Почему железо кажется холоднее? - статья

Почему железо кажется холоднее?

Природа устроена так, что почти все стремится к равновесию. Это касается и температуры. Если не вмешиваться, то от горячих предметов тепло будет перетекать к холодным, и так будет происходить до тех пор, пока их температуры не станут одинаковыми. Мы-то знаем, что тепло - это не жидкость какая-то, чтобы перетекать, это просто так говорится. На самом деле не тепло перетекает, а это молекулы друг друга толкают. В горячем предмете молекулы быстрые, поэтому толкаются сильнее. От толчков быстрых молекул молекулы холодного предмета начинают веселее шевелиться, а быстрые молекулы постепенно тормозятся. Поэтому холодный предмет нагревается, а горячий охлаждается. Но через некоторое время молекулы в обоих предметах станут двигаться примерно одинаково и будут толкать друг друга с равной силой. Это и означает, что температуры сравнялись, наступило тепловое равновесие.

Когда ты в морозный денек выходишь на улицу, то там тепловое равновесие (или лучше сказать: холодяное равновесие?) уже установилось: у всех предметов на улице одинаковая температура, все они одинаково холодные. Если взять градусник и измерить температуру воздуха, температуру снега, температуру забора и качелей во дворе, то будет видно, что она у всех одинаковая. В природе царит полное равновесие. Но вот если потрогать голой рукой разные предметы, то сразу начинаешь сомневаться в том, что у них одинаковая температура. Зимой железо на улице на ощупь кажется гораздо холоднее, чем дерево. Так, может быть, у них разная температура, хотя кусок дерева и лежит рядом с куском железа? А как же тепловое равновесие?

Дело в том, что как только ты берешь в руки кусок железа, то ты тем самым равновесие нарушаешь . Ведь у каждого человека внутри - тепловой механизм, он его исправно нагревает до температуры в тридцать шесть градусов. И еще шесть десятых. А как только ты берешь голой рукой железо, то ему приходится и эту железяку нагревать. А если берешь деревянную доску, то приходится доску нагревать. Потому что если их не нагревать, то рука скоро остынет, а это плохо. Наш тепловой механизм изо всех сил старается, чтобы температура внутри была постоянная, ни от чего не зависящая.

Различие в том, что железо отбирает тепло с большей скоростью, чем дерево. Поэтому оно кажется холоднее. Дело в том, что железо - это металл. Главное свойство металлов, которое отличает их от всех других веществ, в том, что у них внутри много свободных электронов. А электроны - это очень маленькие и лёгкие частицы. Молекулы в тысячи раз их тяжелее. Представь-ка себе, как здоровенная молекула твоей горячей руки ударяет по маленькому электрончику. От такого удара электрон полетит с огромной скоростью. Даже сравнение такое есть, очень подходящее к данному случаю: летит, как ошпаренный. Летит он себе в глубь металла, по дороге задевая за атомы и, конечно, раскачивает их. А раз раскачивает, то, значит, нагревает. От таких "ошпаренных" электронов металл прогревается очень быстро.

Совсем по-другому обстоит дело с деревом. Там нет свободных электронов. Все они привязаны к своим местам. Молекулы твоей руки толкают молекулы дерева, которые находятся снаружи. Эти молекулы постепенно раскачиваются все сильнее и сильнее и начинают толкать своих соседок, которые находятся немного поглубже. Те, раскачавшись, толкают еще более глубоко расположенных соседок. И так далее. Дело это неторопливое. Тепло очень медленно проникает в дерево, значит, рука остывает тоже медленно, поэтому твоему тепловому механизму не приходится сильно напрягаться. С железом все совсем не так. Только нагрел руку, как электроны уже "унесли" все тепло. Опять надо нагревать. Вот именно поэтому железо и кажется холоднее. Но если кусок железа небольшой, то он быстро согреется в твоей ладошке, и тепловой механизм вздохнет с облегчением: рука перестала остывать, можно и передохнуть.

Антонина Лукьянова

Мой сын задает такие вопросы, которые заставляют задуматься. Недавно, на одной из прогулок, я услышал - «Почему железка холоднее дерева?». Действительно, почему? Пришлось покопаться в интернете, и вот что мне удалось обнаружить.

