Przewodnictwo cieplne

Wstęp — parząca łyżeczka

Wkładasz metalową łyżeczkę do kubka gorącej herbaty i po chwili… nie da się jej trzymać — rączka też jest gorąca! Ale gdy zrobisz to samo drewnianą łyżeczką, jej koniec pozostaje przyjemnie chłodny. Dlaczego?

Bo ciepło potrafi wędrować przez ciała — i robi to w jednych materiałach szybko, a w innych bardzo powoli. Metal przekazuje ciepło błyskawicznie, drewno prawie wcale.

W tej lekcji poznasz trzy sposoby, na jakie ciepło przemieszcza się z miejsca na miejsce:

• przewodzenie — ciepło wędruje przez materiał (jak w łyżeczce),
• konwekcja — ciepło unoszone przez ruch cieczy i gazów,
• promieniowanie — ciepło wysyłane przez przestrzeń, nawet przez próżnię.

Dowiesz się też, czym różnią się przewodniki od izolatorów ciepła i po co nam izolacja cieplna.

Przypomnienie: w którą stronę płynie ciepło?

Z poprzedniej lekcji wiesz, że ciepło zawsze płynie od ciała cieplejszego do chłodniejszego — aż do wyrównania temperatur. Teraz przyjrzymy się dokładnie, jak ono to robi.

Sposób 1: Przewodzenie ciepła

Definicja. Przewodzenie to przekazywanie ciepła wewnątrz ciała (lub między stykającymi się ciałami) bez przemieszczania się materiału — energię przekazują sobie kolejno drgające cząsteczki.

Wyobraź sobie rząd cząsteczek metalu. Ten koniec pręta, który włożyliśmy do ognia, nagrzewa się — jego cząsteczki zaczynają drgać coraz mocniej. Zderzając się z sąsiadkami, przekazują im część energii. Te z kolei rozdrgają następne — i tak „fala" energii wędruje wzdłuż pręta, aż dotrze do drugiego końca.

Rys. 1. W przewodzeniu ciepło przekazywane jest od cząsteczki do cząsteczki. Materiał się nie przemieszcza — wędruje tylko energia.

Przewodniki i izolatory ciepła

Nie wszystkie materiały przewodzą ciepło jednakowo:

Przewodniki ciepła — materiały, które przewodzą ciepło szybko (głównie metale: miedź, aluminium, stal, srebro).

Izolatory ciepła (złe przewodniki) — materiały, które przewodzą ciepło wolno (drewno, plastik, styropian, wełna, powietrze, woda).

To dlatego garnki robi się z metalu (żeby szybko przekazywały ciepło potrawie), ale ich rączki z plastiku lub drewna (żeby nie parzyły w dłoń).

Rys. 2. W tym samym czasie ciepło przewędrowało daleko w miedzi (przewodnik), a ledwie trochę w drewnie i plastiku (izolatory).

Sposób 2: Konwekcja

Definicja. Konwekcja to przekazywanie ciepła przez ruch ogrzanej cieczy lub gazu. Ciepłe (lżejsze) porcje płynu unoszą się do góry, a chłodne (cięższe) opadają w dół — powstaje krążący prąd konwekcyjny.

Konwekcja działa tylko w cieczach i gazach, bo tylko one mogą swobodnie płynąć. Podgrzana od dołu woda w garnku staje się mniej gęsta, więc unosi się do góry; na jej miejsce spływa chłodniejsza woda z góry — i tak woda miesza się, aż cała się zagrzeje.

To samo dzieje się z powietrzem: kaloryfer ogrzewa powietrze przy podłodze, ciepłe powietrze unosi się pod sufit, a chłodne opada — dzięki temu ogrzewa się cały pokój.

Rys. 3. Konwekcja: ogrzana ciecz lub gaz unosi się, chłodna opada. Powstaje krążący prąd, który miesza i ogrzewa całą objętość.

Sposób 3: Promieniowanie

Definicja. Promieniowanie cieplne to przekazywanie ciepła za pomocą fal (promieniowania podczerwonego), które nie potrzebują żadnego ośrodka — mogą wędrować nawet przez próżnię.

To właśnie dzięki promieniowaniu dociera do nas ciepło Słońca — mimo że między Słońcem a Ziemią jest próżnia kosmiczna, w której nie ma cząsteczek do przewodzenia ani powietrza do konwekcji.

Ciepło promieniowania czujesz też, gdy zbliżysz dłoń z boku do ogniska lub rozgrzanego pieca — nie dotykasz go i nie ma między wami przepływu powietrza w twoją stronę, a jednak czujesz ciepło.

Ciała ciemne i matowe pochłaniają promieniowanie lepiej niż jasne i błyszczące. Dlatego latem w czarnej koszulce jest goręcej niż w białej, a termosy w środku są srebrzyste — błyszcząca powierzchnia odbija promieniowanie i ogranicza ucieczkę ciepła.

Rys. 4. Trzy sposoby przekazywania ciepła: przewodzenie (przez materiał), konwekcja (przez ruch płynu) i promieniowanie (przez fale, nawet w próżni).

Do czego służy izolacja cieplna?

