Рассказать друзьям
Физика 26 июля 2010

Теплопроводность: несгораемые нить, бумага и полиэтилен

В сегодняшнем эксперименте мы изучим такое физические явление, как теплопроводность. Теплопроводность – свойство вещества “проводить тепло”. Из обыденного опыта мы знаем, что материалы делятся на те, которые хорошо проводят тепло, и те, которые плохо. К первым, например, относится дерево (по этой причине из него строят дома – тепло сохраняется внутри). Ко второй группе – металлы (вспомним ложечку, которую опускают в горячий чай, чтобы остудить его).

Используем теплопроводность для того, чтобы сделать несгораемые нитки, бумагу и полиэтилен. Эти материалы выбраны по одной простой причине: все они легко загораются. В этом легко убедиться, если поднести их к пламени свечи (см. видео. Внимание! Соблюдайте правила пожарной безопасности!).

Однако если в процессе нагревания они, например, будут плотно контактировать к металлом, то произойдет следующее: избыток тепла будет быстро распределяться по объему металлу, не приводя к сколько-нибудь заметному повышению температуры. Убедимся в этом на практике. Для этого возьмем толстый металлический стержень или трубку, обмотает его нитками или бумажной полоской и внесем в пламя свечи. Максимум, что мы получим – закопченную поверхность. А сами нитка или бумага (даже после продолжительного нагревания) не теряют своей прочности. Для этого достаточно потянуть за их концы.

Наиболее впечатляющим в этой серии опытов выглядит несгорающий полиэтилен. Для этого достаточно взять любой полиэтиленовый пакет, налить в него воды, и внести в пламя свечи. Кажется, что полиэтилен сейчас проплавится, и вся вода выльется из пакета. Однако в реальности ничего подобного не происходит: вода эффективно отбирает тепло от полиэтилена.


Домашнее задание:

Посмотрим внимательно на таблицу коэффициентов теплопроводности:

http://ru.wikipedia.org/wiki/Теплопроводность

Мы видим, что металлы действительно имеют высокие коэффициенты теплопроводности. Так, например, серебро – 430, а железо – 92. А вот вода – всего 0.6, что всего в 4 раза выше, чем у дерева. Означает ли это, что наши выводы в третьем опыте (нагревание воды в полиэтиленовом пакете) были неверными? Почему вода все-таки так эффективно отводит тепло от полиэтилена? За правильный ответ – бонус 20 рублей на ваш сотовый телефон.

Видео

Комментарии ( 19 )
  • А. Шор 26 июля 2010, 20:15
    Достаточно банально, но наверное то, что у полиэтилена в 2 раза меньшая теплопроводность
  • Владимир 27 июля 2010, 01:01
    Вода отводит тепло не путем теплопроводности, а перемещаясь и перемешиваясь.
  • Карелин Григорий 27 июля 2010, 05:32
    Наверное, все дело в диффузии. Нагретая вода поднимается вверх, уступая место холодной.
  • Тарзанов Андрей 27 июля 2010, 06:22
    Мне думается, что в данном эксперименте упомянуты не все детали. В частности не нужно забывать про теплоёмкость. Например, для воды она приблизительно в 8 раз больше, чем для железа
  • Administrator 27 июля 2010, 06:27
    Владимир, Григорий, это называется конвекцией. Нагретая жидкость поднимается вверх, эффективно унося тепло от места контакта с пламенем.
  • Administrator 27 июля 2010, 13:02
    Андрей, на мой взгляд, теплоемкость может сыграть роль, только если:

    1. держать долго над сильным пламенем
    2. взять вещество с низкой теплоемкостью (высокой скоростью нагрева)

    В обоих случаях, повреждение нити или бумаги произойдет не от огня, а от раскаленной основы, на которую они намотаны.

    В случае же с полиэтиленом, думаю, можно довести воду до сильного нагрева, так что она сама начнет разрушать полиэтилен. Но всё это уже какие–то крайности.
  • Тарзанов Андрей 27 июля 2010, 13:42
    А в опыте как долго держали пакет над огнём, а бумагу и нитки на металлическом стержне? А п/э на стержень пробовали наматывать?

    Помнится, ещё у Перельмана в "Занимательной Физике" описывались опыты с ниткой и ключом, бумажной кюветой для нагрева воды... Вот про полиэтилен у него не было...
  • Administrator 27 июля 2010, 17:47
    Андрей, каждый опыт – секунд 40–50, дальше неинтересно. В самом ролике это место ускорено в 1.5 раза. С полиэтиленом на стержне, думаю, то же самое получится.

    Кстати, да, исходный опыт взят у Перельмана, с водой в полиэтиленовом мешке – это уже моя импровизация. smile
  • Тарзанов Андрей 28 июля 2010, 13:05
    Интересно было бы (хотя бы) прикинуть количественно, какие энергии циркулируют в нашем опыте.
    Кто–нибудь возьмётся оценить количество Джоулей, "вырабатываемых" свечой?
    У меня получилось что–то порядка единиц кДж/мин (а именно 4.4)
    Как прикидывал.

