Γιατί τα πλακάκια μου φαίνονται παγωμένα ενώ τα πατάκια ζεστά;

frozen-feet2Γιατί παγώνουν τα πόδια μου όταν πατάω ξυπόλητος στα πλακάκια του μπάνιου;

Υποθέτοντας ότι έχεις πληρώσει το λογαριασμό του ηλεκτρικού, η απάντηση είναι ότι τα πλακάκια είναι πολύ καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας από το μονίμως ζεστό πατάκι του μπάνιου σου, παρότι και τα δύο βρίσκονται στην ίδια ακριβώς θερμοκρασία.

Είναι κοινή γνώση ότι κάποια πράγματα τα αισθανόμαστε πιο κρύα από κάποια άλλα. Οι άνθρωποι μιλούν για το «ψυχρό ατσάλι» λες και η λεπίδα ενός σπαθιού έχει κάποια υποχρέωση να είναι πιο κρύα απ’ οτιδήποτε άλλο γύρω της. Οι αρτοποιοί προτιμούν να απλώνουν τη ζύμη τους πάνω σε μαρμάρινες επιφάνειες, γιατί «είναι πιο κρύες». Αν βέβαια ακουμπήσεις κι εσύ τη λεπίδα ενός μαχαιριού ή την επιφάνεια ενός μαρμάρου, θα αναγκαστείς να συμφωνήσεις. Πραγματικά τα νιώθεις πιο κρύα.

Κι όμως, δεν είναι. Το ατσάλι, το μάρμαρο και τα πλακάκια δεν είναι ούτε κατά ένα δέκατο του βαθμού πιο κρύα απ’ οτιδήποτε άλλο μέσα στο δωμάτιο. Απλά σου δίνουν την αίσθηση ότι είναι.

Εάν ένα αντικείμενο βρίσκεται μέσα σ’ ένα δωμάτιο για αρκετά μεγάλο διάστημα, τότε το αντικείμενο αυτό θα βρεθεί στη θερμοκρασία που έχουν όλα τα υπόλοιπα αντικείμενα του δωματίου, γιατί οι θερμοκρασίες έχουν την τάση να εξισώνονται. Οι καυτοί καφέδες κρυώνουν και οι παγωμένες μπίρες ζεσταίνονται. Άφησε ένα φλιτζάνι ζεστού καφέ και ένα ποτήρι με κρύα μπίρα δίπλα δίπλα σ’ ένα τραπέζι και ύστερα από κάποια ώρα θα έχουν την ίδια θερμοκρασία, τη θερμοκρασία του συγκεκριμένου δωματίου. (Και πάλι, όμως, εσύ τότε θα βρίσκεις τον καφέ σου κρύο και την μπίρα σου ζεστή, έτσι δεν είναι;)

Ο λόγος γι’ αυτό είναι ότι η θερμότητα «ρέει» από το θερμό προς το ψυχρό και αυτό συμβαίνει διότι τα μόρια σ’ ένα θερμό αντικείμενο κινούνται πιο γρήγορα απ’ ό,τι σ’ ένα ψυχρό’ και αυτό είναι η θερμοκρασία: το μέτρο της μέσης ταχύτητας των μορίων. Έτσι λοιπόν, όταν ένα θερμό αντικείμενο έρθει σ’ επαφή με ένα ψυχρό, τα ταχύτερα μόρια του θερμού αντικειμένου θα συγκρουστούν με τα πιο αργά μόρια του ψυχρού και θα τα επιταχύνουν — δηλαδή, θα τα… θερμάνουν.

Εάν ένα αντικείμενο είναι αρχικά ψυχρότερο από το περιβάλλον μέσα στο οποίο βρίσκεται, τότε η θερμότητα αυτομάτως θα εισρεύσει σε αυτό μέχρι η θερμοκρασία του να εξισωθεί με αυτή του περιβάλλοντος. Εάν είναι θερμότερο, τότε η θερμότητα θα εκρεύσει από αυτό και θα φύγει προς το περιβάλλον. Έχουμε δει ότι μας διευκολύνει να σκεφτόμαστε τη ροή της θερμότητας σε αναλογία με τη ροή του νερού. Κατ’ αυτήν τη λογική, όπως το νερό κυλάει πάντα προς ένα χαμηλότερο επίπεδο, η θερμότητα κυλάει πάντα προς μία χαμηλότερη θερμοκρασία .

