Στην ενότητα αυτή θα μάθεις:
- για τους τρόπους με τους οποίους μεταδίδεται η θερμότητα στα υλικά σώματα
- για τον τρόπο με τον οποίο διαδίδεται η θερμότητα στο κενό
Η Θερμότητα μεταδίδεται με Αγωγή
Λεξιλόγιο: θερμότητα, θερμοκρασία, μετάδοση θερμότητας, αγωγή θερμότητας, αγωωγός θερμότητας.
Δύο διαφορετικές έννοιες: θερμότητα και θερμοκρασία
Θερμότητα ονομάζεται η μορφή ενέργειας η οποία ρέει από ένα σώμα σε ένα άλλο, λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας τους. Η θερμότητα ρέει πάντοτε από το σώμα που έχει την υψηλότερη θερμοκρασία προς το σώμα που έχει τη χαμηλότερη. Η ροή θερμότητας παύει όταν αποκατασταθεΐ θερμική ισορροπία, δηλαδή όταν τα σώματα αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία.
Θερμοκρασία είναι η έννοια που μας βοηθά να περιγράφουμε πόσο θερμό ή πόσο ψυχρό είναι ένα σώμα. Η θερμοκρασία είναι το μέτρο της κινητικής ενέργειας των μορίων του σώματος, τα οποία κινούνται συνεχώς και με τυχαίο τρόπο. Η κινητική ενέργεια των μορίων ενός σώματος ονομάζεται θερμική ενέργεια του σώματος.
Τα θερμικά φαινόμενα οφείλονται στις μεταβολές της θερμικής ενέργειας των σωμάτων.
Θερμική ενέργεια διαθέτουν όλα τα σώματα είτε αυτά είναι ζεστά είτε είναι κρύα. Απλά το θερμό σώμα έχει περισσότερη θερμική ενέργεια, η οποία και διαδίδεται με διάφορους τρόπους, όπως η θερμική ακτινοβολία.
Τα μόρια του σώματος που έχουν υψηλότερη θερμοκρασία δονούνται περισσότερο και αναγκάζουν τα διπλανά τους μόρια να κινηθούν πιο γρήγορα και αυτά. Έτσι, η θερμότητα μεταφέρεται σταδιακά σε όλο το σώμα και η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται.
Πότε σταματάει η ροή της θερμότητας από ένα σώμα σε ένα άλλο;
Θερμική Ισορροπία
Η ροή θερμότητας παύει όταν τα δύο σώματα αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Όταν δύο σώματα που βρίσκονται σε επαφή αποκτήσουν ίδια θερμοκρασία, λέμε ότι έχει αποκατασταθεί θερμική ισορροπία.
Καλοί και κακοί αγωγοί της θερμότητας
Τα διάφορα υλικά χαρακτηρίζονται καλοί ή κακοί αγωγοί της θερμότητας, ανάλογα με το πόσο εύκολα και γρήγορα μεταδίδεται η θερμότητα μέσα σε αυτό.
Τα υλικά που είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας έχουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα.
Καλοί αγωγοί της θερμότητας είναι:
- Όλα τα μέταλλα, όπως ο χαλκός, ο σίδηρος, το αλουμίνιο, κ.ά.
Κακοί αγωγοί της θερμότητας είναι:
- Το γυαλί και το ξύλο
- Το πλαστικό και γενικότερα τα συνθετικά υλικά
- Ο φελλός και το φελιζόλ
- Το χαρτί
- Ο ακίνητος αέρας.
Τα υλικά που είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα και ονομάζονται και θερμομονωτικά υλικά.
Καλοί αγωγοί της θερμότητας είναι:
- Όλα τα μέταλλα, όπως ο χαλκός, ο σίδηρος, το αλουμίνιο, κ.ά.
Κακοί αγωγοί της θερμότητας είναι:
- Το γυαλί και το ξύλο
- Το πλαστικό και γενικότερα τα συνθετικά υλικά
- Ο φελλός και το φελιζόλ
- Το χαρτί
- Ο ακίνητος αέρας.
Τα υλικά που είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα και ονομάζονται και θερμομονωτικά υλικά.
...και μερικές εφαρμογές
Αέρας, το καλύτερο θερμομονωτικό υλικό
Ο αέρας, όταν εγκλωβίζεται σε ένα χώρο και δεν μπορεί να κινηθεί, είναι εξαιρετικό θερμομονωτικό υλικό. Στον αέρα η θερμότητα μεταδίδεται με τη μικρότερη ταχύτητα και για αυτό της δώσαμε την τιμή ένα. Οι ταχύτητες μετάδοσης της θερμότητας σε όλα τα άλλα υλικά προκύπτουν σε σύγκριση με τη μετάδοση της στον αέρα.
