Девятый класс
  1. Механика  1.1. Движение  1.1.1. Виды движения  1.1.2. Расстояние и перемещение  1.1.3. Скорость и вектор скорости  1.1.4. Ускорение  1.1.5. Графическое представление движения  1.1.6. Уравнения движения  1.1.7. Равномерное и неравномерное движение  1.1.8. Свободное падение и ускорение свободного падения  1.1.9. Relative speed  1.1.10. Circular motion  1.2. Законы силы и движения  1.2.1. Понятие силы  1.2.2. Первый закон Ньютона  1.2.3. Newton's second law of motion  1.2.4. Третий закон Ньютона  1.2.5. Инерция и виды инерции  1.2.6. Motion  1.2.7. Conservation of momentum  1.2.8. Применение законов Ньютона в повседневной жизни  1.2.9. Types of Forces (Contact and Non-Contact)  1.2.10. Friction and its effects  1.3. Гравитационная сила  1.3.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.3.2. Важность гравитационной силы  1.3.3. Ускорение из-за гравитации  1.3.4. Свободное падение и невесомость  1.3.5. Масса и вес  1.3.6. Изменение g с высотой и глубиной  1.3.7. Kepler's laws of planetary motion  1.3.8. Satellites and their orbits  1.4. Work, Energy and Power  1.4.1. Понятие работы  1.4.2. Положительные и отрицательные действия  1.4.3. Работа, совершаемая постоянной и переменной силой  1.4.4. Энергия и ее формы  1.4.5. Кинетическая и потенциальная энергия  1.4.6. Закон сохранения энергии  1.4.8. Коммерческая единица энергии  1.4.9. Теорема о работе и энергии  1.5. Простые механизмы  1.5.1. Types of simple machines  1.5.2. Механическое преимущество  1.5.3. Эффективность машин  1.5.4. Рычаги и их типы  1.5.5. Блоки и наклонные плоскости  1.5.6. Шестерни и их применение
  2. Свойства материи  2.1. Состояния материи  2.1.1. Solids, liquids and gases  2.1.2. Свойства различных состояний вещества  2.1.3. Изменение состояния вещества  2.1.4. Плазма и конденсат Бозе — Эйнштейна  2.2. Плотность и давление  2.2.1. Понятие плотности и относительной плотности  2.2.2. Давление в твердых телах, жидкостях и газах  2.2.3. Pascal's law and its applications  2.2.4. Атмосферное давление и его вариации  2.2.5. Surface tension and capillarity  2.3. Плавучесть и принцип Архимеда  2.3.1. Выталкивающая сила  2.3.2. Закон Архимеда  2.3.3. Применения принципа Архимеда  2.3.4. плавучие и тонущие объекты  2.3.5. Теория плавания и принцип Архимеда
  3. Теплота и термодинамика  3.1. Температура и тепло  3.1.1. Концепция тепла и температуры  3.1.2. Измерение температуры  3.1.3. Шкалы температуры  3.2. Heat transfer  3.2.1. Проводимость тепла  3.2.2. Конвекция тепла  3.2.3. тепловое излучение  3.2.4. Применения теплообмена  3.2.5. Теплопроводность  3.3. Thermal expansion  3.3.1. Расширение твердых тел, жидкостей и газов  3.3.2. Abnormal expansion of water  3.3.3. Применение теплового расширения  3.4. Удельная теплоемкость и скрытая теплота  3.4.1. Концепция удельной теплоемкости  3.4.2. Измерение и применение удельной теплоемкости  3.4.3. Latent heat of fusion and vaporization  3.4.4. Тепловые двигатели и эффективность
  4. Волны и звук  4.1. Waves and their types  4.1.1. Механические и электромагнитные волны  4.1.2. Продольные и поперечные волны  4.1.3. Свойства волн  4.1.4. Длина волны, частота и скорость волны  4.1.5. Наложение волн  4.2. Звуковые волны  4.2.1. Природа и передача звука  4.2.2. Скорость звука в различных средах  4.2.3. Отражение звука и эхо  4.2.4. Sonar and ultrasound  4.2.5. Резонанс и пульсация  4.3. Характеристики звука  4.3.1. Интенсивность, громкость и качество звука  4.3.2. Эффект Доплера в звуке
  5. Освещение и оптика  5.1. Отражение света  5.1.1. Законы отражения  5.1.2. Отражение от плоского зеркала  5.1.3. Отражение от сферического зеркала  5.1.4. Формирование изображения вогнутыми и выпуклыми зеркалами  5.1.5. Применения отражения  5.2. Преломление света  5.2.1. Законы преломления  5.2.2. Показатель преломления  5.2.3. Преломление через стеклянную плиту  5.2.4. Refraction in water and air  5.2.5. Lenses and their types  5.2.6. Image formation by convex and concave lenses  5.2.7. Total internal reflection and its applications  5.3. Дисперсия и рассеяние света  5.3.1. Спектр белого света  5.3.2. Prisms and Dispersion  5.3.3. Эффект Тиндаля и голубое небо
  6. Электричество и магнетизм  6.1. Электрический заряд и статическое электричество  6.1.1. Понятие электрического заряда  6.1.2. Зарядка трением, контактом и индукцией  6.1.3. Электроскоп и его работа  6.2. Current Electricity  6.2.1. Понятие электрического тока  6.2.2. Ohm's Law and Resistance  6.2.3. Факторы, влияющие на сопротивление  6.2.4. Последовательные и параллельные схемы  6.2.5. Тепловой эффект электрического тока  6.2.6. Электрическая мощность и энергия  6.3. Магнетизм  6.3.1. Естественные и искусственные магниты  6.3.2. Свойства магнитов  6.3.3. Earth's magnetism  6.3.4. Magnetic field and field lines  6.3.5. Электромагниты и их применение
  7. Современная физика  7.1. структура атома  7.1.1. Atomic Structure and Subatomic Particles  7.1.2. Электроны, протоны и нейтроны  7.1.3. Модель Резерфорда и Бора  7.2. Радиоактивность  7.2.1. Types of radioactive emissions  7.2.2. Период полураспада и радиоактивный распад  7.2.3. Использование и опасности радиации
  8. Space science and astronomy  8.1. Вселенная и ее компоненты  8.1.1. Звезды и галактики  8.1.2. Planets and Solar System  8.2. Спутники  8.2.1. Естественные и искусственные спутники  8.2.2. Использование спутников

