§ 7. Теплопроводность

процесс передачи внутренней энергии от более нагретых частей тела (или более нагретых тел) к менее нагретым частям (или телам) за счёт теплового хаотического движения и взаимодействия микрочастиц вещества.

• Главная особенность: при теплопроводности происходит только перенос энергии, а переноса самого вещества не происходит.

• Металлы (медь, серебро, алюминий, сталь) — обладают наибольшей теплопроводностью благодаря наличию свободных электронов, переносящих энергию по кристаллической решётке с огромной скоростью (медь проводит тепло лучше стали).
• Жидкости (за исключением жидких металлов) — обладают значительно меньшей теплопроводностью, чем металлы (расстояния между молекулами больше, а связь слабее).
• Газы — обладают крайне малой теплопроводностью: молекулы расположены далеко друг от друга и сталкиваются сравнительно редко.
• Вакуум (сильно разреженный газ) — практически не проводит теплоту теплопроводностью из-за отсутствия частиц-переносчиков.

пористые и волокнистые материалы с низкой теплопроводностью (шерсть, войлок, пух, пенопласт, минеральная вата, двойные оконные рамы). Их теплоизоляционные свойства обусловлены неподвижным воздухом, заключённым между волокнами или в микропорах.

При внесении конца металлического стержня в пламя горелки атомы в нагреваемой части начинают совершать более интенсивные колебания в узлах кристаллической решётки. За счёт сил межмолекулярного взаимодействия они раскачивают соседние атомы, передавая им часть своей кинетической энергии. Кроме того, в металлах решающую роль играют свободные электроны: они быстро перемещаются по всему объёму решётки, сталкиваясь с ионами и передавая кинетическую энергию от горячего конца стержня к холодному. Таким образом, кинетическая энергия хаотического движения частиц последовательно передаётся от слоя к слою вдоль всего стержня без перемещения самого вещества.

Процесс теплопроводности состоит в переносе внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым (или от более нагретого тела к менее нагретому при их соприкосновении) вследствие непосредственного взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, свободных электронов), находящихся в хаотическом тепловом движении. При этом вещество не перемещается от одного конца тела к другому.

В газах расстояния между молекулами во много раз превосходят размеры самих молекул. Поэтому соударения между молекулами происходят значительно реже, чем в плотных твёрдых телах и жидкостях. Вследствие этого передача кинетической энергии от одной частицы к другой при их столкновениях протекает крайне медленно, что и обусловливает очень низкую теплопроводность газов.

Опыт (рис. 15 в учебнике):

• К медному и стальному стержням одинаковой длины и сечения с помощью пластилина или парафина на равных расстояниях прикрепляют гвоздики. Противоположные концы стержней одновременно помещают в пламя спиртовки.
• По мере распространения тепла вдоль стержней пластилин плавится, и гвоздики начинают поочередно отпадать. На медном стержне гвоздики отпадают значительно быстрее и дальше от нагреваемого конца, чем на стальном.
• Вывод: медь обладает существенно лучшей (более высокой) теплопроводностью, чем сталь.

Примеры применения:

• Вещества с хорошей теплопроводностью (металлы — медь, алюминий, чугун, сталь): изготовление посуды для приготовления пищи (кастрюли, сковороды, чайники), радиаторов отопления, кулеров охлаждения процессоров и теплообменников холодильников.
• Вещества с плохой теплопроводностью (дерево, пластмасса, стекло, фарфор, пробка, войлок, шерсть, кирпич): изготовление ненагревающихся ручек для кастрюль и сковородок; строительные теплоизоляционные блоки и кирпичи для сохранения тепла в домах; тёплая шерстяная и пуховая одежда для защиты человека от зимнего холода.