# Теплопроводность

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/teploprovodnost

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.

## Чему научишься

- 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

## С чего начать

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?

## 1. Как тепло бежит по телу

*Что такое теплопроводность*

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**

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.

**Эстафета, а не переезд**

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.

*Рисунок: Цепочка людей передаёт палочку от одного к другому, не меняя своих мест*

*Рисунок: Металлический стержень закреплён на штативе, под ним висят небольшие металлические предметы, справа горит пламя*

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.

*Рисунок: Раскалённая металлическая полоса лежит на металлической опоре*

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.

*Рисунок: Стакан с водой и металлической ложкой*

**Пример: Ложка в горячем чае**

1. Нагретая вода касается погружённой части ложки: её частицы толкают частицы металла и разгоняют их.
2. Разогнанные частицы толкают соседей выше по ложке, и энергия идёт к ручке.
3. Через некоторое время ручка тёплая. Металл остался на месте, до ручки дошла только энергия — это и есть теплопроводность.

**Проверь себя:** Нагретый край стержня передал тепло дальше. Переместилось ли при этом вещество стержня к другому концу?
**Ответ:** Нет. При теплопроводности переносится только энергия, переноса вещества не происходит.

### Проверь себя

**Что представляет собой процесс теплопроводности согласно материалам урока?**
- Перемещение нагретых масс вещества из области с высокой температурой в область с низкой температурой.
- Передача энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой за счёт теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества. — верно
- Испускание электромагнитных волн поверхностью нагретого тела в окружающее пространство.
- Изменение внутренней энергии тела исключительно за счёт совершения над ним механической работы.
> Этот ответ описывает теплопроводность на микроскопическом уровне, акцентируя внимание на механизме передачи кинетической энергии между частицами при сохранении формы и массы тела.

**Происходит ли перенос вещества при передаче энергии путём теплопроводности?**
- Да, вещества всегда перемещаются от нагретого конца к холодному.
- Перенос вещества происходит только при нагревании жидкостей и газов, но не твёрдых тел.
- Нет, происходит только перенос энергии, а само вещество не перемещается. — верно
- Да, так как нагретые атомы постепенно смещаются в холодную область.
> Передача энергии происходит от частицы к частице за счёт их взаимодействия, благодаря чему геологическая и геометрическая форма тела остается неизменной.

**Каков микроскопический механизм передачи энергии по металлическому стержню при его нагревании?**
- Частицы нагреваемого конца начинают двигаться быстрее и при взаимодействии с соседними частицами передают им часть энергии, постепенно ускоряя их. — верно
- Частицы на холодном конце стержня замедляются, притягивая к себе тепловую энергию от пламени.
- Быстрые молекулы металла свободно перемещаются от горячего конца к холодному, смешиваясь с холодными молекулами.
- Энергия передаётся с помощью потоков нагретого воздуха, циркулирующих внутри кристаллической решётки.
> Механизм основан на последовательных соударениях и взаимодействиях частиц, в результате которых кинетическая энергия распространяется по всему телу.

**В опыте с металлическим стержнем и гвоздиками, прикреплёнными воском, какие гвоздики отпадают первыми?**
- Гвоздики, расположенные ровно посередине стержня.
- Гвоздики, находящиеся на самом дальнем от пламени конце стержня.
- Гвоздики, расположенные ближе всего к пламени спиртовки. — верно
- Все гвоздики падают одновременно независимо от расстояния.
> Тепловая энергия распространяется по стержню постепенно, поэтому воск плавится раньше там, где температура поднимается первее — у источника нагрева.

**В опыте с кипячением воды в верхней части пробирки кусочек льда на дне долго не тает. Какой вывод о свойствах воды следует из этого опыта?**
- Вода обладает плохой теплопроводностью. — верно
- Вода имеет наилучшую теплопроводность среди всех веществ.
- Лёд полностью блокирует процесс закипания воды.
- При кипении воды её теплопроводность мгновенно возрастает в десятки раз.
> Так как верхний слой воды кипит, а нижний остается холодным и лёд не тает, энергия крайне медленно передаётся сквозь слои жидкости путем теплопроводности.

**Почему газы имеют ещё более плохую теплопроводность, чем жидкости?**
- Молекулы газов расположены слишком плотно, что блокирует передачу энергии.
- Молекулы газов неподвижны и не имеют кинетической энергии.
- Газы поглощают всю тепловую энергию и не способны передавать её другим тела́м.
- Расстояния между молекулами газов значительно больше, и взаимодействуют они друг с другом очень слабо и редко. — верно
> Большие межмолекулярные расстояния затрудняют передачу кинетической энергии при столкновениях частиц.

