Теплопроводность
Разбираем, как энергия переходит от горячего к холодному без переноса вещества. Выясняем, почему металл проводит тепло хорошо, жидкость плохо, газ ещё хуже. Смотрим, как плохая теплопроводность работает в одежде и в природе.
аудио-обзор «Теплопроводность»21:51- Как тепло бежит по телу
- Кто проводит тепло лучше
- Плохая теплопроводность работает на нас
Опусти металлическую ложку в горячий чай — через минуту ручка уже тёплая, хотя в огонь её никто не совал. А в зимней куртке, наоборот, тепло не уходит наружу. Как тепло добирается до ручки ложки и почему одни вещества его пропускают, а другие держат?
Объяснить на примере, что такое теплопроводность и чем она отличается от переноса вещества
Расположить металлы, жидкости, газы и вакуум по способности проводить тепло и обосновать порядок
Объяснить, почему зимняя одежда, шерсть и перья греют, опираясь на плохую теплопроводность воздуха
Теплопроводность как вид теплопередачи
Практическое применение теплопроводности
Как тепло бежит по телу
Тепло можно передать тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Сейчас берём первый, самый «тихий»: ничего не течёт и не летит, а энергия всё равно переезжает.
Представь цепочку людей, которые передают друг другу вёдра с места пожара. Люди стоят на своих местах и никуда не бегут. Двигаются только вёдра, то есть энергия. Так и в твёрдом теле: частицы почти не покидают своих мест, но у нагретого края они колеблются сильнее, толкают соседей, те толкают следующих, и «жар» передаётся дальше.
Теплопроводность — процесс, при котором энергия передаётся от одного тела к другому или от одной части тела к другой за счёт теплового движения частиц и их взаимодействия между собой.
Теплопроводность похожа на эстафету: бегуны передают палочку и остаются на своих отрезках. Честная оговорка: у частиц это не палочка, а «толчки» и колебания, но смысл тот же. Важное следствие: переносится только энергия, а вещество не переносится. Если нагреть край стержня, сам металл к другому краю не поплывёт, придёт только тепло.
Так тепло по стержню видно на опыте: пламя греет один край, а энергия постепенно идёт вдоль всего стержня. Это и есть передача энергии от одной части твёрдого тела к другой.
Когда раскалённая полоса лежит на опоре, энергия передаётся и от одного тела к другому: от полосы к опоре через место их касания. Это тоже теплопроводность, по определению выше.
Нагретая вода касается погружённой части ложки: её частицы толкают частицы металла и разгоняют их.
Разогнанные частицы толкают соседей выше по ложке, и энергия идёт к ручке.
Через некоторое время ручка тёплая. Металл остался на месте, до ручки дошла только энергия — это и есть теплопроводность.
Нагретый край стержня передал тепло дальше. Переместилось ли при этом вещество стержня к другому концу?
показать
Нагретый край стержня передал тепло дальше. Переместилось ли при этом вещество стержня к другому концу?
Нет. При теплопроводности переносится только энергия, переноса вещества не происходит.
Что представляет собой процесс теплопроводности согласно материалам урока?
Кто проводит тепло лучше
Разные вещества передают энергию по-разному: у них разная теплопроводность. Чем ближе друг к другу частицы и чем сильнее они взаимодействуют, тем быстрее «эстафета» бежит по веществу.
Металлы проводят тепло лучше всех. Но и среди них есть различия: медь проводит тепло лучше стали.
Жидкости (кроме расплавленных металлов) проводят тепло плохо. Если греть пробирку с жидкостью, как на рисунке, энергия по жидкости передаётся плохо.
Газы проводят тепло ещё хуже жидкостей. Причина: молекулы газа находятся значительно дальше друг от друга и слабо взаимодействуют. Вернёмся к эстафете: если бегуны стоят далеко друг от друга, палочку передавать трудно. Проверим на опыте: закрытый конец пробирки с воздухом держим над пламенем, а в открытый конец помещаем палец. Палец очень долго не чувствует тепла. Значит, воздух обладает плохой теплопроводностью.
Самую плохую теплопроводность имеет очень сильно разреженный газ (вакуум): частиц так мало, что передавать энергию почти некому.
