Διάδοση της θερμότητας με αγωγή

Κάνουμε το εξής πείραμα: Παίρνουμε μια σιδερένια ράβδο την οποία κρατάμε από το ένα της άκρο και το άλλο της άκρο το βάζουμε πάνω σε μια φλόγα. Παρατηρούμε μια αύξηση της θερμοκρασίας στο σημείο που την κρατάμε. Διαπιστώνουμε ότι θερμότητα μεταφέρεται κατά μήκος της ράβδου, από το σημείο που τη ζεσταίνουμε με τη φλόγα, μέχρι προς το σημείο που τη κρατάμε.

Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Η μεταφορά θερμότητας από ένα σημείο του στερεού, σε ένα άλλο σημείο του ή κάποιου άλλου στερεού με το οποίο βρίσκεται σε θερμική επαφή, ονομάζεται διάδοση θερμότητας με αγωγή. Κατά τη διάδοση θερμότητας με αγωγή, έχουμε μεταφορά ενέργειας λόγω διαφοράς θερμοκρασίας, χωρίς να γίνεται μεταφορά ύλης.

Στερεά και θερμική αγωγιμότητα

Μερικά στερεά διαδίδουν εύκολα τη θερμότητα μέσα τους, ενώ άλλα όχι. Ορίζεται ένα μέγεθος η θερμική αγωγιμότητα του υλικού που περιγράφει το πόσο εύκολα διαδίδεται η θερμότητα μέσα σε αυτό. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού, τόσο ευκολότερα διαδίδεται η θερμότητα μέσα σ’ αυτό το υλικό. Τα διάφορα υλικά διακρίνονται σε καλούς αγωγούς της θερμότητας, που είναι εκείνα που παρουσιάζουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, όπως τα μέταλλα και στους κακούς αγωγούς της θερμότητας (θερμικοί μονωτές), που είναι εκείνα που παρουσιάζουν μικρή θερμική αγωγιμότητα, όπως το ξύλο και το πλαστικό.

Αν ακουμπήσουμε με το ένα χέρι, το μεταλλικό σκελετό του θρανίου και το άλλο χέρι την ξύλινη επιφάνεια, θα νομίζουμε ότι η μεταλλική επιφάνεια είναι πιο κρύα από την ξύλινη, παρότι και οι δυο βρίσκονται στον ίδιο χώρο και λογικά θα έχουν την ίδια θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει γιατί, μεταφέρεται  περισσότερη θερμότητα από το χέρι μας στο μέταλλο, σαν καλός αγωγός της θερμότητας, εν σχέση με την ξύλινη επιφάνεια που είναι κακός αγωγός της θερμότητας και έτσι το χέρι μας ακουμπώντας στο μέταλλο χάνει περισσότερη θερμότητα απ’ ότι ακουμπώντας στο ξύλο, με αποτέλεσμα να κάνει το μέταλλο να μας φαίνεται πιο κρύο.

Ρευστά και θερμική αγωγιμότητα

Αποδεικνύεται πειραματικά, ότι τα υγρά και τα αέρια παρουσιάζουν μικρή θερμική αγωγιμότητα. Έτσι ο αέρας είναι πολύ καλός μονωτής και γι’ αυτό τα πορώδη υλικά, που παγιδεύουν στο εσωτερικό τους αέρα, είναι θερμομονωτικά υλικά. Τέτοια είναι το μαλλί, η γούνα, τα πούπουλα, ο υαλοβάμβακας κ. ά.

Ο πάγος είναι θερμικός μονωτής. Γι’ αυτό το λόγο οι Εσκιμώοι κατασκευάζουν τα σπίτια τους από πάγο. Ο πάγος εμποδίζει την έξοδο της θερμότητας από το εσωτερικό των  σπιτιών τους και έτσι η θερμοκρασία στο εσωτερικό τους αν και είναι λίγο χαμηλότερη από τους μηδέν βαθμούς κελσίου, είναι αρκετά υψηλότερη από την θερμοκρασία των  μείων -30⁰C που επικρατεί έξω στο περιβάλλον.

