Fenomenet termisk ledningsevne er overføring av energi i form av varme i direkte kontakt med to legemer uten utveksling av materie eller med utveksling av den. I dette tilfellet går energi fra en kropp eller område av kroppen med høyere temperatur til en kropp eller område med lavere temperatur. Den fysiske egenskapen som bestemmer parametrene for varmeoverføring er termisk ledningsevne. Hva er termisk ledningsevne, og hvordan beskrives den i fysikk? Denne artikkelen vil svare på disse spørsmålene.
Generelt konsept for termisk ledningsevne og dens natur
Hvis du enkelt svarer på spørsmålet om hva termisk ledningsevne er i fysikk, så skal det sies at varmeoverføring mellom to kropper eller ulike områder av samme kropp er en prosess med intern energiutveksling mellom partiklene som utgjør kroppen (molekyler, atomer, elektroner og ioner). Selve indre energi består av to viktige deler: kinetisk energi og potensiell energi.
Hva er termisk ledningsevne i fysikk fra synspunktet til arten av detteverdier? På et mikroskopisk nivå avhenger materialers evne til å lede varme av deres mikrostruktur. For væsker og gasser skjer for eksempel denne fysiske prosessen på grunn av kaotiske kollisjoner mellom molekyler; i faste stoffer faller hovedandelen av den overførte varmen på utveksling av energi mellom frie elektroner (i metalliske systemer) eller fononer (ikke-metalliske stoffer)), som er mekaniske vibrasjoner av krystallgitteret.
Matematisk representasjon av termisk ledningsevne
La oss svare på spørsmålet om hva termisk ledningsevne er, fra et matematisk synspunkt. Hvis vi tar et homogent legeme, vil mengden varme som overføres gjennom den i en gitt retning være proporsjonal med overflatearealet vinkelrett på varmeoverføringsretningen, den termiske ledningsevnen til selve materialet og temperaturforskjellen ved endene av materialet. kropp, og vil også være omvendt proporsjonal med tykkelsen på kroppen.
Resultatet er formelen: Q/t=kA(T2-T1)/x, her Q/t - varme (energi) overført gjennom kroppen i tid t, k - koeffisient for varmeledningsevne for materialet som den betraktede kroppen er laget av, A - tverrsnittsareal av kroppen, T2 -T 1 - temperaturforskjell i endene av kroppen, med T2>T1, x - tykkelsen på kroppen som varme Q overføres gjennom.
Metoder for å overføre termisk energi
Med tanke på spørsmålet om hva som er den termiske ledningsevnen til materialer, bør vi nevne de mulige metodene for varmeoverføring. Termisk energi kan overføres mellom ulike legemer ved hjelp avfølgende prosesser:
- konduktivitet – denne prosessen går uten saksoverføring;
- konveksjon - varmeoverføring er direkte relatert til selve materiens bevegelse;
- stråling - varmeoverføring utføres på grunn av elektromagnetisk stråling, det vil si ved hjelp av fotoner.
For at varme skal overføres ved bruk av lednings- eller konveksjonsprosesser, er direkte kontakt mellom ulike legemer nødvendig, med den forskjellen at i ledningsprosessen er det ingen makroskopisk bevegelse av materie, men i prosessen med konveksjon denne bevegelsen er tilstede. Merk at mikroskopisk bevegelse finner sted i alle varmeoverføringsprosesser.
For normale temperaturer på flere titalls grader celsius kan man si at konveksjon og ledning står for hoveddelen av varmen som overføres, og energimengden som overføres i strålingsprosessen er ubetydelig. Imidlertid begynner stråling å spille en stor rolle i varmeoverføringsprosessen ved temperaturer på flere hundre og tusenvis av Kelvin, siden energimengden Q som overføres på denne måten øker proporsjon alt med 4. potens av absolutt temperatur, det vil si ~ T 4. Solen vår mister for eksempel mesteparten av energien sin gjennom stråling.
Vermeledningsevne for faste stoffer
Siden i faste stoffer er hvert molekyl eller atom i en bestemt posisjon og ikke kan forlate den, er overføring av varme ved konveksjon umulig, og den eneste mulige prosessen erledningsevne. Med en økning i kroppstemperaturen øker den kinetiske energien til dens bestanddeler, og hvert molekyl eller atom begynner å svinge mer intenst. Denne prosessen fører til deres kollisjon med nabomolekyler eller atomer, som et resultat av slike kollisjoner overføres kinetisk energi fra partikkel til partikkel inntil alle partikler i kroppen er dekket av denne prosessen.
Som et resultat av den beskrevne mikroskopiske mekanismen, når den ene enden av en metallstang varmes opp, jevner temperaturen seg ut over hele stangen etter en stund.
Varme overføres ikke likt i forskjellige faste materialer. Så det er materialer som har god varmeledningsevne. De leder enkelt og raskt varme gjennom seg selv. Men det er også dårlige varmeledere eller isolatorer som lite eller ingen varme kan passere gjennom.
