Zjawisko przewodnictwa cieplnego polega na przekazywaniu energii w postaci ciepła w bezpośrednim kontakcie dwóch ciał bez wymiany materii lub z jej wymianą. W tym przypadku energia przechodzi z jednego ciała lub obszaru ciała o wyższej temperaturze do ciała lub obszaru o niższej temperaturze. Cechą fizyczną, która określa parametry wymiany ciepła, jest przewodność cieplna. Co to jest przewodnictwo cieplne i jak jest opisywane w fizyce? Ten artykuł odpowie na te pytania.
Ogólna koncepcja przewodnictwa cieplnego i jego natura
Jeśli odpowiesz w prosty sposób na pytanie, czym jest przewodność cieplna w fizyce, to należy powiedzieć, że wymiana ciepła między dwoma ciałami lub różnymi obszarami tego samego ciała jest procesem wewnętrznej wymiany energii między cząstkami, które tworzą ciało (cząsteczki, atomy, elektrony i jony). Sama energia wewnętrzna składa się z dwóch ważnych części: energii kinetycznej i energii potencjalnej.
Co to jest przewodnictwo cieplne w fizyce z punktu widzenia natury tegowartości? Na poziomie mikroskopowym zdolność materiałów do przewodzenia ciepła zależy od ich mikrostruktury. Na przykład w przypadku cieczy i gazów ten proces fizyczny zachodzi w wyniku chaotycznych zderzeń między cząsteczkami, w ciałach stałych główna część przenoszonego ciepła przypada na wymianę energii między swobodnymi elektronami (w układach metalicznych) lub fononami (substancje niemetaliczne), które są drganiami mechanicznymi sieci krystalicznej.
Matematyczne przedstawienie przewodności cieplnej
Odpowiedzmy na pytanie, czym jest przewodnictwo cieplne z matematycznego punktu widzenia. Jeżeli przyjmiemy ciało jednorodne, to ilość ciepła przekazywanego przez nią w danym kierunku będzie proporcjonalna do pola powierzchni prostopadłej do kierunku przenikania ciepła, przewodności cieplnej samego materiału oraz różnicy temperatur na końcach ciała, a także będzie odwrotnie proporcjonalna do grubości ciała.
Wynikiem jest wzór: Q/t=kA(T2-T1)/x, tutaj Q/t - ciepło (energia) przekazywane przez korpus w czasie t, k - współczynnik przewodności cieplnej materiału, z którego wykonany jest rozpatrywany korpus, A - pole przekroju poprzecznego korpusu, T2 -T1 - różnica temperatur na końcach korpusu, z T2>T1, x - grubość ciała, przez które przekazywane jest ciepło Q.
Sposoby przekazywania energii cieplnej
Rozważając pytanie, jaka jest przewodność cieplna materiałów, warto wspomnieć o możliwych sposobach wymiany ciepła. Energia cieplna może być przenoszona między różnymi ciałami za pomocąnastępujące procesy:
- przewodność - ten proces przebiega bez przenoszenia materii;
- konwekcja - wymiana ciepła jest bezpośrednio związana z ruchem samej materii;
- promieniowanie - wymiana ciepła odbywa się za pomocą promieniowania elektromagnetycznego, czyli za pomocą fotonów.
Aby ciepło mogło być przenoszone za pomocą procesów przewodzenia lub konwekcji, konieczny jest bezpośredni kontakt między różnymi ciałami, z tą różnicą, że w procesie przewodzenia nie ma makroskopowego ruchu materii, ale w procesie konwekcja ten ruch jest obecny. Zwróć uwagę, że mikroskopijny ruch ma miejsce we wszystkich procesach wymiany ciepła.
Dla normalnych temperatur rzędu kilkudziesięciu stopni Celsjusza można powiedzieć, że konwekcja i przewodzenie odpowiadają za większość przenoszonego ciepła, a ilość energii przekazywanej w procesie promieniowania jest pomijalna. Jednak promieniowanie zaczyna odgrywać główną rolę w procesie wymiany ciepła w temperaturach kilkuset tysięcy Kelwinów, ponieważ ilość przekazywanej w ten sposób energii Q wzrasta proporcjonalnie do 4-tej potęgi temperatury bezwzględnej, czyli ∼ T 4. Na przykład, nasze słońce traci większość swojej energii przez promieniowanie.
Przewodność cieplna ciał stałych
Ponieważ w ciałach stałych każda cząsteczka lub atom znajduje się w określonej pozycji i nie może jej opuścić, przenoszenie ciepła przez konwekcję jest niemożliwe, a jedynym możliwym procesem jestprzewodność. Wraz ze wzrostem temperatury ciała wzrasta energia kinetyczna jej składowych cząstek, a każda cząsteczka lub atom zaczyna bardziej intensywnie oscylować. Proces ten prowadzi do ich zderzenia z sąsiednimi cząsteczkami lub atomami, w wyniku takich zderzeń energia kinetyczna jest przekazywana z cząstki na cząstkę, aż wszystkie cząstki ciała zostaną objęte tym procesem.
W wyniku opisanego mechanizmu mikroskopowego, gdy jeden koniec metalowego pręta jest rozgrzany, po pewnym czasie temperatura wyrównuje się na całym pręcie.