Διάδοση με αγωγή και μικρόκοσμος

Ένα σώμα που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία, οι δομικοί λίθοι του κινούνται έντονα με αποτέλεσμα να έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια. Όταν μια περιοχή ενός σώματος έχει υψηλότερη θερμοκρασία από την διπλανή της, τότε οι δομικοί λίθοι της περιοχής με την υψηλότερη θερμοκρασία έχοντας μεγαλύτερη κινητική ενέργεια συγκρούονται με τους γειτονικούς δομικούς λίθους που έχουν χαμηλότερη κινητική ενέργεια και τους μεταβιβάζουν μέρος της κινητικής ενέργειας. Έτσι μ’ αυτό τον τρόπο αυξάνεται η θερμική ενέργεια των περιοχών με χαμηλότερη θερμοκρασία και η διαδικασία επεκτείνεται έτσι όλο το σώμα να αποκτήσει την ίδια θερμοκρασία.

Στα περισσότερα υλικά, οι δομικοί λίθοι είναι τα μόρια, των οποίων οι θερμικές συγκρούσεις μεταξύ τους είναι χαλαρές και έτσι η μεταφορά θερμότητας με αυτό τον τρόπο γίνεται με αργούς ρυθμούς.

Στα μέταλλα, ο μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας είναι λίγο διαφορετικός. Στα μέταλλα, κάποια ηλεκτρόνια έχουν αποσπαστεί από τα άτομα του μετάλλου και κινούνται μεταξύ των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια αυτά λέγονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μικρότερο μέγεθος από τα μόρια και άτομα και επειδή έχουν μικρή μάζα, μπορούν να κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες και είναι πολύ ευκίνητα.

Σαν αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια κάνουν πολλές συγκρούσεις μεταξύ τους, όσο με τα άτομα μεταφέροντας γρηγορότερα κινητική ενέργεια και έτσι μεταφέρεται η θερμότητα πολύ εύκολα. Αυτή η μεγάλη θερμική αγωγιμότητα που παρουσιάζουν τα μέταλλα, με άλλα λόγια οφείλεται στην ευκινησία των ελεύθερων ηλεκτρονίων και στις συγκρούσεις τους, τόσο μεταξύ τους όσο και με τα άτομα, με ταυτόχρονη ανταλλαγή ενέργειας.

Αποδεικνύεται πειραματικά, ότι τα σώματα που έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι θερμικοί αγωγοί, ενώ τα σώματα που δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι θερμικοί μονωτές.

Διάδοση της θερμότητας στα ρευστά

Η διάδοση της θερμότητας στα υγρά και στα αέρια, τα οποία θεωρούνται θερμικοί μονωτές, γίνεται με μετακίνηση μορίων μεγάλης κινητικής ενέργειας από τη μια περιοχή στην άλλη. Δηλαδή γίνεται με δημιουργία ρευμάτων, τη μεταφορά ύλης από τη μια περιοχή στην άλλη.

Όταν  ζεστάνουμε νερό, σε μια κατσαρόλα πάνω σε μια εστία, τότε αρχίζουν να ζεσταίνονται τα κατώτερα στρώματα νερού τα οποία βρίσκονται σε επαφή με τον πυθμένα. Το νερό στη περιοχή αυτή ανεβάζει τη θερμοκρασία του, με αποτέλεσμα η πυκνότητα του να μειώνεται. Έτσι λόγω της άνωσης, το νερό αυτό ανέρχεται προς την επιφάνεια και στη θέση του παίρνει ψυχρότερο νερό. Το ψυχρότερο νερό θερμαίνεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία του και αυτό με τη σειρά του ανέρχεται και αντικαθίσταται με νερό χαμηλότερης θερμοκρασίας. Έτσι δημιουργείται ένα ρεύμα μέσα στο δοχείο, την άνοδο του νερού υψηλότερης θερμοκρασίας και την κάθοδο νερού χαμηλότερης θερμοκρασίας. Μ’ αυτό τον τρόπο η θερμότητα μεταφέρεται σε όλη τη μάζα του νερού.

Με τον ίδιο μηχανισμό γίνεται και η διάδοση της θερμότητας στον αέρα. Σε ένα αναμμένο κερί μπορούμε να πλησιάσουμε το δάκτυλο μας περισσότερο από το πλάι, παρά πάνω από την φλόγα. Ο θερμός αέρας της φλόγας έχει μικρότερη πυκνότητα λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας με αποτέλεσμα να ανέρχεται. Το δάκτυλο που είναι πάνω από τη φλόγα έρχεται σε επαφή με τον πολύ θερμό ανερχόμενο αέρα και γι’ αυτό το λόγο η αίσθηση του καψίματος είναι τόσο έντονη.

