Η θερμότητα είναι μια ενδιαφέρουσα μορφή ενέργειας. Όχι μόνο συντηρεί τη ζωή, μας κάνει άνετους και μας βοηθά να προετοιμάσουμε το φαγητό μας, αλλά η κατανόηση των ιδιοτήτων του είναι κλειδί σε πολλά πεδία επιστημονικής έρευνας. Για παράδειγμα, η γνώση του τρόπου μεταφοράς της θερμότητας και του βαθμού στον οποίο διαφορετικά υλικά μπορούν να ανταλλάξουν θερμική ενέργεια διέπει τα πάντα, από την κατασκευή θερμαντικών σωμάτων και την κατανόηση της εποχιακής αλλαγής έως την αποστολή πλοίων στο διάστημα.
Η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί μόνο μέσω τριών μέσων: αγωγιμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας. Από αυτά, η αγωγιμότητα είναι ίσως η πιο κοινή και εμφανίζεται τακτικά στη φύση. Με λίγα λόγια, είναι η μεταφορά θερμότητας μέσω φυσικής επαφής. Εμφανίζεται όταν πιέζετε το χέρι σας σε ένα τζάμι παραθύρου, όταν τοποθετείτε μια κατσαρόλα με νερό σε ένα ενεργό στοιχείο και όταν τοποθετείτε ένα σίδερο στη φωτιά.
Αυτή η μεταφορά λαμβάνει χώρα σε μοριακό επίπεδο - από το ένα σώμα στο άλλο - όταν η θερμική ενέργεια απορροφάται από μια επιφάνεια και κάνει τα μόρια αυτής της επιφάνειας να κινούνται πιο γρήγορα. Στη διαδικασία, προσκρούουν στους γείτονές τους και μεταφέρουν την ενέργεια σε αυτούς, μια διαδικασία που συνεχίζεται όσο ακόμα προστίθεται θερμότητα.
Η αγωγιμότητα της θερμότητας συμβαίνει μέσω οποιουδήποτε υλικού, που αντιπροσωπεύεται εδώ από μια ορθογώνια ράβδο. Ο ρυθμός με τον οποίο μεταφέρεται εξαρτάται εν μέρει από το πάχος του υλικού (αντι. Α). Πίστωση: Απεριόριστο
Η διαδικασία της αγωγιμότητας της θερμότητας εξαρτάται από τέσσερις βασικούς παράγοντες: τη βαθμίδα θερμοκρασίας, τη διατομή των υλικών που εμπλέκονται, το μήκος της διαδρομής τους και τις ιδιότητες αυτών των υλικών.
Μια διαβάθμιση θερμοκρασίας είναι ένα φυσικό μέγεθος που περιγράφει προς ποια κατεύθυνση και με ποιο ρυθμό αλλάζει η θερμοκρασία σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Η θερμοκρασία ρέει πάντα από την πιο καυτή προς την ψυχρότερη πηγή, λόγω του γεγονότος ότι το κρύο δεν είναι παρά η απουσία θερμικής ενέργειας. Αυτή η μεταφορά μεταξύ των σωμάτων συνεχίζεται έως ότου η διαφορά θερμοκρασίας διασπαστεί και επέλθει μια κατάσταση γνωστή ως θερμική ισορροπία.
Η διατομή και το μήκος διαδρομής είναι επίσης σημαντικοί παράγοντες. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του υλικού που εμπλέκεται στη μεταφορά, τόσο περισσότερη θερμότητα χρειάζεται για να ζεσταθεί. Επίσης, όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια που εκτίθεται στον ανοιχτό αέρα, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα απώλειας θερμότητας. Έτσι τα πιο κοντά αντικείμενα με μικρότερη διατομή είναι το καλύτερο μέσο για την ελαχιστοποίηση της απώλειας θερμικής ενέργειας.
Τελευταίο, αλλά σίγουρα όχι λιγότερο σημαντικό, είναι οι φυσικές ιδιότητες των υλικών που εμπλέκονται. Βασικά, όταν πρόκειται για αγώγιμη θερμότητα, δεν δημιουργούνται όλες οι ουσίες ίσες. Τα μέταλλα και η πέτρα θεωρούνται καλοί αγωγοί αφού μπορούν να μεταφέρουν γρήγορα θερμότητα, ενώ υλικά όπως το ξύλο, το χαρτί, ο αέρας και το ύφασμα είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας.
Αγωγή, όπως αποδεικνύεται με τη θέρμανση μιας μεταλλικής ράβδου με φλόγα. Πίστωση: Thomson Higher Education
Αυτές οι αγώγιμες ιδιότητες βαθμολογούνται με βάση έναν «συντελεστή» που μετράται σε σχέση με το ασήμι. Από αυτή την άποψη, το ασήμι έχει συντελεστή αγωγιμότητας θερμότητας 100, ενώ άλλα υλικά κατατάσσονται χαμηλότερα. Αυτά περιλαμβάνουν χαλκό (92), σίδηρο (11), νερό (0,12) και ξύλο (0,03). Στο αντίθετο άκρο του φάσματος βρίσκεται ένα τέλειο κενό, το οποίο δεν είναι ικανό να μεταφέρει τη θερμότητα, και επομένως κατατάσσεται στο μηδέν.
Τα υλικά που είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας ονομάζονται μονωτές. Ο αέρας, ο οποίος έχει συντελεστή αγωγιμότητας 0,006, είναι ένας εξαιρετικός μονωτήρας επειδή μπορεί να περιέχεται σε κλειστό χώρο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι τεχνητοί μονωτές χρησιμοποιούν διαμερίσματα αέρα, όπως παράθυρα με διπλά τζάμια που χρησιμοποιούνται για την κοπή των λογαριασμών θέρμανσης. Βασικά, λειτουργούν ως ρυθμιστικά κατά της απώλειας θερμότητας.
