Що таке теплопровідність

Чому, коли у відлигу йде сніг, він тане на руці, а на шубі залишається?

Л. Н. Толстой, «Тепло» (Міркування)

Третій зайвий

Згадаймо одну стару задачку. Є автобус, трамвай, тролейбус. Що тут зайве?

Зайвий автобус, оскільки він працює на бензині, а не на електриці, як трамвай і тролейбус. А можна вважати зайвим трамвай, тому що його колеса не «взуті» в гумові шини.

А тепер нове завдання. З трьох словосполучень: теплий осінній день, тепле море, теплий одяг — яке зайве?

Ми називаємо день або море теплими, якщо у них відповідна температура. Називаючи пальто або куртку теплою, ми ніяк не пов’язуємо цю якість одягу з її температурою як матеріального предмета. Отже, зайвий тут теплий одяг.

Називати одяг теплою дозволяє деяка її фізична характеристика, про яку і розповімо.

Коефіцієнт теплопровідності

Настала зима. У квартирі батареї центрального опалення нагрівають повітря. Чому ж температура в кімнатах підвищується не до температури батареї, а до меншого рівня? Та тому, що тепло через стіни йде назовні, на вулицю. Що це означає? Тепло — не якийсь фізичний об’єкт. Але з життєвого досвіду ви знаєте, що гаряче тіло нагріває навколишні його холодні тіла (а холодне — остужає гарячі), і зручно вважати, що при цьому від гарячих тіл до холодних передається тепло.

Як тепло поширюється в одному тілі, від вже нагрітих частин до більш холодних? Різні матеріали проводять тепло по-різному — одні гірше, інші краще. Тому у кожного матеріалу є свій коефіцієнт теплопровідності k, рівний кількості тепла, яке за 1 секунду проходить через стіну з цього матеріалу площею 1 кв. метр і товщиною 1 метр при різності температур 1 градус.

Зрозуміло, що через стіну вдвічі більшої площі проходить удвічі більша кількість тепла, а через стіну подвоєної товщини — вдвічі менша (подумайте, чому?). А ще виявляється, що чим більше різність температур, тим швидше передається тепло.

Кількість тепла, як і будь-якої енергії, вимірюють у джоулях (Дж). Наприклад, щоб вскип’ятити 1 літр води кімнатної температури, необхідно «передати воді» 350 000 Дж = 350 кДж. А швидкість передачі тепла вимірюють у ваттах (Вт). Передача 1 Дж тепла за 1 з відповідає 1 Вт. Наприклад, потужність чайника приблизно дорівнює 2 кВт = 2000 Вт.

У силікатної (або білої) цегли k = 0,81 (далі цю розмірність будемо опускати), тобто, наприклад, для квадратного метра цегляної стіни товщиною 50 см втрати тепла на 1 градус різниці температур складуть 1,62 джоуля в секунду (або 1,62 ватта). У дерева k = 0,2, і тому при тій же товщині стін дерев’яний будинок тепліше цегляної в 4 рази. Зокрема, тому цегляні стіни роблять товщі дерев’яних. А у бетону k = 1,75, і панельний будинок, побудований з бетонних плит, виходить вдвічі холодніше цегляної з тією ж товщиною стін. Стіни можна утеплювати пінопластом — його коефіцієнт 0,04. Згадаймо дитячий віршик:

Ох, біда, біда, біда,

Настали холоди

. На склі горює муха

:«Выпал снег белее пуха,

если бы мне валенк

и, Пусть подшиты, старень

ки, Да суконные шта

ны — Дожила бы до весны!»

Справа в тому, що у вовняного войлока (тобто у тих же валянок) k = 0,045. Взимку у валянках набагато тепліше, ніж у шкіряних черевиках. Звичайно, валянки ноги не гріють, а лише перешкоджають великим втратам тепла.

У бавовняної вати k = 0,055. Тому споконвіку ватні халати захищали жителів Середньої Азії від нестерпної літньої спеки. Температура тіла людини 36,7 ° C, температура повітря 40-45 ° C. У цьому випадку ватний халат мінімально сприяє підводу тепла до тіла, оберігаючи людину від перегріву. Так само хутряні рукавиці захищають руки коваля, що тримає розпечену заготовку.

У мінеральної вати k = 0,045-0,055. Її використовують для термоізоляції труб опалення.

Гази — погані провідники тепла, у них коефіцієнт теплопровідності малий, наприклад у повітря k = 0,022. Тому віконні рами робили подвійними, і в сучасних склопакетах теж є повітря між стерлами: можна сказати, що тепло в будинку зберігає не скло, а повітря всередині рами. Але гази можуть передавати тепло конвекцією, тобто перемішуватися. З цієї причини особливо хорошими теплоізоляційними властивостями володіють пористі матеріали — пори в них перешкоджають конвекції.

Багато птахів взимку під час сильних морозів зариваються в сніг. Пухкий сніг майже не проводить тепло і зберігає приблизно однакову температуру навіть при сильних нічних заморозках. Так рятуватися від морозів, та й від хижаків, навчилися глухарі, тетерева, куріпки, рябчики. Птахи здатні проводити під снігом без руху кілька днів, при цьому їх втрати енергії мінімальні. Та й ведмеді сплять у берлогах, занесених снігом, немов теплим ковдрою.

Серед металів рекордсменом за теплопровідністю можна вважати срібло — у нього k = 430. У заліза k = 92. Якщо срібну ложку опустити в окріп, то утримати її в руках, мабуть, не вдасться: вона дуже швидко стане нестерпно гарячою. Метали дуже добре проводять тепло (набагато краще неметалів), тому що в них є вільні електрони, які швидко переміщуються і переносять тепло.

Повертаючись до теплого одягу, скажімо, що він не гріє, а перешкоджає втратам тепла. Тепер ви легко поясніть, який одяг ми називаємо холодним.

Наостанок — два завдання.

1. У деяких сучасних квартирах роблять теплі підлоги. Для цього вздовж усієї підлоги прокладають нагрівальні елементи, що живляться електрикою. А в нових вагонах московського метро з’явилися «теплі поручні», які не вимагають електроживлення. Можете здогадатися, як вони влаштовані?

2. Це завдання дуже старе. Два полярники вийшли з намету на лід. Сніг на комбінезоні одного потихеньку танув, а в іншого — ні, роблячи людину схожою на сніговика. У кого одяг тепліше?

Відповіді

1. «Теплі поручні» — це звичайні нікельовані поручні, вкриті тонким шаром пластику. Пластик погано проводить тепло, і тому тепло від людських рук не поширюється вздовж такого поручня. Це створює відчуття, що доручень теплий.

2. Якщо сніжинки на комбінезоні тануть, то температура на його поверхні плюсова. Отже, такий комбінезон погано зберігає тепло людського тіла і відводить його в навколишнє середовище. Тепліше одяг у того полярника, який схожий на сніговика.

Художник Максим Калякін