Δεν είναι πάντως μονάχα το ατσάλι, τα μάρμαρα και τα πλακάκια που σου δίνουν την αίσθηση του κρύου όταν τα αγγίξεις. Η θερμοκρασία του δέρματός σου είναι λίγο πιο χαμηλή από τους 37 βαθμούς Κελσίου, ενώ οτιδήποτε άλλο μέσα στο δωμάτιό σου (με πιθανή εξαίρεση το καλοριφέρ) βρίσκεται στη μέση θερμοκρασία του δωματίου σου ~ συνήθως γύρω στους 21 βαθμούς Κελσίου. Έτσι λοιπόν, όταν αγγίζεις κάποιο αντικείμενο στο δωμάτιο, θα το αισθανθείς ψυχρότερο απ’ ότι είσαι εσύ για τον απλούστατο λόγο ότι είναι ψυχρότερο απ’ ότι είσαι εσύ. Η θερμότητα λοιπόν θα μεταδοθεί από το δέρμα σου προς το αντικείμενο, και το στερημένο από τη θερμότητα του δέρμα σου θα μεταδώσει σε εσένα την αίσθηση του… «κρύου».

Μάζεψε διάφορα αντικείμενα από το δωμάτιό σου (εκτός από οτιδήποτε είναι φανερά ζεστό ή κρύο, όπως μία κούπα τσάι, ένα φραπέ, ή το σκύλο σου). Πίεσε τα ένα προς ένα στο μέτωπό σου και θα δεις ότι θα τα αισθανθείς όλα ανεξαιρέτως λίγο πιο ψυχρά.

Το θέμα μας πάντως είναι ότι, όπως με δυσφορία έχεις ανακαλύψει, κάποια πράγματα όντως τα νιώθεις πιο κρύα από κάποια άλλα. Για παράδειγμα, τα πλακάκια του μπάνιου τα αισθάνεσαι πιο κρύα απ’ το πατάκι, παρότι είδαμε ότι λογικά βρίσκονται στην ίδια ακριβώς θερμοκρασία.

cold-feetΠώς γίνεται αυτό;

Η απάντηση είναι ότι, ενώ όλα τα αντικείμενα στο δωμάτιό σου είναι πιο κρύα από το δέρμα σου και ως εκ τούτου θα «κλέψουν» κάποια ποσότητα θερμότητας από αυτό, κάποια υλικά είναι καλύτεροι «κλέφτες θερμότητας» απ’ ότι είναι κάποια άλλα. Κάποια υλικά είναι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας — είναι πιο αποτελεσματικά στο να μεταφέρουν την κλεμμένη θερμότητα μακριά από εσένα. Και όσο πιο γρήγορα ένα υλικό μεταφέρει τη θερμότητα τόσο πιο κρύο θα το αισθάνεσαι στο χέρι ή στο πόδι σου. Τα πλακάκια, για παράδειγμα, είναι πολύ καλύτερος αγωγός θερμότητας απ’ το βαμβάκι ή τις συνθετικές ίνες από τα οποία είναι φτιαγμένα τα πατάκια, οπότε η θερμότητα θα εκρεύσει από τις πατούσες σου πολύ πιο γρήγορα όταν πατάς στο πάτωμα κι αυτές, σε αντίποινα, θα σε κάνουν να τις νιώσεις πιο κρύες…

Διαφορετικές ουσίες, αποτελούμενες από μόρια με διαφορετικές ιδιότητες — γι’ αυτό άλλωστε είναι διαφορετικές ουσίες — μεταφέρουν τη θερμότητα με διαφορετικούς ρυθμούς ταχύτητας και βαθμούς αποτελεσματικότητας.

