Što je toplinska kondukcija i kako ju demonstrirati

Što je toplinska kondukcija?

Toplinska kondukcija ili prijelaz topline vođenjem je, najjednostavnije rečeno, prijenos topline između dva objekta u kontaktu. Kad imamo dva objekta koji dođu u kontakt, a različite su temperature, možemo opaziti toplinsku kondukciju.

Zamislite da ste upravo stigli kući nakon duge šetnje po hladnom zimskom zraku. Uzmete u ruku toplu šalicu čaja i samo je držite u svojim smrznutim prstima. Možete osjetiti kako se toplina polako vraća u ruke. To je primjer toplinske kondukcije! U kontaktu s vrućom šalicom, toplina prelazi s toplijeg objekta (šalice) na hladniji objekt (ruke). Toplinska kondukcija je bila na djelu i prilikom sipanja vruće vode u šalicu sobne temperature.

Znanje o toplinskoj kondukciji pomoglo nam je pri izumu brojnih proizvoda koje svakodnevno koristimo. Na primjer, termos boca, termofor ili posuđe koje zadržava toplinu.

Toplinska kondukcija je važan dio našeg života pa bi je trebali malo bolje upoznati.

Malo detaljnije o toplinskoj kondukciji

Vjerojatno već znate da su sve stvari načinjene od atoma - malih, oku nevidljivih čestica. Atom je čestica neutralnog naboja koja se sastoji od pozitivno nabijene jezgre u središtu i negativno nabijenih elektrona koji se kreću oko jezgre.

Temperatura i toplina često se koriste kao sinonimi, no zapravo označavaju različite pojmove. Temperatura objekta je mjera zagrijanosti, a rezultat je kretanja atoma u objektu. Toplina je unutarnja energija tijela, nastala vibracijama atoma.

Toplinska kondukcija nastaje kada povisujemo temperaturu objekta (u kontaktu je s nekim izvorom topline). Možemo primijetiti povišenje temperature, no to je zapravo rezultat povećanja kinetičke energije atoma. Oni se počinju brže kretati, a to naravno povećava šansu njihovih međusobnih sudara.

Atomi u kretanju udaraju susjedne atome i prenose energiju dalje - to je ključ toplinske kondukcije. Ona je jedini način širenja topline u krutim tijelima.

Koliko dobro neki materijal to radi ovisi o tome kako su mu atomi posloženi i povezani. U čvrstoj tvari s urednom, dobro povezanom strukturom gurkanje se lako prenosi dalje. U rahlom ili zapetljanom materijalu poput drva ne prenosi se. No metali imaju još jedan, puno brži trik u rukavu, do kojeg ćemo doći uskoro - i on je pravi razlog zašto metalna žlica pobjeđuje drvenu.

Konvekcija i radijacija - drugi načini prijenosa topline

Jeste li ikada primijetili kako se hrana u loncu pomiče gore, dolje prilikom kuhanja? Vjerojatno jeste, no jeste li se zapitali zašto do toga dolazi? Odgovor je konvekcija ili prijenos topline zrakom. Dim koji se uzdiže iznad vatre još je jedan primjer konvekcije.

Konvekciju možemo definirati kao proces prijenosa topline pomoću kretanja tekućina i plinova. Ovaj proces se ne odvija u krutim tvarima jer su njihove čestice zbijenije. Sjetite se, kod čvrstih tvari imamo kondukciju i vibriranje atoma.

Kada zagrijavamo plinove ili tekućine, čestice bliže izvoru topline počinju se širiti i udaljavati što dovodi do smanjenja gustoće. Kako im gustoća opada, postaju lakše i dižu se gore. To dovodi do toga da hladnije čestice dolaze dolje na njihovo mjesto. One se sad zagrijavaju i cijeli ciklus se ponavlja.

Iz tog razloga, radijatori se postavljaju blizu tla. A to isto tako objašnjava zašto se klima uređaji postavljaju visoko na zidu. U oba slučaja, cilj je osigurati optimalno strujanje zraka poznavajući zakone prijenosa topline. Prirodni procesi poput vjetra, također mogu nastati sličnim procesom konvekcije, zbog razlike u temperaturi mora i tla.

A što je s toplinskom energijom koju primamo od Sunca? Između Zemlje i Sunca nalazi se vakuum, a naučili smo da i kondukcija i konvekcija trebaju čestice kako bi prenijele toplinu. Postoji i treći oblik prijenosa topline - radijacija ili prijelaz topline zračenjem.

Radijacija je proces u kojem se toplina prenosi pomoću elektromagnetskih valova. Zračenje koje proizvodi Sunce ključno je u održavanju života na Zemlji, izvor je svjetla i topline.

Svako zagrijano tijelo, pa i ljudsko zrači toplinu u okolinu. To se naziva infracrveno zračenje. Zato možemo koristiti kamere koje “vide” infracrveno zračenje kako bi odredili položaj živih bića u mraku. Neka bića, npr. šišmiši, detektiraju infracrveno zračenje.

Vodiči i izolatori

Toplinska vodljivost je karakteristika materijala koja nam govori koliko brzo toplina prolazi kroz materijal. Dakle, to je sposobnost materijala da provodi toplinu. To svojstvo materijala, najvažniji je faktor prilikom odabira materijala za razvoj novih tehnologija zagrijavanja ili hlađenja.