Что такое теплообмен

Так устроена природа, что все в ней стремится к равновесию, а особенно температура. В обычных условиях, согласно основному закону термодинамики, тепло от горячего тела будет плавно перетекать к более холодному. Это будет продолжаться до той поры, пока температура обоих тел не станет одинакова. Во всем виноваты молекулы, которые толкают друг друга при контакте. Как известно, чем выше температура, тем интенсивнее они движутся, а при контакте частички одного вещества «разгоняют» молекулы другого, в то время как сами замедляются. Вот и получается, что горячий предмет остывает, а холодный разогревается, и, как только скорость молекул уравняется, это будет означать, что температура стабилизировалась.

Почему металлы кажутся холодными

Когда человек выходит на улицу в морозный день, то он попадает в среду, где температура всех тел одинакова. Если потрогать какую-нибудь железку, то она покажется холодной, ведь температура тела значительно выше - 36,6°C. Получается, что телу приходится нагревать металл до тех пор, пока он не нагреется до его температуры. Но почему железо вытягивает тепло с большей скоростью, чем дерево? Все дело в теплопроводности, которая у каждого материала своя. Она выражается в специальных единицах - Вт/(м·K) - ватт на метр кельвин. Это выражение той теплоты, которая проходит за единицу времени через единицу площади однородного материала. Например:

• у железа - 70-75 Вт/(м·K);
• у дуба - 0,22 Вт/(м·K);
• у камня - 1,5 Вт/(м·K).

У металлов множество свободных электронов, которые, получая некоторое тепло, ускоряются, тем самым задевая соседние частицы, а значит, нагревают материал. У дерева нет свободных частиц, поэтому тепло получают лишь молекулы поверхности, постепенно передавая его вглубь древесины. Поэтому железо и кажется таким холодным.

Все мы не раз замечали, что даже в тёплом помещении металлические предметы на ощупь всё равно холодные. Почему так происходит? Почему металл не нагревается сам по себе?

Изменчивый металл

Начнём с того, что не всегда предметы из металла холодные. Вспомните, какой становится металлическая ложка в горячей воде. Например, если поместить деревянную ложку в кипяток, она нагреется. Но ложка из металла, побывавшая в кипятке, нагреется намного сильнее. При неаккуратном обращении можно даже ошпариться, забыв металлические столовые приборы в горячей кастрюле или сковороде.

Делиться теплом

Секрет кроется в теплопроводности - способности тела передавать тепло другому телу, от более нагретых частей к менее нагретым.

У разных предметов разная теплопроводность. У металла она чрезвычайно высока. Практически это можно подтвердить с помощью обычного прикосновения к металлическому предмету.

Возьмите в руку любой металлический предмет, например ту же ложку (не побывавшую в кипятке!) или металлические ключи. Нормальная температура нашего тела 36,6°C. Когда мы касаемся менее горячего предмета, чем наше тело, мы сами начинаем передавать ему тепло. Температура поверхности кожи становится ниже, и мы ощущаем холод предмета.

Читайте ещё:

Такая разная теплопроводность

Тепло нашего тела начинает нагревать верхний слой прохладного предмета. Если предмет обладает высокой теплопроводностью (как наши металлические ложка или ключи), то энергия начинает стремительно распространяться по всему предмету. Температура увеличивается несильно, передача тепла продолжается. Однако предмет остаётся всё ещё холодным.

Если же предмет имеет низкую теплопроводность (например, как наша деревянная ложка), то верхние слои нагреваются гораздо быстрее. Зачастую нагрев происходит моментально, и мы даже не успеваем заметить, что предмет был прохладным. Когда тепло передано, теплоотдача практически прекращается. Предмет стал тёплым.

А что происходит с горячими телами?

В горячих предметах процессы протекают в ином порядке. Теплопроводность металлических тел является высокой благодаря свободным электронам, отвечающим за металлическую электропроводность. Электроны в металлических телах стремительно двигаются по всему объёму, перенося тепло во все части предмета.