**Какая среда обладает самой плохой теплопроводностью?**
- Стеклянные изделия.
- Древесина.
- Очень сильно разреженный газ (вакуум). — верно
- Металлы.
> Чем меньше концентрация частиц в единице объёма, тем реже происходят передачи энергии, поэтому в вакууме теплопроводность практически отсутствует.

**Почему металлические ножницы на ощупь кажутся холоднее деревянного карандаша, хотя они лежат на одном столе и имеют одинаковую температуру?**
- Температура ножниц всегда на несколько градусов ниже температуры карандаша.
- Металл притягивает холод из окружающего воздуха активнее, чем дерево.
- Металл обладает высокой теплопроводностью и отводит тепло от пальцев гораздо быстрее, чем дерево. — верно
- Дерево выделяет собственное тепло, повышая температуру пальцев при касании.
> Ощущение холода зависит от скорости отвода тепла от кожи пальцев: металл быстро отбирает энергию, вызывая чувство охлаждения.

**Что происходит с частицами холодной металлической ложки, когда её опускают в стакан с горячей водой?**
- Скорость движения частиц ложки уменьшается, увеличивая её внутреннюю энергию.
- Молекулы воды проникают внутрь ложки и замещают собой частицы металла.
- Частицы ложки отдают свой холод молекулам воды, замедляя движение последней.
- Быстрые молекулы горячей воды при столкновениях передают частицам ложки часть своей кинетической энергии, ускоряя их. — верно
> Энергия передаётся от более нагретой среды (воды) к менее нагретой (ложке) через механические соударения частиц на их границе.

**Что происходит с температурой горячей воды в стакане, когда в неё опускают холодную ложку?**
- Ложка полностью забирает всю внутреннюю энергию воды, превращая воду в лёд.
- Температура воды и ложки не меняется.
- Вода нагревается сильнее из-за химической реакции с металлом.
- Вода немного остывает, так как часть её энергии передаётся ложке. — верно
> Передача теплоты происходит от более нагретой воды к холодной ложке, в результате чего энергия воды снижается и температура падает.

**Если расположить пробирку с воздухом закрытым концом вверх над пламенем горелки и поместить палец у открытого нижнего края, почему палец долго не чувствует тепла?**
- Воздух обладает плохой теплопроводностью и очень медленно передаёт энергию вниз от нагреваемого верхнего конца. — верно
- Воздух в пробирке мгновенно охлаждается при контакте с пальцем.
- Стекло пробирки поглощает всю тепловую энергию пламени без остатка.
- Передача энергии в газах происходит только от холодного тела к горячему.
> Низкая теплопроводность газа препятствует эффективной передаче кинетической энергии молекул вдоль пробирки.

## 2. Кто проводит тепло лучше

*Металлы, жидкости, газы, вакуум*

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.

*Рисунок: Стержень с подписями «Медь» и «Сталь», под центром горит пламя, к стержню прикреплены небольшие металлические предметы*

**Жидкости** (кроме расплавленных металлов) проводят тепло плохо. Если греть пробирку с жидкостью, как на рисунке, энергия по жидкости передаётся плохо.

*Рисунок: Наклонная пробирка закреплена на штативе, снизу её нагревает пламя*

**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.

*Рисунок: Наклонная пробирка нагревается пламенем, рядом её касается рука*

Самую плохую теплопроводность имеет очень сильно разреженный газ (вакуум): частиц так мало, что передавать энергию почти некому.

**Как не перепутать порядок**

Правило самопроверки: чем реже стоят частицы, тем хуже теплопроводность. Порядок от лучшего к худшему: металлы, жидкости, газы, разреженный газ (вакуум).

*Рисунок: Схематическая лестница от металла с частыми частицами к вакууму с почти отсутствующими частицами*

**Теплопроводность разных веществ**

|  | 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) |

**Проверь себя:** Почему газ проводит тепло хуже жидкости?
**Ответ:** У газа расстояние между молекулами значительно больше, а взаимодействие слабое, поэтому энергия передаётся хуже.

### Проверь себя

**Какое из веществ обладает лучшей теплопроводностью: медь или сталь?**
- Медь обладает лучшей теплопроводностью, чем сталь. — верно
- Сталь обладает значительно лучшей теплопроводностью, чем медь.
- Медь и сталь имеют абсолютно идентичную теплопроводность.
- Ни медь, ни сталь не способны проводить тепло.
> Как следует из результатов описанных опытов с металлическими стержнями, передача энергии по меди происходит быстрее, чем по стали.

