ОПЫТЫ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Разные твердые вещества по-разному проводят тепло. Лучше всего это делают металлы. Но и среди металлов есть чемпионы по теплопроводности. К ним относятся так называемые «благородные металлы» — платина, золото, серебро.
Опыт с железным гвоздем
В толстую чурку забей гвоздь и поставь ее на противень.
Снизу к этому длинному гвоздю прилепи пластилином, или воском несколько маленьких гвоздиков. Под шляпку гвоздя подставь горящую свечу.
Типы токопроводящих материалов
Среди наиболее используемых металлических материалов мы упомянем: серебро, алюминий, медные сплавы и проводники, состоящие из алюминиевой и медной стали, применение которых в электричестве очень полезно. Свойства: Медь после серебра - металл, имеющий большую электропроводность; примеси, даже в небольшом количестве, заметно уменьшают указанную проводимость. Также после серебра медь является металлом, который лучше всего проводит. На него не нападают сухие; в присутствии влажного воздуха образуется пластина, которая представляет собой герметичный слой, который защищает медь от дальнейших атак.
Смотри: вот отвалился один гвоздик.., другой… третий…
Строго по порядочку, по очереди. Сначала самый близкий к огню, потом все дальше, дальше…
Значит, тепло передается по гвоздю от нагретого конца к холодному. И передается постепенно.
Опыт с деревом
Когда гвоздь остынет, выдерни его и в оставшееся отверстие вставь лучинку.
Повтори тот же опыт с ней.
Применения: Чистая медь с чистотой 9% обычно производится электролизом. В промышленности в качестве проводящего материала используется только электролитическая медь. Электролитическая медь используется в электротехнике, особенно в качестве проводящего материала для линий электропередач и коллекторов и в качестве контактного материала в высоковольтных выключателях. Он также используется для его высокой теплопроводности, например, в оборудовании труб и поверхностей.
Свойства: Алюминий обладает хорошей электропроводностью, а также является хорошим проводником тепла. Его легко формовать и ламинировать. И наоборот, относительное удлинение колеблется от 35% до 3%. Алюминий легко легируется другими металлами. Подвергнутый воздействию воздуха, он покрыт слоем оксида, который благодаря своей герметичности защищает от дальнейшего окисления до металла под ним, так что алюминий устойчив к воздействию. Алюминий можно консервировать и сварить. В качестве проводящего материала используется чистый алюминий.
Картина будет совсем другая!
Конец лучинки загорится, а гвоздики будут держаться по-прежнему. Выходит, что дерево проводит тепло гораздо хуже, чем железо.
Опыт со стеклом
Если есть у тебя подходящая по толщине стеклянная палочка или трубка, повтори опыт с ней.
Она, конечно, не горит, но тепло проводит не лучше дерева.
Применение: чистый алюминий используется из-за его стойкости к коррозии и к его низкому уровню для прокладки кабелей. Его хорошая деформируемость делает его пригодным для. Элементы, составляющие эту диагональ - бор, кремний, германий, мышьяк, сурьму, теллур, полоний и астатин, обладают как металлическими, так и неметаллическими свойствами. Наиболее распространенными металлическими элементами являются барий бериллий кадмий кальций церий хром кобальт иридий свинцовый литий магний марганец ртуть молибден никель осмий палладий платина калий, родий, серебро, натрий, тантал, таллий, торий, титан, вольфрам, уран, ванадий и цинк.
Опыт с ложками
Возьмите две чайные ложки: одну серебряную, другую из никелевого сплава. Прикрепите к ним каплями стеарина скрепки для бумаг. Вложите ложки в стакан, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Налейте в стакан кипяток. Ложки нагреются. У серебряной ложки стеарин расплавится, и скрепка отпадет. У другой ложки скрепка или совсем не отпадет, или отпадет позже, когда ложка нагреется сильнее.
Смесь двух или более или металла и некоторых неметаллов, таких как сплав. Меркурий с другими металлическими элементами известен как амальгамы. Металлы демонстрируют большой разброс в их физических свойствах. Большинство из них серовато, но некоторые из них разные; висмут - розацеа, красноватая медь и желтое золото. Точка металлов изменяется от -39 ° С от ртути при 410 ° С вольфрама. Иридий, имеющий отношение 22, 4, является наиболее плотным из металлов. Напротив, литий наименее плотный, с относительной плотностью 0.
