"Institute of Educational Policy" Books

Search

Go
Show

2.8 Πώς άγεται η θερμότητα

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί η χύτρα, κατασκευάζεται από αλουμίνιο ενώ οι λαβές της από πλαστικό; Επίσης γιατί αισθανόμαστε πιο κρύο το πόμολο από τη ξύλινη πόρτα, παρόλο που γνωρίζουμε ότι και τα δύο σώματα έχουν την ίδια θερμοκρασία;

Αν πλησιάσουμε το άκρο ενός μεταλλικού σύρματος σε μια φλόγα, γρήγορα αισθανόμαστε να θερμαίνονται τα δάχτυλα μας που κρατούν το άλλο άκρο του σύρματος. Τι έχει συμβεί άραγε;

Γνωρίζουμε ότι η θερμότητα μεταφέρεται πάντοτε από τα θερμότερα προς τα λιγότερο θερμά σώματα. Από τη φλόγα λοιπόν η θερμότητα μεταφέρεται στην άκρη του μεταλλικού σύρματος αυξάνοντας τη θερμοκρασία του. Τότε τα μόρια του μετάλλου στην περιοχή που βρίσκεται πάνω από τη φλόγα, αρχίζουν να κινούνται περισσότερο έντονα. Συγκρούονται με τα γειτονικά μόρια (της γύρω λιγότερο θερμής περιοχής) και μεταφέρουν σε αυτά ένα μέρος της κινητικής τους ενέργειας. Αυτά με τη σειρά τους μεταφέρουν ενέργεια στα γειτονικά τους κ.ο.κ. Με τη διαδικασία αυτή, μεταφέρεται ενέργεια δια μέσου του σώματος από περιοχές με υψηλότερη θερμοκρασία προς άλλες με χαμηλότερη. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι όλες οι περιοχές να αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Πρέπει να τονιστεί ότι κατά τη διάδοση της ενέργειας με τον τρόπο αυτόν, δεν συμβαίνει μετακίνηση μορίων από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. Η διάδοση της θερμότητας με τον τρόπο αυτό είτε μέσα σε ένα σώμα είτε μεταξύ δύο σωμάτων που βρίσκονται σε επαφή, την ονομάζουμε αγωγή.

Από την καθημερινή εμπειρία μας γνωρίζουμε ότι αν τοποθετήσουμε σε νερό που βράζει ένα μεταλλικό κουτάλι, μετά από λίγο, το μεταλλικό κουτάλι είναι τόσο θερμό που δεν μπορούμε να το πιάσουμε με το χέρι μας. Σε αντίθεση τέτοιο πρόβλημα δεν έχουμε, με μία ξύλινη κουτάλα.

Λέμε ότι τα μέταλλα που διευκολύνουν τη διάδοση της θερμότητας είναι θερμικοί αγωγοί. Έχουν δηλαδή μεγάλη θερμική αγωγιμότητα. Ενώ άλλα στερεά σώματα όπως τα πλαστικά, το χαρτί, ο φελλός, η πολυστερίνη ή το λίπος στο σώμα μας, έχουν μικρή ή πολύ μικρή θερμική αγωγιμότητα. Αυτό σημαίνει ότι η θερμότητα διαδίδεται μέσα από αυτά με πολύ αργό ρυθμό. Τα χαρακτηρίζουμε λοιπόν ως "κακούς" αγωγούς της θερμότητας ή αλλιώς λέμε ότι είναι θερμικοί μονωτές. Για αυτό το λόγο τα μαγειρικά σκεύη κατασκευάζονται από μέταλλο με μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, ενώ οι λαβές τους από υλικό που είναι μονωτής.

