Николо М.

Защо студеният метал изглежда по-студен от студения въздух?

(Извинявам се за този елементарен въпрос. Не знам много от физика.)

Да кажем, че сложих метална тенджера в хладилника за няколко часа.

В този момент мисля, че тенджерата и въздухът (в хладилника) са с еднаква температура.

Сега докосвам това гърне. Тук е много студено. Но когато „докосна“ въздуха (тоест вътре в хладилника), не „усещам“ колко е студен. Не чувствам същото "ох!" как се чувствам, когато докосна гърнето.

Защо? Защо металът изглежда по-студен от въздуха, когато и двамата имат една и съща температура?

(Знам, че газът съдържа по-малко частици на единица обем, отколкото твърди вещества и течности, но тъй като „температура“ означава „средна кинетична енергия“), се предполага, че по-малко въздушни частици ще ударят ръката ми със скорост, която ще компенсира по-малко от тях, нали?)

Свързан въпрос, за да поясня:

Ако използвам термометър за измерване на температурата на тенджерата и на въздуха (да речем, че е термометър със сензор, който може да докосва предмети), ще покаже ли същото показание и за двете? Ако е така, какво прави термометъра различен от моята ръка? Искам да кажа, че ръката ми е вид термометър, така че защо да се счупи, когато термометърът, който не е човек, работи?

SjonTeflon

Veritasium има прилично видео за това, сравняващо тава за печене със самата торта, книга и метален предмет. След това пита различни хора на улицата какво мислят. youtube.com/watch?v=hNGJ0WHXMyE

Ерик Липърт

Чудя се каква е ръката ти нее термометър; Термометърът измерва средното количество топлинна енергия в даден обект, но това не е нещо, което измервате с ръка. „Чувството за студ“ или „усещане за топлина“ в ръката ви всъщност измерва колко бързоенергията се движи между ръката ви и обекта, а не средна енергия в обекта .

daviewales

@SWeer, специално щракнах върху това, за да свържа това видео с Veritasium.

Dubu

Както показва видеото на Veritasium, нямате нужда от хладилник за този ефект. Сравнете възприеманата температура на металния блок (или съда или острието) с температурата на блока от пяна, както при стайна температура. Металният блок ще се почувства по-студен, докато блокът от пяна може дори да се почувства по-топлоотколкото въздуха около него, защото е толкова добър изолатор (т.е. лош топлопроводник).

Wossname

Ръката и термометърът не измерват ли температурата сами? Не е ли просто термометърът реагира по-бързо, защото е изработен от метал?

Отговори

Фредерик Брунер

Краткият отговор е:

Термометърът измерва действителната температура (която е еднаква и за двете), а ръката ви измерва предаванеенергия (топлина), която е по-висока за тенджерата, отколкото за въздуха.

Дълъг отговор:

Ключова дума: топлопроводимост

Разликата е специфичен за материала параметър, наречен топлопроводимост. Ако сте в контакт с някакъв материал (газ, течност, твърдо вещество), топлината, която е форма на енергия, ще тече от среда с по-висока температура към среда с по-ниска температура. Скоростта, с която това се случва, се определя от параметър, наречен топлопроводимост. Металите са склонни да бъдат добри топлопроводници, така че металът изглежда по-студен от въздуха, дори ако температурата е същата.

Относно втория ви въпрос: термометърът ще покаже същата температура. Единствената разлика е времето, необходимо за достигане на топлинно равновесие, тоест кога термометърът показва правилната температура.

Една последна забележка: скоростта, с която топлината (енергията) се отстранява от тялото ви, определя дали възприемате материала като студен или не, дори и температурата да е същата.

За справка, ето таблица, изброяваща топлопроводимостта за няколко материала:

Ярослав Комар

През нощта ще добавя, че има още два компонента - топлинният капацитет на околната среда и нейната плътност, които могат да повлияят на това колко е студена. Това понякога се анализира от гледна точка на термичната дифузия.

Дан

TL; DR версия на този отговор: Нашата кожа измерва преноса на енергия, а не температурата.

