Топлопроводимост на метал и дърво

Ако си в някакъв вид стая, окуражавам те сега да направиш малък експеримент. Огледай стаята и виж дали има нещо в нея, което е направено от дърво или хартия, или плат, и е било в стаята известно време, така че се надявам, че е със стайна температура. И после намери нещо друго, което е направено от метал, което е стояло в стаята известно време и няма свой собствен източник на енергия, така че не използвай компютъра си. Трябва да е нещо, което пасивно е стояло в стаята ти известно време, да не е твърде трудно да намериш такова. Докосни и двете от тях. И ще видиш, че въпреки че и двете са стояли известно време в тази стая, металът ще ти се струва доста по-студен. Ще усетиш, че металът е по-студен. И това е малко объркващо, понеже и двете са стояли в тази стая известно време, така че и двете трябва да са с стайна температура. Нека направим това малко по-точно. Да кажем, че температурата на стаята е 70 градуса по Фаренхайт. И ключовата причина това да е по-студено е, че температура на стаята е по-ниска от телесната ти температура. Телесната ти температура ще е приблизително 98,6 градуса по Фаренхайт (37 градуса по Целзий). Нека запиша това – това е телесната температура. А температурата на повърхността на кожата ти може да е малко по-различна от това, но нека просто приемем, че е приблизително 98,6 градуса по Фаренхайт (37 градуса по Целзий). И този метал, тази метална повърхност всъщност не е по-студена. Реално няма по-ниска средна кинетична енергия от дървената повърхност. И двете са стояли в тази стая за известно време, и двете имат температура от около 70 градуса по Фаренхайт (22 градуса по Целзий). Какво се е случило? Защо за кожата ти и за мозъка ти металът се усеща по-студен? И простият отговор е, че той е по-добър в отнемането на топлина от теб. Защо е по-добър в отнемането на топлина от мен? Нека просто си представим, да кажем, че това тук са атомите на повърхността на кожата ми. Това са атомите на повърхността на кожата ми, долната част на кожата ми, да кажем, че ръката ми докосва една повърхност ето така. Това тук е палецът ми и докосвам повърхността. И ще има средна кинетична енергия, която ще е по отношение на телесната ми температура 98,6 градуса по Фаренхайт (37 градуса по Целзий). Тези неща ще отскачат наоколо или ще вибрират наоколо. И може би ковалентните връзки между въглеродните атоми и другите атоми на кожата ми не им позволяват да се освободят напълно, но те ще трептят, ще отскачат наоколо. И дори се бутат едни други и това може да го правят електростатичните сили. Но ще имат някаква средна кинетична енергия. И да кажем, че ръката ми докосва и двете повърхности едновременно. Имам тази дървена повърхност, ще направя това в жълто. Имам дървената повърхност ето тук. Това е дърво. И имам тази метална повърхност – ще направя това в бяло. Имам металната повърхност ето тук. И тази метална повърхност – вече говорихме за това – ще се усеща по-студена. Нека начертая останалата част от ръката си. Останалата част от ръката ми – схващаш идеята. Какво става тук? Нека помислим за това на микроскопично ниво. Първо, повърхността на дървото ще е неравномерна. Тук ще имаш атоми, но ще имаш празнини, тук ще има въздух. Нека превъртя малко надолу. Ще е ето така – ще имаш празнини. И ще има и вътрешни празнини, ето така. Това ще е дървото, докато металът е много по-плътен. И повърхността е много по-гладка. Металът – нека направя метала в този бял цвят – атомите на метала са много по-скупчени. Той е много по-плътен, повърхността е по-гладка, няма вътрешни въздушни джобове, в него няма да има въздушни джобове. Какво ще се случи? Винаги казвахме, ще имаш трансфер на топлина от системата с по-висока температура, или нещото с по-висока температура, към нещото с по-ниска температура. Те вече ще имат някаква кинетична енергия, тези неща ще имат средна кинетична енергия, която съответства на 70 градуса по Фаренхайт (22 градуса по Целзий). Нека начертая няколко от тези стрелки. Така е и тук – те ще имат същата средна кинетична енергия. Тези неща се блъскат наоколо, бутат се едно друго с електростатичните сили. Надявам се, че това ти дава представа какво се случва. Но ръката ми е по-топла, ръката ми има по-висока средна кинетична енергия. Атомите и молекулите на ръката ми ще се блъснат в атомите и молекулите на дървото и ще прехвърлят кинетичната енергия. Но осъзнаваме, че дървото прави по-слаб контакт. Понеже първо, повърхността на дървото не е гладка, тоест се допира по-малко. Това тук може просто да се блъсне с друга въздушна частица, няма да се блъсне в частица дърво. Но някои от частиците на дървото ще започнат да взимат кинетична енергия от мен. И ще усетя това като хлад. Може би това взима малко кинетична енергия, това се блъска в това. Кинетичната енергия бива прехвърлена надолу. Но ще бъде прехвърлена надолу доста по-бавно, отколкото това ще се случи в метала. Понеже първо, нямам толкова много повърхностен контакт между ръката ми и дървото, поради всички тези празнини. И в дървото също имам въздушни джобове. И като цяло дървото не е толкова плътно. Ще има по-малко сблъсъци и ще отнеме повече време тази енергия да бъде прехвърлена от ръката ми. А металът, от друга страна, веднага щом този атом се блъсне в този, този ще се блъсне в този, този ще се блъсне в този, този ще се блъсне в този. И тази кинетична енергия много бързо ще бъде пренесена надолу по метала. Ще може да вземе повече топлина от мен. Тази молекула тук ще получи някаква кинетична енергия от молекула в ръката ми. Но после ще се блъсне в съседа си и ще прехвърли тази кинетична енергия. Ще изгуби кинетичната си енергия доста бързо и е готова да бъде блъсната отново от друга молекула от ръката ми, и да вземе още кинетична енергия. Ще отнеме топлината от мен по-бързо. Имаш по-бърз трансфер на енергия, отколкото имаш с дървото. И от гледна точка на тялото ти, това, че тази топлина бива отнета по-бързо от теб, въпреки че двете повърхности всъщност са с еднаква температура, тялото ти възприема това тук като по-студено.