Kodėl stiklas lėtai praleidžia šilumą?
Trumpas atsakymas: Stiklas lėtai praleidžia šilumą, nes jo atomai yra užrakinti netvarkingoje kietoje medžiagoje su nedaugeliu laisvųjų elektronų. Šiluma turi judėti judinant atomus (vibruojant), o šios vibracijos susiduria ir išsisklaido, todėl šiluma per stiklą sklinda lėtai.
Išsamesnis paaiškinimas
Šiluma medžiagose sklinda dviem pagrindiniais būdais: laisvosiomis dalelėmis, tokiomis kaip elektronai, ir vibruojančiais atomais. Metaluose yra daug laisvųjų elektronų, kurie greitai perneša šilumą. Stiklas beveik neturi laisvųjų elektronų, todėl negali naudoti šio greito kelio.
Vietoj to, šiluma sklinda vibracijų pavidalu per sandariai supakuotus atomus stikle. Stiklo atomai išsidėstę netvarkinga, nekristaline struktūra. Dėl tokio netvarkingo išsidėstymo vibracijos šokinėja ir praranda kryptį.
Dėl viso to šokinėjimo ir sklaidos stiklas šilumą praleidžia lėčiau, palyginti su metalais. Štai kodėl metalinis šaukštas karštoje sriuboje įkaista greičiau nei stiklinis šaukštas.
Norintiems suprasti tiksliau
Įvardyti dėsniai / principai: Dėsnio / poveikio pavadinimas: Furjė šilumos laidumo dėsnis ir šilumos laidumo vaidmuo.
Šilumos laidumas yra šilumos perdavimas per medžiagą dėl temperatūros skirtumų. Medžiagose, turinčiose laisvųjų elektronų, pavyzdžiui, metaluose, elektronai perneša didžiąją dalį šilumos. Izoliatoriuose, tokiuose kaip stiklas, yra labai mažai laisvųjų elektronų, todėl šiluma juda daugiausia dėl gardelės virpesių, vadinamų fononais.
Stiklas yra amorfinė kietoji medžiaga: jo atomai nesudaro taisyklingo kristalo. Ši netaisyklinga struktūra išsklaido fononus, sumažindama medžiagos šilumos laidumą ir sulėtindama šilumos srautą . Stiklo šilumos laidumas yra daug mažesnis nei įprastų metalų, o tai paaiškina lėtesnį atšilimą ir atvėsimą, kurį jaučiate liesdami stiklą.
Kaip mes tai žinome: Mokslininkai matuoja šilumos laidumą eksperimentais, kuriuose taikomas temperatūros skirtumas ir registruojamas šilumos srautas. Jie taip pat tiria atominę struktūrą tokiais metodais kaip rentgeno spindulių sklaida ir lygina kristalų bei stiklų elgseną, kad pamatytų, kaip struktūra veikia šilumos perdavimą .
Pavyzdžiai gamtoje
- Karštą dieną langas išlieka vėsus ilgiau nei metalinis turėklas saulėje.
- Stiklinis kepimo indas įkaista ilgiau nei metalinė keptuvė ant viryklės.
- Laikant metalinį šaukštą ir stiklinį šiaudelį karštoje arbatoje, metalinis šaukštas greičiau įkaitina pirštus.
- Dvigubo stiklo langai geriau sulėtina šilumos praradimą nei vieno stiklo langai, nes pats stiklas lėtai praleidžia šilumą.
Namų Darbai
Šilto ir šalto šaukšto testas
Sauga: Būkite atsargūs su karštu vandeniu; paprašykite suaugusiojo pagalbos.
Priemonės
- vienas metalinis šaukštas
- vienas stiklinis šaukštas arba storas stiklinis maišymo pagaliukas
- puodelis karšto vandens
- laikmatis arba laikrodis
Žingsniai
- Įdėkite metalinį ir stiklinį šaukštus į tą patį puodelį su karštu vandeniu taip, kad jų rankenos kyšotų.
- Įjunkite laikmatį ir palaukite 30 sekundžių.
- Atsargiai palieskite abiejų rankenų galus (arba paprašykite suaugusiojo patikrinti) ir atkreipkite dėmesį, kuri rankena karštesnė.
- Išimkite šaukštus ir pakartokite, jei norite palyginti laiką. Ką rodo: Metalinio šaukšto rankena įkaista greičiau, nes metalas praleidžia šilumą daug greičiau nei stiklas.
Žodynas
- Šilumos laidumas: skaičius, rodantis, kaip gerai medžiaga praleidžia šilumą.
- Fononas: vibracinės energijos paketas – kaip fizikoje aprašomi atomai, perduodantys šilumos vibracijas.
- Amorfinis: struktūra be reguliaraus pasikartojančio atomų išdėstymo.
- Furjė dėsnis: taisyklė, teigianti, kad šiluma teka iš karštos į šaltą ir yra proporcinga temperatūrų skirtumui ir medžiagos laidumui.
Atsakymai į klausimus
Ar stiklas yra izoliatorius?
Stiklas yra šilumos izoliatorius, palyginti su metalais, bet ne toks geras kaip putplastis ar vata.
Kodėl langai žiemą vis dar šalti?
Stiklas lėtai praleidžia šilumą, tačiau vis tiek leidžia šiltam patalpų orui atiduoti šilumą šaltesniam lauko orui, todėl langai gali būti šalti.
Ar galime padaryti, kad stiklas greičiau praleistų šilumą?
Pridėjus metalinių dangų arba ploninant stiklą, galima padidinti šilumos perdavimą, tačiau paprastas stiklas išlieka prastas šilumos laidininkas.
Ar storesnis stiklas ilgiau išlaiko šilumą?
Storesnis stiklas šiek tiek sulėtina temperatūros pokytį, nes šiluma turi daugiau medžiagos, pro kurią gali praeiti, tačiau pagrindinė priežastis, kodėl medžiaga lėtai kinta, yra mažas jos laidumas.