Правило самопроверки: чем реже стоят частицы, тем хуже теплопроводность. Порядок от лучшего к худшему: металлы, жидкости, газы, разреженный газ (вакуум).
| Металлы | Жидкости | Газы | |
|---|---|---|---|
Теплопроводность | наилучшая | плохая | ещё хуже, чем у жидкостей |
Пример или причина | медь лучше стали | исключение: расплавленные металлы | молекулы далеко, слабо взаимодействуют |
Самый плохой случай | — | — | сильно разреженный газ (вакуум) |
Почему газ проводит тепло хуже жидкости?
показать
Почему газ проводит тепло хуже жидкости?
У газа расстояние между молекулами значительно больше, а взаимодействие слабое, поэтому энергия передаётся хуже.
Какое из веществ обладает лучшей теплопроводностью: медь или сталь?
Плохая теплопроводность работает на нас
То, что газы плохо проводят тепло, очень полезно. Газ, зажатый в материале, становится теплоизолятором: он не даёт теплу быстро уходить.
Именно из-за воздуха между волокнами наполнителя в зимней одежде мы не замерзаем. Так же устроены пористые материалы, шерсть и перья: в них много воздуха, и тепло через них проходит плохо. Поэтому используют посуду с металлической рабочей частью и плохо проводящими ручками, делают теплоизоляцию стен и труб. Если взять деревянную спичку, её можно держать за один конец, пока другой горит: дерево плохо проводит тепло.
Представь, что воздух между волокнами разбит на крошечные кармашки. Тепло должно пробираться через них, как по цепочке с огромными промежутками между людьми, и застревает. Куртка греет не сама по себе, а удерживает воздух, который плохо проводит тепло.
В наполнителе куртки между волокнами много воздуха.
Воздух — газ, у него плохая теплопроводность.
Тепло от тела наружу уходит плохо, поэтому нам тепло.
Тёплая куртка сама вырабатывает тепло и греет нас
Куртка тепло не создаёт: воздух между волокнами плохо проводит тепло и задерживает то, которое отдаёт наше тело
Почему вакуум — лучший изолятор
В очень сильно разреженном газе частиц так мало, что «эстафете» передавать энергию почти не через кого. Поэтому самую плохую теплопроводность имеет вакуум.
Назови три примера, где плохая теплопроводность воздуха помогает сохранять тепло.
показать
Назови три примера, где плохая теплопроводность воздуха помогает сохранять тепло.
Воздух между волокнами зимней одежды, пористые материалы, шерсть и перья.
Зачем при проведении опыта со льдом в пробирке с водой к кусочку льда прикрепляют гайку?
Тепло добралось до ручки ложки по эстафете частиц: нагретые частицы металла толкали соседей, и энергия шла вдоль ложки, а сам металл не двигался. Металлы проводят тепло лучше всего, поэтому ручка нагревается. Куртка же держит тепло потому, что воздух между волокнами проводит тепло плохо: газ ещё хуже жидкости, а молекулы в нём далеко друг от друга.
Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение
Теплопроводность — передача энергии за счёт теплового движения частиц и их взаимодействия, вещество при этом не переносится
Лучше всего проводят тепло металлы, жидкости хуже, газы ещё хуже, вакуум хуже всех
Плохая теплопроводность воздуха делает его теплоизолятором в одежде, шерсти, перьях и пористых материалах
Процесс, при котором энергия передаётся от одного тела к другому или от одной части тела к другой за счёт теплового движения частиц и их взаимодействия между собой.
Вещество с плохой теплопроводностью, например воздух между волокнами.
- Теплопроводность
передача энергии через движение и взаимодействие частиц
- Что переносится
только энергия, вещество не переносится
- Виды теплопередачи
теплопроводность, конвекция, излучение
- Теплоизолятор
вещество с плохой теплопроводностью, например воздух
| Металлы | Жидкости | Газы | |
|---|---|---|---|
Теплопроводность | наилучшая | плохая | ещё хуже |
Пример | медь лучше стали | кроме расплавленных металлов | воздух между волокнами |
Причина | частицы близко | частицы дальше | молекулы далеко, слабо взаимодействуют |
- Зимняя одежда
воздух между волокнами не пускает тепло
- Шерсть и перья
содержат воздух, плохо проводят тепло
- Вакуум
самая плохая теплопроводность
Даже среди металлов теплопроводность разная: медь проводит тепло лучше стали.
