Теплопроводность меди и стекла: Теплопроводность меди и ее сплавов – плюсы и минусы

Теплопроводность при низких температурах

По мере охлаждения твердого тела теплопроводность кристаллов сильно возрастает. Когда кристалл охлаждается, число волн, переносящих энергию колебательного движения, становится меньше, и можно было бы ожидать уменьшения теплопроводности. Существует, однако, другой эффект, который действует в противоположном направлении. Когда кристалл охлаждается и атомы колеблются слабее, многие волны, в виде которых распространяются колебания, затухают, но зато остальные распространяются на большее расстояние. Увеличение расстояния, проходимого волнами, более чем компенсирует уменьшение набора сохранившихся волн. Таким образом, теплопроводность кристаллов сильно возрастает при охлаждении. В конце концов при очень низких температурах (примерно 40° К) волны проходят через весь кристалл без рассеяния до его границ. Но при абсолютном нуле температуры теплопроводность некоторых кристаллов стремится к нулю, поскольку число волн, переносящих тепло, неуклонно убывает.

Заметим, что при этих низких температурах теплопроводность совершенного кристалла сапфира не хуже, чем у меди. Увеличение расстояния, на которое могут распространяться колебания без рассеяния их энергии, несомненно, очень сильно влияет на свойства кристалла. Теплопроводность стекла по сравнению с теплопроводностью хороших кристаллов слишком мала. Поскольку атомы в стекле не расположены рядами, как в хороших кристаллах, колебательные волны никогда не могут распространяться на большие расстояния, и стекло является плохим проводником тепла при любых температурах.

В металлах волны, в виде которых распространяются колебания, переносят тепловую энергию точно так же, как в неметаллах. Но электроны тоже переносят энергию. Каждый электрон способен переносить примерно столько же энергии, сколько и эти волны, но, так как электроны движутся намного быстрее (в 100 раз), теплопроводность металлов обусловлена в основном электронами.

Однако колебания ионов атомов в металле нельзя совсем не учитывать. При рассмотрении теплопроводности, точно так же как и электропроводности, необходимо иметь в виду, что расстояние, которое способны проходить электроны, ограничивается рассеянием электронов на препятствиях. В кристаллах чистых металлов основные препятствия, на которых рассеиваются электроны, обусловлены колебаниями решетки, приводящими к тому, что атомы не лежат на одной прямой. Когда металл охлаждается и колебания становятся слабее, электроны способны проходить большие расстояния, поэтому теплопроводность металлов возрастает. При достаточно низкой температуре электроны могут проходить через кристаллы небольших размеров, при этом теплопроводность достигает максимума. Дальнейшее охлаждение понижает энергию, которую могут переносить электроны, и при абсолютном нуле температуры теплопроводность кристалла в некоторых случаях стремится к нулю.

Для сравнения показан также график (нету) теплопроводности металла, содержащего очень много примесей, — стали. В этом образце электроны рассеиваются в значительной степени на вкрапленных препятствиях (инородных атомах), так что с температурой число центров рассеяния не меняется. Таким образом, теплопроводность медленно убывает, по мере того как электроны оказываются в состоянии переносить все меньше и меньше энергии. Теплопроводность всех чистых кристаллов, металлических и неметаллических, изменяется в зависимости от температуры почти так же, как у сапфира или меди. При понижении температуры движение атомов становится менее интенсивным и расстояние, на которое распространяются упругие волны и электроны без рассеяния, очень быстро возрастает, поскольку оно ограничивается лишь размерами кристалла. В идеальном кристалле больших размеров при низкой температуре тепло могло бы, по-видимому, распространяться со скоростью, приближающейся к скорости звука.

С другой стороны, в сплаве вроде стали, которая представляет собой кристалл железа, содержащий большое число добавочных атомов углерода, марганца и хрома, электроны рассеиваются такими примесями. Теплопроводность стали невелика при всех температурах. Сходную картину мы наблюдаем в случае стекла. В стекле атомы расположены далеко не в идеальном порядке, и колебания не могут распространяться в виде волн на большие расстояния ни при какой температуре. Поэтому теплопроводность стекла и пластиков слишком мала, чтобы ее можно было представить на графике. Эта огромная разница в теплопроводностях между хорошими кристаллами и твердыми телами с неупорядоченной структурой является следствием высокой степени упорядоченности, возможной в природе, когда вечно движущиеся атомы и электроны образуют в своем расположении длинные правильные ряды.

Теплопроводность | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Теплопроводность». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое теплопроводность. Как различаются теплопроводности веществ.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Теплопередача является одним из способов передачи внутренней энергии от одного тела к другому. Существует три вида теплопередачи.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Когда вы опускаете чайную ложку в стакан с горячим чаем, то нагревается не только часть ложки, опущенная в воду, но постепенно и та часть ложки, которая находится над водой. Значит, внутренняя энергия может переходить не только от одного тела к другому, но и от одной части тела к другой части того же тела.

Проведём следующий опыт. В штативе закрепим толстую металлическую проволоку, к которой при помощи воска прикрепим несколько гвоздиков. Нагреем свободный конец проволоки. Сначала от нагревания размягчается воск, который удерживает ближайший от пламени гвоздик. Спустя некоторое время этот гвоздик отрывается от стержня и падает. Затем падает второй гвоздик, третий и т. д. Следовательно, стержень проводит тепло.

Как объясняется это явление? В проволоке, как и во всех твёрдых телах, атомы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. При нагревании проволоки в месте её контакта с горелкой скорость колебательного движения атомов металла увеличивается. Эти атомы, взаимодействуя с соседними атомами, передают им часть своей энергии. Таким образом, в результате теплопередачи постепенно нагревается вся проволока.