Теплопроводность у металла большая, чем у дерева. Если металл и дерево нагреты до одинаковой температуры, более высокой, чем температура нашего тела, то при соприкосновении металл сообщит нашему телу в единицу времени больше тепла, чем дерево. И также, если металл и дерево холоднее нашего тела. Очевидно, что при температуре нашего тела и металл и дерево будут на ощупь казаться одинаково нагретыми.
Способность тепла переходить от одного материала к другому, называется проводимость. Металл - хороший проводник тепла. Вещества, которые находятся в среде имеют примерно такую же температуру что и среда (ну в зависимости еще от природы в-ва)
Следовательно, если вы например возьмете в руку какой-либо металический предмет, то этот предмет будет активно забирать тепло ваших рук, сигналы будут передаваться в мозг и вам будет казаться, что металл холодный. Но на самом деле можно убедиться в обратном опытным путем. Взяв в руку монету и продержать её в руке, то она перестанет быть холодной, т. к больше не сможет забирать тепло излучаемое человеком.

Способность тепла переходить от одного материала к другому, называется проводимость. Металл - хороший проводник тепла, а неметаллы - дерево и пластмасса - плохо проводят тепло. Любой металлический предмет в помещении имеет примерно такую же температуру, как и окружающий его воздух. А вот наше тело имеет собственную внутреннюю «печку», которая следит за тем, чтобы его температура была между 36 и 37 °С. Если вы прикоснетесь к металлическому предмету, который окружен воздухом более прохладным, чем ваше тело, этот металлический предмет будет быстро забирать тепло с ваших пальцев. Поэтому пальцы чувствуют холод. Это ощущение поступает в ваш мозг, который воспринимает это, как то, что металл холодный. (Если вы подержите в руке небольшой металлический предмет, например монету, достаточно долго, то этот предмет поглотит достаточно тепла вашего тела, и вы будете ощущать, что он теплый.) Справедливо и обратное: если вы дотронетесь, например, до капота автомобиля, который стоит в жаркий день на солнце, металл будет проводить свое тепло к вашим пальцам, и вы почувствуете, что капот горячий

Никколо М.

Почему холодный металл кажется холоднее, чем холодный воздух?

(Я прошу прощения за этот элементарный вопрос. Я не знаю много о физике.)

Допустим, я поставил металлический горшок в холодильник на несколько часов.

На данный момент, я думаю, горшок и воздух (в холодильнике) имеют одинаковую температуру.

Теперь я касаюсь этого горшка. Здесь очень холодно. Но когда я «прикасаюсь» к воздуху (то есть внутри холодильника), он не «чувствует», как холодно. Я не чувствую то же самое "ой!" что я чувствую, когда прикасаюсь к горшку.

Это почему? Почему металл кажется холоднее воздуха, хотя у них обоих одинаковая температура?

(Я знаю, что в газе содержится меньше частиц в одной единице объема по сравнению с твердыми и жидкими веществами, но поскольку «температура» означает «среднюю кинетическую энергию»), предполагается, что меньшее количество частиц воздуха ударит по моей руке со скоростью, которая будет компенсировать их меньшее количество, не так ли?)

Связанный вопрос, для уточнения:

Если я использую термометр для измерения температуры горшка и воздуха (предположим, что это термометр с датчиком, который может касаться объектов), будет ли он показывать одинаковые показания для обоих? Если так, что отличает термометр от моей руки? Я имею в виду, что моя рука - это своего рода термометр, так почему же она сломается, тогда как нечеловеческий термометр сработает?

SjonTeflon

У Веритасиума есть приличное видео об этом, он сравнивает форму для пирога с самим тортом, книгой и металлическим предметом. Затем он спрашивает разных людей на улице, что они думают youtube.com/watch?v=hNGJ0WHXMyE

Эрик Липперт

Интересно, что ваша рука не является термометром; термометр измеряет среднее количество тепловой энергии, которая находится в объекте, но это не то, что вы измеряете своей рукой. «Чувство холода» или «ощущение тепла» в вашей руке на самом деле измеряет, насколько быстро энергия движется между вашей рукой и объектом, а не средняя энергия в объекте .

daviewales

@SWeer, я специально щелкнул по этому вопросу, чтобы связать это видео с Veritasium.

