Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Давайте рассмотрим, например, грамм кипящей воды и сравним его с килограммом ледяной воды. Чтобы заморозить килограмм ледяной воды, от него требуется отобрать приблизительно 80 000 калорий теплоты. Чтобы опустить температуру грамма кипящей воды до точки замерзания, а затем заморозить, потребуется отобрать 100 плюс 80 калорий, или всего лишь 180 калорий. Любое дальнейшее охлаждение килограмма льда, полученного в первом случае, по сравнению с граммом льда, полученного в втором, потребует отбора в тысячу раз большего количества теплоты, чем от второго, на каждый градус Цельсия. Это происходит потому, что, несмотря на разницу в температурах, полная теплота, которая содержится в килограмме ледяной воды, будет намного выше, чем полная теплота, которая содержится в грамме кипящей воды.

Однако, если грамм кипящей воды добавить к килограмму ледяной воды, поток теплоты потечет от кипящей воды в ледяную воду. Направление потока теплоты определяет вовсе не разность в полном содержании теплоты. Скорее его определяет разница в температуре. И снова наша аналогия: если в связанных между собой сосудах, упомянутых выше, левый будет иметь более узкий диаметр, а правый — более широкий, то вода будет течь со стороны меньшего объема к области большего объема. Не разница в полном объеме, но разница в давлении будет диктовать направление потока воды.

Скорость, с которой вода будет течь из одной части системы к другой, будет зависеть от величины разности давлений. Сначала, когда мы откроем вентиль на трубке, вода потечет быстро, но по мере того, как разность давлений по обе стороны трубки будет уменьшаться, эта скорость (или «расход жидкости») также упадет. Расход становится все меньше по мере того, как падает разница в давлениях и обращается в нуль, как только вода «находит свой уровень» и разница в давлениях исчезает.

Очевидно, аналогично можно изобразить передачу потока теплоты при помощи теплопроводности. Расход теплоты из горячей области в холодную зависит частично от разницы температур между ними. Обычно вычисляют количество теплоты, которое будет протекать за одну секунду через куб с ребром, равным одному сантиметру, у которого одна сторона на 1 °C холоднее, чем противоположная. Это количество теплоты называется «коэффициентом теплопроводности» и измеряется в калориях на сантиметр за секунду на градус Цельсия (кал/см∙с∙°С).

Даже если мы имеем некую заданную разность в давлениях воды, все равно мы можем изменить величину водного потока в зависимости от того, течет ли он через широкое отверстие, узкое отверстие, ряд узких отверстий, губку, грубое полотно, утрамбованный песок и так далее. То же самое истинно и для теплоты: даже в тех случаях, когда имеется перепад температур, теплота будет более быстро перетекать через одно вещество, чем через другое. Другими словами, коэффициент теплопроводности изменяется от вещества к веществу.

Считается, что вещества, у которых коэффициент теплопроводности является высоким, — хорошие проводники теплоты; те же, у которых коэффициент теплопроводности низкий, считаются плохими проводниками тепла. Вообще металлы — хорошие проводники теплоты, а неметаллы — плохие. Лучший проводник среди металлов — медь, с коэффициентом теплопроводности, равным 1,04 кал/см∙с∙°С. Для сравнения: вода имеет коэффициент теплопроводности, равный 0,0015 кал/см∙с∙°С, а некоторые виды древесины имеют коэффициенты теплопроводности даже еще ниже, вплоть до 0,00009 кал/см∙с∙°С.

Именно по этой причине холодный металл ощущается как намного более холодный, чем холодная древесина. Металл и древесина могут иметь равную температуру, но тепло покидает руку гораздо быстрее, когда она находится в контакте с металлом, чем с древесиной. Температура той части руки, которая вступила в контакт с металлом, понижается намного быстрее. Аналогично, мы можем без опаски поднять ведро кипящей воды за деревянную или пластмассовую накладку на ее ручке, поскольку теплота от металла (которого мы рекомендуем не касаться) проходит через древесину или пластмассу крайне неохотно и недостаточно интенсивно, чтобы нанести нам ущерб.

Система, полностью окруженная материалом с низкой удельной теплопроводностью, очень медленно отдает теплоту в окружающую внешнюю среду; она также и получает теплоту извне крайне медленно, даже невзирая на то, что разница в температурах, внешней и внутренней, может быть значительной. Система выглядит как остров, если можно так выразиться, специфической температуры посреди внешнего моря различной температуры. Поэтому такую систему называют «изолированной» (от латинского слова, означающего «остров»), а материал, обладающий низкой удельной теплопроводностью, называют «теплоизолятором» или «теплоизоляционным материалом».