Υλικά που αποτελούνται από μόρια που είναι είτε, μεγάλα, είτε δυσκίνητα, είτε παραμένουν «ακλόνητα» στις θέσεις τους, δεν είναι σε θέση να σπρώξουν τα γειτονικά τους μόρια τόσο εύκολα, συνεπώς δεν μπορούν να μεταδώσουν και τη θερμότητα τόσο γρήγορα. Αυτό ακριβώς συμβαίνει με υλικά όπως το βαμβάκι, το ξύλο και το λάστιχο, για παράδειγμα. Το ξύλινο πάτωμά σου δε δίνει την ίδια ψυχρή αίσθηση που δίνουν τα πλακάκια, έτσι δεν είναι; Αυτό συμβαίνει γιατί τα μεγάλα μόρια του ξύλου δεν μπορούν να κλέψουν τη θερμότητα από το πόδι σου με την ίδια ταχύτητα.

Απ’ όλες τις κατηγορίες ουσιών, τα αέρια είναι οι χειρότεροι αγωγοί της θερμότητας. Τα μόριά τους είναι τόσο μακριά το ένα από το άλλο που με δυσκολία βρίσκουν κάποιο άλλο μόριο για να πέσουν πάνω του, έτσι ώστε να μεταφερθεί η θερμότητα. Σχεδόν τα πάντα είναι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας από τον αέρα και γι’ αυτό σχεδόν οτιδήποτε αγγίζεις σου φαίνεται πιο κρύο. Το συγκρίνεις με τον αέρα που φυσιολογικά σε περιβάλλει και τον έχεις συνηθίσει. Ο αέρας σε μονώνει.

Τα μέταλλα, αντιθέτως, είναι οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας απ’ όλες τις κατηγορίες υλικών λόγω της μοναδικής κατασκευής τους. Περιέχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που μπορούν με ελάχιστη προσπάθεια να μετακινηθούν από το ένα άτομο στο επόμενο. Αυτό είναι που κάνει τα μέταλλα ταυτόχρονα τόσο καλούς αγωγούς του ηλεκτρισμού όσο και καλούς αγωγούς της θερμότητας. Τα μικροσκοπικά και ευκίνητα ηλεκτρόνια μπορούν να μεταφέρουν τη θερμική ενέργεια από το ένα μέρος στο άλλο απείρως αποτελεσματικότερα απ’ τα, συγκριτικά, τεράστια άτομα και μόρια που αναγκαστικά «σπρώχνονται» για να πετύχουν το ίδιο αποτέλεσμα. Εφόσον, λοιπόν, τα μέταλλα είναι οι καλύτεροι δυνατοί κλέφτες θερμότητας, θα τα αισθανθείς πιο κρύα απ’ οτιδήποτε άλλο.

Οι φυσικοί και οι μηχανολόγοι έχουν μετρήσει πόσο αποτελεσματικά διάφορα υλικά μεταδίδουν τη θερμότητα (Τεχνικός όρος: Θερμική αγωγιμότητά). Στον παρακάτω πίνακα μπορείς να δεις πώς η θερμική αγωγιμότητα διαφόρων γνωστών υλικών συγκρίνεται με αυτή του αέρα, την οποία έχω ορίσει ως μονάδα. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός τόσο πιο ψυχρό θα αισθάνεσαι το αντίστοιχο υλικό, όταν αυτό είναι σε θερμοκρασία δωματίου.

slide_7ΠΩΣ ΔΙΑΦΟΡΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕΤΑΔΙΔΟΥΝ ΤΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ, ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟΝ ΑΕΡΑ

Αέρας      1                 Γρανίτης                          130

Λάστιχο  6                Ανοξείδωτο ατσάλι        600

Ξύλο       6                 Σίδηρος                        3.300

Νερό     24                Αλουμίνιο                     9.500

Γυαλί   30-40           Χαλκός                       16.000

Πλακάκι     40          Ασήμι                         17.000

Μάρμαρο   70-120        

Το ηθικό δίδαγμα της ιστορίας: Ποτέ μη ζηλέψεις αυτούς που έχουν ασημένιο κάθισμα στην τουαλέτα τους…

 

b96809

Ρόμπερτ Λ. Γουόλκε – Τι είπε ο Αϊνστάιν στον κουρέα του

by Αντικλείδι , http://antikleidi.com

Συναφές: 

Γιατί δεν πέφτουν τα πουλιά όταν κοιμούνται στα κλαδιά;

Γιατί τα φανάρια έχουν πράσινο, κόκκινο και κίτρινο χρώμα;