Летом нам нравится ходить босиком по плитке дома, и мы чувствуем приятную прохладу на ногах. Зимой мы любим забираться в теплую постель, и даже после того, как встаём, наши ноги одеты в толстые хлопчатобумажные тапочки. Если изоляция хорошая, то разница в температуре в доме зимой и летом невелика, но почему нам кажется, что плитка холоднее?
Оказывается, подобно потокам воды и электричества, в материалах также существует тепловой поток, который течет "вниз", то есть из более теплых мест в более холодные. Когда человек ощущает холод или тепло объекта, он измеряет это по количеству тепла, которое теряется на контактной поверхности с объектом. Поэтому ледяные кубики очень холодные, а горячая вода очень горячая. Тепло передается путем теплопроводности, и его количество зависит от трех факторов: разницы температур между человеком и объектом, площади контакта и теплопроводности объекта.
Теплопроводность — это способность материала проводить тепло. Чем выше теплопроводность, тем больше тепла передается. Как правило, металлические материалы имеют самую высокую теплопроводность, затем жидкости, а затем газы. Например, при 20 °C теплопроводность чистой меди составляет 398 Вт/(м·К), а воды — всего 0,599 Вт/(м·К).
Когда мы стоим босиком на плитке и хлопковом одеяле при одинаковой температуре, разница в температуре и площади контакта одинакова, но теплопроводность плитки примерно в 22 раза выше, чем у одеяла. Поэтому на плитке теряется в 22 раза больше тепла, чем на одеяле. Плитка гораздо лучше изолирует тепло, поэтому на ней стоять холоднее.
Кроме того, в металлических материалах много свободно движущихся электронов, поэтому они обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, потому что электроны могут быстро передавать тепло при столкновении с металлическими ионами. Изоляторы имеют очень мало свободных электронов, поэтому они обычно плохо изолируют тепло. Шерсть животных и одежда людей являются плохими проводниками тепла, а тепловая одежда также имеет очень тонкую теплоизоляционную пленку или другие специальные изоляционные материалы. Однако самый твердый материал в природе — алмаз — тоже является изолятором, но при этом имеет высокую теплопроводность. Это связано с тем, что атомы углерода в нем расположены очень плотно, поэтому тепловое движение атомов очень быстрое. В отличие от этого, тепловая вибрация атомов в других изоляторах происходит гораздо медленнее, а количество электронов, участвующих в теплопроводности, очень мало, поэтому теплопроводность намного меньше.
Теплопроводность сильно зависит от температуры. Теплопроводность чистых металлов и большинства жидкостей (кроме воды) снижается с повышением температуры; неметаллы и газы имеют противоположную тенденцию. Поэтому большинство изоляционных материалов — это пластмассы, резина, стекло и керамика. Асбестовые плиты, уложенные на крыше, используются для изоляции тепла от прямых солнечных лучей, чтобы предотвратить перегрев помещения. Некоторые теплоизоляционные плиты и изоляционные мембраны также должны быть огнестойкими, чтобы предотвратить пожар. Материал тефлон обладает хорошей изоляцией, низкой теплопроводностью, высокой и низкой температурной стойкостью и коррозионной стойкостью. Синий "пузырь" на Водном кубе сделан из него.