Bumbacul este un excelent izolator termic - atâta timp cât este uscat. Odată udat, bumbacul devine un izolator slab și face o treabă slabă de prevenire a hipotermiei - de aici vechiul zical, „bumbacul ucide”. Pentru a înțelege de ce bumbacul este uneori un bun izolator și uneori unul slab, trebuie să înțelegem conducerea, care este transferul de energie termică între obiecte prin contact direct. Energia cinetică medie a moleculelor dintr-un corp fierbinte este mai mare decât într-un corp mai rece. Dacă două molecule se ciocnesc, are loc un transfer de energie de la molecula cu energie cinetică mai mare la molecula cu energie cinetică mai mică. Efectul cumulativ al multor coliziuni care apar la o suprafață de contact între cele două obiecte are ca rezultat transferul de căldură de la obiectul fierbinte la obiectul mai rece, (sau mediul mai rece) în acord cu a doua lege a termodinamicii .

ucide

Zona de contact

Numărul de coliziuni moleculare crește odată cu creșterea ariei de contact (), astfel încât rata de conducere a căldurii depinde de aria de contact. Pentru a transfera aceeași cantitate de căldură pe un material mai gros va fi nevoie de mai multe coliziuni și, prin urmare, de mai mult timp, astfel încât rata de transfer a căldurii depinde și de grosime sau de lungimea pe care este transferată căldura (). Acest model explică de ce îmbrăcămintea groasă este mai caldă decât îmbrăcămintea subțire din ierni și de ce persoanele subțiri sunt de obicei mai sensibile la hipotermie.

Diferența de temperatură

Dacă temperaturile obiectului sunt aceleași, rata netă de transfer de căldură scade la zero și se atinge echilibrul termic. Pe măsură ce diferența de temperatură crește, crește și energia cinetică medie transferată de la molecule rapide la molecule lente în timpul fiecărei coliziuni. Prin urmare, diferența de temperatură afectează, de asemenea, rata transferului de căldură prin conducție .

Conductivitate termică

În cele din urmă, unele materiale conduc energia termică mai repede decât altele. În general, buni conductori de electricitate (metale precum cuprul, aluminiu, aur și argint) sunt, de asemenea, buni conductori de căldură, în timp ce izolatorii de electricitate (lemn, plastic și cauciuc) sunt conductori de căldură slabi. Efectul proprietăților unui material asupra ratei de transfer a căldurii conductive este descris de coeficientul de conductivitate termică (), care este uneori scurtat la doar conductivitatea termică. Următorul tabel prezintă valorile pentru unele materiale obișnuite în unități de wați, pe metru, pe Kelvin ().

Conductivitățile termice ale substanțelor comune SubstanţăConductivitate termică ()
Argint 420
Cupru 390
Aur 318
Aluminiu 220
Fier de oțel 80
Oțel (inox) 14
Gheaţă 2.2
Sticlă (medie) 0,84
Caramida din beton 0,84
Apă 0,6
Țesut gras (fără sânge) 0,2
Azbest 0,16
Gips-carton 0,16
Lemn 0,08-0,16
Zăpadă (uscată) 0,10
Plută 0,042
Lână de sticlă 0,042
Lână 0,04
Pene de puf 0,025
Aer 0,023
Spuma de poliester 0,010

Putem rezuma toți factorii care afectează rata de transfer a căldurii conductive, care este o cantitate de energie transferată de fiecare dată, într-o singură diagramă:

Rata transferului de căldură pe un material cu temperatura pe o parte și temperatura pe cealaltă poate fi modelată prin ecuația de conducere:

(1)

Rata transferului de căldură () se referă la o cantitate de energie transferată pe unitate de timp, deci are aceleași unități ca puterea (). Termenul de putere este de obicei aplicat unei rate de transformare a energiei de la o formă la alta, dar căldura este un transfer de energie termică dintr-un loc în altul, nu o schimbare a tipului de energie, astfel rămânem în loc de ca notație pentru această rată. Această notație ne amintește, de asemenea, că, dacă vrem să știm câtă energie a fost transferată într-un anumit timp, trebuie să înmulțim rata de căldură cu timpul.

Exemplu zilnic: izolație în jos

Să comparăm proprietățile izolante ale unui hanorac de bumbac și ale unei jachete de puf, cum ar fi cea purtată în fotografia de mai jos.

Autorul se apropie de vârful muntelui. Washington în Cascadele din Oregon Central, în furtună de zăpadă, dar purtând o jachetă de puf. Februarie 2017.

