Kiekvienas mokinys fizikos pamokose mokosi apie šilumos perdavimą. Laidumas, konvekcija, spinduliavimas – šie terminai skamba sudėtingai, bet iš tikrųjų juos galima pamatyti kiekvieną dieną savo namuose. Tereikia žiemą priglausti delną prie lango arba pastovėti šalia balkono durų.
Šiandien pakalbėsime apie tai, kaip fizikos dėsniai veikia mūsų butuose. Paaiškinsime, kodėl šiuolaikiniai plastikiniai langai taip skiriasi nuo senų sovietinių, ir kaip balkonų stiklinimas iš tikrųjų yra pritaikyta termodinamika. Supratę teoriją, galėsime paaiškinti, kodėl vienur šilta, o kitur šalta.
Trys šilumos perdavimo būdai
Prieš kalbant apie langus ir balkonus, prisiminkime pagrindus. Šiluma gali keliauti trimis būdais:
Laidumas – tai šilumos perdavimas per medžiagą, kai molekulės perduoda energiją viena kitai. Palieskite metalinį šaukštą, įmerktą į karštą arbatą – pajusite, kaip šiluma „keliauja” į viršų. Tas pats vyksta lango stikle: šiltas vidaus oras šildo vidinį stiklo paviršių, šiluma pereina per stiklą ir išsispinduliuoja į lauką.
Konvekcija – tai šilumos perdavimas judant pačiai medžiagai, dažniausiai orui ar skysčiui. Šiltas oras kyla į viršų, šaltas leidžiasi žemyn. Todėl prie senų langų jaučiame „skersvėjį” – šaltas oras nuo lango leidžiasi žemyn ir slenka per grindis.
Spinduliavimas – tai šilumos perdavimas elektromagnetinėmis bangomis. Saulė šildo Žemę būtent spinduliuodama. Žiemą mūsų kūnas spinduliuoja šilumą link šaltų paviršių – langų, sienų – ir dėl to jaučiamės nejaukiai, net jei oro temperatūra kambaryje pakankama.
Kodėl langai – silpniausia vieta
Siena iš plytų ar betono turi tam tikrą šilumos varžą. Stiklas – daug mažesnę. Paprastas vieno stiklo langas praleidžia šilumą maždaug dešimt kartų greičiau nei įprasta siena.
Štai kodėl senuose namuose su viengubais langais žiemą taip šalta. Net jei sienos storos ir gerai izoliuotos, langai veikia kaip „skylės”, pro kurias šiluma tiesiog išteka.
Šiuolaikiniai langai su dvigubais ar trigubais stiklo paketais sprendžia šią problemą keliais būdais. Pirma – oro arba argono tarpas tarp stiklų veikia kaip izoliatorius. Oras yra prastas šilumos laidininkas, todėl šiluma negali lengvai pereiti iš vieno stiklo į kitą.
Antra – specialios dangos ant stiklo atspindi infraraudonąjį spinduliavimą atgal į kambarį. Tai vadinama „mažo emisyvumo” arba Low-E danga. Tokiu būdu sumažinami šilumos nuostoliai dėl spinduliavimo.
Balkonas kaip fizikos laboratorija
Atviras balkonas – puiki vieta stebėti šilumos perdavimo procesus. Žiemą jis tampa šalčio „šaltiniu”, kuris veikia visą gretimą kambarį.
Pirma, šaltas oras nuo balkono tiesiogiai veikia balkono duris ir langą šalia. Stiklas ir rėmai aušta, prasideda konvekcija – šaltas oras slenka į kambarį per grindis.
Antra, šalti balkono durų ir lango paviršiai traukia šilumą iš kambario per spinduliavimą. Žmogus, sėdintis šalia balkono durų, jaučiasi nejaukiai, nors termometras rodo normalią temperatūrą.
Trečia, jei durys ar langai netankūs, prasideda tiesioginis šalto oro patekimas – tai jau nebe konvekcija, o infiltracija.
Įstiklinus balkoną, sukuriama vadinamoji buferinė zona. Balkonas tampa tarpiniu sluoksniu tarp lauko ir kambario. Net jei balkono stiklinimas nėra toks „šiltas” kaip kambario langai, jis drastiškai sumažina temperatūrų skirtumą. Vietoj -15°C lauke ir +22°C kambaryje turime -15°C lauke, +5°C balkone ir +22°C kambaryje. Šilumos srautas per balkono duris sumažėja kelis kartus.
Praktinis eksperimentas namų sąlygomis
Mokiniai gali patys ištirti šilumos nuostolius namuose. Tam reikės tik infraraudonųjų spindulių termometro arba net paprasto termometro.
Išmatuokite temperatūrą kambario centre, prie lango vidinės pusės, prie išorinės sienos ir balkono durų. Palyginkite skirtumus. Kuo didesnis skirtumas tarp kambario centro ir paviršiaus – tuo didesni šilumos nuostoliai toje vietoje.
Kitas eksperimentas – žvakės testas. Uždekite žvakę ir lėtai veskite ją palei lango kraštus. Jei liepsna svyruoja ar linksta – ten yra oro srovė, vadinasi, langas netankus.
Galima apskaičiuoti ir apytikrius šilumos nuostolius. Jei žinote lango plotą ir jo U vertę (šilumos perdavimo koeficientą), galite pritaikyti formulę: Q = U × A × ΔT, kur Q – šilumos srautas vatais, A – plotas kvadratiniais metrais, ΔT – temperatūrų skirtumas.
Kodėl tai svarbu
Supratimas, kaip veikia šilumos perdavimas, padeda priimti protingus sprendimus. Kai matome didelę šildymo sąskaitą, galime ne tik skųstis, bet ir analizuoti – kur šiluma dingsta ir ką galima pakeisti.
Energetinis efektyvumas – tai ne tik ekonomija. Tai ir aplinkosauga. Kuo mažiau energijos švaistome šildymui, tuo mažiau išmetame į atmosferą. Kiekvienas kilovatas, kurį sutaupome, reiškia mažiau sudegintų gamtinių išteklių. Tai tema, kuri jungia fiziką, ekonomiką ir ekologiją – puikus pavyzdys, kaip mokslas veikia realiame gyvenime.
Mokykloje mokomės teorijos. Namuose galime ją pritaikyti praktiškai. Kitą kartą, kai fizikos mokytoja kalbės apie šilumos laidumą, galėsite papasakoti, kaip tai matote savo bute. Ir galbūt net įtikinti tėvus, kad laikas pagalvoti apie langų keitimą – su moksliniais argumentais, formulėmis ir eksperimentų rezultatais.
