Soojusjuhtivus

Siin saame teada

  • Mis on soojusjuhtivus, kus see esineb.
  • Erinevate materjalide soojusjuhtivused on erinevad.

Huviäratajad

Alustame soojusülekande erinevate liikidega tutvumist soojusülekandest. Järgnevalt mõned võimalikud huvi tekitamise slaidid/töölehed.

Soojad jäljed?

Piltidel on toodud üks ja seesama koht pildistatuna termokaamera ja tavalise kaameraga. Kuidas jäljed põrandale said?

Hõõguvatel sütel kõndimine

Sütel kõndimises ei ole midagi müstilist või spirituaalset, ent appi tuleb võtta peaaegu kogu selle kursuse materjal. Alustame soojusjuhtivusest.

Kuidas avaldub soojusjuhtivus?

Uurime pildil kujutatud situatsiooni, arutleme. Tutvume soojusjuhtivuse definitsiooniga, vastame küsimustele.

Soojusjuhtivus ja soojusliikumine

Soojusjuhtivus on meile igapäevaelust tuttav loodusnähtus, mistõttu saab sellest rääkimist alustada ka definitsioonist ja teooriast, viidates õpilaste varasemale kogemusele. Soovitame alustada definitsioonist ja simulatsioonidest.

Esimese töölehe simulatsioon peaks selgitama, et soojusjuhtivuse puhul ei liigu aineosakesed või misiganes müstiline voolav soojusvedeld. Liigub energia, st osakestevahelistes põrgetes kandub soojusliikumise energia üle kiirematelt (kõrgema temperatuuriga) osakestelt aeglasematele (madala temperatuuriga) osakestele. 

Soojusliikumine ja soojusülekanne

Uurime arvutisimulatsiooni, kus on võimalik vaadelda aineosakeste soojusliikumist ja temperatuuri muutumist soojuslikus kontaktis olevate kehade vahel. 

Materjalide soojusjuhtivuse võrdlemiseks kasuta ühesuguse kujuga katseobjekte. Teeme ühe sellise katse läbi ka arvutisimulatsiooni abil.

Materjalide soojusjuhtivus arvutisimulatsioonis ja praktikas

Uurime arvutisimulatsioonis, kuidas muutub erinevatest materjalidest valmistatud katsekehade temperatuur, kui neid kehasid ühest otsast soojendada.

Teeme katseid

Uurime soojusjuhtivust reaalsete katsete abil. Kasutame erinevatest materjalidest vardaid ja igapäevakasutuses olevaid esemeid.

Esimeses katses lihtsalt nendime soojusjuhtivuse olemasolu.

Soojusülekanne alumiiniumist vardas

Mõõda katses alumiiniumvardas soojusülekande tõttu põhjustatud temperatuuritõusu. Vasta küsimusele.

Teine katse kirjeldab sellist soojuse ja soojusülekande omadust, millega me kõik arvatavasti kohtunud oleme, ent mida me võib-olla ei ole teadvustanud ja tähele pannud. Nimelt: kui keha mingi osa temperatuuri tõsta ning seejärel soojusallikas kehast küljest eemaldada, levib soojus kehas ikkagi edasi - kuni soojusliku tasakaalu saavutamiseni. Seda seetõttu, et soojaks kehaks (soojusallikaks) on nüüd keha soe osa. Saame seda alumiiniumvarda temperatuuri mõõtes katseliselt jälgida.

Selle katse selgitamisel tuleks meeles pidada, et antud olukorda saame jälgida vaid metallide korral. Kui soojendame ühest otsast halba soojusjuhti, on selle „teise otsa" temperatuuri tõus palju vähem märgatav, sest protsess võtab kaua aega ja suurem osa soojust jõuab levida keha ümbritsevasse keskkonda.

Soojus levib kuni soojusliku tasakaalu tekkimiseni

Uuri olukorda, milles soojus levib kehas ilma, et see oleks ühegi soojusallikaga kontaktis. Soorita katse, milles selline nähtus reaalselt esineb. Vasta küsimustele.

Mõned materjalid juhivad soojust paremini, teised halvemini. Tihti on materjalide soojusjuhtivus nende üks tähtsamaid omadusi ning seda tuleb inseneritöös ilmtingimata arvestada.

Teine katse näitab, et see on tõesti nii. Katses võrdleme alumiiniumist ja rauast varraste soojusjuhtivust.

Võrdleme alumiiniumi ja raua soojusjuhtivust

Võrdle katses alumiiniumi ja raua soojusjuhtivust. Vasta küsimustele.

Järgnevas kahes töölehes pakume võimaluse uurida teelusika soojusjuhtivust. Teelusika materjaliks on tõenäoliselt roostevaba teras. Katse võib teha ka plastikust lusikaga, ent igal juhul on selle materjali soojusjuhtivus viletsam kui alumiiniumil või terasel.

Toidunõude soojusjuhtivus

Uuri katses lusika soojusjuhtivust. Arutle millised materjalid on toidunõude valmistamiseks sobivaimad. Vasta küsimustele.