Μικρό εργαστήριο - Σε μια μεταλλική βελόνα πλεξίματος στάξτε σε ίσες αποστάσεις από μία σταγόνα λιωμένο κερί. - Κρατείστε τη μία άκρη της βελόνας πάνω από τη φλόγα ενός κεριού. - Τι παρατηρείτε, πώς μεταφέρεται η θερμότητα από τη φλόγα σε ολόκληρη τη βελόνα; Πώς εξηγείτε την παρατήρηση σας;

ΠΙΝΑΚΑΣ 2.5 Υλικό Θερμική αγωγιμότητα ΑΓΩΓΟΙ Άργυρος 203000 Χαλκός 192000 Αλουμίνιο 102000 Σίδηρος 25000 ΜΟΝΩΤΕΣ Γυαλί 400 Μπετόν 400 Τούβλο 300 Νερό 300 Ξύλο 40 Αέρας 10 Πολυστερίνη 5 Υαλοβάμβακας 1 Κατάταξη ποικίλων υλικών ως προς τη θερμική αγωγιμότητα. Τα υλικά από μόνα τους δεν είναι ούτε θερμά ούτε ψυχρά. Έχουν τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος τους. Όμως σε άλλα υλικά η θερμότητα διαδίδεται γρήγορα (αγωγοί) ενώ σε άλλα πολύ αργά (μονωτές).

Το πόμολο και το ξύλο μιας πόρτας έχουν την ίδια θερμοκρασία. Τα μέταλλα ωστόσο είναι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας από το ξύλο. Όταν πιάνουμε το πόμολο ή το ξύλο μεταφέρεται θερμότητα από το χέρι μας πιο γρήγορα προς το πόμολο παρά προς το ξύλο. Λόγω της διαφορετικής αγωγιμότητας και όχι λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας, ξεγελιόμαστε νομίζοντας ότι τα μεταλλικά αντικείμενα που υπάρχουν στο δωμάτιο μας είναι λιγότερο θερμά από τα μη μεταλλικά. Τα αέρια και τα υγρά μπορούν άραγε να χαρακτηριστούν αγωγοί ή μονωτές; Παρατηρούμε ότι αν πλησιάσουμε ένα σπίρτο πολύ κοντά στη βάση της φλόγας ενός κεριού, δεν ανάβει!! Συμπαιρένουμε ότι η θερμότητα δεν μεταφέρεται με αγωγή δια μέσου του αέρα. Ο αέρας είναι ένας μονωτής. Πορώδη υλικά που παγιδεύουν τον αέρα και είναι πολύ καλοί μονωτές είναι το μαλλί, η γούνα, τα πούπουλα, ο υαλοβάμβακας, η διογκωμένη πολυστερίνη κ.ά. Τα δύο τελευταία υλικά χρησιμοποιούνται ως θερμομονωτικά για τη θερμική μόνωση των κτιρίων. Το νερό, ο πάγος και το χιόνι σε σύγκριση με τα μέταλλα συμπεριφέρονται σαν μονωτές. Το χιόνι από το οποίο κατασκευάζουν τα σπίτια τους οι Εσκιμώοι λειτουργεί σαν θερμομονωτικό υλικό εμποδίζοντας την απώλεια θερμότητας από το εσωτερικό του σπιτιού προς τα έξω.

Δείτε κι αυτό Τα κεραμικά προστατευτικά πλακάκια διαστημικής τεχνολογίας με τα οποία επενδύονται εξωτερικά τα αμερικανικά διαστημικά λεωφορεία έχουν "ασυνήθιστες" ιδιότητες. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγεται και η πάρα πολύ μικρή θερμική αγωγιμότητα τους. Έτσι, μπορεί κάποιος να κρατά ένα τέτοιο πυρωμένο πλακάκι από τις γωνίες του χωρίς κανένα πρόβλημα!

Εικόνα 2.46 Αν και το σπίρτο βρίσκεται σε πολύ μικρή απόσταση από τη βάση της φλόγας δεν αναφλέγεται. Ο αέρας που παρεμβάλλεται μεταξύ φλόγας και σπίρτου είναι μονωτής.

Εικόνα 2.47 Τα πουλιά δεν κρυώνουν γιατί ο αέρας που παγιδεύεται κάτω από το φτέρωμά τους εμποδίζει τη μεταφορά θερμότητα από το σώμα τους στο περιβάλλον. Οι πιγκουίνοι της Ανταρκτικής διαθέτουν θερμική μόνωση που εξασφαλίζεται με ένα στρώμα από αδιάβροχα και λιπαρά πούπουλα, ένα εσωτερικό στρώμα από αφράτο χνούδι και ένα παχύ στρώμα λίπους κάτω από το δέρμα τους.