Vedení - kondukce tepla

Zahříváme–li jeden konec kovové tyče, pozorujeme, že se postupně zvyšuje teplota i těch částí tyče, které nejsou přímo v plameni. Uvnitř tělesa probíhá tepelná výměna, při které přechází vnitřní energie z míst o vyšší teplotě na místa s teplotou nižší. Těleso, v němž dochází k přenosu vnitřní energie, je přitom v klidu. Tento způsob přenosu vnitřní energie nazýváme vedení tepla. Vedení tepla probíhá např. při ohřívání nebo ochlazování předmětů ponořených do kapaliny apod.

Z hlediska molekulové fyziky je přenos vnitřní energie vedením děj, při němž se vnitřní energie přenáší z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou vzájemnými srážkami částic látky. Schopnost látky přenášet teplo vedením se nazývá tepelná vodivost.

Tepelná vodivost je schopnost daného materiálu vést teplo. Je to vlastně rychlost, s jakou se teplo šíří z jedné zahřáté části látky do druhé, chladnější. Tepelná vodivost každé látky je dána součinitelem tepelné vodivosti. Podle hodnoty součinitele tepelné vodivosti rozlišujeme dobré (vysoká hodnota) a špatné tepelné vodiče.

Ze všech látek mají nejlepší tepelnou vodivost kovy. Lépe vedou teplo kovy čisté, než kovy znečištěné nebo slitiny. Přitom kov, který je lepším elektrickým vodičem, je také lepším vodičem tepla. Souvislost mezi součinitelem tepelné vodivosti a součinitelem elektrické vodivosti vyjadřuje Lorentzův – Lorenzův zákon. Tepelná i elektrická vodivost kovů je zprostředkována volnými elektrony. Dobré tepelné vodivosti kovů se využívá v technice, kovové jsou radiátory, stěny parního kotle, chladící tělesa apod. Ostatní pevné látky jsou špatnými vodiči tepla, s výjimkou tuhy.

Udržujeme–li konce stejnorodé tyče na stálých teplotách t₁ a t₂ (t₁ > t₂), ustálí se po určité době teplota v tyči tak, že rovnoměrně klesá od teploty t₁ k teplotě t₂. Přitom předpokládáme, že nedochází k tepelné výměně mezi tyčí a okolím.

Z experimentů vyplývá, že v ustáleném stavu projde libovolným průřezem o obsahu S za dobu τ teplo Q při teplotním rozdílu Δt = t₁ – t₂ a délce tyče d. Tyto experimentálně ověřené skutečnosti shrneme do vztahu

Veličina λ se nazývá součinitel tepelné vodivosti. Podle jeho hodnoty rozlišujeme dobré (vysoká hodnota) a špatné vodiče. Jeho jednotkou je W m^–1 K^–1. Jestliže určíme množství tepla prošlého průřezem S za dobu τ, získáme tepelný tok H

V tepelně dobře izolujících materiálech je tepelný tok menší, než u dobře vodivých materiálů.

Do inženýrské praxe byla zavedena veličina tepelný odpor R. Tepelný odpor desky o tloušťce d je definován jako

Čím nižší je tepelná vodivost materiálu desky, tím větší je její tepelný odpor. Všimněte si, že tepelný odpor je veličina typická pro desku určité tloušťky, nikoli pro materiál.

Velmi špatným tepelným vodičem jsou plyny a kapaliny, především voda. Zahříváním vody v horní části zkumavky ji můžeme přivést až k varu, zatímco u dna zůstane chladná. Nejmenší součinitele tepelné vodivosti mají plyny. Proto také sypké pórovité látky (peří, suché dřevo, textilie, písek, cihly, skelná vata apod.), uvnitř kterých je vzduch, jsou špatnými vodiči tepla. Vodivost takových látek závisí na vlhkosti, a to tak, že tepelná vodivost vlhkých látek je značně větší. Látky, které jsou špatnými vodiči tepla se používají k tepelné izolaci. Nejlepším tepelným izolantem je vakuum.

Tepelná izolace.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.