常見金屬中,銅、鋁的導(dǎo)熱性是否比鐵好?如果是,為什么廚房里的鍋大多用鐵而不用銅、鋁呢?欲知其中緣由,先來了解一下物質(zhì)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)熱方式。
一、物質(zhì)的導(dǎo)熱性
所謂導(dǎo)熱,是指物體內(nèi)不同溫度的各部分之間或不同溫度的物體相接觸時(shí)。發(fā)生的熱量傳輸?shù)默F(xiàn)象,導(dǎo)熱性是對物質(zhì)傳熱能力的衡量,不同物質(zhì)是否就有不同的導(dǎo)熱性呢?不妨通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行比較,
實(shí)驗(yàn)一:金屬與非金屬導(dǎo)熱性的比較
取形狀相同的銅棒與玻璃棒,一端用紙條裹住,另一端放在酒精燈上同時(shí)加熱,觀察哪一種材料上的紙先燃燒,思考是什么原因?qū)е逻@種材料上的紙先燃燒?
現(xiàn)象:銅棒上的紙先燃燒。
結(jié)論:金屬比非金屬導(dǎo)熱性能強(qiáng),金屬是熱的良導(dǎo)體,非金屬是熱的不良導(dǎo)體。
那么同樣是金屬的銅棒、鐵棒、鋁棒,它們的導(dǎo)熱性是不是一樣呢?
實(shí)驗(yàn)二:不同金屬的導(dǎo)熱性比較
取形狀相同的銅棒、鐵棒、鋁棒,放在盛有熱水的杯子里,一端浸入熱水中,在另一端的同一高度抹上一小塊冷凍黃油,觀察哪一種金屬上的黃油先熔化。
現(xiàn)象:銅棒上的黃油先熔化,接下來是鋁,最后是鐵。
結(jié)論:銅的導(dǎo)熱性比鋁好,鋁比鐵好。
同樣,還可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對氣體和液體的導(dǎo)熱性進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性一般不同,物質(zhì)的導(dǎo)熱性是物質(zhì)的物理屬性之一。
1、金屬的導(dǎo)熱性
金屬的導(dǎo)熱性是指金屬傳導(dǎo)熱量的性能,各種金屬都是熱的良導(dǎo)體,通常合金的導(dǎo)熱性比純金屬差,對于純金屬的導(dǎo)熱性的好壞,假如來排一個(gè)排行榜,排在第一的是銀,就是說,銀的導(dǎo)熱性最好,其次是銅、鋁、鎢、鎂等,而鐵排在后面,那么為什么廚房里的鍋大多用鐵而不用銅、鋁呢?
從生物角度說,鐵是人體需要的一種微量元素,而人體不易吸收鐵元素,為了讓人可以天天吸收這種元素,模仿鹽里加碘一樣,于是人們就使用了鐵鍋。
一般來說導(dǎo)電性好的材料,其導(dǎo)熱性也好,如果某些零件在使用中需要大量吸熱或散熱時(shí),就要用導(dǎo)熱性好的材料,比如冷凝器中的冷卻水管,常用導(dǎo)熱性好的銅合金制造,以提高冷卻效果,導(dǎo)熱性能好的物體,往往吸熱快,散熱也快。
另外,在焊接、鑄造、鍛造和熱處理等工藝中就必須考慮材料的導(dǎo)熱性,防止材料在加熱或冷卻過程中其內(nèi)外溫差過大,從而對材料造成變形和破壞。
2、非金屬的導(dǎo)熱性
不善于導(dǎo)熱的物質(zhì)叫做熱的不良導(dǎo)體,非金屬中,絕大部分都是熱的不良導(dǎo)體,瓷、紙、木頭、玻璃、皮革都是熱的不良導(dǎo)體,最不善于導(dǎo)熱的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、軟木和其他松軟的物質(zhì),液體中,除了水銀以外,都不善于導(dǎo)熱,氣體比液體更不善于導(dǎo)熱,
寒冷的冬天穿棉衣、羽絨服特別保暖,為什么呢?
