1.3. Šilumos laidumas

Šilumos laidumo samprata

Sulietus du nevienodos temperatūros kūnus (pavyzdžiui, į karštą arbatą įdėjus šaltą metalinį šaukštelį), šiluma ima sklisti iš šiltesnio kūno (arbatos) į šaltesnį (šaukštelį). Šiltesnis kūnas dalį savo vidinės energijos perduoda su juo susiliečiančio šaltesnio kūno dalelėms.

Dėl to šiltesnio kūno vidinė energija mažėja ir šis kūnas vėsta, o šaltesnio kūno vidinė energija didėja, taigi jis šyla. Tai trunka tol, kol abiejų kūnų temperatūra susilygina. Šildant vieno kūno kurią nors pusę, šiluma sklinda iš šiltesnės jo dalies į šaltesnę ir pamažu įkaista visas kūnas. 1 bandymas. Aliumininę 5 ct monetą paimkime už vieno krašto, o kitą jos kraštą šildykime spiritine lempute (1.5 pav.). Netrukus įkais visa moneta ir jos išlaikyti nebegalėsime.

Vidinės energijos perdavimas iš šiltesnio kūno į šaltesnį arba iš šiltesnės kūno dalies į šaltesnę tiesiogiai jiems liečiantis vadinamas šilumõs laidumù.

Šilumos sklidimas skirtingomis medžiagomis

Įvairiomis medžiagomis šiluma sklinda nevienodai: vienomis – greičiau, kitomis – lėčiau, dar kitomis beveik visai nesklinda. Pagal tai medžiagos skirstomos į šilumõs lai̇̃dininkus ir izoliãtorius (pranc. isolation – atskyrimas, išskyrimas). Antai aliuminiu, iš kurio padaryta moneta (žr. 1 bandymą), šiluma plito labai greitai, todėl sakome, kad aliuminis yra geras šilumos laidininkas. Iš patirties žinome, kad šilumai labai laidūs yra ir kiti metalai, ypač auksas, sidabras ir varis.

2 bandymas. Prie stovo pritvirtinkime mėgintuvėlį. Įmeskime į jį kelis ledėsius ir prispauskime juos prie dugno veržle ar kitu daiktu. Tada įpilkime į mėgintuvėlį vandens ir kaitinkime paviršinį jo sluoksnį (1.6 pav.). Po kurio laiko vanduo kaitinimo vietoje užvirs, o ledas mėgintuvėlio dugne dar bus neištirpęs. Tai rodo, kad vandeniu šiluma plinta lėtai, taigi jis yra blogas šilumos laidininkas.

3 bandymas. Užkimškime pirštu tuščią mėgintuvėlį ir spiritinės lemputės liepsna pakaitinkime jo dugną (1.7 pav.). Jusime, kad oras mėgintuvėlyje ties pirštu šyla lėtai. Vadinasi, jis taip pat prastai praleidžia šilumą, kitaip tariant, yra geras šilumos izoliatorius. Apskritai dujos, tarp jų ir oras, yra blogesni šilumos laidininkai negu skysčiai. O visų blogiausias – vakuumas (lot. vacuum – tuštuma).

Kas lemia šilumos laidumą?

Kodėl vienos medžiagos yra laidžios šilumai, o kitos – ne? Tai galima paaiškinti remiantis vidine medžiagų sandara. Metalai yra geri šilumos laidininkai, nes juose daug laisvųjų elektronų. Kaitinant metalą, laisvųjų elektronų kinetinė energija didėja, todėl, greitai judėdami metalu, jie sparčiau perduoda energiją metalo atomams (jonams). Labai glaudžiai išsidėstę atomai, gavę šiluminės energijos, ima svyruoti smarkiau ir sąveikaudami perduoda ją gretimiems atomams, šie – kitiems ir taip energija sklinda visu metalu. Skysčiuose ir dujose šiluma perduodama dėl molekulių smūgių ir difuzijos. Difuzijos įtaka šilumos laidumui ryškiausia dujose. Jų molekulės yra toli viena nuo kitos, todėl susiduria rečiau ir lėčiau perduoda energiją viena kitai. Vidinę energiją perduodant šilumos laidumo būdu, medžiaga iš vienos kūno dalies į kitą arba iš vienų kūnų į kitus nepernešama.

Šilumos laidumo reikšmė

Šilumos laidumas labai svarbus žmonėms, gyvūnams ir augalams. Kai kūnai turi greitai įkaisti, jie gaminami iš gerų šilumos laidininkų. Pavyzdžiui, keptuvės, puodai, lygintuvų padas, radiatoriai, virdulių kaitinamasis elementas, paprastai būna metaliniai (1.8 pav.). Kūnams apsaugoti nuo perkaitimo ar atšalimo naudojamos įvairios izoliacinės medžiagos, trukdančios perduoti šilumą laidumo būdu. Antai keptuvių ar puodų rankenos (1.9 pav.) gaminamos iš gerų šilumos izoliatorių (plastiko), nes turi neįkaisti. Kad nesušaltume, velkamės kailinius ir vilnonius drabužius, apsiklojame antklodėmis, mat tarp jų pūkų ar vilnos gerai laikosi oras, kuris yra blogas šilumos laidininkas. Kailis, pūkai ir plunksnos padeda išlaikyti kūno šilumą ir kai kuriems gyvūnams, o purus sniegas žiemą nuo šalčio saugo augalus.

Kad oras butuose neatvėstų, stiklinami balkonai, dedami langai su dvigubais ar trigubais stiklais, taip pat su stiklo paketais, akytomis medžiagomis (polistireniniu putplasčiu, stiklo ar akmens vata) šiltinamos namo sienos, stogas ir net grindys (1.10 pav.). Oras, esantis tarp dvigubų lango stiklų ir akytos medžiagos porose, yra prastas šilumos laidininkas, todėl sulaiko šilumą patalpose ir neleidžia jai skverbtis laukan. Langai su stiklo paketais izoliuoja dar geriau, nes tarp dvigubų ar trigubų jų stiklų yra ne oras, o vakuumas, kuris, kaip minėjome, yra geras izoliatorius.

? Užduotys:

Koks šilumos perdavimo būdas vadinamas šilumos laidumu? Pateikite du tris jį iliustruojančius pavyzdžius. Kokios medžiagos yra geriausi šilumos laidininkai, o kokios – prasčiausi? Kas lemia jų šilumos laidumą? Prieš pilant karštą vandenį į stiklinę, patariama į ją įdėti metalinį šaukštelį. Kodėl? Kodėl, geriant arbatą iš aliumininio puodelio, galima nudegti lūpas, o geriant iš porcelianinio – ne? Kodėl medis atrodo šiltesnis už metalą?

6. Kuo geri šiaudiniai stogai vasarą ir žiemą?

7. Kodėl šaltą žiemos dieną žvirbliai yra papurę?

8. Kodėl 20 °C temperatūros oras žmogui atrodo šiltas, o tokios pat temperatūros vanduo – vėsus?

9. Kodėl šaltosiose jūrose gyvenantys banginiai ir ruoniai po oda turi storą riebalų sluoksnį?

10. Termosas – tai į plastikinį korpusą įtvirtintas indas su dvigubomis sienelėmis, tarp kurių yra vakuumas, t. y. tuštuma (1.11 pav.). Kodėl termose laikomas karštas vanduo ilgai neatvėsta, o ledas netirpsta?