Большинство металлов кристаллизуется в кубической системе, хотя некоторые из них делают это в гексагональной и тетрагональной системах. Самая низкая электропроводность - висмут, а самая высокая при обычной температуре серебро. Проводимость в металлах может быть уменьшена за счет сплавов. Все металлы расширяются вместе с ним и сокращаются, когда он охлаждается.
Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Если нет серебряной ложки, возьмите такие, какие у вас есть, но только из разных металлов. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен.
Опыт с монетой
Различные вещества по-разному проводят тепло. Это хорошо видно из небольшого опыта.
Приложите к кусочку дерева монету и оберните их белой бумагой. Поднесите все это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулось места, где над бумагой находится монета. Старайтесь не дать бумаге загореться. Но бумага все же успела обуглиться, и обуглилась она вокруг монеты.
Определенные сплавы, такие как платина и иридий, имеют чрезвычайно низкий коэффициент расширения. Металлы часто жесткие и жесткие. Для металлов характерно наличие положительных валентностей в большинстве их соединений. Это означает, что они, как правило, дают электроны атомам, с которыми они связаны. Они также имеют тенденцию образовывать основные оксиды. Напротив, неметаллические элементы, такие как азот, сера и хлор, имеют отрицательную валентность в большинстве своих соединений и имеют тенденцию приобретать электроны и образовывать оксиды.
Там же, где была сама монета, остался не тронутый огнем белый кружок. Металл монеты, как хороший теплопроводный материал, отобрал на себя жар пламени и предохранил бумагу от обгорания.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОРИСТЫХ ТЕЛ
Из твердых веществ хуже всего проводит тепло керамика, пластмасса, дерево, ткань.
Металлы имеют низкую энергию ионизации: они легко реагируют, теряя электроны для образования положительных ионов или катионов. Таким образом, металлы образуют соли, такие как хлориды, сульфиды и карбонаты, действуя как восстановители. В своих первых попытках объяснить структуру металлов ученые использовали свойства своей хорошей теплопроводности и электропроводности, чтобы поддержать, что металлы состоят из ионизованных атомов, свободные электроны которых образуют однородное «море» отрицательного заряда.
Притяжение между положительными ионами металла и свободных электронов считалось ответственным за связь между атомами металла. Таким образом, считалось, что свободный от электронов был причиной его высокой электрической и теплопроводности. Основное возражение против этой теории состоит в том, что в таком случае металлы должны иметь определенную теплоту выше, чем на самом деле.
Вот поэтому ручки у чайников или сковородок делают из пластмассы или дерева. А если ручка металлическая, то, чтобы не обжечь пальцы, приходится пользоваться тряпкой. Она тоже плохо проводит тепло и, предохраняя руку от ожога, служит теплоизоляцией.
Опыт
Распушите небольшой комок ваты и оберните им шарик термометра.
Теперь подержите некоторое время термометр на определенном расстоянии от какого-нибудь нагревателя и заметьте, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сожмите и туго обмотайте им шарик термометра и снова поднесите к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее.
Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!
В том же году швейцарский физик Феликс Блох, а позднее французский физик Луис Бриллюэн применил эту идею в ныне принятой «теории полос» для связей в металлических твердых телах. Согласно этой теории, у всего металла имеется лишь ограниченное число валентных электронов, с которыми соединяются соседние атомы. По этой причине требуется широкое распределение электронов между отдельными атомами. Распределение электронов достигается путем наложения атомных орбиталей эквивалентной энергии с соседними атомами.
Это перекрытие проходит по всему металлу, образуя большие орбитали, которые распространяются по всему телу, а не принадлежат к конкретным атомам. Каждая из этих орбиталей имеет другой энергетический уровень, потому что атомарные орбитали, из которых они происходят, имеют разные уровни энергии. Орбиталы, число которых совпадает с числом атомных орбиталей, имеют по два электрона и заполняются по порядку от наименьшей до максимальной энергии до тех пор, пока не будет исчерпано количество доступных электронов.
Высокие теплоизоляционные свойства вате придает воздух, заключенный между волокнами распушенной ваты (а не сама вата). Шерсть теплее, чем вата, именно потому, что ее волокнистая структура позволяет задерживать в себе еще больше воздуха.
На этом же принципе основано производство теплоизоляционных материалов для домостроения. В них делают как можно больше воздушных промежутков.