Dubu

Как показывает видео Veritasium, вам не нужен холодильник для этого эффекта. Сравните воспринимаемую температуру металлического блока (или кастрюли, или лезвия) с температурой блока из пенопласта, как при комнатной температуре. Металлический блок будет чувствовать себя холоднее, в то время как блок из пенопласта может даже чувствовать себя теплее, чем воздух вокруг него, потому что он такой хороший изолятор (т.е. плохой теплопроводник).

Wossname

Разве рука и термометр не измеряют температуру сами по себе? Разве это не просто термометр реагирует быстрее, потому что он сделан из металла?

Ответы

Фредерик Брюннер

Короткий ответ:

Термометр измеряет фактическую температуру (которая одинакова для обоих), а ваша рука измеряет передачу энергии (тепла), которая выше для горшка, чем для воздуха.

Длинный ответ:

Ключевое слово: теплопроводность

Разница - это специфический для материала параметр, называемый теплопроводностью . Если вы находитесь в контакте с каким-либо материалом (газом, жидкостью, твердым веществом), тепло, которое является формой энергии, будет течь из среды с более высокой температурой в среду с более низкой температурой. Скорость, с которой это происходит, определяется параметром, называемым теплопроводностью. Металлы, как правило, являются хорошими проводниками тепла, поэтому металл кажется холоднее воздуха, даже если температура одинакова.

По поводу вашего второго вопроса: термометр покажет такую ​​же температуру. Единственная разница - время достижения теплового равновесия, то есть когда термометр показывает правильную температуру.

Последнее замечание: скорость, с которой тепло (энергия) выводится из вашего тела, определяет, воспринимаете ли вы материал как холодный или нет, даже если температура одинакова.

Для справки, вот таблица, в которой перечислены теплопроводности для нескольких материалов:

Ярослав Комар

Ночью добавлю, что есть еще два компонента - теплоемкость среды и ее плотность, которая может влиять на то, как холодно. Это иногда анализируется с точки зрения температуропроводности.

Дан

TL; DR версия этого ответа: наша кожа измеряет передачу энергии, а не температуру.

Дэвид Уилкинс

Так что, если мне очень жарко в солнечный летний день, я должен лежать на серебряной кровати в тени? Милая!

Ян Лалинский

@ Дану, я думаю, что рецепторы на самом деле реагируют на температуру рецепторов , так как температура является одним из определяющих факторов скорости и интенсивности биологических процессов. Когда вы прикасаетесь к металлу, температура рецепторов быстро понижается. Когда вы касаетесь воздуха, ваше тело способно противостоять потере тепла, так что рецепторы остаются около их естественной температуры.

Питер Сток

Я не согласен с мнением, что ваша кожа может измерить теплообмен. Он может измерять только температуру или, если быть более точным, температуру поверхности тела, к которому вы прикасаетесь. Теперь вступает в игру коэффициент температуропроводности: когда вы дотрагиваетесь до холодного куска дерева (низкая температуропроводность), вы передаете тепло древесине, пограничный слой древесины нагревается и ощущается теплым. Если, напротив, вы касаетесь холодного стального блока (высокая температуропроводность), вы также переносите тепло, но тепло быстро переносится внутрь металла, и, таким образом, пограничный слой остается холодным.

По той же причине холодная вода кажется холоднее, чем холодный воздух.

Действительно, это связано с более высокой теплопередачей, но кожа не измеряет это напрямую.

Фредерик Брюннер

Я бы сказал, что «меры» следует понимать как «более или менее экстремально реагирующие на теплообмен в зависимости от скорости».

Питер Сток

@ FredericBrünner Это определение слова «мера». А система (кожный или технический датчик) не может напрямую реагировать на тепловой поток, а только на его влияние, то есть изменение температуры. Нагретый термометр будет измерять температуру в воде, отличную от температуры воздуха, даже если вода и воздух имеют одинаковую температуру. Это также измеряет теплопередачу?