Дейвид Уилкинс

Така че, ако ми е много горещо в слънчев летен ден, трябва ли да лежа на сребърно легло на сянка? Скъпа!

Ян Лалински

@Danu, мисля, че рецепторите всъщност реагират на температурата рецептори, тъй като температурата е един от определящите фактори за скоростта и интензивността на биологичните процеси. Когато докоснете метал, температурата на рецепторите бързо пада. Когато докоснете въздуха, тялото ви е в състояние да устои на загубата на топлина, така че рецепторите да останат близо до естествената си температура.

Питър Стоук

Не съм съгласен с мнението, че кожата ви може да измерва топлопреминаването. Той може да измерва само температура или по-точно температурата на повърхността на тялото, което докосвате. Сега термичната дифузия влиза в игра: когато докоснете студено парче дърво (ниска термична дифузия), пренасяте топлина към дървото, граничният слой на дървото се нагрява и се чувства топъл. Ако, от друга страна, докоснете блок от студена стомана (висока термична дифузия), вие също пренасяте топлина, но топлината бързо се пренася във вътрешността на метала и по този начин граничният слой остава студен.

По същата причина студената вода изглежда по-студена от студения въздух.

Наистина, това се дължи на по-високия топлопренос, но кожата не измерва това директно.

Фредерик Брунер

Бих казал, че „мерките“ трябва да се разбират като „реагиране повече или по-малко екстремно на пренос на топлина в зависимост от скоростта“.

Питър Стоук

@ FredericBrünner Това е определението на думата "мярка". И системата (кожа или технически сензор) не може директно да реагира на топлинния поток, а само на неговото влияние, тоест промяна в температурата. Отопленатермометърът ще измерва температура във водата, която е различна от температурата на въздуха, дори ако водата и въздухът са с еднаква температура. Измерва ли и топлопреминаването?

Скайлър

По принцип преносът на топлина е това, което тялото ви измерва. Това видео наистина удря в главата на това, което ви интересува.

Тялото ни усеща потока на топлина от един източник към мивката. Когато скоростта на предаване е по-висока, обектът се чувства по-студен/по-горещ. Обектите, аклиматизирани към стайна температура, ще се чувстват по-горещи или по-студени в зависимост от тяхната топлопроводимост. Можете да мислите за температурата като абсолютен показател.

Колкото по-голяма е температурната разлика, толкова по-топъл или по-студен ще се почувства обектът. Но топлопроводимостта служи като фактор, ако щете. 70-градусов обект, който засмуква същия енергиен поток през върховете на пръстите си като 30-градусов обект, би имал по-висока топлопроводимост. Това означава, че делтата H ще бъде еднаква и за двата обекта, дори ако T е различен и делтата T.

Ние не измерваме T или променяме T, а само променяме топлината.

dmckee ♦

Отговорите, които съществуват само за предоставяне на указател към ресурс на трета страна, се идентифицират като неотговарящи. Това, което направихте тук, е малко по-добро от това, защото предложихте фраза за обобщаване на ситуациите, но повечето потребители на Stack Exchange едва ли ще получат много високи оценки за такъв отговор. Physics SE се стреми да бъде хранилище на качествени отговори на качествени въпроси, а не ферма за връзки.

Скайлър

Не мислех, че моето обяснение ще бъде по-добро от видеото под ръка, но все пак ще го включа.

flywk

Това е по-сложно от физиката на топлопреминаването. Тактилните ни усещания са доста странни.

Един пример би бил, че хората могат да изпитат "студено" и "студено" засяга други вкусове.

Няма достатъчно изследвания на процесите. На многото рецептори в кожата имате няколко, които са свързани с температурата.

Един вид ноцицептор, който е отговорен за „опасните“ стимули, реагира на екстремни температури.

Два вида терморецептори регистрират разликата между топла и студена вода. Доказано е също, че студовите рецептори реагират на затоплящи стимули... Те също са разположени по-дълбоко в дермалния слой, което предполага, че първо трябва да се открият затоплящите стимули.

Има и телешки луковици, за които се смята, че имат вкус "студени".

