Przewodzenie ciepła

Przewodzenie ciepła w ciałach stałych

W poprzednich wpisach nieraz mówiliśmy o ostyganiu lub ogrzewaniu się ciała czyli o wędrówce ciepła od jednego do drugiego ciała, nie zastanawiając się jednak nad tym, w jaki to sposób ta wędrówka odbywać się może.

Obecnie, chcąc bliższe sobie wytworzyć wyobrażenie o sposobach tego przechodzenia ciepła od ciała do ciała, zróbmy następujące doświadczenia.

Weźmy dwa druty (żelazny i miedziany) możliwie jednakowej grubości (np. około 2 mm.) i długości (długość 15 – 20 cm.); jeden z nich, żelazny, ujmijmy w rękę lewą, a drugi miedziany, w prawą, zanurzywszy obydwa końcami przeciwległymi jednakowo głęboko w płomieniu świecy lub lampki spirytusowej. W krótkim czasie drut miedziany stanie się tak gorący, że będzie nas parzył i trzeba go będzie z rąk wypuścić, gdy, przeciwnie, żelazny w tym samym czasie stanie się tylko ciepłym i w ręku go jeszcze z łatwością trzymać czas jakiś będziemy mogli.

Zamiast metali użyjmy teraz pręcika szklanego i drewnianego tej samej co tamte długości i grubości, powtarzając z niemi doświadczenie poprzednie. Cóż się okaże? Jakież różnice wystąpią w tych dwu przykładach? Pomimo tego, że przy końcu, zanurzonym do płomienna, drzewo będzie się palić, a laseczka szklana żarzyć, my w palcach wyraźnego ogrzania nie wyczujemy.

Czy ciepło jednakowo łatwo przenosi się z płomienia przez metale, drzewo i szkło w kierunku naszej ręki? Oczywista, że nie. Z tych ciał, które użyliśmy do doświadczenia, miedź, jak widzimy, w tym samym czasie przenosi największe ilości ciepła, żelazo znacznie mniejsze, a bez porównania bardziej znikome ilości ciepła przenoszą takie ciała, jak szkło, a szczególniej drzewo. Ponieważ w fizyce takie rozchodzenie się ciepła, o jakim w tej chwili była mowa, nazywamy przewodzeniem, więc powiemy, że w naszym przykładzie miedź jest dobrym przewodnikiem, żelazo gorszym, a najgorszymi szkło i drzewo.

Przewodzenie ciepła uważamy jako przechodzenie jego od jednej cząsteczki ciała do drugiej, od warstwy do warstwy, ale bez widocznego wędrowania i zmiany miejsca samych cząsteczek ciała ogrzewanego. Robiąc podobne doświadczenia z innymi ciałami, przekonano się, iż w naturze stosunkowo najlepszymi przewodnikami ciepła są ciała stałe, potem idą ciecze a ostatnie miejsce zajmują gazy. Pomiędzy ciałami stałymi do najlepszych przewodników należą metale, a z pośród nich pierwsze miejsce zajmuje srebro, potem idzie miedź, złoto, aluminium, żelazo; platyna zaś i rtęć np. są to już gorsze przewodniki wśród ogółu metali.

Do najgorszych przewodników z pośród ciał stałych należą: drzewo, szkło, skóra, tkaniny z włókien zwierzęcych (wełna i jedwab są gorszymi przewodnikami od bawełny), guma itp.

Przewodzenie ciepła w cieczach i gazach

Dla przekonania się o złem przewodzeniu ciepła w wodzie (inne ciecze również nie są dobrymi przewodnikami ciepła) możemy wykonać takie oto dość łatwe, a pouczające doświadczenie.

Bierzemy dosyć dużą i szeroką probówkę, wypełniając ją zimną wodą i paroma kawałeczkami lodu do 3/4 całej jej wysokości.

Lód naturalnie pływa u góry; żeby go sprowadzić na dno, wycinamy z metalowej siatki, z cienkich drucików zrobionej, krążek, większy od otworu probówki, zaginamy jego brzegi w tym celu, żeby go można było wepchnąć do probówki, naciskając nań z lekka szklaną bagietką.

Przesuwając siatkę pałeczką ku dołowi, jednocześnie spychamy na dno probówki kawałki lodu, poprzednio pływające u powierzchni wody. Gdy lód zostanie wycofany na samo dno probówki, a siatka oparta o ścianki to  będzie go w tej pozycji stale utrzymywać, wtedy ująwszy w łapkę probówkę, ogrzewamy górną jej część aż do zagotowania się wody, w niej zawartej.

Woda u góry zacznie po chwili wrzeć, a więc osiągnie temper. 100°C, gdy u dołu lód, przytrzymywany siatką, będzie miał tylko 0°C, bo przecież w wyższej temperaturze, jak wiemy, nie mógłby pozostać w stanie stałym.

Doświadczenie to dowodzi, że woda jest złym przewodnikiem ciepła, bo tylko dzięki tej jej własności woda wrząca i lód topniejący mogły istnieć jednocześnie w tym samym naczyniu, pozostając w niewielkiej od siebie odległości.

Czy jednak w ostatnim doświadczeniu woda, ogrzewana u góry, mogła się poruszać w stronę lodu? Wszakżeż górna jej warstwa wskutek ogrzewania stała się lżejszą, a więc nie mogła opaść na dno naczynia, gdzie spotkałaby się z lodem.

A więc podczas doświadczenia ciecz ogrzana nie zmieniała swego miejsca, ciepło zaś samo tylko wędrowało od warstwy do warstwy drogą przewodzenia.

O ile probówkę wypełnimy rtęcią i trzymając za  dolny koniec rurki, ogrzejemy tylko część górną, to okaże się, że cała rtęć wkrótce rozgrzeje się do tego stopnia, iż parzyć będzie rękę. Dzieje się tak dlatego, że rtęć jest metalem, a więc ciałem względnie dobrze przewodzącym ciepło w porównaniu np. z wodą.

Wszelkie zaś inne ciecze, podobnie jak woda, są złymi przewodnikami ciepła. Jeszcze gorzej od cieczy przewodzą ciepło ciała gazowe: można na przykład trzymać palec w powietrzu bardzo blisko obok płomienia świecy (byle nie nad płomieniem), nie obawiając się sparzenia.