Transferul caldurii prin conductie

Transferul caldurii prin conductie

Cum se propaga caldura prin conductie? Atunci cand incalzim capatul unei bare metalice, caldura se propaga cu repeziciune catre celalalt capat. Vibratia moleculelor de la capatul fierbinte al barei devine din ce in ce mai puternica pe masura ce temperatura creste, iar in timp ce moleculele se ciocnesc cu altele aflate in vecinatate, o parte din energia lor cinetica este transferata acestora care la randul lor o transfera altora si asa mai departe. Astfel energia miscarii termice este transferata de la o molecula la urmatoarea, moleculele ramanand in pozitia lor initiala. Electronii liberi joaca, de asemenea, un rol important in conductia caldurii. Acestia, in deplasarea lor, vor ajunge in partile mai reci ale metalului, unde isi vor transfera energia electronilor de aici sau retelei atomice. Aceasta este si motivul pentru care metalele sunt atat de bune conducatoare de caldura. Alte substante solide (ca de exemplu lemnul, sticla, plasticul nu conduc atat de bine caldura, ele numindu-se izolatoare termice. Vasele de bucatarie sunt adesea facute din metal, tocmai datorita faptului ca metalul propaga bine caldura de la sursa de foc catre alimente, in timp ce manerele vaselor sunt din materiale izolante care il feresc pe cel ce utilizeaza vasele sa se arda la maini.

Lichidele, cu exceptia metalelor in stare topita (mercur) sunt slabe conducatoare termice.

De ce energia termica nu se propaga mereuin acelasi mod? Intr-un corp solid, lichid sau gazos, moleculele se afla intr-o miscare permanenta. A incalzi un obiect inseamna a intensifica aceasta miscare.

Fizicianul francez Sadi Carnot a definit caldura ca fiind "o miscare printre particulele unui corp". Aceasta agitatie ce propaga rapid in materialele conducatoare si ramane localizata (nu se propaga) in materialele izolatoare.

Procesul propagarii caldurii este descris de legea Fourier:

dQ=-K dS ∂T/∂x dt,

unde dQ este cantitatea de caldura ce trece prin suprafata dS, in timpul dt, ∂T/d∂ este gradientul de temperatura, iar K este conductivitatea termica a unei substante.

Schimbul de caldura poate fi studiat atat in regim de variabil cat si in regim permanent sau stationar. In regim variabil, temperatura in diferite puncte ale corpului variaza cu timpul, iar in regim stationar (permanent) temperatura corpului intr-un punct oarecare nu mai variaza. In acest ultim caz, cantitatea de caldura ce vine dintr-un elemant de volum este egala cu cea care pleaca din acel element.

Din legea Fourier se poate constata ca cu cat creste conductivitatea termica, schimbul de caldura se mareste, ceilalti factori neschimbati. De aceea o substanta pentru care K este mare este un bun conducator de caldura, iar pentru K mic, substanta este slab conducatoare de caldura sau un bun izolator. Nu exista un conducator de caldura perfect (K=∞) sau un izolator termic perfect (K=0).

Cele sustinute mai sus pot fi observate in urmatorul tabel ca si faptul ca nemetalele si gazele au conductivitati foarte mici, iar metalele conductivitati mult mai mari.

Aplicatii:

Pentru a putea observa faptul ca nu toate substantele au o conductie identica si a realiza o evaluare a conductivitatii termice a materialelor solide, se poate realiza un mic expariment:

Intr-o cutie se toarna apa fierbinte. Cutia este prevazuta cu suporti pentru tije din materiale diferite. Aceste tije se introduc in suporti dupa ce au fost acoperite cu parafina.

a)     lemn; b) fier; c) plumb; d)cupru; e) aluminiu

Partea |nnegrita reprezinta distanta pe care s-a topit parafina.

Dupa cateva minute de la introducerea tijelor in cutia cu apa fierbinte se constata ca distantele (de pe tije) pe care s-a topit parafina difera in functie de conductivitatea termica a materialelor din care sunt facute tijele.

Gheata care nu se topeste in apa clocotita.

Se ia o eprubeta, se umple cu apa, se cufunda in ea o bucatica de gheata astfel  incatsa nu se ridice la suprafata.

Se incalzeste partea superioara a eprubetei pana la fierberea apei.

Se  constata ca gheata din eprubeta nu se topeste, desi la suprafata apa fierbe. Secretul consta in aceea ca la partea inferioara a eprubetei apa nu fierbe, ea ramane rece. Fierbe doar in partea superioara.

Nu avem "gheata in apa clocotita" ci avem "gheata sub apa clocotita".

Conductibilitatea termica a apei este foarte mica.

Gazele sunt mult mai slab conducatoare de caldura decat lichidele.