Терморецепторите на езика ви също могат да повлияят на вкуса на нещо по отношение на неговата температура. Вкусът е още по-сложен, тъй като включва поне 3 „отделни“ усещания и факта, че някои ароматизиращи химикали имат различен вкус при различни температури. Фруктозата благоприятства състоянието на фруктопираноза в сравнение с фруктофураноза при по-ниски температури и има по-сладък вкус от другите обичайни подсладители.

Термометър измерва температурата чрез равновесие.

Забелязах, че хората споменават проводимостта, което може би е най-добрият начин да се обясни това за малък диапазон от температурни промени. След като стигнете до големи градиенти или екстремни стойности, това ще зависи от няколко фактора, включително кой от тях задейства първия, втория, третия като цяло. След това трябва да вземете предвид страничното/временното инхибиране, състоянията на поляризация, градуирани потенциали, NT порти и т.н. И накрая, трябва да помислите дали някой от тези сигнали пътува до мозъка и как мозъкът интерпретира цялата объркана бъркотия...

Бруно Пръст

Това е свързано с това колко бързо материалът може да пренася енергия. Има име за това, топлопроводимост.

Цитат от Wikipedia:

Преносът на топлина се осъществява по-бързо чрез материали с висока топлопроводимост, отколкото чрез материали с ниска топлопроводимост. Съответно материалите с висока топлопроводимост се използват широко в радиаторите, а материали с ниска топлопроводимост се използват като топлоизолация. Топлопроводимостта на материалите зависи от температурата. Реципрочната стойност на топлопроводимостта се нарича топлинно съпротивление.

Ето някои ресурси за вас:

Ернесто

Това са документи, свързани с тази тема. Топлинната ефузия играе много важна роля при преходни процеси като докосване на обект за много кратко време:

E Marín Концепции на топлинната физика: ролята на топлинния излив Учител по физика 44, 432-434 октомври 2006 г.

Е. Марин Преподаване на топлофизика чрез докосване. Latin American Journal of Physical Education 2, 1, 15-17 (2007)

Топлопроводимостта на метала е по-голяма от тази на дървото. Ако металът и дървото се нагряват до една и съща температура, по-висока от температурата на нашето тяло, тогава при контакт металът ще даде на тялото ни повече топлина за единица време, отколкото дървото. А също и ако металът и дървото са по-студени от нашето тяло. Очевидно при температурата на нашето тяло и металът, и дървото ще се чувстват еднакво горещи на допир.
Способността на топлината да преминава от един материал към друг се нарича проводимост. Металът е добър проводник на топлина. Веществата, които са в околната среда, имат приблизително същата температура като околната среда (е, в зависимост от естеството на веществото)
Ето защо, ако например вземете някакъв метален предмет в ръката си, тогава този обект активно ще отнеме топлината на ръцете ви, сигналите ще се предават към мозъка и ще ви се струва, че металът е студен. Но всъщност можете да се убедите в обратното емпирично. Като вземете монета в ръката си и я държите в ръката си, тогава тя ще престане да бъде студена, защото вече няма да може да отнеме топлината, излъчвана от човек.

Способността на топлината да преминава от един материал към друг се нарича проводимост. Металът е добър проводник на топлина, но неметалните - дърво и пластмаса - лошо провеждат топлина. Всеки метален предмет в стая има приблизително същата температура като въздуха около него. Но нашето тяло има собствена вътрешна „фурна“, която гарантира, че температурата му е между 36 и 37 ° C. Ако докоснете метален предмет, който е заобиколен от въздух, по-охладен от тялото ви, този метален предмет бързо ще извлече топлина от пръстите ви. Поради това пръстите се чувстват студени. Това усещане отива в мозъка ви, който го възприема като студен метал. (Ако държите малък метален предмет, като монета, в ръката си достатъчно дълго, обектът ще абсорбира достатъчно топлина от тялото ви и ще почувствате, че е топъл.) Обратното също е вярно: ако докоснете до него. капак на кола, например, ако стои в горещ ден на слънце, металът ще предаде топлината си към пръстите ви и ще почувствате, че качулката е гореща

Синът ми задава въпроси, които те карат да се замислиш. Наскоро на една от разходките чух - "Защо парче желязо е по-студено от дърво?" Наистина, защо? Трябваше да се ровя в интернет и ето какво успях да намеря.