Εκοικονόμηση ενέργειας
Στην προηγούμενη ενότητα συζητήσαμε για το πόσο σημαντικό είναι να εξοικονομήσουμε από αυτή που χρειαζόμαστε για τη θέρμανση και την ψύξη του σπιτιού μας. Τα θερμομονωτικά υλικά παίζουν πολύ μεγάλο ρόλο σε αυτή την προσπάθεια ακόμα γιατί δυσκολεύουν τη μετάδοση της θερμότητας από το ζεστό δωμάτιο στο κρύο περιβάλλον του χειμώνα. Υλικά όπως το φελιζόλ, ο υαλοβάμβακας, ο πετροβάμβακας και ένα οικοδομικό υλικό που ονομάζεται άλφα μπλοκ περιέχουν εγκλωβισμένο αέρα μέσα σε κοιλότητες στη μάζα τους και έχουν πολύ καλές θερμομονωτικές ιδιότητες αυτά τοποθετούνται ανάμεσα σε 2 σειρές τούβλα, όταν χτίζεται ένας τοίχος ακόμα ώστε να περιορίζονται οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον. Επίσης θερμομονωτικές ιδιότητες έχουν τα διπλά τζάμια, γιατί ανάμεσα στα τζάμια υπάρχει εγκλωβισμένος αέρας.
Γιατί τα ποτήρια έχουν αυτό το σχήμα;
Η γεύση του κρασιού αναδεικνύεται όταν είναι δροσερό. Τα κολονάτα ποτήρια του κρασιού εξασφαλίζουν ότι το χέρι μας δεν έρχεται σε επαφή με το μέρος του ποτηριού που περιέχει το κρασί και έτσι δεν μεταφέρεται θερμότητα από το σώμα μας στο ποτήρι.
Αντίθετα το κοντό ποδαράκι του ποτηριού του κονιάκ επιτρέπει να αγκαλιάζουμε με το χέρι μας το ποτό, ώστε να του μεταφέρουμε θερμότητα από το σώμα μας, μιας και το κονιάκ πίνεται ζεστό.
Εργασίες για το σπίτι
Εργασία 1
Μπορείς να δικαιολογήσεις γιατί πολλές φορές οι λουόμενοι σε μια παραλία, όταν θέλουν να διατηρήσουν δροσερό ένα μπουκάλι νερό, αφού σκάψουν στην άμμο, τοποθετούν το μπουκάλι μέσα και το σκεπάζουν μέχρις ενός σημείου με την άμμο; Ποια μετάδοση θερμότητας εμποδίζουν με αυτή την επιλογή;
Εργασία 2
Η ΔΕΗ χρησιμοποιεί μεταλλικούς σωλήνες για να μεταφέρει πολύ ζεστό νερό στα θερμοηλεκτρικά εργοστάσια. Από μια πτέρυγα του εργοστασίου βγαίνουν τρεις σωλήνες αλλά μόνο ένας μεταφέρει νερό. Αν διαθέτεις ένα κερί, πώς θα μπορούσες να βρεις με ασφάλεια ποιος σωλήνας είναι αυτός που μεταφέρει το ζεστό νερό;
Εργασία 3
Θα μπορούσες να ακολουθήσεις την ίδια διαδικασία εάν οι σωλήνες ήταν πλαστικοί; Αιτιολόγησε την απάντησή σου.
Εργασία 4
Ο Γιάννης και ο Σπύρος, μια χειμωνιάτικη μέρα χωρίς ηλιοφάνεια, έφτιαξαν έναν χιονάνθρωπο. Θέλουν όμως να τον διατηρήσουν όσο περισσότερο γίνεται. Ο Γιάννης προτείνει στον Σπύρο να του φορέσουν ένα μάλλινο πουλόβερ. Ο Σπύρος τότε του απαντά πως έτσι θα έχουν αντίθετο αποτέλεσμα, αφού αυτός όταν φοράει μάλλινο πουλόβερ ζεσταίνεται. Ποια είναι η δική σου άποψη; Αιτιολόγησε την απάντησή σου.