Το φτερό, η γούνα και οι φυσικές ίνες είναι όλα παραδείγματα φυσικών μονωτών. Αυτά είναι υλικά που επιτρέπουν στα πουλιά, στα θηλαστικά και στον άνθρωπο να παραμείνουν ζεστά. Οι θαλάσσιες ενυδρίδες, για παράδειγμα, ζουν σε ωκεάνια νερά που είναι συχνά πολύ κρύα και η πολυτελώς παχιά γούνα τους τις κρατά ζεστές. Άλλα θαλάσσια θηλαστικά όπως τα θαλάσσια λιοντάρια, οι φάλαινες και οι πιγκουίνοι βασίζονται σε παχιά στρώματα λίπους (γνωστός και ως λάσπη) – ένας πολύ κακός αγωγός – για να αποτρέψουν την απώλεια θερμότητας μέσω του δέρματός τους.
Αυτή η όψη του τμήματος μύτης του διαστημικού λεωφορείου Discovery, κατασκευή από ανθεκτικά στη θερμότητα σύνθετα υλικά άνθρακα. Πίστωση: NASA
Αυτή η ίδια λογική εφαρμόζεται στη μόνωση σπιτιών, κτιρίων, ακόμη και διαστημικών σκαφών. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι μέθοδοι περιλαμβάνουν είτε παγιδευμένους θύλακες αέρα μεταξύ των τοίχων, υαλοπίνακες (που παγιδεύουν τον αέρα μέσα σε αυτό) είτε αφρό υψηλής πυκνότητας. Τα διαστημικά σκάφη είναι μια ειδική περίπτωση και χρησιμοποιούν μόνωση με τη μορφή αφρού, σύνθετου υλικού από ενισχυμένο άνθρακα και πλακιδίων από ίνες πυριτίου. Όλα αυτά είναι κακοί αγωγοί θερμότητας και επομένως εμποδίζουν την απώλεια θερμότητας στο διάστημα και επίσης εμποδίζουν τις ακραίες θερμοκρασίες που προκαλούνται από την ατμοσφαιρική επανείσοδο να εισέλθουν στην καμπίνα του πληρώματος.
Δείτε αυτό το βίντεο επίδειξης των πλακιδίων θερμότητας στο Διαστημικό Λεωφορείο:
Οι νόμοι που διέπουν την αγωγιμότητα της θερμότητας είναι πολύ παρόμοιοι με τον νόμο του Ohm, ο οποίος διέπει την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Σε αυτή την περίπτωση, ένας καλός αγωγός είναι ένα υλικό που επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα (δηλαδή τα ηλεκτρόνια) να το διέρχεται χωρίς ιδιαίτερο πρόβλημα. Ένας ηλεκτρικός μονωτήρας, αντίθετα, είναι κάθε υλικό του οποίου τα εσωτερικά ηλεκτρικά φορτία δεν ρέουν ελεύθερα, και επομένως καθιστούν πολύ δύσκολη τη διεξαγωγή ηλεκτρικού ρεύματος υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα υλικά που είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας είναι επίσης κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Για παράδειγμα, ο χαλκός είναι καλός στην αγωγή τόσο της θερμότητας όσο και του ηλεκτρισμού, γι' αυτό και τα χάλκινα καλώδια χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως στην κατασκευή ηλεκτρονικών. Ο χρυσός και το ασήμι είναι ακόμα καλύτερα και όπου η τιμή δεν είναι θέμα, αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται και στην κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωμάτων.
Και όταν κάποιος ψάχνει να «γειώσει» ένα φορτίο (δηλαδή να το εξουδετερώσει), το στέλνει μέσω μιας φυσικής σύνδεσης στη Γη, όπου το φορτίο χάνεται. Αυτό είναι σύνηθες με τα ηλεκτρικά κυκλώματα όπου το εκτεθειμένο μέταλλο είναι ένας παράγοντας, που διασφαλίζει ότι τα άτομα που έρχονται κατά λάθος σε επαφή δεν υφίστανται ηλεκτροπληξία.
Τα μονωτικά υλικά, όπως το καουτσούκ στις σόλες των παπουτσιών, φοριούνται για να διασφαλίζεται ότι τα άτομα που εργάζονται με ευαίσθητα υλικά ή γύρω από ηλεκτρικές πηγές προστατεύονται από ηλεκτρικά φορτία. Άλλα μονωτικά υλικά όπως το γυαλί, τα πολυμερή ή η πορσελάνη χρησιμοποιούνται συνήθως σε γραμμές τροφοδοσίας και πομπούς υψηλής τάσης για να διατηρηθεί η ροή ρεύματος στα κυκλώματα (και τίποτα άλλο!)
Εν ολίγοις, η αγωγιμότητα καταλήγει στη μεταφορά θερμότητας ή στη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου. Και τα δύο συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της ικανότητας μιας ουσίας να επιτρέπει στα μόρια να μεταφέρουν ενέργεια μέσω αυτών.
Έχουμε γράψει πολλά άρθρα σχετικά με τη αγωγιμότητα για το Universe Today. Δείτε αυτό το άρθρο για το πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής , ή αυτό στο ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ .
Εάν θέλετε περισσότερες πληροφορίες για τη διεξαγωγή, ρίξτε μια ματιά Άρθρο του BBC για τη μεταφορά θερμότητας , και εδώ είναι ένας σύνδεσμος προς The Physics Hypertextbook .
Έχουμε επίσης ηχογραφήσει ένα ολόκληρο επεισόδιο του Astronomy Cast σχετικά με τον Μαγνητισμό - Επεισόδιο 42: Μαγνητισμός Παντού .