В этой теории говорят, что электроны находятся в полосах, составляющих орбиталь. Каждая полоса имеет запас энергии, значения, которые должны иметь электроны в составе этой полосы. В некоторых металлах происходят перебои между полосами, поскольку электроны не обладают определенными энергиями. Полоса с наивысшей энергией в металле не заполнена электронами, так как характеристика металлов заключается в том, что они не обладают достаточным количеством электронов для ее заполнения. Таким образом, высокая электрическая и теплопроводность металлов объясняется прохождением электронов в эти зоны с электронными дефектами, вызванными поглощением тепловой энергии.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗА
Зимой вы применяете теплоизоляцию и надеваете теплое пальто или шубу. Воздух, который содержится между волокнами ваты или меха, как и всякий газ, плохой проводник тепла.
Итак, для того чтобы предохранить что-либо от холода, применяется теплоизоляция. Но и от излишнего тепла приходится принимать теплоизоляционные меры. Когда космический корабль на спуске с огромной скоростью летит в атмосфере Земли, его стенки трутся о воздух и сильно нагреваются. Для сохранения внутри корабля от высокой температуры экипажа и аппаратуры применяют теплоизоляционный, теплостойкий чехол. Он состоит из слоев плохо проводящих теплоту материалов.
Ну, это один из металлов, сплав или любой другой материал, который допускает его вынужденную деформацию, в нити, без разрушения или расщепления. Чем более пластичный материал, тем мельче проволока или проволока, которую можно нарисовать металлической матрицей, без разрушения. Мы говорим тогда, что пластичный металл - это все, что позволяет его вынужденную деформацию, в нити, без разрушения или раскола.
Малируемость - это возможность изменения формы под действием молота, что это значит? Его можно бить или разбрасывать на тарелках или листах. Любой материал, который мало сопротивляется потоку. Разница между проводником и изолятором, который является плохим проводником электричества или тепла, имеет скорее степень, чем тип, поскольку все вещества проводят электричество в большей или меньшей степени. Хороший проводник электричества, такой как серебро или медь, может иметь удельную электропроводность в миллиард раз больше проводимости хорошего изолятора, например слюды.
Опыт 1
Уже говорилось о том, что газы плохо проводят тепло.
Возьмите алюминиевую тарелочку от детской посуды, поставьте ее на небольшой огонь и, когда она достаточно нагреется, налейте на нее половину чайной ложки воды
Вода не испарится мгновенно, как следовало бы ожидать. Вода перекатится плоским шариком — сфероидом на самое низкое место тарелочки и замрет там на раскаленном металле. Кажется странным, что вода не превращается сразу в пар. Конечно, вода испаряется, но этот самый пар, в который превращается вода, и предохраняет большую сфероидальную каплю от раскаленного металла. Пар в данном случае оказывается отличной теплоизоляцией.
Явление, известное как сверхпроводимость, возникает при охлаждении некоторых веществ до температуры, близкой к абсолютному нулю, их проводимость становится практически бесконечной. В сплошных проводниках оно переносится движением электронов; и в растворах, и это делает ионы.
Твердый или жидкий материал, способный проводить электричество лучше, чем изолятор, но хуже, чем металл. Электропроводность, которая является способностью проводить электрический ток при приложении разности потенциалов, является одним из важнейших физических свойств. Некоторые металлы, такие как медь, серебро и алюминий, являются отличными проводниками. С другой стороны, некоторые изоляторы, такие как алмаз или стекло, являются очень плохими проводниками. При очень низких температурах сигары ведут себя как изоляторы.
Опыт 2
Когда вы гладите белье, переверните утюг и, если он достаточно нагрет, брызните на него водой. Она сразу превратится в маленькие круглые шарики, которые быстро покатятся по утюгу.
Эти мелкие шарообразные капельки тоже не испарились мгновенно, их тоже защитила от жара утюга паровая прослойка, «паровая подушка». На этой «паровой подушке» водяные шарики и пропутешествовали по раскаленному утюгу.
Подвергаясь высоким температурам, смешанным с примесями или в присутствии, проводимость полупроводников может резко возрастать и достигать уровней, близких к уровням металлов. Изучаются свойства полупроводников в твердом состоянии. Вождение электронов и дырок.
В состав обычных полупроводников входят химические и композиционные элементы, такие как кремний, германий, селен, арсенид галлия, селенид цинка и теллурид свинца. Увеличение проводимости, вызванное изменениями температуры, света или примесей, связано с увеличением числа проводящих электронов, несущих электрический ток. В полупроводниковой характеристике или чистом, как кремний, валентные электроны атома спариваются и разделяются другими атомами с образованием ковалентной связи, которая удерживает кристалл вместе.