Επίσης η θέρμανση του δωματίου από τα σώματα του καλοριφέρ, γίνεται με ρεύματα αέρα.  Ο θερμότερος αέρας που δημιουργεί το σώμα του καλοριφέρ, σαν ελαφρότερος ανέρχεται, ενώ  ο ψυχρότερος αέρας παίρνει τη θέση του θερμότερου και έτσι δημιουργείται ένα ρεύμα αέρα, με αποτέλεσμα να διαδίδεται η θερμότητα που παράγει το σώμα του καλοριφέρ σε όλο το δωμάτιο και γενικότερα σε όλο το σπίτι μας.

Η διάδοση της θερμότητας με ρεύματα, είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο στη φύση με τη δημιουργία ανέμων και θαλάσσιων ρευμάτων. Ο αέρας που θερμαίνεται από τον ήλιο σε μια περιοχή της γης ανέρχεται στα υψηλότερα στρώματα λόγω της μικρότερης πυκνότητας, σαν ελαφρύτερος που γίνεται και ο ψυχρότερος αέρας, σαν βαρύτερος, κατέρχεται και παίρνει τη θέση του θερμότερου, έτσι μ’ αυτό τον τρόπο δημιουργείται ρεύμα αέρα δηλαδή οι άνεμοι. Στους ωκεανούς δημιουργούνται θαλάσσια ρεύματα, όπου τεράστιες υδάτινες μάζες διαφορετικής θερμοκρασίας κινούνται από τις θερμές τροπικές ζώνες και καταλήγουν σε πολύ ψυχρότερες ζώνες.

Διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία

Ενέργεια ακτινοβολίας

Στα προηγούμενα εδάφια, είδαμε δυο τρόπους που γίνεται η διάδοση της θερμότητας και συγκεκριμένα τη διάδοση της θερμότητας με αγωγή, που παρατηρείται στα στερεά και τη διάδοση της θερμότητας με ρεύματα που παρατηρείται στα ρευστά.

Υπάρχει και τρίτος τρόπος, τη διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία, που μπορεί να πραγματοποιείται ακόμα και όταν δεν μεσολαβεί ύλη μεταξύ των σωμάτων. Με διάδοση θερμότητας με ακτινοβολία, διαδίδεται η θερμότητα από τον Ήλιο στη Γη, μέσω του κενού διαστήματος.

Ο τρόπος διάδοσης της θερμότητας με ακτινοβολία, μπορεί κάποιες φορές να είναι ορατός, ενώ κάποιες άλλες φορές να είναι αόρατος.

Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Κάθε μορφή ενέργειας που διαδίδεται με ακτινοβολία, ονομάζεται ενέργεια ακτινοβολίας. Η ενέργεια ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα σώματα, συμπεριλαμβάνει τη μεταφορά φωτεινής ενέργειας ή της θερμότητας ή και τα δυο ταυτόχρονα.

Εκπομπή και απορρόφηση ακτινοβολίας

Όλα τα σώματα εκπέμπουν διαρκώς προς το περιβάλλον τους θερμότητα, υπό τη μορφή ακτινοβολίας. Ταυτόχρονα απορροφούν διαρκώς θερμότητα υπό τη μορφή ακτινοβολίας, από το περιβάλλον τους.

Αν ένα σώμα έχει θερμοκρασία ίση με την θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τότε η εκπεμπόμενη ακτινοβολία σε μορφή θερμότητας είναι ίση με την θερμική ενέργεια που απορροφά με ακτινοβολία. Έτσι η θερμική του ενέργεια και άρα η θερμοκρασία του διατηρείται σταθερή.

Αν ένα σώμα έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη από αυτή του περιβάλλοντος του, τότε αυτό εκπέμπει περισσότερη ενέργεια από αυτή που απορροφά και έτσι μειώνεται η θερμική του ενέργεια άρα και η θερμοκρασία του.