Важно отметить, что в твёрдых телах сами атомы, передавая кинетическую энергию, не меняют своё местоположение, т. е. само вещество не перемещается.

Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называют теплопроводностью. При теплопроводности само вещество не перемещается от одной части тела к другой.

Когда хотят вскипятить воду на костре, котелок с водой вешают на деревянную палку. Именно благодаря низкой теплопроводности дерева мы можем спокойно снять котелок с кипящей водой с костра и не обжечься. Низкая теплопроводность дерева используется с древности при изготовлении, например, факелов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Разные вещества имеют неодинаковую теплопроводность. Если один конец деревянной сухой палки держать в руке, а второй конец опустить в костёр, мы не почувствуем нагрева палки до тех пор, пока огонь не коснётся руки. Если же в этом опыте вместо палки взять металлический прут, то свободный конец достаточно быстро станет очень горячим и держать его в руке мы уже не сможем. Всё дело в том, что металлы обладают гораздо большей теплопроводностью, чем дерево.

Рассмотрим следующий опыт. Верхние концы стержней одинакового размера из меди, алюминия, железа, стекла и дерева прогреваются горячей водой. К нижним концам этих стержней прикреплены воском гвоздики. Быстрее всего гвоздик отпадает от медного стержня, значит, медь очень хороший проводник тепла. Через некоторое время гвоздик отпадает от алюминиевого стержня, затем — от железного, и только потом от стеклянного. От деревянного стержня, имеющего низкую теплопроводность, гвоздик не отпадёт.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Возьмём пробирку с водой и погрузим в неё кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лёд легче воды), придавим его медным грузиком. Но при этом вода должна иметь свободный доступ ко льду. Начнём нагревать верхнюю часть пробирки. Вскоре вода у поверхности закипит, выделяя клубы пара. Но при этом лёд на дне пробирки так и не растает. Это означает, что у жидкостей теплопроводность невелика (за исключением ртути и расплавленных металлов).

У газов теплопроводность ещё меньше. Это можно проверить на следующем опыте. В сухую пробирку, закрытую резиновой пробкой с маленьким отверстием, вставим металлическую спицу. Держа спицу в руке, нагреем пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Несмотря на высокую теплопроводность металла, рука долго не почувствует тепла, так как воздух в пробирке имеет очень низкую теплопроводность и спица практически не нагреется.

Уменьшение теплопроводности газов по сравнению с твёрдыми телами связано с увеличением расстояния между молекулами. Так как передача тепла обусловлена передачей кинетической энергии между молекулами, с увеличением межмолекулярного расстояния эта передача становится всё более затруднительной.

Вещества с плохой теплопроводностью одинаково хорошо могут использоваться для поддержания тел как в холодном состоянии, так и в нагретом.

Плохая теплопроводность снега позволяет сохранить озимые растения в холодные зимы. Поэтому в бесснежные зимы часто происходит вымерзание озимых посевов на полях. Низкая теплопроводность воздуха, заключённого между перьями птиц, шерстинками меха животных, обеспечивает им эффективную защиту от холода. Низкой теплопроводностью обладают все пористые вещества, например пробка или бумага.

Вещества с низкой теплопроводностью широко применяются в быту и технике. Для защиты от холода люди с древности возводили жилища из дерева и камня. Для защиты от ожога на металлических кастрюлях и чайниках делаются пластиковые или деревянные ручки. Хорошая теплопроводность металлов, таких, как алюминий и медь, используется при изготовлении деталей охлаждающих устройств.

Способностью передавать тепло, или теплопроводностью, обладают все вещества: и твёрдые, и жидкие, и газообразные. Однако теплопроводность различных веществ неодинакова. Лучшими проводниками тепла являются металлы. Хуже всего проводят тепло газы. Известно, что теплопроводность воздуха в 20 000 раз меньше теплопроводности меди.

Самую низкую теплопроводность имеет вакуум. Так называют пространство, в котором отсутствуют атомы и молекулы. Теплопроводность вакуума близка к нулю.

 

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Теплопроводность».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).


Просмотров: 6 795

Теплопроводность стекла и металла

классы 5-7

10

Минуты

20

Протоколы

Ученики

Принцип

Металлы проводят тепло лучше, чем стекло (и пластик). Они по-разному проводят тепло. Медь является очень хорошим проводником тепла. Алюминий проводит тепло хуже, чем медь.

Название устройства

Артикул №

Количество

Нагрев + конфорка, 230 В

Арт. 04025-93

1

Кастрюля из нержавеющей стали 2,7 л

Арт. 05934-00

1

Термочувствительная бумага

Артикул № 04260-00

2

Держатель стеклянной трубки с зажимом для рулетки

Арт. 05961-00

1

Алюминиевый стержень, U-образный

Арт. 05910-00

1

Медный стержень, U-образный

Арт. 05910-01

1

Стеклянный стержень, U-образный

Арт. 05911-00

1

Термометр лабораторный, -10..+110 °C

Арт. 38056-00

1

Опорный стержень, нержавеющая сталь, разной длины
|
Длина:
250 мм

Артикул № 02031-00

1

Ретортный штатив, h = 750 мм

Артикул № 37694-00

1

Прямоугольный хомут

Арт. 37697-00

1

Мерный стакан с ручкой, 1000 мл, пластик (ПП)

Арт. 36640-00

1

Наименование

Имя файла

Размер файла

Тип файла

(en) Руководство по экспериментам

p9170100e .pdf

Размер файла 1,45 Мб

(de) Versuchsbe schreibung

p9172200_de .pdf

Размер файла 1,11 Мб

Бесплатная доставка от 300,- €