У жидкостей есть исключение: расплавленные металлы тепло проводят хорошо.
Назовите три основных вида теплопередачи.
Теплопроводность, конвекция и излучение.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИ400 300 200 100 0 100 200 Q, кДж t, ºС
На рисунке представлен график зависимости температуры твёрдого тела от отдаваемого им количества теплоты . Масса тела равна 4 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела?
0 D Q, Дж t, ºС 40 20 –20 С В А II I
На рисунке графически изображён процесс теплообмена для случая, когда в нагретую до 40 °С жидкость опускают кусок льда. Потерями энергии при теплообмене можно пренебречь. Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Часть воды вылилась, и над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 125 °С. Атмосферное давление Па. Закипит или нет поднятая паром вода? Ответ поясните.
В алюминиевом калориметре массой 100 г находилось 200 г воды при комнатной температуре. Затем в воду опустили спираль сопротивлением 2 Ом, подключённую к источнику напряжением 12 В. На сколько градусов нагрелся калориметр с водой за 5 мин., если потери энергии в окружающую среду составили 25 %?
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса.
Возьмём два одинаковых стеклянных кувшина ( и , см. рисунок), наполним их одинаковым количеством воды комнатной температуры. Второй кувшин накроем куском чёрной ткани. Поставим кувшины на солнце и будем измерять температуру в них каждые полчаса. В каком кувшине температура воды станет повышаться быстрее?
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии.
На рисунке показан график зависимости температуры вещества от поглощённого им количества теплоты. Масса вещества – кг. Первоначально вещество находилось в твёрдом состоянии. Какова удельная теплота плавления вещества?
В опыте с металлической спицей, к которой воском прикреплены гвоздики, нагревают один из её концов. Почему гвоздики начинают отпадать по очереди, начиная от ближнего к пламени?
Инфографика
Слайды
Конспектвесь параграф сжатым текстом — для повторения перед контрольнойпоказать целикомсвернуть
Руководство по изучению темы: Теплопроводность
Данное учебное пособие предназначено для глубокого изучения физического процесса теплопроводности, его механизмов на микроскопическом уровне, проявления в различных агрегатных состояниях вещества, применения в технике и быту, а также его роли в адаптации живых организмов к температурным условиям окружающей среды.
1. Ключевые концепции и теоретические основы
Понятие теплопередачи и теплопроводности
Изменение внутренней энергии тела может происходить путем теплопередачи. Выделяют три основных вида теплопередачи:
- Теплопроводность
- Конвекция
- Излучение
Теплопроводность — это процесс, при котором внутренняя энергия передаётся от одного тела к другому или от более нагретой части тела к менее нагретой в результате теплового движения и взаимодействия частиц (молекул, атомов).
> Фундаментальное правило теплопроводности: При теплопроводности происходит только передача энергии (перенос тепла). Перенос вещества отсутствует. Если бы при нагревании происходил перенос вещества, нагреваемый металлический стержень изменял бы свою толщину, чего в реальности не происходит.
Механизм передачи энергии (с точки зрения МКТ)
При нагревании одного конца тела (например, металлической спицы):
- Частицы на нагреваемом конце начинают двигаться быстрее (увеличивается их кинетическая энергия).
- В результате взаимодействия с соседними частицами они передают им часть своей энергии, ускоряя их.
- Постепенно процесс распространяется по всему телу от более нагретых участков к менее нагретым.
Теплопроводность веществ в различных агрегатных состояниях
Агрегатное состояние / Материал · Уровень теплопроводности · Объяснение с точки зрения структуры · Примеры и опыты
- Металлы — Наилучшая (высокая); Плотное расположение частиц и интенсивное взаимодействие между ними. Медь проводит тепло быстрее стали.; Металлическая ложка в горячей воде быстро нагревается; отпадание гвоздиков, прикрепленных воском к спице, по мере ее нагревания.
- Твердые неметаллы (дерево, стекло, глина, фарфор)** — Плохая (низкая); Слабая передача кинетической энергии между структурными элементами.; Горящую спичку можно держать в руках, не обжигаясь; ручки посуды из дерева или пластмассы не нагреваются быстро.
