Transferul caldurii prin conductie

Daca tinem o bara de fier de un capat, iar pe celalalt il punem deasupra unei flacari, constatam, in scurt timp, puternica incalzire a acesteia. Transferul de caldura se face printr-un proces numit conductie.

*** EXPERIMENT *** h7y6yx
Materiale necesare:
· Cutie cu suporti pentru tije
· Tije din diferite materiale
· Apa fiarta
· Parafina
· Plasa de sarma
· Tijele, din diferite materiale, se inmoaie in parafina, cu care se vor acoperi, apoi se introduc in suportii cutiei;
· Se toarna apa fiarta in cutie;
· Dupa cateva minute, se constata ca distantele ( pe tije ) pe care s-a topit parafina difera; in acest fel, se poate realiza o evaluare a conductivitatii termice a materialelor solide.

- 2 -

*** CONCLUZIE ***
Conductia nu este identica la toate substantele
Nu toate substantele solide sunt bune conducatoare de caldura. Metalele sunt bune conducatoare de caldura pentru ca ele, la temperaturi obisnuite, contin electroni nelegati in atom, electroni care se pot deplasa relativ usor, transportand energie dintr-un loc in altul.
Este acelasi fenomen observat de Brown in cazul gazelor si al lichidelor. De data aceasta, putem spune ca avem de a face cu un „ gaz de electroni ”.
Acesti electroni, in deplasarea lor, vor ajunge in partile mai reci ale metalului, unde isi vor transfera energia electronilor de aici sau retelei atomice.
Desi explicatia este simplista, ea evidentiaza trasatura comuna a acestor fenomene, reprezentata de agitatia termica.
Lichidele, cu exceptia metalelor in stare topita ( mercur ), sunt slabe conducatoare termice.

Daca este exprimat in jouli, iar in secunde, k se exprima in wati.
In cazul in care consideram un conductor termic paralelipipedic, de grosime L si sectiune S, ale carui doua fete opuse sunt mentinute la temperaturile T2 si T1, cu T2 > T1, se poate arata ca viteza de transfer al caldurii, k, este direct proportionala cu diferenta de temperatura ( T2 -; T1 ) si cu suprafata S a fetelor si invers proportionala cu grosimea L a materialului. Constanta de proportionalitate KT poarta numele de conductivitate termica.

Aceasta constanta este o proprietate de material. Cateva valori ale constantei, pentru diferite tipuri de materiale, sunt date in tabelul urmator:

Metal Conductivitate termica Gaze Conductivitate termica Nemetal Conductivitate termica
CupruAurFierPlumb 39731479,534,7 AerHeliuHidrogenOxigen 0,02340,1380,1720,0238 AzbestSticlaApaLemn 0,250,840,60,1

- 3 -

*** EXPERIMENT ***
Materiale necesare:
· Eprubeta
· Cub de gheata
· Apa
· Bec Bunsen
· Plasa de sarma

Intr-o eprubeta cu apa se introduce o bucata de gheata, legata intr-o plasa de sarma, pentru a preveni plutirea acesteia. Se incalzeste la flacara unui arzator parte superioara a eprubetei, pana la fierberea apei. Se constata ca, desi la suprafata apa fierbe, cubul de gheata nu se topeste.
Gazele sunt cu mult mai slab conducatoare termice decat lichidele.

Transferul caldurii prin convectie

In cazul expermentului cu cubul de gheata s-a evitat plutirea in voie la suprafata a acestuia, prin incalzirea partii inferioare a eprubetei, pentru a inlatura posibilitatea aparitiei altei situatii de transfer al caldurii, si anume convectia.
Convectia este transferul de caldura provocat de deplasarea unei portiuni calde a substantei in interiorul acesteia, avand ca efect formarea unor curenti.

*** EXPERIMENT ***
Evidentierea curentilor de convectie:
Materiale necesare:
· Balon de sticla
· Apa
· Permanganat de potasiu ( cristale )
· Bec Bunsen

In balonul de sticla, in care se gaseste apa, se presara permanganat de potasiu. Acesta se va aseza pe fundul vasului. Se incalzeste apa cu un bec Bunsen. Se observa cum cristalele de permanganat de potasiu ramase nedizolvate vor fi purtate de curentii de convectie.