Опыт 3
Возьмите несколько маленьких кусочков сухого льда, положите их на гладкую поверхность алюминиевой тарелки. Наклоняйте тарелку в разные стороны. Кусочки сухого льда будут легко скользить по гладкой поверхно-сти. Теплая поверхность алюминиевой тарелки (ее температура отличается от температуры сухого льда по крайней мере на 100 градусов) помогает углекислому газу более бурно выделяться. Под кусочками сухого льда получаются «углекислые подушки», на них и происходит скольжение.
Эти валентные электроны не могут свободно переносить электрический ток. Для создания электронов проводимости используется свет или температура, которая возбуждает валентные электроны и вызывает их высвобождение из связей, так что они могут передавать ток. Недостатки или пробелы, которые по-прежнему вносят вклад в поток электроэнергии. Это физическое происхождение увеличения электропроводности полупроводников из-за температуры.
Другой способ получения электронов для электричества состоит в добавлении примесей к полупроводнику или легированию. Разница в количестве валентных электронов между легирующим материалом и принимающим материалом увеличивает число отрицательных или положительных электронов проводимости. Это проиллюстрировано в прилагаемом, в котором показан легированный кремниевый кристалл. Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона. Для образования ковалентной связи требуются две. В кремнии р-типа атомы трех валентных электронов, таких как алюминий, вызывают дефицит электронов или дырок, которые ведут себя как положительные электроны.
Горолку с пламенем нужно все время сохранять в движении для равномерного нагрева. О степени нагрева изделия лучше всего судить по началу плавления припоя; делать заключения о степени нагрева по цвету нагреваемых деталей нужно с большой осторожностью, так как зрительное восприятие этих цветов в значительной степени зависит от условий освещения рабочего места. При нагревании разнородных металлов или сплавов пламя нужно направлять на тот из них, который является лучшим проводником тепла.
Характерной особенностью металлов является особый металлический блеск, объясняемый их способностью хорошо отражать свет. Между отражательной способностью металла, его электропроводностью и теплопроводностью существует определенный параллелизм: чем сильнее металл отражает свет, тем лучшим проводником тепла и электричества он является. Так, медь, серебро и золото отличаются наибольшей отражательной способностью, и они же являются лучшими проводниками тепла и электричества.
С внешней стороны металлы характеризуются прежде всего особым, как говорят, металлическим блеском. Причина этого блеска заключается в том, что поверхность металла сильно отражает лучи света. Другим характерным свойством металлов является их способность хорошо проверить тепло и электричество, причем, обычно, чем сильнее металл отражает лучи света, тем лучшим проводником тепла и электричества он является. Серебро, медь и золото наиболее сильно отражают лучи света; они в то же время обладают наибольшей теплопроводностью и электропроводностью.
Теплопроводностью называется свойство металлов проводить тепло при наг ревании. Чем лучше металл проводит тепло, тем быстрее и равномернее он наг ревается. Теплопроводность металлов имеет большое практическое значение Если металл обладает низкой теплопроводностью, то для полного прогрева oi нуждается в длительном нагревании; при быстром же охлаждении в нем обра зуются трещины. Лучшими проводниками тепла являются чистые металлы - серебро, медь, алюминий. Сталь обладает значительно меньшей теплопровод ностью.
Атомы металлов образуют кристаллическую решетку, в узлах которой, кроме нейтральных атомов, находятся также положительно заряженные ионы, образовавшиеся в результате потери валентных электронов частью атомов. Оторвавшиеся от атомов электроны перемещаются по всему объему металла и не принадлежат какому-либо определенному атому. Благодаря наличию легко перемещающихся электронов металлы хорошо проводят электричество и тепло. Лучшими проводниками тепла и электричества являются серебро, медь и алюминий.
Теплопроводностью называется свойство металлов проводить тепло при нагревании. Чем лучше металл проводит тепло, тем быстрее и равномернее он нагревается. Теплопроводность металлов имеет большое практическое значение. Если металл обладает низкой теплопроводностью, то для полного прогрева он нуждается в длительном нагревании; при быстром же охлаждении в нем образуются трещины, что приводит к неисправимому браку изделий. Лучшими проводниками тепла являются чистые металлы - серебро, медь, алюминий. Сталь ввиду сложности химического состава обладает значительно меньшей теплопроводностью.