Έξυπνα πειράματα για το σπίτι:
Η Θερμότητα μεταδίδεται με Ρεύματα
Λεξιλόγιο: θερμότητα, θερμοκρασία, μεταφορά θερμότητας, ρεύματα, υγρά, αέρια
- Ο πιο ζεστός αέρας σε ένα δωμάτιο είναι κοντά στην οροφή.
- Τα ανεμόπτερα μπορούν να ανυψωθούν λόγω των «θερμικών ρευμάτων» στην ατμόσφαιρα.
- Οι άνεμοι φυσάνε στην ακτή λόγω του αέρα που ανεβαίνει πάνω από τη γη ή τη θάλασσα.
- Η έξοδος για το ζεστό νερό βρίσκεται στην κορυφή του θερμοσίφωνα.
- Το κουτί πάγου βρίσκεται πάντα στην κορυφή ενός ψυγείου.
- Οι κινητήρες μοτοσικλετών είναι αερόψυκτοι και εφοδιασμένοι με πτερύγια.
- Το στοιχείο θέρμανσης σε ένα βραστήρα βρίσκεται κοντά στο κάτω μέρος του βραστήρα.
- Ορισμένοι κύλινδροι ζεστού νερού έχουν δύο αντιστάσεις (θερμαντήρες εμβάπτισης), έναν μικρό κοντά στην κορυφή της δεξαμενής και έναν μεγάλο πιο κοντά στον πυθμένα.
Αυτά τα γεγονότα είναι παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας με ρεύματα. Σε αντίθεση με την Μεταφορά Θερμότητας με Αγωγή, στη μεταφορά είναι το ίδιο το υλικό που κινείται, επομένως δεν μπορείτε να έχουμε μεταφορά σε ένα στερεό.
Μετάδοση θερμότητας με ρεύματα
Μετάδοση της θερμότητας με ρεύματα ονομάζεται η μετακίνηση της θερμότητας από ένα μέρος σε ένα άλλο μέσω ενός υλικού.
Με ρεύματα μεταδίδεται η θερμότητα στα υγρά και τα αέρια σώματα, δηλαδή στα ρευστά.
Ένα θερμό υγρό ή αέριο σώμα κινείται προς τα πάνω, δηλαδή ανοδικά και μεταφέρει θερμότητα.
Κατά τη μετάδοση της θερμότητας με ρεύματα, μετακινείται ύλη.
Τα υγρά και τα αέρια σώματα χαρακτηρίζονται ρευστά, γιατί έχουν την ικανότητα να ρέουν.
Πώς εξηγείται η ανοδική κίνηση των θερμών αερίων ή υγρών σωμάτων;
Όταν ένα υγρό ή αέριο σώμα θερμαίνεται, διαστέλλεται, δηλαδή ο όγκος του αυξάνεται. Επειδή η μάζα του μένει ίδια και ο όγκος του έχει αυξηθεί, η πυκνότητά του ελαττώνεται και ανεβαίνει προς τα πάνω μεταφέροντας θερμότητα. Καθώς το θερμό ρευστό ανεβαίνει, χάνει θερμότητα και η πυκνότητά του αυξάνεται, με αποτέλεσμα να αρχίσει να κατεβαίνει προς την πηγή θερμότητας, όπου θερμαίνεται και πάλι και επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία.
Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι:
Στα ρευστά η θερμότητα μεταφέρεται με κυκλικά ανοδικά ρεύματα.
Η κεντρική θέρμανση των κτιρίων
Η λειτουργία των συστημάτων κεντρικής θέρμανσης στηρίζεται στη μεταφορά θερμότητας με ρεύματα. Στο λεβητοστάσιο υπάρχει ο καυστήρας (1) μέσα στον οποίο καίγεται το καύσιμο, συνήθως πετρέλαιο θέρμανσης ή φυσι
κό αέριο. Η χημική ενέργεια του καυσίμου μετατρέπεται σε θερμότητα που ζεσταίνει το νερό το οποίο υπάρχει στο λέβητα. Το ζεστό νερό ανεβαίνει μέσω των σωληνώσεων (2) σ
τα θερμαντικά σώματα (3,4). Κατά την άνοδό του αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον και ψύχεται, οπότε αρχίζει να κατεβαίνει προς το λέβητα, όπου θερμαίνεται και πάλι και ακολουθεί την ίδια κυκλική διαδικασία. Τα θερμαντικά σώματα μεταφέρουν θερμότητα στον κοντινό τους αέρα ακόμα ο οποίος ανεβαίνει προς τα πάνω μεταφέροντας θερμότητα σε όλο το χώρο.