Koeffisient for varmeledningsevne for faste stoffer
Den termiske konduktivitetskoeffisienten for faste stoffer k har følgende fysiske betydning: den indikerer mengden varme som passerer per tidsenhet gjennom en enhetsoverflateareal i ethvert legeme med enhetstykkelse og uendelig lengde og bredde med en temperaturforskjell kl. dens ender lik én grad. I det internasjonale enhetssystemet SI måles koeffisienten k i J/(smK).
Denne koeffisienten i faste stoffer avhenger av temperatur, så det er vanlig å bestemme den ved en temperatur på 300 K for å sammenligne evnen til å lede varmeulike materialer.
Vermeledningskoeffisient for metaller og ikke-metalliske harde materialer
Alle metaller, uten unntak, er gode varmeledere, for overføringen av disse er de ansvarlige for elektrongassen. På sin side er ioniske og kovalente materialer, så vel som materialer med en fibrøs struktur, gode varmeisolatorer, det vil si at de leder varme dårlig. For å fullføre avsløringen av spørsmålet om hva termisk ledningsevne er, bør det bemerkes at denne prosessen krever obligatorisk tilstedeværelse av stoff hvis den utføres på grunn av konveksjon eller ledning, derfor kan varme i vakuum bare overføres pga. elektromagnetisk stråling.
Listen nedenfor viser verdiene for varmeledningskoeffisienter for enkelte metaller og ikke-metaller i J/(smK):
- stål - 47-58 avhengig av stålkvalitet;
- aluminium - 209, 3;
- bronse - 116-186;
- sink - 106-140 avhengig av renhet;
- copper - 372, 1-385, 2;
- brass - 81-116;
- gull - 308, 2;
- silver - 406, 1-418, 7;
- gummi - 0, 04-0, 30;
- glassfiber - 0,03-0,07;
- brick - 0, 80;
- tre - 0, 13;
- glass - 0, 6-1, 0.
Dermed er den termiske ledningsevnen til metaller 2-3 størrelsesordener høyere enn de termiske ledningsevneverdiene for isolatorer, som er et godt eksempel på svaret på spørsmålet om hva lav varmeledningsevne er.
Verdien av termisk ledningsevne spiller en viktig rolle i mangeindustrielle prosesser. I noen prosesser søker de å øke den ved å bruke gode varmeledere og øke kontaktflaten, mens de i andre prøver å redusere varmeledningsevnen ved å redusere kontaktflaten og bruke varmeisolerende materialer.
Konveksjon i væsker og gasser
Overføringen av varme i væsker utføres ved konveksjonsprosessen. Denne prosessen involverer bevegelse av molekyler av et stoff mellom soner med forskjellige temperaturer, det vil si under konveksjon, blandes en væske eller gass. Når flytende stoff frigjør varme, mister molekylene noe av sin kinetiske energi og stoffet blir tettere. Tvert imot, når flytende materie varmes opp, øker molekylene deres kinetiske energi, deres bevegelse blir mer intens, henholdsvis, volumet av materie øker og tettheten avtar. Det er derfor de kalde lagene av materie har en tendens til å falle ned under påvirkning av tyngdekraften, og de varme lagene prøver å reise seg. Denne prosessen resulterer i blanding av materie, noe som letter overføringen av varme mellom lagene.
Den termiske ledningsevnen til enkelte væsker
Hvis du svarer på spørsmålet om hva som er varmeledningsevnen til vann, skal det forstås at det skyldes konveksjonsprosessen. Den termiske konduktivitetskoeffisienten for den er 0,58 J/(smK).
For andre væsker er denne verdien oppført nedenfor:
- etylalkohol - 0,17;
- acetone - 0, 16;
- glyserol - 0, 28.
Det vil si verdienetermisk ledningsevne for væsker er sammenlignbar med de for solide varmeisolatorer.
Konveksjon i atmosfæren
Atmosfærisk konveksjon er viktig fordi det forårsaker fenomener som vind, sykloner, skydannelse, regn og andre. Alle disse prosessene følger termodynamikkens fysiske lover.
Blant prosessene med konveksjon i atmosfæren, er den viktigste vannets kretsløp. Her bør vi vurdere spørsmålene om hva som er varmeledningsevnen og varmekapasiteten til vann. Varmekapasiteten til vann forstås som en fysisk størrelse som viser hvor mye varme som må overføres til 1 kg vann slik at temperaturen øker med én grad. Det er lik 4220 J.
Vannets kretsløp utføres som følger: Solen varmer opp vannet i havene, og en del av vannet fordamper inn i atmosfæren. På grunn av konveksjonsprosessen stiger vanndamp til stor høyde, avkjøles, skyer og skyer dannes som fører til nedbør i form av hagl eller regn.