Все металлы обладают металлическим блеском, который обусловливается способностью их сильно отражать лучи света. Большинство из них сохраняет блеск только тогда, когда они находятся в сплошной массе. В мелкораздробленном виде большинство металлов имеет черный или серый цвет, кроме магния и алюминия. Металлы хорошо проводят тепло и электричество, причем лучшие проводники тепла являются и лучшими проводниками электрического тока. Наиболее хорошо проводят тепло и электричество серебро и медь, наименее - свинец и ртуть.
При понижении температуры за точку перехода жидкий гелий внезапно начинает проводить тепло совершенно сверхъестественным для жидкости образом - сказал Ландау в одной из популярных лекций. Вы, вероятно, слыхали, что жидкости вообще очень плохо проводят тепло, в частности, плохо проводит тепло к обыкновенная вода. Не лучшей теплопроводностью обладают и другие жидкости, за исключением ртути, которая, как и все металлы, является хорошим проводником тепла. Плохо проводит тепло и гелий I, обыкновенный жидкий гелий. И вот при понижении температуры до точки перехода жидкого гелия от гелия I к гелию II, он начинает проводить тепло лучше, чем самые лучшие проводники тепла - медь и серебро, причем изменение происходит внезапно. Свойство громадной теплопередачи, конечно, сразу обратило на себя внимание и показало, что в этой непонятной жидкости скрыто еще много удивительного.
При понижении температуры за точку перехода жидкий гелий внезапно начинает проводить тепло совершенно сверхъестественным для жидкости образом - сказал Ландау в одной из популярных лекций. Вы, вероятно, слыхали, что жидкости вообще очень плохо проводят тепло, в частности, плохо проводит тепло и обыкновенная вода. Не лучший теплопроводностью обладают и другие жидкости, за исключением ртути, которая, как и все металлы, является хорошим проводником тепла. Плохо проводит тепло и гелий I, обыкновенный жидкий гелий. И вот при понижении температуры до точки перехода жидкого гелия от гелия I к гелию II, он начи нает проводить тепло лучше, чем самые лучшие проводники тепла - медь и серебро, причем изменение происходит внезапно. Свойство громадной теплопередачи, конечно, сразу обратило на себя внимание и показало, что в этой непонятной жидкости скрыто еще много уди - вительного.
Расположение металлов в различных местах периодической системы химических элементов показывает, что многие свойства у них должны сильно различаться. Наряду с этим имеются, однако, некоторые свойства, которые присущи всем металлам. Металлы, за исключением ртути - вещества твердые. Все металлы обладают характерным металлическим блеском, который обусловливается способностью их сильно отражать лучи света. Большинство из-них сохраняет блеск только тогда, когда они находятся в сплошной массе. В мелкораздробленном виде-болыпинство металлов имеет черный или серый цвет. Металлы хорошо проводят тепло и электричество, причем лучшие проводники тепла являются и лучшими проводниками электрического тока. Наиболее хорошо проводят тепло и электричество серебро и медь, наименее - свинец и ртуть.
С проблемой подвода и отвода тепла инженеры встречаются на каждом шагу. Работает атомная электростанция - значит, в ядерном реакторе выделяется огромное количество тепловой энергии, которое надо как можно быстрей вывести наружу для превращения в электричество. Крутится электромотор, пыхтит двигатель внутреннего сгорания, горит радиолампа, ракета врезается в атмосферу - здесь мы уже имеем дело с вредным нагревом, когда от тепла надо побыстрее избавиться. Неудивительно, что теплотехники на протяжении многих десятилетий ломают головы, пытаясь ускорить движение медлительных тепловых потоков. Чтобы пропускать по медному стержню диаметром 2 - 3 сантиметра и длиной менее полуметра всего 10 киловатт тепловой энергии, нужен огромный термический напор. Один конец стержня пришлось бы раскалить втрое горячее поверхности Солнца, фактически превратить в пар, тогда как другой должен был бы сохранять комнатную температуру. А ведь медь считается одним из лучших проводников тепла. Что касается тепловой трубки, то при тех же размерах она пропустит такую энергию почти без сопротивления, и разность температур между ее концами практически не удастся даже измерить. Аналогичную теплопроводность могла бы иметь только медная глыба диаметром в три метра и весом 40 тонн.