**Какая группа веществ в целом обладает наилучшей теплопроводностью?**
- Газы.
- Металлы. — верно
- Пористые строительные материалы.
- Жидкости.
> Металлы проводят тепло быстрее и эффективнее всех остальных твёрдых тел, жидкостей и газов.

## 3. Плохая теплопроводность работает на нас

*Теплоизоляция в одежде и природе*

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.

**Воздух как невидимое одеяло**

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.

*Рисунок: Крошечные кармашки воздуха между волокнами удерживают тепло*

**Пример: Почему мы не мёрзнем в пуховике**

1. В наполнителе куртки между волокнами много воздуха.
2. Воздух — газ, у него плохая теплопроводность.
3. Тепло от тела наружу уходит плохо, поэтому нам тепло.

**Неправильно:** Тёплая куртка сама вырабатывает тепло и греет нас
**Правильно:** 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.

**Проверь себя:** Назови три примера, где плохая теплопроводность воздуха помогает сохранять тепло.
**Ответ:** Воздух между волокнами зимней одежды, пористые материалы, шерсть и перья.

### Проверь себя

**Зачем при проведении опыта со льдом в пробирке с водой к кусочку льда прикрепляют гайку?**
- Чтобы гайка отдавала своё тепло льду и ускоряла его таяние.
- Чтобы предотвратить закипание воды в верхней части пробирки.
- Чтобы улучшить теплопроводность самого льда.
- Чтобы утяжелить лёд и заставить его утонуть на дно пробирки. — верно
> Плотность льда меньше плотности воды, поэтому без груза он всплыл бы наверх, где происходит нагрев, и опыт был бы нарушен.

**Почему горящую спичку можно спокойно держать в руках до тех пор, пока пламя не подберётся совсем близко к пальцам?**
- При горении дерева происходит перенос массы, который охлаждает пальцы.
- Дерево обладает плохой теплопроводностью, и противоположный конец спички практически не нагревается. — верно
- Дерево моментально передаёт всё тепло окружающему воздуху, не давая спичке нагреться.
- Пламя спички имеет слишком низкую температуру, чтобы вызвать ожог.
> Так как древесина плохо проводит тепло, энергия от пламени передаётся вдоль спички крайне медленно.

**Благодаря наличию какого вещества между волокнами наполнителя в зимней одежде человек не замерзает?**
- Влаги, сохраняющей постоянную температуру.
- Плотных синтетических нитей, обладающих высокой теплопроводностью.
- Углекислого газа, выделяемого кожей.
- Воздуха, обладающего плохой теплопроводностью. — верно
> Газовые прослойки воздуха между волокнами ткани мешают отводу тепла от тела человека в холодную окружающую среду.

**Какое исключение среди жидких веществ имеет хорошую теплопроводность?**
- Спиртовые растворы.
- Сжиженные газы.
- Расплавленные металлы. — верно
- Растительные масла.
> Несмотря на жидкое состояние, металлы сохраняют высокую теплопроводность благодаря специфике своего строения.

**Из каких материалов изготавливают ручки посуды для приготовления пищи (сковород, кастрюль), чтобы избежать ожогов?**
- Из тонкостенной стали для быстрого излучения тепла.
- Из материалов с плохой теплопроводностью (дерева, пластмассы). — верно
- Из металлов с максимальной теплопроводностью (меди, серебра).
- Из материалов, хорошо переносящих вещество при нагреве.
> Плохо проводящие тепло материалы медленно нагреваются от металлического корпуса посуды, делая использование безопасным.

**Почему строительный пустотелый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания, чем полнотелый?**
- Воздух в пустотах генерирует дополнительное тепло при похолодании.
- Пустотелый кирпич отражает световые лучи лучше, чем полнотелый.
- Отсутствие массы в пустотах усиливает передачу энергии наружу.
- Внутри пустотелого кирпича содержится воздух, имеющий очень плохую теплопроводность. — верно
> Воздушные полости служат отличным теплоизолятором, препятствуя утечке тепла из дома на улицу.