棉花、羽絨都是熱的不良導(dǎo)體,棉花及羽絨中間的空隙里有不流動(dòng)的空氣,空氣也是熱的不良導(dǎo)體,冬天,穿上棉衣可以防止身上的熱通過傳導(dǎo)的方式散發(fā)出去,同時(shí)也防止了熱的對流,同樣,夏天為防止冰棒熔化,用棉被把冰棒裹起來,也是為了防止空氣中的熱通過傳導(dǎo)和對流傳給冰棒,避免冰棒的熔化。
另外,在寒冷的冬天,河表面的水都結(jié)冰了,而河底的水卻仍能流動(dòng),為什么呢?
除了與水的密度有關(guān)以外,還因?yàn)樗菬岬牟涣紝?dǎo)體,所以盡管表面的河水受到氣溫的影響結(jié)冰,而底部的水仍能保持零度以上的溫度_
二、物質(zhì)的導(dǎo)熱方式
在導(dǎo)熱過程中,物質(zhì)并未發(fā)生遷移,只是高溫物體放出熱量,溫度降低,內(nèi)能減少f確切地說是物體里的分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減小);低溫物體吸收熱量,溫度升高,內(nèi)能增加,導(dǎo)熱的實(shí)質(zhì)就是內(nèi)能從高溫物體向低溫物體的轉(zhuǎn)移,是能量轉(zhuǎn)移的一種方式,能否導(dǎo)熱的唯一條件是存在溫度差,導(dǎo)熱的結(jié)果是溫差消失,物體間或物體的不同部分達(dá)到相同的溫度。
導(dǎo)熱的方式有兩種:傳導(dǎo)、對流。
傳導(dǎo):指熱量從物體溫度較高的部分沿著物體傳到溫度較低的部分,熱傳導(dǎo)的實(shí)質(zhì)是由于大量分子、原子等相互碰撞,使能量從物體的高溫部分傳至低溫部分,或由高溫物體傳給低溫物體的過程,影響熱傳導(dǎo)的主要因素是:溫差、組成物質(zhì)的材料和導(dǎo)熱物體的厚度及截面積,熱傳導(dǎo)是固體導(dǎo)熱的主要方式,各種物質(zhì)熱傳導(dǎo)的性能不同,金屬較好,玻璃、羽毛、毛皮等則很差。
對流:靠液體或氣體的流動(dòng)來傳熱的方式叫做對流,對流是液體和氣體導(dǎo)熱的主要方式,氣體的對流現(xiàn)象比液體更明顯,利用對流加熱或降溫時(shí),必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件:一是物質(zhì)可以流動(dòng);二是加熱方式必須能促使物質(zhì)流動(dòng),對流可分自然對流和強(qiáng)迫對流兩種:自然對流是由于流體溫度不均勻引起流體內(nèi)部密度或壓強(qiáng)變化而形成的自然流動(dòng),例如:氣壓的變化、風(fēng)的形成、地面空氣受熱上升、上下層空氣產(chǎn)生循環(huán)對流等;而強(qiáng)制對流是因受外力作用或與高溫物體接觸,受迫而流動(dòng)的,例如:由于人工的攪拌,或機(jī)械力的作用(如鼓風(fēng)機(jī)、水泵等),完全受外界因素的促使而形成的對流。
在氣體或液體中,熱傳導(dǎo)過程往往和對流同時(shí)發(fā)生,各種物質(zhì)都能夠傳導(dǎo)熱,但是不同物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)不同。
知道了物質(zhì)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)熱方式后,可以嘗試解釋下列現(xiàn)象。
1、冬天落在田里的雪,能保護(hù)越冬作物不致凍壞,為什么?
這是由于雪和雪下方不流動(dòng)的空氣都是熱的不良導(dǎo)體,它們可以防止熱傳導(dǎo);雪又阻止其下方的空氣和上方的空氣間發(fā)生對流:銀白色的雪又能防止土壤中的熱向外輻射,所以能保護(hù)越冬作物不被凍壞。
2、電動(dòng)機(jī)和暖氣片的熱量,怎樣做才能使散熱效果更好?
電動(dòng)機(jī)是通過周圍的散熱片散熱的,散熱片用容易傳熱的金屬制成,散熱片越多,電動(dòng)機(jī)與周圍空氣接觸面積越大,散熱越快,(有的電動(dòng)機(jī)還裝有同軸風(fēng)扇,可以加快周圍空氣對流,散熱更快。)
暖氣片也是通過金屬制成的散熱片散熱的,散熱片越多,與空氣接觸面積越大,散熱越快。