мы предполагали, что все материалы однородны и изотропны; гомогенный означает, что свойства материала одинаковы независимо от того, откуда взят образец, и изотропный означает, что эти свойства имеют одно и то же значение независимо от того, в каком направлении они измеряются. Однако это не всегда так, особенно для полупроводников, представляющих собой особые материалы, обладающие различной проводимостью в разных направлениях.Кроме того, проводимость и сопротивление не следует путать с проводимостью или удельным сопротивлением соответственно. Хотя они связаны, они не одно и то же и не взаимозаменяемы. Проводимость и сопротивление изменяются в зависимости от размера рассматриваемого материала, в то время как проводимость и удельное сопротивление не .

Таблица 1. Удельное сопротивление и электропроводность обычных материалов при 20°C [1]

Материал

Удельное сопротивление ρ (Ом.м) при 20 °С

Проводимость σ (См/м) при 20 °C

Серебро

1,59×10 −8

6,30×10 7

Медь

1,68×10 −8

5,96×10 7

Золото

2,44×10 −8

4.10×10 7

Алюминий

2,82×10 −8

3,5×10 7

Кальций

3,36×10 −8

2,98×10 7

Вольфрам

5,60×10 −8

1,79×10 7

Цинк

5.90×10 −8

1,69×10 7

Никель

6,99×10 −8

1,43×10 7

Литий

9,28×10 −8

1,08×10 7

Железо

1,0×10 −7

1.00×10 7

Платина

1,06×10 −7

9,43×10 6

Олово

1,09×10 −7

9,17×10 6

Углеродистая сталь

-1010

1,43×10 −7

Свинец

2.2×10 −7

4,55×10 6

Титан

4,20×10 −7

2,38×10 6

Константан

4,9×10 −7

2,04×10 6

Нержавеющая сталь

6,9×10 −7

1.45×10 6

Меркурий

9,8×10 −7

1,02×10 6

Углерод (аморфный)

5×10 −4 – 8×10 −4

1,25 – 2×10 3

Углерод (алмаз)

1×10 12

~10 −13

Кремний

6.40×10 2

1,56×10 −3

Стекло

10×10 10 – 10×10 14

10 −11 – 10 −15

Твердая резина

1×10 13

10 −14

Тефлон

10×10 22 – 10×10 24

10 −25 – 10 −23

Измерение электропроводности

Двухточечный и четырехточечный методы являются двумя наиболее распространенными методами измерения электропроводности [2].

Двухточечная техника

Этот метод включает пропускание тока (через источник напряжения) через образец (прямоугольный стержень) материала. Этот ток подается через два медных узла, прикрепленных к обоим концам стержня (отсюда и название «двухточечный метод»). Измеряется величина тока, протекающего через стержень, и, поскольку напряжение уже известно, сопротивление рассчитывается по формуле ниже

.

`R =\frac{V}{I}`

Где R = сопротивление в Ом, В = напряжение в вольтах и ​​ I = ток в амперах.

Электропроводность стержня можно рассчитать как

`\sigma =\frac{l}{Rwh}`

Где σ — проводимость в См/м, R — измеренное сопротивление в Ом, а w , h и l — ширина, высота и длина стержня образца соответственно.

Четырехточечная техника

Двухточечный метод по своей природе подвержен ошибкам, потому что измерительное оборудование фактически имеет свойства, которые также измеряются одновременно с испытуемым образцом.{1}}{Vwh}`

Где σ — проводимость, измеренная в См/м, I — ток, измеренный амперметром, в амперах, В — напряжение, измеренное вольтметром, в вольтах, l 1 — длина между две точки, в которых измеряется напряжение, w и h — ширина и высота стержня образца соответственно.

Приложения и материалы

Электропроводность

находит применение в различных отраслях промышленности, от передачи электроэнергии до электроники. Вот несколько примеров распространенных применений принципа проводимости [3].

  • Воздушные линии электропередач, которые используются для передачи электроэнергии, обычно изготавливаются из алюминия, поскольку он является очень хорошим проводником электричества. Точно так же большинство изоляторов сделаны из полимера с очень низкой проводимостью для защиты людей от поражения электрическим током.
  • Во избежание электростатического разряда (ЭСР) электропроводящие пластмассы и композиты рассеивают статическое электричество. Это важно в электронике, где пластмассы используются для корпусов и других приложений, где электростатический разряд может вызвать воспламенение легковоспламеняющегося газа или жидкости.
  • Электрическая проводимость может использоваться датчиком для определения границы раздела двух жидкостей, если они имеют значительную разницу в проводимости. Это может быть полезно при химической обработке и производстве продуктов питания и напитков.
  • Опреснение морской воды использует электрическую проводимость для контроля того, насколько хорошо растворенные ионные твердые вещества удаляются из воды, и, таким образом, дает представление о полноте процесса очистки.

Будущие материалы и области применения

Редкость некоторых материалов, стоимость их производства и другие факторы означают, что не всегда выбирается наилучший материал для определенного применения с точки зрения электропроводности.Серебро, известное как лучший металлический проводник, идеально подошло бы для применения в интегральных схемах, поскольку оно инертно. Золото, хотя и менее проводящее, было бы лучше, чем серебро, когда важна защита от радиации. Алмаз, материал с наименьшей проводимостью, который мы упоминали до сих пор, может быть единственным вариантом, когда речь идет о высоких давлениях. Наконец, сверхпроводники являются почти идеальными материалами, но для их работы требуются температуры, близкие к абсолютному нулю. Квантовые суперкомпьютеры разрабатываются таким образом, что им потребуются сверхпроводники, поскольку их расчеты основаны на точном числе разрядов электронов для работы с их скоростью и точностью [4].

Для линий электропередач требуется комбинация материалов, обладающих свойствами электропроводности и удельного электрического сопротивления.

[1] А. Хельменстин, «Таблица удельного электрического сопротивления и проводимости», [онлайн] Доступно по адресу: https://sciencenotes.org/table-of-electrical-resistivity-and-conductivity/, 2019.

[2] Хини, Майкл Б. «Электропроводность и удельное сопротивление».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.