- Για να είναι πιο γρήγορη η κυκλοφορία του νερού στο δίκτυο των σωληνώσεων, χρησιμοποιείται μια ειδική αντλία που ονομάζεται κυκλοφορητής.
- Οι σωληνώσεις καλύπτονται από θερμομονωτικά υλικά, ώστε να μην υπάρχουν απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον, σε χώρους που δεν χρειάζονται θέρμανση.
- Η τακτική εξαέρωση των σωλήνων και των θερμαντικών σωμάτων είναι απαραίτητη ακόμα γιατί ο αέρας που εγκλωβίζεται εμποδίζει τη ροή του νερού και επομένως και τη μεταφορά θερμότητας.
Άνεμοι και πρόβλεψη καιρού
Οι άνεμοι είναι ρεύματα αέρα τα οποία δημιουργούνται εξαιτίας της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ δύο γειτονικών περιοχών.
Η θαλάσσια αύρα είναι ο αέρας που κινείται από τη θάλασσα προς τη στεριά, γιατί κατά τη διάρκεια της ημέρας ο ήλιος ζεσταίνει περισσότερο τη στεριά από ότι τη θάλασσα. Ως ζεστός αέρας ανεβαίνει προς τα πάνω και τη θέση του παίρνει κρύος αέρας που έρχεται από τη θάλασσα.
Επειδή, όμως, ό,τι ζεσταίνεται γρήγορα κρυώνει και γρήγορα, το βράδυ συμβαίνει ακριβώς η αντίθετη κίνηση, η οποία ονομάζεται απόγεια αύρα.
Το αερόστατο
Το αερόστατο αποτελείται από ένα μπαλόνι από μεταξωτό ή συνθετικό ύφασμα το οποίο είναι ανοικτό στο κάτω μέρος του. Κάτω από το μπαλόνι υπάρχει ένας καυστήρας, ο οποίος θερμαίνει τον αέρα στο μπαλόνι. Στο μπαλόνι είναι συνδεδεμένο ένα καλάθι μεταφοράς. Ο θερμός αέρας κινείται ανοδικά παρασύροντας το αερόστατο προς τα πάνω. Στο αερόστατο μπορούμε να ελέγξουμε το ύψος στο οποίο κινείται, αλλά όχι την πορεία του, γιατί παρασύρεται από τον αέρα.
Η τεχνολογία της ψύξης
Οι σωλήνες ψύξης στα ψυγεία βρίσκονται στο επάνω μέρος του ψυγείου. Γιατί; ο θερμός αέρας κινείται ανοδικά, επομένως αν εκεί δεν υπήρχαν σωλήνες ψύξης, το επάνω μέρος του ψυγείου δεν θα είχε επαρκή ψύξη.
Γιατί τα θερμαντικά σώματα τοποθετούνται κάτω από παράθυρα;
Ο σχετικά δροσερός αέρας κοντά στο πάτωμα θερμαίνεται από το καλοριφέρ. Ο αέρας επεκτείνεται λόγω της θερμικής διαστολής. Η πυκνότητα του θερμού αέρα μειώνεται, δηλαδή γίνεται ελαφρύτερος και ως εκ τούτου ανεβαίνει προς τα πάνω. Ταυτόχρονα, ο βαρύτερος κρύος αέρας που βγαίνει από το παράθυρο βυθίζεται προς τα κάτω. Ο κρύος αέρας που βυθίζεται αναμιγνύεται με τον ανερχόμενο θερμό αέρα. Αυτό εμποδίζει τον ψυχρό αέρα στο παράθυρο να ρέει απευθείας στο δωμάτιο.
Αυτός είναι ο λόγος που τα θερμαντικά σώματα τοποθετούνται κάτω από τα παράθυρα. Ένα ρεύμα μεταφοράς θερμότητας σχηματίζεται σε όλο το δωμάτιο, το οποίο παρέχει μία ομοιόμορφη ζέστη.
Εάν το καλοριφέρ δεν τοποθετούνταν κάτω από το παράθυρο, αλλά στον απέναντι τοίχο για παράδειγμα, ο κρύος αέρας στο παράθυρο θα βυθιζόταν αμέσως στο πάτωμα. Λόγω του ρεύματος του θερμού αέρα από το θερμαντικό σώμα, ο κρύος αέρας θα έρεε στο δωμάτιο από το πάτωμα. Αυτό θα οδηγούσε σε μία ψυχρή ατμόσφαιρα στο δωμάτιο..