- Жидкости — Плохая (за исключением расплавленных металлов); Межмолекулярные расстояния больше, чем в твердых телах, взаимодействие weaker.; Опыт: вода в верхней части пробирки кипит от пламени спиртовки, а кусочек льда на дне (утяжеленный гайкой) не тает.
- Газы — Очень плохая; Расстояния между молекулами значительно больше, чем в жидкостях, а взаимодействие крайне слабое.; Опыт: пробирка с воздухом нагревается у закрытого верхнего конца, палец у открытого нижнего конца долго не чувствует тепла.
- Сильно разреженный газ (Вакуум) — Самая плохая (наименьшая); Практически полное отсутствие частиц для переноса энергии.; Идеальный теплоизолятор.
Практическое применение теплопроводности
Человек сочетает материалы с различной теплопроводностью для решения бытовых и технических задач:
- Кухонная утварь: Корпус кастрюль и чайников изготавливают из металлов (хорошая теплопроводность для быстрого нагрева), а ручки — из дерева, пластмассы или фарфора (плохая теплопроводность для защиты рук от ожогов). Чайные чашки и тарелки делают из глины и фарфора.
- Строительство: Стены домов делают из материалов с низкой теплопроводностью (дерево, кирпич) и часто изготавливают многослойными. Пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем полнотелый, благодаря наличию воздуха в пустотах.
- Изоляция коммуникаций: Металлические трубы системы отопления или холодильных установок покрывают внешним слоем теплоизоляции для предотвращения нежелательного теплообмена с окружающей средой.
- Одежда: Зимняя одежда предотвращает замерзание благодаря воздуху, запертому между волокнами наполнителя или в порах материала.
2. Биологический аспект: Терморегуляция и адаптация организмов
Температурные границы жизни
Большинство живых существ способны существовать в интервале температур от 0 до 50 °C, что обусловлено физико-химическими свойствами цитоплазмы клеток. Выход за эти пределы ведет к гибели от холода или перегрева.
- Исключения: Некоторые виды бактерий и синезеленых водорослей способны жить в горячих источниках при температуре выше 85 °C.
Способы сохранения тепла у животных
Для поддержания постоянной температуры тела животные используют свойства материалов с низкой теплопроводностью:
- Защитные покровы: Шерсть, перья и подкожный жировой слой содержат воздух или имеют низкую теплопроводность. Например, благодаря густому меху ездовая собака может спать на снегу при температуре –50 °C.
- Воздушная подушка: Птицы и звери взъерошивают перья или распушают шерсть, создавая слой неподвижного воздуха с высокими теплоизоляционными свойствами.
- Правило выступающих частей тела (Анатомические адаптации): Выступающие части тела (уши, лапы, хвосты, морда) не могут быть полностью покрыты густой шерстью или жиром. Поэтому у животных, обитающих в холодном климате, эти части тела значительно меньше, чем у родственных видов из теплых регионов:
- Фенек (пустыня Сахара): Огромные уши и длинные конечности для эффективной отдачи избыточного тепла.
- Лисица обыкновенная (умеренные широты): Приземистое телосложение, средний размер ушей.
- Песец (Арктика): Очень маленькие уши, короткая морда и короткие лапы для максимального уменьшения потерь тепла.
3. Вопросы для самопроверки с короткими ответами
- Что происходит с веществом при передаче энергии путем теплопроводности?
- Ответ: Вещество не переносится; происходит только передача энергии от одной части тела к другой (или от тела к телу).
- Как объясняется процесс теплопроводности с точки зрения молекулярно-кинетической теории?
- Ответ: Быстрее движущиеся частицы нагретой части тела при взаимодействии передают кинетическую энергию соседним, более медленным частицам, постепенно ускоряя их по всему объему.
- Почему металлическая ложка в горячем чае нагревается быстрее деревянной?
- Ответ: Металлы обладают значительно более высокой теплопроводностью, чем дерево.
- Какое агрегатное состояние (или среда) обладает наименьшей теплопроводностью?
- Ответ: Очень сильно разреженный газ — вакуум.
- Почему вода в нижней части пробирки не нагревается, если верхнюю часть кипятить над горелкой?