Materijali s dobrom toplinskom vodljivosti, nazivaju se vodiči, a tu spada većina metala. Zašto? Sve se svodi na atomsku strukturu elementa ili točnije, njegovu elektronsku konfiguraciju. U metalima vanjski elektroni (zovemo ih valentni elektroni) nisu vezani ni za jedan pojedini atom. Slobodno lutaju cijelim komadom metala, poput mora elektrona koje zapljuskuje atome.

To mijenja sve. Toplina se više ne mora strpljivo prenositi s atoma na susjedni atom. Umjesto toga, slobodni elektroni pokupe energiju na vrućem kraju, projure kroz metal i ostave je na hladnom kraju. To je razlika između dodavanja kante niz red ljudi i jednostavnog trčanja s njom.

Zato su dobri električni vodiči obično i dobri toplinski vodiči: oba posla obavljaju isti ti slobodni elektroni.

Među popularnijim toplinskim vodičima nalaze se Bakar, Aluminij, Srebro i Zlato.

S druge strane, imamo i toplinski otpor. To je mjera kojom se izražava otpor materijala prolasku topline. Materijali s visokim toplinskim otporom se jako teško griju ili hlade. Zovemo ih izolatori. Za razliku od metala, u izolatorima se elektroni ne mogu lako kretati između atoma. Zbog tog oni ne mogu lako prenijeti električnu energiju (ili toplinu) susjednim atomima.

Neki od često korištenih izolatora su staklo, plastika, guma, zrak i drvo. Toplinski izolatori se koriste u izolaciji kuća, izradi odjeće i auta kako bi zadržavali toplinu. Imaju i suprotnu funkciju, pomažu zadržati hladnoću u npr. hladnjacima i zamrzivačima.

Potrebni materijali za demonstraciju kondukcije

• Posuda
• Kipuća voda
• Maslac
• Žlice (ili štapići) od različitih materijala - mi smo koristili drvenu, plastičnu i metalnu

Upute za provođenje eksperimenta

Imamo video na početku članka koji pokazuje kako provesti eksperiment korak po korak. Ako više volite slijediti tekstualne upute, nastavite čitati.

1. Stavite komadić maslaca na vrh svake žlice (drvene, plastične i metalne).
2. Stavite žlice u posudu tako da je dio s maslacem gore.
3. Uspite kipuću vodu u posudu tako da prekrije žlice. Dio s maslacem ostavite izvan vode.
4. Promatrajte! Hoće li se maslac otopiti? Koji će se otopiti prvi? Što mislite zašto? Što na to govori o toplinskoj vodljivosti ili otporu korištenih materijala?

Ideja za eksperiment sa srebrom

Srebro je jedan od najboljih toplinskih vodiča i ako imate srebrni novčić (ili nešto sličnog oblika), možete to isprobati pomoću jednostavnog eksperimenta.

Stavite srebrni novčić na kockicu leda i gledajte što se događa. Novčić bi trebao proći kroz led. To se događa zato što srebro uzima toplinu iz zraka i prenosi ju kockici leda koja se naravno počinje topiti. Kondukcija na djelu!

Božićni dodatak: utrka žličica u toploj čokoladi 🎄

1. Odrasla osoba pripremi toplu čokoladu u širokoj šalici ili maloj zdjelici, tako da u nju stanu tri žličice.
2. Malom količinom maslaca zalijepite po jednu čokoladnu kapljicu pri vrhu metalne, drvene i plastične žličice. Neka količine maslaca budu jednake i na istoj visini drške.
3. Stavite sve tri žličice u toplu čokoladu u istom trenutku, drškom prema gore, i pokrenite štopericu.
4. Čija će kapljica prva skliznuti? Čija će se najduže držati?

Još znanosti: metal je dobar vodič topline, pa toplina brzo putuje uz dršku i topi maslac. Drvo i plastika su izolatori, pa se njihove kapljice drže mnogo duže. Zato su kuhače često drvene, a drške lonaca često od drva ili plastike.

Sigurnost: odrasla osoba ulijeva vrući napitak i pušta ga da se malo ohladi prije nego što djeca priđu. Metalna žličica se zagrije, zato je izvadite držeći je za sam vrh ili je ostavite dok se sve ne ohladi. A onda popijte toplu čokoladu!

Još blagdanskih pokusa čeka vas u našem STEM adventskom kalendaru.

Što ćete naučiti i koje vještine ćete razvijati

• Što je toplinska kondukcija
• Kako funkcioniraju druge metode prijenosa topline - konvekcija i radijacija
• Kako atomska struktura utječe na toplinsku vodljivost
• Što su vodiči, a što izolatori
• Znanost je zabavna! :)

Često postavljana pitanja

Ako vam se svidjela ova aktivnost i htjeli biste probati još eksperimenata iz fizike, preporučujemo da istražite kako zgnječiti limenku sa zrakom. Ili provjerite kako gustoća utječe na plovnost predmeta pomoću naranče. Ako ste više praktično orijentirani i htjeli biste nešto izraditi, a poslije i koristiti, probajte lansirati raketu pomoću sode i octa ili napraviti lava lampu.