Теплопроводность газов

Явление теплопроводности присуще всем веществам, независимо от того, в каком состоянии они находятся, в твердом, жидком или газообразном. В газах теплопроводность осуществляется за счет поступательного движения атомов или молекул, из которых состоит газ, и за счет столкновения этих частиц между собой. Теплопроводность газов различна и зависит она от того, насколько тяжелы атомы или молекулы, из которых состоит газ. Чем легче атомы или молекулы, тем они более подвижны, и тем больше теплопроводность газа.

Мы вам продемонстрируем теплопроводность двух газов - воздуха и гелия, и попытаемся в результате опыта сопоставить эту теплопроводность. Для демонстрации собрана такая установка. На вертикальной панели закреплены два стеклянных цилиндра, внутри которых протянута нихромовая спираль. Эта нихромовая спираль протянута через оба цилиндра, вот здесь вверху находится такая металлическая перемычка, соединяющая обе спирали. И через эти спирали мы будем пропускать ток, причем ток будет течь через обе спирали один и тот же по величине, и та тепловая энергия, которая будет выделяться в обеих спиралях при прохождении тока, будет также одинаковая.

К правому цилиндру, в верхней его части, через штуцер подсоединен резиновый шланг, который соединен через редуктор с баллоном, в котором находится гелий. В процессе опыта мы будем вытеснять воздух из правого цилиндра гелием. Для этого мы откроем редуктор и в нужный момент пустим гелий в правый цилиндр.

Сейчас я включаю цепь, замыкаю цепь спиралей, и через спирали пойдет электрический ток. Вот вы видите, как при прохождении тока через спирали они раскалились, причем обратите внимание на то, что яркость свечения обеих спиралей одинакова. Как я уже говорил, ток, текущий через спирали, один и тот же, и сейчас тепловая энергия, которая выделяется на спиралях в правом и левом цилиндре одинакова.

Яркость свечения спиралей зависит не только от того, какая тепловая энергия выделяется в этих спиралях, но еще зависит от того, как быстро отводится эта тепловая энергия от спиралей. Она отводится в данном случае от спиралей, главным образом, за счет теплопроводности воздуха, заполняющего сейчас оба цилиндра. Цилиндры холодные, они соприкасаются с комнатным воздухом, температура цилиндров - это температура помещения, а температура спиралей довольно высока - порядка 800-900°C. И вот сейчас молекулы воздуха снуют от цилиндра к спирали и обратно и уносят тепло от спиралей.

Попробуем вытеснить воздух в правом цилиндре. Для этого я открываю редуктор, и гелий начинает поступать в правый цилиндр сверху. Он более легкий, он вытеснил воздух. Смотрите, он вытеснил воздух, и спираль практически сейчас не видно. Она не светится, хотя ток через эту спираль продолжает идти, тепловая энергия выделяется в этой спирали. Теплопроводность гелия в 6 раз больше, чем теплопроводность воздуха, и за счет такой большой теплопроводности гелия и осуществляется быстрый теплоперенос от спирали к стенкам цилиндра, почему температура спирали резко понизилась. Она понизилась до такой степени, что мы не видим теперь ее свечения.

Попробуем вытеснить воздухом гелий из правого цилиндра. Для этого я снимаю шланг, и воздух снизу поступает в правый цилиндр, вытесняя гелий. И вот по мере того, как воздух вытесняет гелий, снова мы видим свечение спирали. Снова теплопроводность газа, заполняющего правый цилиндр, меньше, чем в случае гелия, и вновь спираль раскалилась.