    Свечка парафиновая (вопрос какой парафин...) диаметром 1 см
    Плотность парафина ~900 кг/м3.
    Теплоёмкость парафина ~2.2 кДж/(кг*град)
    Теплота сгорания парафина ~50000 КДж/кг
    Теплота плавления парафина ~150 кДж/кг

    За четыре минуты сгорело 5 мм свечи.
    Объемом 3.14*0.5*0.5*0.5 = 392.5 мм3 = 3,925*10–7 м3.
    весом 3.925*10–7*900 = 3,53*10–4 кг (0,35 г)

    при сгорании этой массы выделяется
    3.53*10–4 * 50000 = 17,7 кДж тепла

    Будем считать что при горении свечи часть энергии пламени тратится на разогрев парафина до температуры плавления парафина (около 50 градусов по Цельсию), ещё часть – на переход в жидкое состояние, что составит
    3.53*10–4*(2.2*(50–22)+150) = 0,0746 кДж
    гым... не так уж и много по сравнению с теплотой горения...
    итак, за четыре минуты насчитали ~17.6 кДж, тогда в одну минуту получается 4.4 кДж
    т.е. порядка единиц килоДжоулей в минуту...
  • Тарзанов Андрей 28 июля 2010, 13:37
    Теплопроводность полиэтилена ~0.4 Вт/(м*град).
    Толщина плёнки ~100 микрон или 10–4 м
    разница температур ~1200 градусов
    т. е. полиэтилен в наших условиях может пропускать поток теплоты мощностью порядка
    0.4*10–4*1200=0,048 Вт = 0,048 Дж/с = 2,88 Дж/мин
    А мы подводим ~4 кДж/мин. Т. е., учитывая приближённость наших вычислений, полиэтилен может справиться с потоком энергии, идущим через него от свечи.
    Значит вопрос в том, чтобы этот поток эффективно снять с "холодной" стороны. Как показывает опыт, вода это может сделать.
    А что скажут цифры? Теплоёмкость воды имеет значение в районе 4 кДж/(кг*град). Т. е. чтобы повысить температуру одного килограмма воды на один градус, требуется подвести 4 кДж энергии. А коэффициент теплопроводности составляет ~ 0.6Вт/(м*град)... получается, что приблизительные расчёты и результаты эксперимента неплохо коррелируют...
  • Administrator 28 июля 2010, 20:14
    Расчеты сильны. Ряд моментов:

    1. Подправил форматирование, а то тяжко читать формулы

    2. Количество тепла, которое тратится на плавление парафина, можно не учитывать по сравнению с теплом, выделяемым при горении (разница удельных теплот равна 330, т. е. можно сразу пренебрегать)

    3. Про полиэтилен не понял. Расчеты точно верны? Получается, полиэтилен способен проводить 2.88 Дж/мин, а мы подводим почти в тысячу раз больше. Что–то здесь не так...
  • Тарзанов Андрей 29 июля 2010, 03:26
    упс.. дейстивтельно "кило" просмотрел..
    надо подумать...
  • Тарзанов Андрей 29 июля 2010, 03:36
    Сейчас уточнил толщину полиэтиленовых пакетов. она составляет порядка десятков, а не сотен микрон, значит нестыковку снизили уже на один порядок...
  • Тарзанов Андрей 29 июля 2010, 03:47
    Ещё такой момент. Далеко не вся энергия сгорающего парафина "пытается пройти" через полиэтилен. Часть уходит в разных направлениях в виде излучения, часть посредством горячего воздуха, обтекающего испытуемых объект, нагревает воздух... Числено оценить соотношение этих частей я не возьмусь, пожалуй.
    И ещё, провёл собственнй эксперемнт. Пакет не прогорел, то течь дал...
  • Administrator 29 июля 2010, 11:19
    Я брал тонкий полиэтилен. На ощупь он какой–то жесткий.

    По поводу потока тепла посчитал сам:

    берем с Википедии (http://ru.wikipedia.org/wiki/Теплопроводность) формулу

    P = x*S*(delta_T)/h = 0.4*1м2*1200/(3*10–5 м) ~ 107 Вт

    то есть, через один квадратный метр полиэтилена толщиной 30 микрон может проходить 107 Вт. Соответственно, через один квадратный сантиметр – 103 Вт. Учитывая, что площадь контакта с пламенем – около 2 см2, видим, что за секунду полиэтилен может пропускать 20 кДж. Это заведомо больше, чем приходит от пламени свечи.

    P.S. Если нигде с порядками не ошибся...
  • 0lympian 30 июля 2010, 16:32
    Я в пластиковой бутылке в походе на спор кипятил воду в пламени костра. Она правда под конец от кипятка деформировалась, но вода успешно кипела. Правда надо горлышко не закрывать (где вода его не омывает), и сделать чтобы оно от пламени было подальше, иначе от температуры костра оно быстро обгорает wink
  • Gekas 3 августа 2010, 02:30
    да, частенько приходилось греть воду на костре прямо в пятишках.
  • 0lympian 13 сентября 2010, 10:29
    Gekas
    Ну все же пить такую воду я бы не стал. Т. к. полиэтилен немного деформируется (даже если просто залить кипятком), так что вполне может быть что он при этом что–то выделяет.
  • Administrator 7 октября 2010, 19:25
    0lympian, думаю, чисто для технических нужд (например, вымыть походную посуду) такую вскипяченную воду можно использовать.

    Кстати, помню, в 90–е годы было популярно наливать горячий чай в пластиковые бутылки, когда куда–то едешь (тогда они только–только появились). Позде действительно сообразили, что не так уж это и безопасно.
Ваш комментарий
 
Кому:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Комментарий:
 
  гостевые комментарии проверяются модератором