Почему металлы проводят электричество быстрее, чем тепло?

В случае теплопередачи провод остается электрически нейтральным, поэтому один электрон может взаимодействовать только с другими электронами в непосредственной близости путем столкновений, но не влияет на электроны вдали. Таким образом, сигнал о повышенной температуре (т.е. более высокой тепловой скорости) передается путем столкновений от одного электрона к другому. В лучшем случае происходят случайные столкновения, так что следующий электрон всегда движется в правильном направлении. Тогда информация о повышенной температуре может распространяться не более чем со скоростью, эквивалентной тепловой скорости электронов, что составляет около 100 км/с или 0,3% скорости света.

В случае с электричеством вы выталкиваете дополнительные электроны на одну сторону провода. Этот избыток заряда вызовет формирование электрического поля, которое распространяется со скоростью света. Таким образом, это электрическое поле может почти мгновенно воздействовать на все электроны в проводе, даже на электроны, находящиеся далеко на другом конце провода. Все электроны начнут двигаться в одном направлении под действием этого электрического поля.

Короче говоря, передача тепла аналогична отправке сообщения через эстафету, в то время как передача электричества эквивалентна обману в этой гонке, когда вы звоните человеку на конце линии с вашего телефона и сообщаете ему сообщение.

Почему металлы проводят электричество быстрее, чем тепло?

Если под электричеством вы подразумеваете протекание тока, то вопрос имеет смысл (по крайней мере, для меня) только в переходных условиях в отношении того, как быстро устанавливается устойчивый поток тепла по сравнению с тем, как быстро устанавливается устойчивый поток тока, как обсуждается ниже. В установившихся условиях это сравнение яблок и апельсинов, поскольку ток — это скорость переноса заряда, а тепло — скорость передачи энергии.

Переходные условия:

Возьмите металлический проводник, проволоку. В момент времени t=0 вы прикладываете разность потенциалов между концами провода. Почти мгновенно устанавливается электрическое поле, и электроны почти мгновенно начинают двигаться по проводнику с некоторой средней дрейфовой скоростью. Таким образом, ток почти мгновенный во всем проводнике.

Возьмите один и тот же провод изначально при комнатной температуре. Подвижные электроны в проводе будут иметь одинаковое случайное тепловое движение по всему проводу, примерно пропорциональное температуре. Теперь в момент времени t=0 устанавливают контакт одного конца провода с высокотемпературным источником постоянной температуры с другим концом, контактирующим с источником постоянной более низкой температуры, равной комнатной температуре. Теплоизолируйте окружность провода, чтобы предотвратить передачу тепла окружающему воздуху.

Разница температур между концами аналогична разности потенциалов. Хаотическое тепловое движение электронов вблизи высокотемпературного конца будет увеличиваться. Из-за столкновений с электронами, находящимися дальше от горячего конца, усиление теплового движения будет прогрессировать к концу с более низкой температурой, пока теоретически не установится линейный градиент температуры по длине проводника. Однако, в отличие от тока, это развитие теплового движения не будет мгновенным, как в случае коллективного движения заряда. Это займет время.

Стационарные условия:

Применимое уравнение стационарного теплового потока:

Применимое уравнение текущего потока:

Уравнения примерно аналогичны скорости теплопередачи$\dot Q$аналог тарифного транспорта$I$, теплопроводность$k_{t}$аналогично электропроводности$k_e$, а разница температур$T_{H}-T_{L}$аналог разности потенциалов$V_{H}-V_{L}$. Длина и площадь поперечного сечения провода,$L$и$A$, соответственно.

Но ток и скорость теплопередачи - это разные вещи, поэтому я сравниваю яблоки с апельсинами.

«Однако, в отличие от тока, это развитие теплового движения не будет мгновенным, как в случае коллективного движения заряда. Это займет время». Не могли бы вы немного рассказать об этом, почему это так, это ключ к моему вопросу.

Во-первых, движение электронов при протекании тока есть коллективное движение, называемое дрейфовой скоростью, пропорциональное току. Это движение обусловлено однонаправленной электрической силой, приложенной электрическим полем к электронам. Это электрическое поле движется в проводнике со скоростью, близкой к скорости света. Так что все электроны немедленно начинают двигаться.

С другой стороны, тепловое движение электронов при нагреве проводника носит случайный характер. Они не перемещаются вместе по проводнику. Электроны с высоким тепловым движением (случайные скорости) вблизи источника тепла сталкиваются с соседними электронами вдали от источника, имеющими меньшее тепловое движение (более низкую температуру), передавая кинетическую энергию этим электронам, повышая температуру проводника дальше от источника. Они, в свою очередь, сталкиваются с соседними электронами и так далее, пока тепловое движение всех электронов в проводнике не увеличится, что приведет к повышению температуры. Все это требует времени.

Посмотрите следующее видео, показывающее, как температура нагретого проводника медленно увеличивается по длине проводника, о чем свидетельствует цвет проводника.

https://www.youtube.com/watch?v=y-ptY0YG9RI

Надеюсь это поможет.

Предположим, у вас есть шланг, полный воды, и откройте кран. Вы видите, что вода практически сразу выходит из патрубка. «Толчок» воды на конце крана достигает воды на конце сопла со скоростью звука в воде — более 1000 футов в секунду. Вода, поступающая в трубу в кране, занимает гораздо больше времени, чтобы достичь дальнего конца. Он движется со скоростью несколько футов в секунду. Если вода в трубе была холодной, а вы подключили горячий кран, то придется дольше ждать, пока горячая вода дойдет до сопла. В проводе «скорость звука» для электронов равна скорости света. При токе в один ампер электроны дрейфуют со скоростью несколько дюймов в секунду. Если тока нет, тепло распространяется только за счет столкновения горячих электронов с холодными электронами, и тепло распространяется еще медленнее.