Девятый класс → Теплота и термодинамика → Heat transfer ↓


Проводимость тепла


Тепло — это форма энергии, и понимание того, как оно движется, важно в изучении физики. Существует три основных способа передачи тепла: проводимость, конвекция и излучение. Этот урок будет сосредоточен исключительно на проводимости, процессе, с помощью которого тепло передается через твердые тела.

Понимание теплопроводности

Проводимость — это процесс передачи тепла через материал без движения в материале. Этот перенос происходит на микроскопическом уровне, когда быстро колеблющиеся атомы и молекулы сталкиваются с соседними, более медленно движущимися частицами, перенося при этом часть своей кинетической энергии.

Основные характеристики процесса

  • Проводимость происходит главным образом в твердых телах.
  • Передача тепла происходит за счет взаимодействия частиц в веществе.
  • Во время проводимости нет общего движения материи.
  • Проводимость наиболее эффективна в материалах с плотно упакованными частицами, таких как металлы.

Механизм проводимости

В твердых телах атомы или молекулы расположены очень близко друг к другу в структурированной решетке. Когда одна часть твердого тела нагревается, частицы в этой области начинают колебаться быстрее. Эти колебания означают, что частицы имеют больше кинетической энергии. Когда эти высокоэнергетические частицы сталкиваются с соседними частицами, они передают им часть своей энергии, вызывая, чтобы соседние частицы колебались еще быстрее. Этот процесс продолжается, заставляя тепловую энергию течь через твердое вещество без какого-либо фактического массового движения.

        Давайте рассмотрим металлический стержень, один конец которого нагревается. Частицы на горячем конце получают энергию и начинают вибрировать более энергично. При столкновении с соседними частицами они также получают кинетическую энергию и начинают вибрировать, вызывая распространение тепла по стержню.

Математическое представление проводимости

Скорость теплопроводности через материал определяется законом Фурье, который можно выразить математически как:

        q = -k * a * (dt/dx)

Где:

  • Q — теплообмен за единицу времени (Ватт).
  • k — теплопроводность материала (Вт/м К).
  • A — площадь поперечного сечения, через которое передается тепло (м²).
  • dT/dx — температурный градиент в материале (К/м).