Harilik pliiats on huvitav selle poolest, et kui pliiatsi ümbrise materjaliks olev puit on halb soojusjuht, siis on pliiatsi südamiku materjal ehk grafiit jällegi väga hea soojusjuht. Nii võime mõõtmisel näha olukorda, kus suhteliselt jahedast puidust kestast turritab välja palju kõrgema temperatuuriga pliiatsisüdamik.

Soojusülekanne ja soojusisolatsioon

Uuri soojusülekannet harilikus pliiatsis. Pööra tähelepanu asjaolule, et pliiatsil on puidust kesta sees grafiidist südamik. Arutle, kuidas peaks takistama soojuse torudest välja pääsemist. Vasta küsimustele.

Selles kursuses tahame suvel kogutava päikeseenergia salvestamiseks kasutada maapinda. Eelnevast saame nüüd aru, et kui mingit kohta maapinnas soojendada, hakkab soojus paratamatult sellest punktist soojusjuhtivuse tõttu eemale levima. Selle kiirus sõltub sellest, kui hea soojusjuht on liiv.

Teeme liiva soojusjuhtivuse uurimiseks katse ja seostame seda millegi eriti suvisega - rannaliiva temperatuuriga maapinnal ja selle all. Järgnev tööleht sisaldab ka kalkulaatorit, millega saab hinnata soojuse levimise kaugust.

Liiva soojusjuhtivuse uurimine

Uuri katses liiva soojusjuhtivust. Võrdle liiva soojusjuhtivust metallide soojusjuhtivusega. Vasta küsimustele.

Maja soojustamise olulisus võib õpilastele niigi ilmne olla, ent saame seda ka katseliselt uurida. Asugu majas väikese võimsusega küttekeha - hõõglamp. Piisab vaid sellest, et vahetame sooja pidavast penoplastist katuse viletsama, plastikust tehtu vastu, et maksimaalne temperatuur, mida mingi konkreetse hõõglambi võimsuse korral suudame saavutada, langeks oluliselt.

Majade soojustamine

Katse tulemusena näeme, et plastikust katuse korral on toa lõpptemperatuur oluliselt madalam kui penoplastist katuse korral. Küttekehana kasutame maja mudelisse paigutatud hõõglampi.

Asju puudutades tajume neid soojade ja külmadena. Seda ka siis, kui kehade temperatuurid on ühesugused. 

Tekitame järgnevalt seose tajutava temperatuuri (skaalal soe-külm) ja keha materjali soojusjuhtivuse vahel.

Milliseid kehasid me soojadena tajume

Õpi tundma inimese temperatuuritaju ja ainete soojusjuhtivuse vahelist seost. Vii läbi eksperiment, milles veendud selle seose paikapidavuses. Vasta küsimustele.

Kuidas on huviäratajates viidatud soojade jälgedega?

Põrandale jäävad soojad jäljed

Veendu katselielt, et kui hoida peopesa vastu lauaplaati, tõuseb lauaplaadi temperatuur käe all mitme kraadi võrra. Vasta küsimustele.

Kokkuvõte

Soojusjuhtivus

Sellist soojusvahetuse liiki, milles aine siseenergia kandub ühelt aineosakeselt teisele, nimetatakse soojusjuhtivuseks.

Erinevate materjalide soojusjuhtivus

Erinevate materjalide soojusjuhtivused võivad olla väga erinevad. Parimad soojusjuhid on metallid, halvimad gaasid. Materjalide soojusjuhtivust kirjeldab parameeter, mida nimetatakse soojusjuhtivusteguriks. Teades materjali soojusjuhtivustegurit, on võimalik öelda, kui palju soojust lekib ajaühikus läbi sellisest materjalist tehtud seina mingi konkreetse temperatuurierinevuse korral.

Küsimused ja ülesanded

Selgita, miks on ahju temperatuuri teades siiski vaja kasutada lihatermomeetrit?
Millisest materjalist tassis kõrvetab kuum tee näppe kõige enam?
Otsi klassist mõni metallese ning mõni puidust ese. Võta üks ühte ja teine teise kätte. Miks tunduvad nende temperatuurid sulle erinevad? 
Kas ääreni veega täidetud pabertopsike süttib, kui see priimuse leegile asetada?
Miks soojeneb saag puude saagimisel kõrgema temperatuurini kui puit?
Kas Kuul võib täheldada „langevaid tähti"?
Naela puusse löömise ajal soojeneb selle pea vähem kui siis, kui lüüa juba sisselöödud naela. Miks see nii on?
Miks on kuuma vedelikuga tassi parem sangast tõsta? Vajadusel soorita katse.
Üle jäätüki ripuvad samasuguse läbimõõduga niidi otsas kaks võrdset koormust. Ühe koormuse niit on vasest, teine aga kapronist. Miks vaskniit lõikub jäässe, kapronniit aga mitte?

Korraldage klassis katse „Kelle vesi on kõige kuumem?“. Võtke ühesugused keeduklaasid ning kallake neisse kuuma vett. Vähendage erinevate võtete abil keeduklaasi ja õhu vahelist soojusvahetust. Mõne aja pärast mõõtke vee temperatuure uuesti. Kelle vee temperatuur oli kõige kõrgem?
​​​​​​​

Minu lisamaterjalid