Curentii calzi sunt ascendenti iar cei reci sunt descendenti. Acest fenomen se bazeaza pe proprietatea de dilatare a fluidelor in functie de temperatura. Acest lucru va determina o scadere a densitatii lichidului incalzit, urmata de ridicarea lui spre suprafata ( este ceea ce se intampla fluidului intr-un recipient pus la incalzit ).
Atat conductia cat si convectia sunt modalitati de transfer al caldurii necesita existenta unui suport material solid, lichid sau gazos. Exista insa si o a treia cale de transmitere a caldurii, ce nu face apel la existenta unui astfel de mediu.
- 5 -

Aceasta este radiatia. Radiatia este modalitatea prin care Soarele incalzeste Pamantul.

Transferul caldurii prin radiatie

Cand este o eclipsa de soare, intensitatea lumini si a caldurii scad brusc. Aceasta observatie ne conduce la ideea ca ele se deplaseaza impreuna, cu aceeasi viteza.
Toate corpurile radiaza continuu energie, sub forma de unde electromanetice. Portiunea din spectrul radiatiei electromagnetice asociata transferului de caldura este in domeniul radiatiei infrarosii.
Prin intemediul acestei radiatii, circa 1340 J de energie patrund pe Pamant, in fiecare secunda, de metru patrat de atmosfera. O parte din aceasata radiatie este reflectata de paturile superioare ale atmosferei inapoi in spatiui, in timp ce o alta atinge suprafata Pamantului. Puterea de emisie a radiatiei infrarosi de catre un corp P este proportionala cu puterea a patra a temperaturii corpului pe scara de temperatura absoluta:

Rezultatul expresiei care poarta numele de legea Stefan-Boltzman, se obtine in wati. este o constanta cu valoarea egala cu , S este suprafata obiectului emisiv ( in m2 ) iae este o constanta de emisie a carei valoare poate varia intre zero si unu, in functie de proprietatile suprafetei.
Corpul nu doar emite radiatie, ci si primeste, de la corpurile din jur, rezultand o putere neta Pnet data de expresia:

In cazul in care corpul n-ar primi energie, sub forma de radiatie electromagnetica, de la mediu, el si-ar ceda treptat intreaga energie, racindu-se.
La echilibru, ratele de emisie si absortie sunt egale, astfel incat temperatura corpului va ramane constanta.
Detectia radiatiei infrarosii se poate face prin conversia radiatiei termice in energie electrica. Acesta este principiul de functionare al unui termocuplu.

- 7 -

*** EXPERIMENT ***
Absortia radiatiei termice
Materiale necesare:
· Doua foi de cupru identice, colorate una in alb si alta in negru, asezate pe suporturi de lucru
· Doua bobite de ceara
· Doua cuie
· Radiator electric
Se aseaza radiatorul electric intre cele doua foi de cupru, fixate in suporturile de lucru, la egala distanta de ele. Pe foile de cupru se fixeaza bobitele de ceara, in care s-a introdus cate un cui. Curand dupa ce incalzitorul este pus in functiune, ceara de pe placa B se topeste si cuiul cade.

*** CONCLUZIE ***
Corpurile de culoare inchisa absorb mai bine caldura decat cele de culoare deschisa.

Ca regula generala, se poate spune despre corpurile bune conducatoare de caldura ca sunt si bune absorbante ale acesteia.
Un corp absorbant ideal poate fi definit ca acel corp care absoarbe toata energia incidenta pe el. Factorul lui de emisie este egal cu 1. Un astfel de corp poarta numele de corp negru. Un corp al carui factor de emisie este egal cu zero nu absoarbe energie si, deci, este un corp cu proprietati reflectante ideal.

*** EXEMPLU ***
Considerand ca un om a carui temperatura corporala este de 370C se afla intr-o camera cu temperatura de 250C, sa se determine caldura pierduta de om intr-un minut, daca suprafata totala a pielii este de 2m2 iar factorul de emisie al pielii este 0,87.