Какво е топлопренос

Природата е така устроена, че всичко в нея се стреми към баланс, особено температурата. При нормални условия, съгласно основния закон на термодинамиката, топлината от горещо тяло плавно преминава към по-студено. Това ще продължи, докато температурата на двете тела стане една и съща. За всичко са виновни молекулите, които се тласкат една друга при контакт. Както знаете, колкото по-висока е температурата, толкова по-интензивно се движат и при контакт частиците на едно вещество "ускоряват" молекулите на друго, докато самите те се забавят. Така се оказва, че горещ обект се охлажда, а студен се нагрява и веднага щом скоростта на молекулите се изравни, това ще означава, че температурата се е стабилизирала.

Защо металите изглеждат студени

Когато човек излезе навън в мразовит ден, той се озовава в среда, където температурата на всички тела е еднаква. Ако докоснете някое парче желязо, то ще изглежда студено, защото телесната температура е много по-висока - 36,6 ° C. Оказва се, че тялото трябва да нагрява метала, докато се нагрее до неговата температура. Но защо желязото извлича топлина по-бързо от дървото? Всичко е свързано с топлопроводимостта, която е различна за всеки материал. Изразява се в специални единици - W / (m · K) - ват на метър Келвин. Това е израз на топлината, която преминава за единица време през единица площ от хомогенен материал. Например:

• за желязо - 70-75 W / (m · K);
• за дъб - 0,22 W / (m K);
• близо до камък - 1,5 W / (m · K).

Металите имат много свободни електрони, които, получавайки малко топлина, се ускоряват, като по този начин докосват съседни частици, което означава, че нагряват материала. Дървото няма свободни частици, така че само повърхностните молекули получават топлина, като постепенно я пренасят дълбоко в дървото. Ето защо желязото изглежда толкова студено.

Защо желязото изглежда по-студено? - статия

Защо желязото изглежда по-студено?

Природата е създадена по такъв начин, че почти всичко се стреми към баланс. Това важи и за температурата. Ако не се намесвате, тогава от горещи предмети топлината ще потече към студени и това ще продължи, докато температурите им не станат същите. Знаем, че топлината не е някаква течност, която трябва да тече, тя просто го казва. Всъщност не топлината тече, а молекулите се избутват взаимно. В горещ обект молекулите са бързи, така че те натискат по-силно. От ударите на бързи молекули, молекулите на студен обект започват да се движат по-весело, а бързите молекули постепенно се забавят. Следователно студен предмет се нагрява, а горещ се охлажда. Но след известно време молекулите и в двата обекта ще се движат по приблизително еднакъв начин и ще се избутват една друга с еднаква сила. Това означава, че температурите са се изравнили и е настъпило топлинно равновесие.

Когато излизате навън в мразовит ден, тогава топлинното равновесие (или по-добре: студено равновесие?) вече е установено: всички обекти на улицата имат еднаква температура, всички са еднакво студени. Ако вземете термометър и измерите температурата на въздуха, температурата на снега, температурата на оградата и люлката в двора, ще видите, че тя е еднаква за всички. В природата има пълен баланс. Но ако докоснете различни предмети с гола ръка, тогава веднага започвате да се съмнявате, че те имат еднаква температура. През зимата желязото на улицата се чувства много по-студено на допир от дървото. Така че, може би имат различни температури, въпреки че парче дърво лежи до парче желязо? Ами топлинното равновесие?

Факт е, че щом вземете парче желязо в ръцете си, по този начин нарушавате баланса... В крайна сметка всеки човек има вътрешен термичен механизъм, той редовно го нагрява до температура от тридесет и шест градуса. И още шест десети. И щом вземеш желязо с гола ръка, той трябва да нагрее и това парче желязо. И ако вземете дървена дъска, трябва да загреете дъската. Защото ако не се нагреят, ръката скоро ще изстине, което е лошо. Нашият термичен механизъм прави всичко възможно да поддържа температурата вътре постоянна, независимо от нищо.