Στα σώματα που έχουν σταθερή θερμοκρασία, που είναι μεγαλύτερη από την θερμοκρασία περιβάλλοντος, χρειάζεται να μετατραπεί κάποιας άλλης μορφής ενέργειας σε θερμική, ώστε να αναπληρώνεται η ενέργεια που χάνεται. Στον λαμπτήρα που έχει σταθερή θερμοκρασία, μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, έχουμε τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική, που εκπέμπεται στο περιβάλλον με μορφή ακτινοβολίας. Στον Ήλιο η πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική και μ’ αυτό τον τρόπο αναπληρώνονται τα τεράστια ποσά ενέργειας που εκπέμπονται από τον Ήλιο υπό μορφή ακτινοβολίας και έτσι διατηρείται η ζωή στη Γη.

Είδος και ισχύς εκπεμπόμενης /  αναρροφούμενης ακτινοβολίας.

Όλα τα σώματα ανεξάρτητα από την θερμοκρασία τους, εκπέμπουν και απορροφούν ακτινοβολία. Σε θερμοκρασίες γήινου περιβάλλοντος τα σώματα εκπέμπουν ενέργεια ακτινοβολίας, που είναι κυρίως θερμότητα. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 500⁰C περίπου, τα σώματα εκτός από τη θερμότητα εκπέμπουν και φωτεινή ενέργεια. Το ποσό της ακτινοβολίας που ένα σώμα εκπέμπει σε ένα δευτερόλεπτο, λέγεται ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας.

Η ισχύς της ακτινοβολούμενης ενέργειας εξαρτάται:
1] Τη θερμοκρασία του σώματος. Όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία έχει ένα σώμα, τόσο περισσότερη ενέργεια ανά δευτερόλεπτο ακτινοβολεί.
2] Το εμβαδόν της επιφάνειας του σώματος. Όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν της επιφάνειας του σώματος τόσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας
3] Τη υφή της επιφάνειας του σώματος. Οι τραχύς επιφάνειες εκπέμπουν με μεγαλύτερη ισχύ από τις λείες επιφάνειες ίδιας θερμοκρασίας και εμβαδού.
4] Το χρώμα της επιφάνειας. Οι σκουρόχρωμες επιφάνειες εκπέμπουν με μεγαλύτερη ισχύ ακτινοβολίας από τις ανοιχτόχρωμες.

Από τους ίδιους παράγοντες και ακριβώς με τον ίδιο τρόπο, εξαρτάται η ισχύς της ενέργειας που απορροφάται από ένα σώμα. Καταλαβαίνουμε έτσι, ότι τα σκουρόχρωμα ρούχα μας κρατάνε περισσότερο ζεστούς το χειμώνα, από τα ανοιχτόχρωμα, για το λόγο ότι απορροφούν μεγαλύτερη ισχύ ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ το καλοκαίρι τα ανοιχτόχρωμα ρούχα είναι πιο δροσερά από τα σκουρόχρωμα.

Ακτινοβολία και μικρόκοσμος

Σύμφωνα με τη σύγχρονη φυσική, η ενέργεια ακτινοβολίας μεταφέρεται από κάποια ιδιόμορφα σωματίδια που λέγονται φωτόνια. Έτσι ένα σώμα που εκπέμπει ακτινοβολία, εκπέμπει φωτόνια, ενώ όταν απορροφά ακτινοβολία απορροφά φωτόνια. Η ενέργεια του κάθε φωτονίου μιας ακτινοβολίας καθορίζει το είδος της. Το κάθε φωτόνιο της φωτεινής ενέργειας έχει μεγαλύτερη ενέργεια από κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας που μεταφέρει θερμότητα.

Ανάλογα με την ενέργεια που μεταφέρει κάθε φωτόνιο, προκαλεί και διαφορετικά αποτελέσματα τα οποία κατατάσσουν τα φωτόνια σε διαφορετικές κατηγορίες. Υπάρχουν φωτόνια που ερεθίζουν τα κύτταρα του ματιού μας και μας προκαλούν την αίσθηση της όρασης και ανήκουν στην κατηγορία των φωτεινών ακτινοβολιών. Τα υπόλοιπα είναι αόρατα. Υπάρχουν φωτόνια που , όταν απορροφούνται από ένα σώμα, αυξάνεται η θερμική ενέργεια του. Αυτά τα φωτόνια μεταφέρουν κυρίως τη θερμότητα και ανήκουν στην υπέρυθρη ακτινοβολία.