چرا فلز همیشه سردتر از چوب است؟

گاهی اوقات مشکلاتی که روزانه با آن مواجه می شویم بسیار گیج کننده هستند. حتماً از کودکی فکر کرده اید که چرا فلز در روزهای سرد بسیار سردتر از چوب است یا چرا یک کیک کمتر از قالبی که در آن پخته می شود گرم است.

تصور کنید به بیرون بروید و با یک درخت و یک چراغ برق روبرو شوید. در تئوری آنها باید دمای یکسانی داشته باشند، اما ما تقریباً به طور غریزی می دانیم که یک چراغ خیابان در لمس خنک تر از چوب است. سرنخ در این عبارت است: فلز احساس سردتر می کند. اما به معنای واقعی کلمه سردتر نیست.

درک مولرمصاحبه گر علمی استرالیایی و مجری تلویزیونی، در یک ویدئو در سال 2012 کانال یوتیوب Veritasium او توضیح داد: «وقتی چیزی را لمس می‌کنید، واقعاً دما را احساس نمی‌کنید. “شما احساس می کنید که سرعت هدایت گرما به سمت شما می آید یا از شما دور می شود، به عبارت دیگر، تفاوت در دمای فلز و چوب نیست، بلکه در “رسانایی حرارتی” است. است

برای نشان دادن مفهوم رسانایی گرمایی، مولر از مردم دعوت کرد تا دمای یک کتاب و یک هارد دیسک را با هم مقایسه کنند و تأیید کرد که دمای آنها با استفاده از یک دماسنج مادون قرمز یکسان است. همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، همه گفتند که کتاب داغ تر است، و حتی برخی مولر را پس از افشای حقیقت متهم به دروغگویی کردند.

اما فلز همیشه سردتر به نظر نمی رسد و به دلیل هدایت حرارتی می تواند برعکس عمل کند. به عنوان مثال، اگر به یاد داشته باشید پیست بازی در دوران کودکی ما همیشه در تابستان بسیار گرم بود و نشستن روی تاب های پلاستیکی از پیست بازی قابل تحمل تر بود. دلیل آن این است که فلز رسانای گرمایی بهتری نسبت به پلاستیک است. اگر خاطرات کودکی خود را به خاطر نمی آورید، اگر تا به حال کیک پخته اید، می دانید که ظرف فلزی کیک داغ تر از کیک داخل آن است. زیرا فلز رسانای بسیار بهتری نسبت به کیک است و در نتیجه انرژی گرمایی را بسیار کارآمدتر به دست منتقل می کند.

هدایت حرارتی می تواند منجر به نتایج غیر قابل درک شود. مولر آزمایشی را با استفاده از یک بلوک پلاستیکی، یک بلوک آلومینیومی و دو تکه یخ انجام داد. مولر دو تکه یخ را در بشقاب ها روی یک بلوک پلاستیکی و یک بلوک آلومینیومی قرار داد و از داوطلبان پرسید که کدامیک یخ را سریعتر ذوب می کند؟ همه به او گفتند که آلومینیوم سردتر از پلاستیک است. بنابراین جای تعجب نیست که مردم تصور کنند یخ روی آلومینیوم که سردتر است جامد می ماند و روی پلاستیک که گرمتر است ذوب می شود. اما در عوض دقیقا برعکس این اتفاق افتاد.

چرا یخ روی بلوک آلومینیومی زودتر آب شد؟ مولر توضیح داد: بلوک آلومینیومی یخ را سریعتر از بلوک پلاستیکی ذوب می کند زیرا گرما را سریعتر به بلوک یخ منتقل می کند. پلاستیک رسانای گرما ضعیف تری نسبت به آلومینیوم است، بنابراین گرما با سرعت کمتری به بلوک یخ منتقل می شود. بنابراین یخ سرد می ماند و کندتر آب می شود.

فلز می تواند بسیار سردتر یا گرمتر از سایر مواد با همان دما باشد. زیرا معمولاً رسانای گرما بسیار بهتری نسبت به سایر اجسام است. اما آنچه در فلز است این خاصیت را ایجاد می کند. درک رسانایی حرارتی به ما کمک می کند تا بفهمیم چرا فلز رسانایی بالایی دارد. اگر به مفهوم گرما توجه دقیق و علمی داشته باشیم، در خواهیم یافت که گرما در واقع راه دیگری برای بیان «حرکت» است.