**Почему у теплокровных животных, обитающих в холодном климате (например, у песца), выступающие части тела относительно меньше, чем у их сородичей из тёплых краёв?**
- Это способствует более быстрой отдаче тепла в окружающую среду.
- Это помогает им быстрее передвигаться по глубокому снегу.
- Это уменьшает площадь поверхности тела и снижает потери тепла. — верно
- Это увеличивает выработку внутренней энергии в организме.
> Чем меньше площадь открытых выступающих частей тела, тем меньше тепловой энергии отдаётся в окружающую среду.

**Какую роль играет распушивание перьев у птиц или шерсти у животных при похолодании?**
- Перья и шерсть начинают сами вырабатывать тепловую энергию.
- Создаётся толстая воздушная подушка с хорошими теплоизоляционными свойствами. — верно
- Увеличивается масса тела, предотвращающая быстрое замерзание.
- Усиливается теплопроводность покрова для лучшего прогрева от внешнего воздуха.
> Увеличивая объём застрявшего между перьями или шерстинками воздуха, животные снижают потери тепла за счёт его низкой теплопроводности.

**Чем анатомически отличаются лисицы, живущие в разных климатических зонах (фенек, обыкновенная лисица, песец)?**
- Фенек полностью лишён шерстяного покрова, в отличие от обычной лисицы.
- Обыкновенная лисица имеет более короткую морду и меньшие уши, чем песец.
- Песец имеет самые большие уши среди лисиц для эффективного охлаждения на арктическом ветру.
- Фенек имеет огромные уши и длинные конечности, а песец — очень маленькие уши и короткую морду. — верно
> Размеры выступающих частей тела уменьшаются по мере продвижения от жаркого климата пустыни Сахара к арктическому холоду.

**В каком температурном диапазоне способно жить большинство живых существ из-за свойств цитоплазмы их клеток?**
- От $-20\ ^{\circ}\text{C}$ до $+20\ ^{\circ}\text{C}$.
- Между $-50\ ^{\circ}\text{C}$ и $+100\ ^{\circ}\text{C}$.
- Между $0\ ^{\circ}\text{C}$ и $50\ ^{\circ}\text{C}$. — верно
- От $+20\ ^{\circ}\text{C}$ до $+85\ ^{\circ}\text{C}$.
> При выходе за эти границы большинство организмов погибает от холода или перегрева из-за физико-химических свойств цитоплазмы.

**Зачем металлические трубы отопления и холодильных установок покрывают снаружи слоем теплоизоляции?**
- Чтобы трубы быстрее нагревались от окружающего воздуха.
- Чтобы уменьшить передачу энергии в окружающую среду. — верно
- Чтобы увеличить прочность металла при высоких давлениях.
- Чтобы предотвратить перенос массы жидкости сквозь металлические стенки.
> Внешний изоляционный слой с плохой теплопроводностью препятствует нежелательному охлаждению отопительных труб или нагреванию хладоносителей.

**Какие организмы упоминаются в тексте как исключение, способное жить при температурах выше $85\ ^{\circ}\text{C}$?**
- Пустынные лисицы фенеки.
- Арктические птицы.
- Некоторые бактерии и синезелёные водоросли. — верно
- Ездовые собаки и песцы.
> В источнике указано, что эти микроорганизмы населяют горячие источники с температурой воды выше $85\ ^{\circ}\text{C}$.

**Какая особенность позволяет ездовой собаке спать прямо на снегу при температуре $-50\ ^{\circ}\text{C}$?**
- Собака полностью сбрасывает шерсть, чтобы снег касался непосредственно кожи.
- Собака повышает теплопроводность своего тела, чтобы согреть окружающий снег.
- Её организм перестаёт отдавать энергию во внешнюю среду из-за полного отсутствия кровообращения в лапах.
- С приближением зимы её мех становится гуще и длиннее, удерживая слой воздуха с хорошими теплоизолирующими свойствами. — верно
> Плотный шерстяной покров задерживает воздух у поверхности кожи, существенно уменьшая потери тепла организма.

## Ключевые термины

- **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.
- **Теплоизолятор** — Вещество с плохой теплопроводностью, например воздух между волокнами.

## Итог

- 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

## Шпаргалка

### Главное о теплопроводности

- **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

### Кто проводит тепло лучше

|  | 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 |

### Где работает теплоизоляция

- **Зимняя одежда** — воздух между волокнами не пускает тепло
- **Шерсть и перья** — содержат воздух, плохо проводят тепло
- **Вакуум** — самая плохая теплопроводность

## Любопытное

- Даже среди металлов теплопроводность разная: медь проводит тепло лучше стали.
- У жидкостей есть исключение: расплавленные металлы тепло проводят хорошо.