Разликата е, че желязото премахва топлината по-бързо от дървото. Следователно изглежда по-студено. Въпросът е, че желязото е метал. Основното свойство на металите, което ги отличава от всички останали вещества, е, че имат много свободни електрони вътре. А електроните са много малки и леки частици. Молекулите са хиляди пъти по-тежки. Представете си как огромна молекула от вашата гореща ръка удря малка електроника. От такъв удар електронът ще лети с голяма скорост. Има дори такова сравнение, много подходящо за този случай: лети като попарен. Той лети в дълбините на метала, по пътя, докосвайки атомите и, разбира се, ги разтърсвайки. И ако се люлее, това означава, че се нагрява. От такива "опарени" електрони металът се нагрява много бързо.

Съвсем различна е ситуацията с дървото. Няма свободни електрони. Всички те са обвързани с местата си. Молекулите в ръката ви избутват молекулите на дървото навън. Тези молекули постепенно се люлеят все по-силно и започват да избутват съседите си, които са разположени малко по-дълбоко. Тези, люлеещи се, бутат още по-дълбоко съседи. И т.н. Това е лежерна работа. Топлината прониква в дървото много бавно, което означава, че ръката също се охлажда бавно, така че вашият термичен механизъм не трябва да се напряга твърде много. С желязото не е така. Веднага след като загрее ръката си, електроните вече са "отнесли" цялата топлина. Трябва да се загрее отново. Ето защо желязото изглежда по-студено. Но ако парче желязо е малко, то бързо ще се затопли в дланта ви и термичният механизъм ще въздъхне с облекчение: ръката е престанала да се охлажда и можете да си починете.

Антонина Лукянова

Всички сме забелязали повече от веднъж, че дори в топла стая металните предмети са все още студени на допир. Защо се случва? Защо металът не се нагрява сам?

Летен метал

Нека започнем с факта, че металните предмети не винаги са студени. Спомнете си как метална лъжица става в гореща вода. Например, ако поставите дървена лъжица във вряща вода, тя ще се загрее. Но метална лъжица, която е била във вряща вода, ще се нагрее много повече. Ако боравите небрежно, можете дори да се опарите, като оставите металните прибори за хранене в горещ съд или тиган.

Споделете топлина

Тайната се крие в топлопроводимостта – способността на едно тяло да предава топлина на друго тяло, от по-топли части към по-малко нагрети.

Различните предмети имат различна топлопроводимост. Той е с изключително високо съдържание на метал. На практика това може да се потвърди с просто докосване на метален предмет.

Вземете всеки метален предмет в ръката си, например същата лъжица (която не е била във вряща вода!) Или метални ключове. Нашата нормална телесна температура е 36,6 ° C. Когато докоснем предмет, по-малко горещ от нашето тяло, ние самите започваме да предаваме топлина към него. Повърхностната температура на кожата става по-ниска и ние усещаме студа на обекта.

Прочетете още:

Такава различна топлопроводимост

Нашата телесна топлина започва да нагрява горния слой на хладен обект. Ако обектът има висока топлопроводимост (като нашата метална лъжица или ключове), тогава енергията започва бързо да се разпространява в целия обект. Температурата не се повишава много, топлопреминаването продължава. Обаче артикулът все още е студен.

Ако обектът има ниска топлопроводимост (например като нашата дървена лъжица), тогава горните слоеве се нагряват много по-бързо. Често нагряването се случва мигновено и дори нямаме време да забележим, че обектът е хладен. При предаване на топлина топлопреносът практически спира. Темата стана топла.

Какво се случва с горещите тела?

При горещи обекти процесите протичат в различен ред. Топлопроводимостта на металните тела е висока поради свободните електрони, които са отговорни за металната електропроводимост. Електроните в металните тела се движат бързо в целия обем, пренасяйки топлина към всички части на обекта.