Geleiding is het vermogen van een lichaam of materiaal om warmte door te geven. Daarbij beweegt het door een vast object of van het ene object naar het andere, omdat ze allebei in contact met elkaar staan. Dit is de enige manier waarop warmte door het hele lichaam kan gaan. De vraag rijst: "Hoe geleiden lucht en andere materialen warmte?" Ontdek het in het artikel!
Thermische geleidbaarheid
Het vermogen om warmte binnen een object over te dragen, wordt thermische geleidbaarheid genoemd. Deze eigenschap wordt aangegeven met de letter k en wordt gemeten in W / (m × K). Thermische geleidbaarheidswaarden variëren voor verschillende materialen. Dus goud, zilver en koper hebben een hoge thermische geleidbaarheid. Overigens zijn deze materialen ook goede geleiders van elektriciteit. Hoe geleidt lucht warmte? Het antwoord is kort: het is een slechte geleider. De hoge geleidbaarheid van goud, zilver en koper is te wijten aan het feit dat de elektronen die verantwoordelijk zijn voor de overdracht van lading ook deelnemen aan de overdracht van thermische energie.
Maar materialen zoals glas en minerale wol hebben een lage thermische geleidbaarheid. Dit wordt verklaard door het feit dat ze heel weinig "vrije" elektronen hebben voor de overdracht van thermische energie in de vaste stof. Materialen van dit type worden isolatoren genoemd. De snelheid van warmteoverdracht (dat wil zeggen de bewegingssnelheid van thermische energie) hangt rechtstreeks af van de thermische geleidbaarheid, het temperatuurverschil en het contactoppervlak en materiaal dat het lichaam bezit. Om dezelfde reden kan niet worden gezegd dat lucht warmte goed geleidt.
Als het materiaal een goede warmtegeleider is, beweegt het snel door het lichaam. Metalen worden veel gebruikt voor warmteoverdrachtsdoeleinden, omdat ze eigenschappen hebben die ervoor zorgen dat warmte kan circuleren terwijl ze tegelijkertijd bestand zijn tegen de extreme temperaturen die gepaard gaan met verwarming.
Het zijn de elektronen die verantwoordelijk zijn voor de overdracht van thermische energie, evenals voor elektrische lading. Daarom zijn metalen goede geleiders van warmte en elektriciteit! Hier ligt het antwoord op de vraag: "Waarom is lucht een slechte warmtegeleider?"
Verwar elektrische geleidbaarheid (die gerelateerd is aan de lading van elektronen) echter niet met thermische geleidbaarheid (die gerelateerd is aan overdracht van elektronenenergie).
We bewijzen door ervaring
Probeer het ene uiteinde van een metalen staaf boven een vlam te houden - na een paar minuten zal het opwarmen.
Houd nu het uiteinde van een houten stok in een vlam en het uiteinde zal zo heet worden dat het uiteindelijk vlam zal vatten. Echter, het einde van de stok waarvoorhou vol, blijf relatief koel.
Warmte verspreidt zich niet door het volume van het lichaam vanwege de samenstelling: de structuur maakt het moeilijk voor elektronen om warmte door het materiaal over te dragen.
Zo leert de dagelijkse ervaring dat hout geen goede warmtegeleider is. Als je ooit een stuk hout onder een microscoop hebt gezien, heb je waarschijnlijk de structuur van hout opgemerkt: het bestaat uit individuele cellen die als isolatoren werken omdat ze niet met elkaar verbonden zijn. Cellen zijn verspreid als stenen in een stroom. Warmte gaat veel langzamer door zo'n materiaal dan in metalen, waar de atomen aan elkaar zijn gebonden in een driedimensionaal "rooster".
Lucht is een slechte warmtegeleider. De ervaring van het dagelijks leven laat zien: onthoud de structuur van ramen. Ze bestaan altijd uit minimaal twee glazen, waartussen zich een luchtkussen bevindt. Deze laag helpt de warmte in de kamer te houden zonder deze naar buiten te laten.
Dus, als thermische energie rechtstreeks wordt toegepast op een deel van een vast object, worden de elektronen in het object geëxciteerd. Dit resulteert in atomaire roostertrillingen die door het object reizen, waardoor de temperatuur stijgt terwijl ze passeren. Hoe dichter de schakels binnen een vaste stof, hoe sneller de warmteoverdracht.
Vloeistoffen zijn slechte warmtegeleiders
Als je een ijsblokje op de bodem van een reageerbuis met water bevestigt (je hebt hiervoor een gewicht nodig, anders drijft het op het oppervlak, duszoals ijs een lagere dichtheid heeft dan water) en verwarm dan het water aan de bovenkant van de buis, je zult zien dat het water aan de bovenkant van de buis kookt en het ijsblokje bevroren blijft.
Dit komt doordat water een slechte warmtegeleider is. De meeste warmte zal in een convectiestroom in het water aan de bovenkant van de buis bewegen, slechts een klein deel ervan zal naar het ijsblokje zinken.
Hoe geleidt lucht warmte?
Lucht is een verzameling gassen. Hoewel het uitstekend geschikt is voor convectie, is de hoeveelheid warmte die het kan overbrengen minimaal omdat de kleine massa materie niet veel warmte kan opslaan - daarom wordt het niet als een goede geleider beschouwd. De isolerende eigenschappen van lucht worden door de mens in het dagelijks leven gebruikt. Ze worden dus gebruikt om koelers in de muren van een gebouw te isoleren. Zelfs het werk van een thermoskan is gebaseerd op het feit dat lucht de warmte niet goed geleidt. Er zijn echt veel voorbeelden!
Dus wat veroorzaakt dit fenomeen? Omdat lucht niet dicht is, is er een bepaalde hoeveelheid massa beschikbaar om thermische energie door geleiding over te dragen. Daarom is het een slechte geleider, maar een uitstekende isolator. Niettemin is het antwoord op de vraag: "Geleidt lucht warmte?" - niet zo eenduidig. Overweeg dus de volgende verschijnselen.
Straling is de overdracht van energie door golven of aangeslagen deeltjes. De lucht creëert een thermische opening waardoor thermische energie deze niet kan overwinnen. Warmte moet worden uitgestraald van het oppervlak naarluchtdeeltjes, dan moet het vanuit de lucht naar het tegenoverliggende oppervlak worden uitgestraald. Warmte beweegt heel langzaam tussen de drie materialen en het grootste deel van de overgedragen warmte-energie wordt geabsorbeerd in de lucht.
Convectie is de beweging van warmte door een vloeistof of gas als gevolg van een afname van de dichtheid als gevolg van warmteabsorptie. In dit geval worden de eigenschappen van lucht uiterst nuttig. Het beweegt ook omhoog door warmte over te dragen van een geïsoleerde container of ruimte. Daarom wordt convectie gebruikt om warmte af te voeren en kan het worden gebruikt om het oppervlak te koelen. De verdeling van warmte door convectie in lucht is enigszins inefficiënt, maar wordt voor veel koelingsdoeleinden gebruikt. Ja, lucht is een slechte warmtegeleider.
Isolatievoorbeelden
Isolatie wordt voor veel doeleinden gebruikt. Sommige hiervan omvatten het koelen van dranken en voedsel, het creëren van luchtspleten in muren en het introduceren van luchtbellen in keukengerei. Eigenschappen van hoe lucht warmte geleidt, zijn zelfs van toepassing op isolatieschuim.
Conclusie
Geleidbaarheid is de doorgang van warmte door een vast lichaam. Het verschilt van het fenomeen convectie doordat er tijdens het proces geen beweging van materie plaatsvindt. Nu weten we of lucht warmte goed geleidt, en waarom.