Скайлер

В сущности, теплообмен - это то, что измеряет ваше тело. Это видео действительно ударяет гвоздь по голове того, что вам интересно

Наше тело ощущает поток тепла от одного источника к раковине. Когда скорость передачи выше, объект чувствует себя холоднее / горячее. Объекты, акклиматизировавшиеся до комнатной температуры, будут чувствовать себя более горячими или холодными в зависимости от теплопроводности. Вы можете думать о температуре как об абсолютной метрике.

Чем больше разница температур, тем теплее или холоднее будет чувствовать объект. Но теплопроводность служит множителем, если хотите. Объект на 70 градусов, который всасывает через кончики пальцев тот же поток энергии, что и объект на 30 градусов, имел бы более высокую теплопроводность. Это означает, что дельта H будет одинаковой для обоих объектов, даже если T отличается и дельта T.

Мы не измеряем Т или изменяем Т, а только изменяем тепло.

dmckee ♦

Ответы, которые существуют только для предоставления указателя на сторонний ресурс, определяются как неотвечающие. То, что вы сделали здесь, немного лучше, чем это, потому что вы предложили фразу, суммирующую ситуации, но большинство пользователей Stack Exchange вряд ли получат очень высокую оценку такого ответа. Physics SE стремится быть хранилищем качественных ответов на качественные вопросы, а не фермой ссылок.

Скайлер

Я не думал, что мое объяснение будет лучше, чем видео под рукой, но я все равно включу его.

flewk

Это сложнее, чем физика теплообмена. Наши тактильные ощущения довольно странные.

Одним из примеров может быть то, что люди могут испытывать «холод», а «холод» влияет на другие вкусы.

В отношении процессов недостаточно исследований. В множестве кожных рецепторов у вас есть несколько, которые связаны с температурой.

Один тип ноцирецепторов, которые отвечают за «опасные» раздражители, реагируют на экстремальные температуры.

Два типа терморецепторов регистрируют разницу между горячей и холодной водой. Было показано, что рецепторы холода также реагируют на согревающие раздражители... Они также расположены глубже в дермальном слое, что предполагает, что согревающие раздражители должны быть обнаружены в первую очередь.

Есть также луковицы тельца, которые, как полагают, являются на вкус "холодными".

Терморецепторы на вашем языке также могут влиять на то, как что-то на вкус по отношению к его температуре. Вкус еще более сложный, так как он включает в себя как минимум 3 «отдельных» ощущения и тот факт, что некоторые вкусовые химикаты имеют различный вкус при разных температурах. Фруктоза благоприятствует состоянию фруктопиранозы по сравнению с фруктофуранозой при более низких температурах, и на вкус она слаще, чем другие распространенные подсластители.

Термометр измеряет температуру через равновесие.

Я заметил, что люди упоминают проводимость, которая, вероятно, является лучшим способом объяснить это для небольшого диапазона изменений температуры. Как только вы доберетесь до больших градиентов или экстремальных значений, это будет зависеть от нескольких факторов, включая то, какой из них запускает первый, второй, третий вообще. Затем вы должны рассмотреть латеральное / временное торможение, состояния поляризации, градуированные потенциалы, затворы NT и т. Д. Наконец, вы должны рассмотреть, распространяется ли какой-либо из этих сигналов на мозг и как мозг интерпретирует весь перемешанный беспорядок...

Бруно Фингер

Это связано с тем, насколько быстро материал может передавать энергию. Есть имя для этого, теплопроводность.

Цитата из Википедии:

Передача тепла происходит с большей скоростью через материалы с высокой теплопроводностью, чем через материалы с низкой теплопроводностью. Соответственно, материалы с высокой теплопроводностью широко используются в теплоотводах, а материалы с низкой теплопроводностью используются в качестве теплоизоляции. Теплопроводность материалов зависит от температуры. Обратная величина теплопроводности называется тепловым сопротивлением.

Вот несколько ресурсов для вас:

Эрнесто

Это документы, связанные с этой темой. Тепловая эффузивность играет очень важную роль в переходных процессах, таких как прикосновение к объекту в течение очень короткого времени:

E Marín Концепции теплофизики: роль термического эффузива Учитель физики 44, 432-434 октябрь 2006

Э. Марин Преподавание теплофизики при прикосновении. Латиноамериканский журнал по физическому воспитанию 2, 1, 15-17 (2007)