Εισαγωγή στα αέρια σώματα
Πειράματα
Έξυπνα πειράματα για το σπίτι:
Εργασίες για το σπίτι:
Εργασία 1
Η Ξανθή κάνει το εξής πείραμα: φουσκώνει ένα μπαλόνι και το τοποθετεί πάνω από ένα ζεστό σώμα καλοριφέρ. Τότε διαπιστώνει ότι το μπαλόνι δεν πέφτει, αλλά οριακά ισορροπεί. Μπορείς να αιτιολογήσεις γιατί συμβαίνει αυτό;
Εργασία 2
Στο διπλανό σχήμα παρουσιάζεται ένα αναμμένο τζάκι. Σχεδίασε πάνω σε αυτό τα ρεύματα του αέρα που θεωρείς ότι υπάρχουν.
Καθώς ο αέρας ρέει, σε ποιες περιοχές θα έχει χαμηλή θερμοκρασία και σε ποιες υψηλή;
Εργασία 3
Ο Γιώργος παρατηρεί ότι όταν κρατά ένα κερί, μπορεί να πλησιάσει τα δάχτυλά του αρκετά κοντά στη φλόγα από τις πλαϊνές πλευρές του. Δε συμβαίνει όμως το ίδιο και όταν πλησιάζει τη φλόγα από πάνω της. Μπορείς να αιτιολογήσεις γιατί συμβαίνει αυτό;
Εργασία 4
Το 1512ο Ισπανός εξερευνητής Χουάν Πόνθε ντε Λεόν ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε το ζεστό θαλάσσιο ρεύμα που ξεκινά από τη Φλόριντα της Αμερικής και καταλήγει στη δυτική Ευρώπη, και το οποίο ονομάζεται Ρεύμα του Κόλπου (Gulf Stream). Η μεγάλη διαφορά στη θερμοκρασία του νερού που βρίσκεται μέσα στο ρεύμα σε σχέση με αυτό που είναι εκτός, είναι η αιτία για τη δημιουργία ανέμων που επηρεάζουν τα τοπικά κλίματα. Για παράδειγμα, οι δυτικές περιοχές της Βρετανίας, λόγω των συγκεκριμένων ανέμων, έχουν υψηλότερες θερμοκρασίες σε σχέση με τις αντίστοιχες ανατολικές. Μπορείς να αιτιολογήσεις τη δημιουργία των ανέμων αυτών;
Η Θερμότητα διαδίδεται με Ακτινοβολία
Λεξιλόγιο: διάδοση θερμότητας, ακτινοβολία θερμότητας, απορρόφηση θερμότητας, κενό
Η θερμότητα διαδίδεται στο κενό με ακτινοβολία
Ο ήλιος ακτινοβολεί συνεχώς τεράστιες noσότητες ενέργειας στο διάστημα. Ένα πολύ μικρό μέρος της ενέργειας αυτής φτάνει στη γη, τη φωτίζει και τη θερμαίνει. Η θερμότητα που ακτινοβολεί ο ήλιος απορροφάται από τα υλικά σώματα, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμικής τους ενέργειας και επομένως και της θερμοκρασίας τους. Η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία γίνεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται τόσο στο κενό όσο και στα υλικά σώματα ευθύγραμμα.
- Ένα πολύ μικρό μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι το ορατό φως.
- Τα υλικά σώματα απορροφούν, ανακλούν και διαχέουν την ακτινοβολία που πέφτει πάνω τους. Ανάλογα με την υφή και το χρώμα της επιφάνειας, σε άλλα παρατηρείται κυρίως ανάκλαση ή διάχυση και σε άλλα απορρόφηση.
Ποια σώματα εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία;
Όλα τα σώματα εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία προς το περιβάλλον τους και απορροφούν ακτινοβολία από τα σώματα που βρίσκονται κοντά τους. Η ποσότητα θερμότητας που απορροφά ή εκπέμπει ένα σώμα εξαρτάται από το είδος της επιφάνειας του. Τα σώματα με σκουρόχρωμες επιφάνειες απορροφούν, στο ίδιο χρονικό διάστημα, περισσότερη θερμότητα απ’ ό,τι σώματα με ανοιχτόχρωμες επιφάνειες.
Η θερμική ακτινοβολία την οποία εκπέμπει ένα σώμα εξαρτάται, επίσης, από τη θερμοκρασία του και το μέγεθος της επιφάνειας του. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια ενός σώματος και η θερμοκρασία του, τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπει.
