Теплопровідність (Не плутати з термічним опором і температуропроводностью) - це процес перенесення теплоти структурними частинками речовини (молекулами, атомами, електронами) в процесі їх теплового руху від більш нагрітих ділянок тіла до більш холодним (без конвекції і випромінювання). Такий теплообмін може відбуватися в будь-яких тілах з неоднорідним розподілом температур, але механізм переносу теплоти буде залежати від агрегатного стану речовини.
Явище теплопровідності полягає в тому, що кінетична енергія атомів і молекул, яка визначає температуру тіла, передається іншому тілу при їх взаємодії або передається з більш нагрітих областей тіла до менш нагрітих областей (іноді теплопровідністю називається також кількісна оцінка здатності конкретної речовини проводити тепло). Зазвичай кількість переносної енергії, яке визначається як щільність теплового потоку, пропорційно градієнту температури (закон Фур'є). Коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнтом теплопровідності. Теплопровідність тіл характеризується питомою теплопровідністю, вимірюваної у Вт / (м • К).
Історично вважалося, що передача теплової енергії пов'язана з перетіканням «теплорода» від одного тіла до іншого. Однак більш пізні досліди, зокрема, нагрів гарматних стволів при свердлінні, спростували реальність існування теплорода як самостійного виду матерії. Відповідно, в даний час вважається, що явище теплопровідності обумовлено прагненням зайняти стан більш близьке до термодинамічної рівноваги, що виражається у вирівнюванні температури.
Рівняння теплопровідності - це диференціальне рівняння з приватними похідними 2-го порядку, що описує процес поширення тепла в середовищі. де T (x, t) - шукана функція - температура в точці з координатою x в момент t.
Чому залізо здається холодніше, ніж дерево?
Природа влаштована так, що майже всі прагне до рівноваги. Це стосується і температури. Якщо не втручатися, то від гарячих предметів тепло буде «перетікати» до холодних, і так буде відбуватися до тих пір, поки їх температури не стануть однаковими. У гарячому предметі молекули швидкі, тому від поштовхів швидких молекул молекули холодного предмета починають рухатися швидше, а швидкі молекули поступово гальмуються. Тому холодний предмет нагрівається, а гарячий охолоджується. Але через деякий час молекули в обох предметах стануть рухатися приблизно однаково і будуть штовхати один одного з рівною силою. Це й означає, що температури зрівнялися, настало теплове рівновагу.
У морозний день на вулиці встановлюється теплова рівновага: у всіх предметів на вулиці однакова температура, всі вони однаково холодні. Але якщо помацати голою рукою різні предмети, то виникає відчуття, що у них різна температура. Взимку залізо на вулиці на дотик здається набагато холодніше, ніж дерево.
Справа в тому, що як тільки людина бере в руки шматок заліза або дерева, тим самим він порушує теплова рівновага. Адже у кожної людини нормальна температура - близько 36,6 ° С. Різниця полягає в тому, що залізо відбирає тепло з більшою швидкістю, ніж дерево, тому воно і здається холодніше.
Залізо - це метал. Головна властивість металів, яке відрізняє їх від усіх інших речовин, полягає в тому, що у них всередині багато вільних електронів. Тому метал прогрівається дуже швидко. Зовсім по-іншому йде справа з деревом. Там немає вільних електронів, і тепло дуже повільно проникає в дерево - значить, рука остигає теж повільно, тому «тепловому механізму» не доводиться сильно напружуватися. Ось саме тому залізо і здається холодніше. Але якщо шматок заліза невеликий, то він швидко зігріється в долоні.
Крім того, тепло в металах передається як рухом електронів, так і деформацією кристалической решітки. Коефіцієнт тепловіддачі у металів високий, тому інтенсивність теплообміну вище, тобто тіло віддає теплоту залозу швидше, ніж багатьом іншим матеріалам.
Таким чином, взимку метал на дотик холодніше дерева, що пояснюється високою теплопровідністю металу в порівнянні з деревом. У сорокаградусну спеку температура металу через хорошу його теплопровідності буде вище 40 ° С, а температура дерева (через погану його теплопровідності) буде близькою до температури руки. Тому на дотик метал буде здаватися значно тепліше, ніж дерево.
Джерела та додаткова інформація: