رسانایی توانایی جسم یا ماده برای انتقال گرما است. با انجام این کار، از یک جسم جامد یا از یک جسم به جسم دیگر حرکت می کند، زیرا هر دو با یکدیگر در تماس هستند. این تنها راهی است که گرما از کل بدن عبور می کند. این سوال مطرح می شود: "هوا و سایر مواد چگونه گرما را هدایت می کنند؟" در مقاله پیدا کنید!
رسانایی حرارتی
توانایی انتقال گرما در یک جسم را هدایت حرارتی می گویند. این ویژگی با حرف k نشان داده می شود و با W / (m × K) اندازه گیری می شود. مقادیر هدایت حرارتی برای مواد مختلف متفاوت است. بنابراین طلا، نقره و مس رسانایی حرارتی بالایی دارند. به هر حال، این مواد همچنین رسانای خوبی برای الکتریسیته هستند. هوا چگونه گرما را هدایت می کند؟ پاسخ کوتاه است: هادی ضعیف است. رسانایی بالای طلا، نقره و مس به این دلیل است که الکترون هایی که وظیفه انتقال بار را بر عهده دارند در انتقال انرژی حرارتی نیز شرکت می کنند.
اما موادی مانند شیشه و پشم معدنی رسانایی حرارتی پایینی دارند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که آنها الکترون های "آزاد" بسیار کمی برای انتقال انرژی حرارتی در داخل جامد دارند. به مواد این نوع عایق می گویند. سرعت انتقال حرارت (یعنی سرعت حرکت انرژی حرارتی) مستقیماً به هدایت حرارتی، اختلاف دما و سطح تماس و موادی که بدن دارد بستگی دارد. به همین دلیل نمی توان گفت که هوا گرما را به خوبی هدایت می کند.
اگر ماده رسانای خوبی برای گرما باشد، به سرعت در بدن حرکت می کند. فلزات به طور گسترده ای برای مقاصد انتقال حرارت استفاده می شوند، زیرا دارای خواصی هستند که اجازه می دهد گرما به گردش درآید و همزمان در برابر دماهای شدید مرتبط با گرمایش مقاومت می کند.
این الکترون ها هستند که وظیفه انتقال انرژی گرمایی و همچنین بار الکتریکی را بر عهده دارند. بنابراین، فلزات رسانای خوبی برای گرما و الکتریسیته هستند! اینجاست که پاسخ این سوال نهفته است: "چرا هوا رسانای ضعیفی برای گرما است؟"
با این حال، وقتی منظورتان رسانایی گرمایی (که مربوط به انتقال انرژی الکترون است) رسانایی الکتریکی (که مربوط به بار الکترون ها است) را اشتباه نگیرید.
ما با تجربه ثابت می کنیم
سعی کنید یک سر میله فلزی را روی شعله نگه دارید - بعد از چند دقیقه گرم می شود.
حالا انتهای یک چوب چوبی را در شعله نگه دارید تا انتهای آن چنان داغ شود که در نهایت آتش بگیرد. با این حال، پایان چوب برای کهشما صبر کنید، نسبتا خونسرد بمانید.
گرما به دلیل ترکیب آن در سراسر حجم بدن پخش نمی شود: ساختار آن انتقال گرما را برای الکترون ها از طریق ماده دشوار می کند.
بنابراین، تجربه روزمره نشان می دهد که چوب رسانای خوبی برای گرما نیست. اگر تا به حال بخشی از چوب را زیر میکروسکوپ دیده باشید، احتمالاً متوجه ساختار چوب شده اید: این چوب از سلول های جداگانه ای تشکیل شده است که به عنوان عایق عمل می کنند زیرا به هم متصل نیستند. سلول ها مانند سنگ در نهر پراکنده شده اند. گرما در چنین ماده ای بسیار آهسته تر از فلزات حرکت می کند، جایی که اتم ها در یک "شبکه" سه بعدی به هم متصل شده اند.
هوا رسانای ضعیف گرما است. تجربه زندگی روزمره نشان می دهد: ساختار پنجره ها را به خاطر بسپارید. آنها همیشه از حداقل دو لیوان تشکیل شده اند که بین آنها یک "کوسن" هوا وجود دارد. این لایه به حفظ گرما در اتاق بدون خروج آن کمک می کند.
بنابراین، اگر انرژی حرارتی مستقیماً به بخشی از یک جسم جامد اعمال شود، الکترون‌های موجود در جسم برانگیخته می‌شوند. این منجر به ارتعاشات شبکه اتمی می شود که از طریق جسم حرکت می کند و در حین عبور دما را افزایش می دهد. هرچه پیوندهای درون جامد نزدیکتر باشد، انتقال حرارت سریعتر است.
مایعات رسانای ضعیف گرما هستند
اگر یک مکعب یخ را در ته لوله آزمایش آب ثابت کنید (برای انجام این کار باید از وزنه استفاده کنید، در غیر این صورت روی سطح شناور می شود.مانند یخ چگالی کمتری نسبت به آب دارد) و سپس آب را در بالای لوله گرم کنید، متوجه خواهید شد که آب در بالای لوله می جوشد و یخ یخ زده باقی می ماند.
این به این دلیل است که آب رسانای ضعیفی برای گرما است. بیشتر گرما در یک جریان همرفتی در داخل آب در بالای لوله حرکت می‌کند، فقط بخش کوچکی از آن به مکعب یخ فرو می‌رود.
هوا چگونه گرما را هدایت می کند؟
هوا مجموعه ای از گازها است. اگرچه برای همرفت عالی است، اما مقدار گرمایی که می تواند منتقل کند حداقل است زیرا جرم کوچک ماده نمی تواند گرمای زیادی را ذخیره کند - به همین دلیل است که رسانای خوبی در نظر گرفته نمی شود. خواص عایق بودن هوا توسط بشر در زندگی روزمره استفاده می شود. بنابراین برای عایق کاری کولرها در دیوارهای ساختمان استفاده می شود. حتی کار قمقمه نیز بر این اساس است که هوا گرما را به خوبی هدایت نمی کند. واقعاً نمونه های زیادی وجود دارد!
پس چه چیزی باعث این پدیده می شود؟ از آنجایی که هوا متراکم نیست، مقدار معینی جرم برای انتقال انرژی حرارتی از طریق رسانش وجود دارد. بنابراین، هادی ضعیف، اما عایق عالی است. با این وجود، پاسخ به این سوال: "آیا هوا گرما را هدایت می کند؟" - نه چندان واضح بنابراین، پدیده های زیر را در نظر بگیرید.
تابش انتقال انرژی از طریق امواج یا ذرات برانگیخته است. هوا یک شکاف حرارتی ایجاد می کند که اجازه نمی دهد انرژی حرارتی بر آن غلبه کند. گرما باید از سطح به تابش شودذرات هوا، سپس باید از هوا به سطح مخالف تابش شود. گرما بسیار آهسته بین این سه ماده حرکت می کند و بیشتر انرژی گرمایی منتقل شده در هوا جذب می شود.
همرفت حرکت گرما در یک مایع یا گاز به دلیل کاهش چگالی به دلیل جذب گرما است. در این صورت خواص هوا فوق العاده مفید می شود. همچنین با انتقال گرما از ظرف یا فضای عایق شده به سمت بالا حرکت می کند. بنابراین از همرفت برای حذف گرما استفاده می شود و می توان از آن برای خنک کردن سطح استفاده کرد. توزیع گرما از طریق همرفت در هوا تا حدودی ناکارآمد است، اما برای بسیاری از اهداف خنک کننده استفاده می شود. بله، هوا رسانای ضعیفی برای گرما است.
نمونه های عایق
عایق برای اهداف بسیاری استفاده می شود. برخی از این موارد عبارتند از خنک کننده نوشیدنی ها و مواد غذایی، ایجاد شکاف هوا در دیوارها و وارد کردن حفره های هوا به ظروف آشپزخانه. ویژگی‌های نحوه هدایت گرما توسط هوا حتی برای فوم عایق نیز اعمال می‌شود.
نتیجه گیری
رسانایی عبارت است از عبور گرما از یک جسم جامد. تفاوت آن با پدیده همرفت در این است که هیچ حرکتی از ماده در این فرآیند رخ نمی دهد. اکنون می دانیم که آیا هوا گرما را به خوبی هدایت می کند یا خیر، و چرا.
