Varme er en interessant form for energi. Ikke alene opretholder det liv, gør os godt tilpas og hjælper os med at tilberede vores mad, men forståelsen af dens egenskaber er nøglen til mange områder af videnskabelig forskning. For eksempel, at vide, hvordan varme overføres, og i hvilken grad forskellige materialer kan udveksle termisk energi, styrer alt fra bygningsvarmere og forståelse af sæsonbestemte ændringer til at sende skibe ud i rummet.
Varme kan kun overføres på tre måder: ledning, konvektion og stråling. Af disse er ledning måske den mest almindelige og forekommer regelmæssigt i naturen. Kort sagt er det overførsel af varme gennem fysisk kontakt. Det opstår, når du trykker hånden på en rude, når du stiller en gryde med vand på et aktivt element, og når du sætter et strygejern i ilden.
Denne overførsel sker på molekylært niveau - fra et legeme til et andet - når varmeenergi absorberes af en overflade og får den overflades molekyler til at bevæge sig hurtigere. I processen støder de ind i deres naboer og overfører energien til dem, en proces, der fortsætter, så længe der stadig tilføres varme.
Varmeledning sker gennem ethvert materiale, her repræsenteret af en rektangulær stang. Den hastighed, hvormed det overføres, afhænger til dels af tykkelsen af materialet (rep. ved A). Kredit: Grænseløs
Varmeledningsprocessen afhænger af fire grundlæggende faktorer: temperaturgradienten, tværsnittet af de involverede materialer, deres vejlængde og disse materialers egenskaber.
En temperaturgradient er en fysisk størrelse, der beskriver i hvilken retning og med hvilken hastighed temperaturen ændrer sig et bestemt sted. Temperaturen flyder altid fra den varmeste til den koldeste kilde, på grund af det faktum, at kulde ikke er andet end fravær af varmeenergi. Denne overførsel mellem legemer fortsætter, indtil temperaturforskellen falder, og en tilstand kendt som termisk ligevægt opstår.
Tværsnit og vejlængde er også vigtige faktorer. Jo større størrelsen af det materiale, der er involveret i overførslen, desto mere varme skal der til for at opvarme det. Jo mere overfladeareal, der udsættes for fri luft, jo større er sandsynligheden for varmetab. Så kortere genstande med et mindre tværsnit er det bedste middel til at minimere tabet af varmeenergi.
Sidst, men bestemt ikke mindst, er de fysiske egenskaber af de involverede materialer. Dybest set, når det kommer til at lede varme, er ikke alle stoffer skabt lige. Metaller og sten betragtes som gode ledere, da de hurtigt kan overføre varme, hvorimod materialer som træ, papir, luft og klud er dårlige varmeledere.
Ledning, som demonstreret ved at opvarme en metalstang med en flamme. Kredit: Thomson Higher Education
Disse ledende egenskaber er vurderet ud fra en 'koefficient', som måles i forhold til sølv. I denne henseende har sølv en varmeledningskoefficient på 100, hvorimod andre materialer rangeres lavere. Disse omfatter kobber (92), jern (11), vand (0,12) og træ (0,03). I den modsatte ende af spektret er et perfekt vakuum, som ikke er i stand til at lede varme, og derfor rangeres til nul.
Materialer, der er dårlige varmeledere, kaldes isolatorer. Luft, som har en ledningskoefficient på 0,006, er en exceptionel isolator, fordi den er i stand til at blive indeholdt i et lukket rum. Det er grunden til, at kunstige isolatorer gør brug af luftrum, såsom dobbelte glasvinduer, der bruges til at skære varmeregningen. Grundlæggende fungerer de som buffere mod varmetab.
Fjer, pels og naturlige fibre er alle eksempler på naturlige isolatorer. Det er materialer, der gør det muligt for fugle, pattedyr og mennesker at holde sig varme. Havoddere lever for eksempel i havvand, der ofte er meget kolde, og deres luksuriøst tykke pels holder dem varme. Andre havpattedyr som søløver, hvaler og pingviner er afhængige af tykke fedtlag (aka. spæk) – en meget dårlig leder – for at forhindre varmetab gennem deres hud.
Denne visning af næsedelen af rumfærgen Discovery, bygget af varmebestandige kulstof-kompositter. Kredit: NASA
Den samme logik anvendes til at isolere huse, bygninger og endda rumfartøjer. I disse tilfælde involverer metoder enten indespærrede luftlommer mellem vægge, glasfiber (som fanger luft i det) eller skum med høj densitet. Rumfartøjer er et særligt tilfælde, og bruger isolering i form af skum, forstærket kulstofkompositmateriale og silicafiberfliser. Alle disse er dårlige varmeledere og forhindrer derfor varme i at gå tabt i rummet og forhindrer også de ekstreme temperaturer forårsaget af atmosfærisk genindtrængning i at komme ind i besætningskabinen.
Se denne videodemonstration af varmefliserne på rumfærgen:
Lovene for ledning af varme minder meget om Ohms lov, som regulerer elektrisk ledning. I dette tilfælde er en god leder et materiale, der tillader elektrisk strøm (dvs. elektroner) at passere gennem det uden store problemer. En elektrisk isolator er derimod ethvert materiale, hvis indre elektriske ladninger ikke flyder frit, og derfor gør det meget svært at lede en elektrisk strøm under påvirkning af et elektrisk felt.
I de fleste tilfælde er materialer, der er dårlige varmeledere, også dårlige ledere af elektricitet. For eksempel er kobber god til at lede både varme og elektricitet, og derfor bruges kobbertråde så meget til fremstilling af elektronik. Guld og sølv er endnu bedre, og hvor prisen ikke er et problem, bruges disse materialer også til konstruktion af elektriske kredsløb.
Og når man søger at 'jorde' en ladning (dvs. neutralisere den), sender de den gennem en fysisk forbindelse til Jorden, hvor ladningen går tabt. Dette er almindeligt med elektriske kredsløb, hvor blotlagt metal er en faktor, der sikrer, at personer, der ved et uheld kommer i kontakt, ikke får elektrisk stød.
Isolerende materialer, såsom gummi på skosålerne, bæres for at sikre, at personer, der arbejder med følsomme materialer eller omkring elektriske kilder, er beskyttet mod elektriske ladninger. Andre isoleringsmaterialer som glas, polymerer eller porcelæn bruges almindeligvis på elledninger og højspændingsstrømsendere for at holde strøm til kredsløbene (og intet andet!)
Kort sagt, ledning kommer ned til overførsel af varme eller overførsel af en elektrisk ladning. Begge sker som et resultat af et stofs evne til at tillade molekyler at overføre energi på tværs af dem.
Vi har skrevet mange artikler om overledning til Universe Today. Tjek denne artikel om termodynamikkens første lov , eller denne på statisk elektricitet .
Hvis du vil have mere information om ledningen, så tjek ud BBCs artikel om Heat Transfer , og her er et link til Hyperlærebogen i fysik .
Vi har også optaget en hel episode af Astronomy Cast om magnetisme - Afsnit 42: Magnetism Everywhere .