Ciepło nie przenosi się równomiernie w różnych materiałach stałych. Są więc materiały, które mają dobrą przewodność cieplną. Łatwo i szybko przenoszą ciepło przez siebie. Ale są też słabe przewodniki ciepła lub izolatory, przez które może przejść niewiele lub wcale.
Współczynnik przewodności cieplnej dla ciał stałych
Współczynnik przewodzenia ciepła dla ciał stałych k ma następujące znaczenie fizyczne: wskazuje ilość ciepła, która przechodzi w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni w dowolnej jednostce grubości oraz nieskończonej długości i szerokości z różnicą temperatur przy jego końce równe jeden stopień. W międzynarodowym układzie jednostek SI współczynnik k jest mierzony w J/(smK).
Współczynnik ten w ciałach stałych zależy od temperatury, dlatego zwyczajowo określa się go w temperaturze 300 K w celu porównania zdolności przewodzenia ciepłaróżne materiały.
Współczynnik przewodności cieplnej metali i niemetalicznych materiałów twardych
Wszystkie metale, bez wyjątku, są dobrymi przewodnikami ciepła, za którego przenoszenie odpowiadają za gaz elektronowy. Z kolei materiały jonowe i kowalencyjne, a także materiały o strukturze włóknistej są dobrymi izolatorami ciepła, czyli słabo przewodzą ciepło. Aby zakończyć ujawnienie pytania, czym jest przewodność cieplna, należy zauważyć, że proces ten wymaga obowiązkowej obecności materii, jeśli jest przeprowadzany z powodu konwekcji lub przewodzenia, dlatego w próżni ciepło może być przenoszone tylko z powodu promieniowanie elektromagnetyczne.
Poniższa lista przedstawia wartości współczynników przewodzenia ciepła dla niektórych metali i niemetali w J/(smK):
- stal - 47-58 w zależności od gatunku stali;
- aluminium - 209, 3;
- brąz - 116-186;
- cynk - 106-140 w zależności od czystości;
- miedź - 372, 1-385, 2;
- mosiądz - 81-116;
- złoty - 308, 2;
- srebrny - 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- włókno szklane - 0.03-0.07;
- cegła - 0, 80;
- drzewo - 0, 13;
- szkło - 0, 6-1, 0.
Tak więc przewodność cieplna metali jest o 2-3 rzędy wielkości wyższa od wartości przewodności cieplnej dla izolatorów, co jest doskonałym przykładem odpowiedzi na pytanie, czym jest niska przewodność cieplna.
Wartość przewodności cieplnej odgrywa ważną rolę w wieluprocesy przemysłowe. W niektórych procesach starają się ją zwiększyć, stosując dobre przewodniki ciepła i zwiększając powierzchnię styku, podczas gdy w innych starają się zmniejszyć przewodność cieplną, zmniejszając powierzchnię styku i stosując materiały termoizolacyjne.
Konwekcja w cieczach i gazach
Przenoszenie ciepła w płynach odbywa się w procesie konwekcji. Proces ten polega na przemieszczaniu się cząsteczek substancji między strefami o różnych temperaturach, czyli podczas konwekcji miesza się ciecz lub gaz. Kiedy płynna materia uwalnia ciepło, jej cząsteczki tracą część swojej energii kinetycznej i materia staje się gęstsza. Wręcz przeciwnie, gdy płynna materia jest podgrzewana, jej cząsteczki zwiększają swoją energię kinetyczną, odpowiednio ich ruch staje się bardziej intensywny, zwiększa się objętość materii i zmniejsza się gęstość. Dlatego zimne warstwy materii mają tendencję do opadania pod wpływem grawitacji, a warstwy gorące próbują się unosić. Proces ten powoduje mieszanie się materii, ułatwiając przenoszenie ciepła między jej warstwami.
Przewodność cieplna niektórych cieczy
Jeśli odpowiesz na pytanie, jakie jest przewodnictwo cieplne wody, należy rozumieć, że jest to spowodowane procesem konwekcji. Współczynnik przewodzenia ciepła wynosi dla niego 0,58 J/(smK).
W przypadku innych cieczy ta wartość jest podana poniżej:
- alkohol etylowy - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
To znaczy wartościprzewodność cieplna dla cieczy jest porównywalna do przewodności stałych izolatorów cieplnych.
Konwekcja w atmosferze
Konwekcja atmosferyczna jest ważna, ponieważ powoduje zjawiska takie jak wiatry, cyklony, formowanie się chmur, deszcz i inne. Wszystkie te procesy podlegają fizycznym prawom termodynamiki.
Wśród procesów konwekcji w atmosferze najważniejszy jest obieg wody. W tym miejscu powinniśmy zastanowić się nad pytaniami o przewodność cieplną i pojemność cieplną wody. Pojemność cieplna wody rozumiana jest jako wielkość fizyczna pokazująca, ile ciepła należy przekazać 1 kg wody, aby jej temperatura wzrosła o jeden stopień. Jest równy 4220 J.
Cykl wodny przebiega w następujący sposób: słońce ogrzewa wody oceanów, a część wody wyparowuje do atmosfery. W wyniku procesu konwekcji para wodna unosi się na dużą wysokość, ochładza się, tworzą się chmury i chmury, które prowadzą do opadów w postaci gradu lub deszczu.