Отрицательный знак указывает на то, что тепло идет от более высокой температуры к более низкой.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Несколько факторов могут повлиять на скорость проводимости:

  1. Материалы: Различные материалы проводят тепло с разными скоростями. Металлы, такие как медь и алюминий, являются отличными проводниками, потому что они содержат свободные электроны, которые переносят энергию. Неметаллы, такие как дерево и резина, являются плохими проводниками, часто называемыми изоляторами.
  2. Площадь поперечного сечения: Большая площадь позволяет передавать больше тепла. Например, широкая, плоская металлическая лента проводит тепло больше, чем тонкая проволока из того же материала.
  3. Разница температур: Больше разница температур между источником тепла и другим концом материала увеличивает скорость проводимости. Более высокий термический градиент означает, что тепло будет путешествовать быстрее через материал.
  4. Толщина: Более толстые материалы медленнее проводят тепло, потому что теплу нужно преодолеть большее расстояние. Это причина, почему более толстые стены лучше изолируют дома, чем более тонкие стены.

Визуальный пример: теплопроводность в металлическом стержне

Рассмотрим длинный металлический стержень, один конец которого помещен в пламя. Со временем частицы на горячем конце постепенно получают больше энергии и сталкиваются с соседними частицами. Этот перенос энергии продолжается вдоль стержня, делая его горячим на ощупь даже на некотором расстоянии от пламени.

Пламя металлический стержень

Визуализация показывает, как тепло движется от пламени через металл, вызывая вибрацию частиц, которая не видна, но, безусловно, происходит.

Пример теплопроводности в повседневной жизни

Теплопроводность — это обычное явление, с которым мы сталкиваемся каждый день. Вот некоторые примеры:

Кухонные принадлежности

Большинство кухонных принадлежностей, таких как сковороды и кастрюли, сделаны из металлов, потому что они хорошо проводят тепло. Когда их ставят на плиту, кастрюля быстро нагревается и передает тепло содержимому, равномерно готовя пищу.

Металлическая ложка в горячем супе

Если вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с горячим супом, вы заметите, что ручка быстро нагревается. Это происходит через проводимость, так как тепло от супа передается в металл, а затем по длине ложки.

Применение теплопроводности

Мы используем принципы проводимости во многих практических приложениях:

Проектирование радиатора

Радиаторы используются в электронных устройствах для рассеивания тепла от компонентов, которые перегреваются, таких как процессор. Они изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий или медь, которые эффективно передают тепло от электроники в окружающую среду.

Теплоизоляция

Изоляторы — это материалы, которые плохо проводят тепло и используются для предотвращения нежелательной передачи тепла. Например, изоляция из стекловолокна в стенах дома уменьшает теплопотери зимой и поддерживает прохладу внутри дома летом.

Эксперименты для понимания теплопроводности

Вот простой эксперимент, чтобы наблюдать проводимость:

Что вам нужно:

  • Металлический стержень или ложка
  • Чашка горячей воды
  • Чашка холодной воды

Что делать:

  1. Поместите один конец металлического стержня в горячую воду, а другой конец — в холодную воду.
  2. Подождите несколько минут и потрогайте конец стержня в холодной воде.

Что вы видите:

Конец в холодной воде начнет нагреваться, показывая, что тепло прошло через стержень с помощью проводимости.

Заключение

Теплопроводность — это важный концепт в физике и является основным способом, посредством которого тепловая энергия передается в твердых телах. Понимая проводимость, человек получает лучшее представление о том, как использовать ее принципы в различных инженерных применениях, улучшая все от приготовления пищи до решений по охлаждению электроники. Признание факторов, влияющих на проводимость, таких как свойства материалов, температурные градиенты и площадь поперечного сечения, позволяет создавать более эффективные конструкции как в повседневных предметах, так и в передовых технологиях.


Девятый класс → 3.2.1


U
username
0%
завершено в Девятый класс

← Предыдущий (3.2)
Heat transfer
Следующий (3.2.2) →
Конвекция тепла

Комментарии 



Проводимость тепла

https://www.physicsflow.com/g9/3.2.1?pfal=ru