Czasem chcemy, żeby ciepło nie uciekało — wtedy używamy izolacji cieplnej, czyli materiałów, które źle przewodzą ciepło.

• Ocieplenie domu styropianem lub wełną mineralną zatrzymuje ciepło w środku zimą (i chłód latem).
• Ubrania zimowe (kurtka puchowa, sweter) zawierają dużo powietrza uwięzionego między włóknami — a powietrze świetnie izoluje.
• Termos ma podwójne ścianki z próżnią między nimi (brak przewodzenia i konwekcji) oraz błyszczące powierzchnie (mniej promieniowania) — dlatego herbata długo pozostaje gorąca.
• Okna zespolone (dwie szyby z powietrzem lub gazem między nimi) ograniczają ucieczkę ciepła z mieszkania.

Ciekawostka. Największym sekretem ciepłych ubrań i styropianu jest… powietrze. Nieruchome powietrze jest znakomitym izolatorem — sztuka polega na tym, by uwięzić je w małych porach i nie pozwolić mu krążyć (bo ruch powietrza to konwekcja, która odbierałaby ciepło).

Przykłady z życia

• Metalowa klamka wydaje się zimniejsza niż drewniane drzwi, choć mają tę samą temperaturę — metal szybko odbiera ciepło z dłoni (przewodzenie).
• Czajnik i kaloryfer ogrzewają wodę i powietrze dzięki konwekcji.
• Opalanie się na Słońcu — ciepło dociera przez promieniowanie.
• Kołdra i śpiwór — izolują, zatrzymując ciepło ciała.
• Uchwyt patelni z tworzywa — izolator, który chroni dłoń.

Zadanie krok po kroku

Rozstrzygnij, który sposób przekazywania ciepła działa w każdej sytuacji: a) ciepło rozchodzące się od kaloryfera po całym pokoju, b) rączka metalowej patelni robiąca się gorąca, c) ciepło Słońca docierające do Ziemi.

Krok 1. Analizujemy sytuację a). Kaloryfer ogrzewa powietrze, które unosi się i krąży po pokoju — czyli mamy ruch gazu. → To konwekcja.

Krok 2. Analizujemy sytuację b). Ciepło wędruje wzdłuż metalu od gorącej części patelni do rączki, a sam metal się nie przemieszcza. → To przewodzenie.

Krok 3. Analizujemy sytuację c). Między Słońcem a Ziemią jest próżnia — nie ma cząsteczek ani powietrza, więc ciepło może dotrzeć tylko falami. → To promieniowanie.

Odpowiedź: a) konwekcja, b) przewodzenie, c) promieniowanie.

Sprawdź się: jakim sposobem ciepło ogniska ogrzewa twoją twarz, gdy siedzisz z boku? (Głównie promieniowaniem — czujesz ciepło, nawet nie stojąc nad płomieniem, w strumieniu gorącego powietrza.)

Zobacz przewodzenie ciepła w symulacji

W symulacji podgrzewamy z lewej strony trzy pręty z różnych materiałów: miedź, drewno i plastik. Naciśnij „Podgrzewaj" i obserwuj, jak szybko czerwony „front ciepła" wędruje wzdłuż każdego pręta. Który dogrzeje się pierwszy?

Typowe błędy — uważaj!

1. „Metal jest z natury zimny." Nie — metalowa klamka ma taką samą temperaturę jak powietrze wokół. Wydaje się zimniejsza, bo szybko odbiera ciepło z dłoni (jest dobrym przewodnikiem).
2. Mylenie konwekcji z przewodzeniem. Konwekcja wymaga ruchu cieczy lub gazu; w ciałach stałych konwekcji nie ma — tam działa przewodzenie.
3. „Promieniowanie potrzebuje powietrza." Przeciwnie — promieniowanie przechodzi nawet przez próżnię (dlatego czujemy Słońce).
4. „Izolator nie przepuszcza ciepła w ogóle." Izolator przewodzi ciepło wolno, a nie wcale. Dostatecznie długo trzymana drewniana łyżeczka też w końcu się nagrzeje.
5. Mylenie dobrego przewodnika prądu z dobrym przewodnikiem ciepła. Zwykle idą w parze (metale), ale to dwie różne właściwości.

Podsumowanie

• Ciepło przekazywane jest na trzy sposoby: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie.
• Przewodzenie — energię przekazują sobie drgające cząsteczki, materiał się nie przemieszcza (głównie w ciałach stałych).
• Konwekcja — ciepło unosi ruch ogrzanej cieczy lub gazu (ciepłe unosi się, chłodne opada).
• Promieniowanie — ciepło niesione przez fale, działa nawet w próżni (np. ciepło Słońca).
• Przewodniki ciepła (metale) przewodzą je szybko; izolatory (drewno, plastik, styropian, powietrze) — wolno.
• Izolacja cieplna wykorzystuje złe przewodniki, by zatrzymać ciepło (domy, ubrania, termos).

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — zjawiska cieplne.

Dalsza lektura

• Energia wewnętrzna ciała — czym jest ciepło i energia wewnętrzna.
• Przepływy ciepła — te same zjawiska omówione na poziomie klasy 7.
• Przemiany gazowe — jak ogrzewanie zmienia objętość i ciśnienie gazu.