Vom începe cu ecuația de conducere:

Temperatura exterioară a fost aproximativ, iar temperatura pielii este aproximativ, deci diferența de temperatură a fost de aproximativ. Când este uscat, jacheta din puf este destul de groasă, care. Conductivitatea termică a uscării este aproximativ. Folosind metodele din capitolul 17, estimăm suprafața corpului superior. Introducând aceste valori în ecuație găsim:

Deci rata pierderii de căldură prin partea superioară a corpului în această situație este de 30 W. Asta înseamnă 15 . de energie termică este eliberată în mediu ca căldură prin corpul superior în fiecare secundă. Puterea termică tipică umană este de 100 W deci se pare că există multă energie termică disponibilă pentru menținerea temperaturii. Cu toate acestea, cele 15 W valoarea pe care am găsit-o nu ține cont de pierderile de căldură din partea inferioară a corpului, pe care le putem vedea din imagine nu au fost acoperite cu puf. De fapt, singurul strat subțire purtat pe picioare a permis cu ușurință celelalte 85 W să scape astfel încât temperatura corpului să nu fie ridicată. De fapt, efectuarea muncii suplimentare de urcare pe munte probabil a ridicat puterea termică mai aproape de 300 W deci, de fapt, ceva mai aproape de 285 W era epuizat prin partea inferioară a corpului. Ca rezultat, temperatura corpului a scăzut rapid la oprirea urcării și puterea termică a scăzut la aproximativ 100 W.

Dacă puful s-ar uda, lucrurile s-ar schimba drastic. Coborârea și-ar pierde mansarda și ar sfârși cu aproximativ 0,5 cm grosime. Și mai rău, apa ar umple spațiile de aer dintre fibrele descendente, astfel încât conductivitatea termică ar fi în esență aceeași ca și pentru apă, care este. Introducând aceste valori în ecuația de conducere găsim:

Acum este o problemă. Rata pierderii de căldură umedă este cu aproape 190 de ori mai rapidă decât pentru cea uscată în această situație, așa că, pentru a ține pasul, ar trebui să mâncăm 188 de bomboane la fiecare șase ore sau 31 de bomboane la oră! Corpurile noastre nu ar fi capabile să digere și să transforme energia potențială chimică în energie termică suficient de rapid pentru a se încălzi în acea situație și în cele din urmă ar apărea hipotermie. Mai târziu în această unitate vom putea estima cât timp ar dura până când temperatura corpului va scădea la niveluri periculoase în această situație. Down este în mod clar un izolator slab atunci când este ud, dar chiar și după uscare fibrele nu își recuperează în mod natural podeaua originală. Down este o alegere slabă de izolație în medii umede, deși se descurcă bine în furtuni de zăpadă, atâta timp cât temperatura aerului este suficient de rece, încât zăpada nu se topește când aterizează pe sacou.

Exemple de zi cu zi: Bumbacul ucide

La fel ca în cazul pufului, apa poate pătrunde în spațiile dintre alte țesături, cum ar fi lână, materiale sintetice și bumbac. Majoritatea apei pot fi extrase din lână și materiale sintetice, refăcându-și parțial proprietățile izolante și ajutându-i să se usuce rapid și să recupereze valoarea completă a izolației. Pe de altă parte, apa umple spațiul dintre fibrele de bumbac și, de asemenea, saturează fibrele în sine. Ca rezultat, bumbacul nu se stoarce bine și se usucă încet, astfel încât conductivitatea sa termică rămâne mult mai aproape de cea a apei decât lână sau sintetică. Bumbacul este o alegere slabă de izolație în medii umede.

Exercițiu de întărire: ferestre cu un singur panou

Conținutul semnificativ din acest capitol, inclusiv tabelul conductivităților, a fost adaptat din Colegiul de fizică, de BC Open Textbooks [1]

Starea de a avea o temperatură corporală mult sub intervalul normal.

procesul prin care căldura sau transferată direct printr-o substanță atunci când există o diferență de temperatură între regiunile alăturate, fără mișcarea materialului

energie stocată în mișcarea microscopică a atomilor și moleculelor (energie cinetică microscopică)

energie pe care un corp o posedă în virtutea faptului că este în mișcare, energie stocată de un obiect în mișcare

entropia totală a unui sistem izolat nu poate scădea niciodată în timp, ceea ce înseamnă că obiectele rămase în sine vor evolua întotdeauna spre echilibru termic, ceea ce înseamnă că energia termică se va transfera întotdeauna spontan de la sistemul fierbinte la sistemul rece

O cantitate de energie termică transferată datorită diferenței de temperatură.

a două sisteme sunt în echilibru termic atunci când nu schimbă căldura, ceea ce înseamnă că trebuie să fie la aceeași temperatură

o măsură a capacității unui material de a conduce căldura

unitate standard internațională de putere, egală cu un Joule pe secundă

Unitatea de temperatură SI

cantitatea de energie termică transferată către noi, dintr-un obiect sub formă de căldură, pe unitate de timp

rata la care se lucrează, rata la care energia este convertită de la o formă la alta

materiale concepute pentru a încetini rata transferului de căldură

o măsură a energiei cinetice medii a particulelor (de exemplu, atomi și molecule) dintr-un obiect, care determină cât de relativ fierbinte sau rece se simte un obiect

cantitatea de căldură (energie termică transferată datorită unei diferențe de temperatură) care lasă un obiect pe unitate de timp

rata la care energia potențială chimică este convertită în energie termică de către corp, baterii sau motoare termice. De asemenea, rata la care energia termică este convertită în energie electrică de către o centrală termică.

O cantitate reprezintă efectul aplicării unei forțe unui obiect sau sistem în timp ce se deplasează o oarecare distanță.

energie stocată în legăturile chimice ale unei substanțe