Διάδοση θερμότητας με αγωγή

Κάνουμε το εξής πείραμα: Παίρνουμε μια σιδερένια ράβδο την οποία κρατάμε από το ένα της άκρο και το άλλο της άκρο το βάζουμε πάνω σε μια φλόγα. Παρατηρούμε ότι η μεταλλική ράβδος, από το σημείο που την κρατάμε, να ανεβάζει τη θερμοκρασία της και να ζεσταίνεται. Καταλαβαίνουμε ότι θερμότητα μεταφέρεται κατά μήκος της ράβδου, από το σημείο που τη ζεσταίνουμε με τη φλόγα, μέχρι προς το σημείο που τη κρατάμε.

Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό: Η μεταφορά θερμότητας από ένα σημείο του στερεού, σε ένα άλλο σημείο του ή κάποιου άλλου στερεού με το οποίο βρίσκεται σε θερμική επαφή, ονομάζεται διάδοση θερμότητας με αγωγή. Κατά τη διάδοση θερμότητας με αγωγή, έχουμε μεταφορά ενέργειας λόγω διαφοράς θερμοκρασίας, χωρίς να γίνεται μεταφορά ύλης.

Στερεά και θερμική αγωγιμότητα

Μερικά στερεά διαδίδουν εύκολα τη θερμότητα μέσα τους, ενώ άλλα όχι. Ορίζεται ένα μέγεθος η θερμική αγωγιμότητα του υλικού που περιγράφει το πόσο εύκολα διαδίδεται η θερμότητα μέσα σε αυτό. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού, τόσο ευκολότερα διαδίδεται η θερμότητα μέσα σ’ αυτό το υλικό. Τα διάφορα υλικά διακρίνονται σε καλούς αγωγούς της θερμότητας, που είναι εκείνα που παρουσιάζουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, όπως τα μέταλλα και στους κακούς αγωγούς της θερμότητας (θερμικοί μονωτές), που είναι εκείνα που παρουσιάζουν μικρή θερμική αγωγιμότητα, όπως το ξύλο και το πλαστικό.

Η ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται στο ίδιο χρονικό διάστημα μέσω ενός αγωγού είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που μεταφέρεται μέσω ενός μονωτή.

Αν ακουμπήσουμε με το ένα χέρι, το μεταλλικό σκελετό του θρανίου και το άλλο χέρι την ξύλινη επιφάνεια, θα νομίζουμε ότι η μεταλλική επιφάνεια είναι πιο κρύα από την ξύλινη, παρότι και οι δυο βρίσκονται στον ίδιο χώρο και λογικά θα έχουν την ίδια θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει γιατί, μεταφέρεται  περισσότερη θερμότητα από το χέρι μας στο μέταλλο, σαν καλός αγωγός της θερμότητας, εν σχέση με την ξύλινη επιφάνεια που είναι κακός αγωγός της θερμότητας και έτσι το χέρι μας ακουμπώντας στο μέταλλο χάνει περισσότερη θερμότητα απ’ ότι ακουμπώντας στο ξύλο, με αποτέλεσμα να κάνει το μέταλλο να μας φαίνεται πιο κρύο.

Ρευστά και θερμική αγωγιμότητα

Αποδεικνύεται πειραματικά, ότι τα υγρά και τα αέρια παρουσιάζουν μικρή θερμική αγωγιμότητα. Έτσι ο αέρας είναι πολύ καλός μονωτής και γι’ αυτό τα πορώδη υλικά, που παγιδεύουν στο εσωτερικό τους αέρα, είναι θερμομονωτικά υλικά. Τέτοια είναι το μαλλί, η γούνα, τα πούπουλα, ο υαλοβάμβακας κ. ά.

Ο πάγος είναι θερμικός μονωτής. Γι’ αυτό το λόγο οι Εσκιμώοι κατασκευάζουν τα σπίτια τους από πάγο. Ο πάγος εμποδίζει την έξοδο της θερμότητας από το εσωτερικό των  σπιτιών τους και έτσι η θερμοκρασία στο εσωτερικό τους αν και είναι λίγο χαμηλότερη από τους μηδέν βαθμούς κελσίου, είναι αρκετά υψηλότερη από την θερμοκρασία των -300C που επικρατεί έξω στο περιβάλλον.

Διάδοση με αγωγή και μικρόκοσμος

Ένα σώμα που βρίσκεται σε υψηλή θερμοκρασία, οι δομικοί λίθοι του κινούνται έντονα με αποτέλεσμα να έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια. Όταν μια περιοχή ενός σώματος έχει υψηλότερη θερμοκρασία από την διπλανή της, τότε οι δομικοί λίθοι της περιοχής με την υψηλότερη θερμοκρασία έχοντας μεγαλύτερη κινητική ενέργεια συγκρούονται με τους γειτονικούς δομικούς λίθους που έχουν χαμηλότερη κινητική ενέργεια και τους μεταβιβάζουν μέρος της κινητικής ενέργειας. Έτσι μ’ αυτό τον τρόπο αυξάνεται η θερμική ενέργεια των περιοχών με χαμηλότερη θερμοκρασία και η διαδικασία επεκτείνεται έτσι όλο το σώμα να αποκτήσει την ίδια θερμοκρασία.

Στα περισσότερα υλικά, οι δομικοί λίθοι είναι τα μόρια, των οποίων οι θερμικές συγκρούσεις μεταξύ τους είναι χαλαρές και έτσι η μεταφορά θερμότητας με αυτό τον τρόπο γίνεται με αργούς ρυθμούς.

Στα μέταλλα, ο μηχανισμός μεταφοράς θερμότητας είναι λίγο διαφορετικός. Στα μέταλλα, κάποια ηλεκτρόνια έχουν αποσπαστεί από τα άτομα του μετάλλου και κινούνται μεταξύ των ατόμων. Τα ηλεκτρόνια αυτά λέγονται ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μικρότερο μέγεθος από τα μόρια και άτομα και επειδή έχουν μικρή μάζα, μπορούν να κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες και είναι πολύ ευκίνητα.

Σαν αποτέλεσμα, τα ηλεκτρόνια κάνουν πολλές συγκρούσεις μεταξύ τους, όσο με τα άτομα μεταφέροντας γρηγορότερα κινητική ενέργεια και έτσι μεταφέρεται η θερμότητα πολύ εύκολα. Αυτή η μεγάλη θερμική αγωγιμότητα που παρουσιάζουν τα μέταλλα, οφείλεται στην ευκινησία των ελεύθερων ηλεκτρονίων και στις συγκρούσεις τους, τόσο μεταξύ τους όσο και με τα άτομα, με ταυτόχρονη ανταλλαγή ενέργειας.

Αποδεικνύεται πειραματικά, ότι τα σώματα που έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι θερμικοί αγωγοί, ενώ τα σώματα που δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια είναι θερμικοί μονωτές.