- Ответ: Вода (как и большинство жидкостей) обладает плохой теплопроводностью, поэтому энергия плохо передается сверху вниз.
- Почему ватное одеяло или шерстяной свитер сохраняют тепло человеческого тела?
- Ответ: Волокна ваты и шерсти удерживают между собой воздух, который обладает очень плохой теплопроводностью и служит теплоизолятором.
- Почему пустотелый кирпич предпочтительнее полнотелого при строительстве теплых стен?
- Ответ: В пустотах кирпича находится воздух, имеющий низкую теплопроводность, что улучшает теплоизоляционные свойства стены.
- В каком случае ножницы и карандаш, лежащие в одной комнате при одинаковой температуре, будут казаться одинаково нагретыми на ощупь?
- Ответ: Когда их температура сравняется с температурой человеческого тела (около 36–37 °C), так как теплообмен между кожей и предметами прекратится.
- В чем заключается анатомическое отличие песца от лисицы фенека и какова его физическая причина?
- Ответ: У песца очень маленькие уши и короткая морда, а у фенека — огромные уши и длинные лапы. Это связано с тем, что маленькие выступающие части тела уменьшают потери тепла в холодном климате Арктики, а большие — увеличивают теплоотдачу в hot пустыне.
4. Темы для эссе и развернутых ответов
- Молекулярно-кинетический механизм теплопроводности в различных агрегатных состояниях.
- Направляющие вопросы: Объясните, как расстояние между микрочастицами и сила их взаимодействия влияют на скорость теплопередачи в металлах, жидкостях и газах. Почему вакуум является идеальным теплоизолятором?
- Физика теплоизоляции в быту, строительной индустрии и технике.
- Направляющие вопросы: Проанализируйте, какими свойствами должны обладать материалы, используемые для создания посуды, жилых зданий и магистральных трубопроводов. Как сочетание хороших и плохих проводников тепла помогает человеку в повседневной жизни?
- Биологическая адаптация живых организмов к температурным условиям среды через призму физики.
- Направляющие вопросы: Рассмотрите морфологические особенности животных (на примере семейства псовых: фенек, лисица, песец) и их покровных тканей. Какую роль играет неподвижная воздушная прослойка в терморегуляции птиц и млекопитающих при экстремальных температурах?
5. Глоссарий важнейших терминов
- Вакуум (в контексте теплофизики) — сильно разреженный газ, плотность частиц в котором настолько мала, что перенос энергии за счет теплопроводности практически отсутствует.
- Внутренняя энергия — энергия теплового движения и взаимодействия частиц, составляющих тело.
- Конвекция — вид теплопередачи, осуществляемый путем переноса вещества струями или потоками (в жидкостях и газах).
- Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — теория, объясняющая свойства веществ и тепловые процессы хаотическим движением и взаимодействием микрочастиц (атомов, молекул).
- Правило выступающих частей тела (в терморегуляции) — закономерность, согласно которой теплокровные животные из холодных климатических зон имеют меньшие размеры выступающих частей тела (ушей, хвостов, конечностей) для минимизации теплопотерь.
- Теплоизолятор (теплоизоляционный материал) — вещество или конструкция, обладающая низкой теплопроводностью и предназначенная для уменьшения передачи тепла.
- Теплопередача — процесс изменения внутренней энергии тела без совершения над ним работы.
- Теплопроводность — процесс передачи внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым вследствие теплового движения и взаимодействия частиц, происходящий без переноса вещества.
Таблица понятийтермин, определение и пример в одном местепоказать целикомсвернуть
| Термин | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Теплопроводность | Процесс, при котором энергия передаётся от одного тела к другому или от одной части тела к другой за счёт теплового движения частиц и их взаимодействия между собой. | Нагревание металлической ложки в стакане с горячей водой или нагревание металлического стержня от пламени. |
| Теплоизолятор | Вещество или материал с плохой теплопроводностью, используемый для уменьшения передачи энергии окружающей среде или сохранения тепла. | Воздух между волокнами наполнителя в зимней одежде, слой теплоизоляции на металлических трубах отопления. |
| Теплопередача | Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы (имеет три вида: теплопроводность, конвекция, излучение). | Передача энергии от горячей воды к холодной ложке. |