وقتی ماده ای انرژی گرمایی را جذب می کند، انرژی گرمایی جذب شده به انرژی جنبشی تبدیل می شود و باعث حرکت اتم ها می شود. اما از آنجایی که اتم‌ها در جامدات فضای زیادی برای حرکت ندارند، شروع به ارتعاش می‌کنند و اتم‌هایی که مستقیماً در معرض گرما هستند، حرکت زیادی دارند و باعث می‌شوند که به اتم‌های مجاور برخورد کنند. این برخورد اتم های دیگر را تحریک می کند و آنها نیز شروع به ارتعاش می کنند. همانطور که این اتفاق می افتد و حرکت از قسمت گرم به قسمت سرد ماده ادامه می یابد، گرما نیز شروع به حرکت بیشتر در جهت دیگر می کند. چیزی شبیه موج است که با برخورد سنگریزه به سطح حوض منتشر می شود.

این واقعیت که چوب ترکیبی از مواد مختلف است به رسانایی پایین آن کمک می کند. چوب متشکل از سلولز، همی سلولز، لیگنین و تانن است که بسته به چوبی که چوب از آن ساخته شده، دارای طیف وسیعی از عناصر در مقادیر مختلف است. هنگامی که ذرات با تغییراتی در اجزاء مواجه می شوند، پراکنده می شوند و از مسیر خود منحرف می شوند. در چوب، هدایت حرارتی اساساً با حرکت مواد از یک جزء به جزء دیگر کاهش می یابد.

پلاستیک مانند چوب نیست، پس چرا رسانایی حرارتی آن کمتر از فلز است؟ پلاستیک ماده ای است که می تواند ساختار مولکولی منظم و متراکم و در عین حال رسانایی حرارتی نسبتاً کمی داشته باشد. آنچه واقعاً به فلز نسبت به پلاستیک برتری می دهد، الکترون های آزاد آن است.

وب سایت بی بی سی او توضیح می‌دهد: «برخی از الکترون‌های یک قطعه فلز می‌توانند اتم‌های خود را ترک کنند و به‌عنوان الکترون‌های آزاد در فلز حرکت کنند. بخش هایی از اتم های فلزی که الکترون از آنها جدا شده است اکنون دارای بار مثبت هستند و یون های فلزی نامیده می شوند. وقتی الکترون‌های آزاد انرژی گرمایی را جذب می‌کنند، بسیار سریع‌تر حرکت می‌کنند و وقتی الکترون‌های آزاد در یک فلز حرکت می‌کنند، با یون‌های فلزی برخورد می‌کنند. مقداری از انرژی جنبشی الکترون های آزاد توسط یون ها جذب می شود و آنها سریعتر و با دامنه بیشتری ارتعاش می کنند.

برای درک آسان‌تر تأثیر الکترون‌های آزاد بر رسانایی حرارتی یک فلز، تعداد زیادی از مردم را در یک متروی شلوغ تصور کنید. مطمئناً آنها متلاطم هستند، اما به طور کلی، افرادی که با یکدیگر برخورد می کنند نیاز به یک ضربه بزرگ دارند. انسان ها مولکول های ماده ما هستند. حالا تصور کنید هر نفر چند توپ جادویی پرتاب می کند. بلافاصله، تعداد برخوردها افزایش می یابد، درست مانند زمانی که شما الکترون های آزاد را به یک سیستم وارد می کنید.

هدایت حرارتی در مواد دارای الکترون آزاد، به عنوان مثال. فلزات، بسیار سریعتر از رسانایی ناشی از انتقال ارتعاشات از اتم به اتم است. بنابراین انتقال حرارت در فلزات سریعتر از غیر فلزات انجام می شود.

بنابراین، به طور خلاصه، چرا فلزات سردتر از غیر فلزات هستند؟ دلیلش این است که وقتی فلزات را لمس می‌کنید اصلاً دما را احساس نمی‌کنید، احساس می‌کنید چقدر انرژی گرمایی از بدن شما ساطع می‌شود و فلزات، به لطف آرایش مولکولی ویژه‌شان، واقعاً در این کار خوب هستند.