Fenomén tepelnej vodivosti je prenos energie vo forme tepla pri priamom kontakte dvoch telies bez akejkoľvek výmeny hmoty alebo s jej výmenou. V tomto prípade energia prechádza z jedného tela alebo oblasti tela s vyššou teplotou do tela alebo oblasti s nižšou teplotou. Fyzikálna charakteristika, ktorá určuje parametre prenosu tepla, je tepelná vodivosť. Čo je tepelná vodivosť a ako sa opisuje vo fyzike? Tento článok odpovie na tieto otázky.
Všeobecný pojem tepelnej vodivosti a jej povaha
Ak jednoducho odpoviete na otázku, čo je tepelná vodivosť vo fyzike, potom treba povedať, že prenos tepla medzi dvoma telesami alebo rôznymi oblasťami toho istého telesa je proces vnútornej výmeny energie medzi časticami, ktoré tvoria telo (molekuly, atómy, elektróny a ióny). Samotná vnútorná energia pozostáva z dvoch dôležitých častí: kinetickej energie a potenciálnej energie.
Čo je tepelná vodivosť vo fyzike z hľadiska jej podstatyhodnoty? Na mikroskopickej úrovni závisí schopnosť materiálov viesť teplo od ich mikroštruktúry. Napríklad pri kvapalinách a plynoch k tomuto fyzikálnemu procesu dochádza v dôsledku chaotických zrážok medzi molekulami, v pevných látkach pripadá hlavný podiel odovzdaného tepla na výmenu energie medzi voľnými elektrónmi (v kovových sústavách) alebo fonónmi (nekovové látky).), čo sú mechanické vibrácie kryštálovej mriežky.
Matematické vyjadrenie tepelnej vodivosti
Poďme odpovedať na otázku, čo je tepelná vodivosť, z matematického hľadiska. Ak vezmeme homogénne teleso, potom množstvo tepla preneseného cez neho v danom smere bude úmerné ploche kolmej na smer prestupu tepla, tepelnej vodivosti samotného materiálu a rozdielu teplôt na koncoch tepelnej energie. telo a bude tiež nepriamo úmerné hrúbke tela.
Výsledkom je vzorec: Q/t=kA(T2-T1)/x, tu Q/t - teplo (energia) prenesená telesom za čas t, k - súčiniteľ tepelnej vodivosti materiálu, z ktorého je uvažované teleso vyrobené, A - plocha prierezu telesa, T2 -T 1 – teplotný rozdiel na koncoch tela s T2>T1, x - hrúbka telesa, cez ktoré sa prenáša teplo Q.
Metódy prenosu tepelnej energie
Pri otázke, aká je tepelná vodivosť materiálov, treba spomenúť možné spôsoby prenosu tepla. Tepelná energia sa môže prenášať medzi rôznymi telesami pomocounasledujúce procesy:
- vodivosť – tento proces prebieha bez prenosu hmoty;
- konvekcia - prenos tepla priamo súvisí s pohybom samotnej hmoty;
- žiarenie - prenos tepla sa uskutočňuje vďaka elektromagnetickému žiareniu, teda pomocou fotónov.
Na prenos tepla pomocou procesov vedenia alebo konvekcie je potrebný priamy kontakt medzi rôznymi telesami s tým rozdielom, že v procese vedenia nedochádza k makroskopickému pohybu hmoty, ale v procese konvekcia tento pohyb je prítomný. Všimnite si, že mikroskopický pohyb prebieha vo všetkých procesoch prenosu tepla.
Pre bežné teploty niekoľko desiatok stupňov Celzia možno povedať, že konvekcia a kondukcia tvoria podstatnú časť odovzdaného tepla a množstvo energie odovzdanej v procese žiarenia je zanedbateľné. Žiarenie však začína hrať hlavnú úlohu v procese prenosu tepla pri teplotách niekoľko stoviek a tisíc Kelvinov, pretože množstvo takto prenesenej energie Q rastie úmerne so 4. mocninou absolútnej teploty, teda ∼ T. 4. Napríklad naše slnko stráca väčšinu svojej energie žiarením.
Tepelná vodivosť pevných látok
Keďže v pevných látkach je každá molekula alebo atóm v určitej polohe a nemôže ju opustiť, prenos tepla konvekciou je nemožný a jediný možný proces jevodivosť. So zvyšujúcou sa telesnou teplotou sa zvyšuje kinetická energia jeho častíc a každá molekula alebo atóm začne intenzívnejšie oscilovať. Tento proces vedie k ich zrážke so susednými molekulami alebo atómami, v dôsledku ktorých sa kinetická energia prenáša z častice na časticu, až kým nie sú týmto procesom pokryté všetky častice tela.
V dôsledku opísaného mikroskopického mechanizmu, keď sa jeden koniec kovovej tyče zahreje, po chvíli sa teplota na celej tyči vyrovná.
Teplo sa v rôznych pevných materiáloch neprenáša rovnako. Existujú teda materiály, ktoré majú dobrú tepelnú vodivosť. Ľahko a rýchlo vedú teplo cez seba. Existujú však aj slabé tepelné vodiče alebo izolátory, cez ktoré môže prechádzať len málo alebo žiadne teplo.
Koeficient tepelnej vodivosti pre tuhé látky
Koeficient tepelnej vodivosti pre tuhé látky k má nasledujúci fyzikálny význam: udáva množstvo tepla, ktoré prejde za jednotku času jednotkovou povrchovou plochou v akomkoľvek telese s jednotkovou hrúbkou a nekonečnou dĺžkou a šírkou s teplotným rozdielom pri jeho konce sa rovnajú jednému stupňu. V medzinárodnom systéme jednotiek SI sa koeficient k meria v J/(smK).
Tento koeficient v pevných látkach závisí od teploty, preto je zvykom ho určovať pri teplote 300 K, aby sa porovnala schopnosť viesť teplorôzne materiály.
Koeficient tepelnej vodivosti pre kovy a nekovové tvrdé materiály
Všetky kovy bez výnimky sú dobrými vodičmi tepla, za prenos ktorého sú zodpovedné elektrónový plyn. Iónové a kovalentné materiály, ako aj materiály s vláknitou štruktúrou sú zase dobrými tepelnými izolantmi, to znamená, že vedú teplo zle. Na dokončenie odhalenia otázky, čo je tepelná vodivosť, je potrebné poznamenať, že tento proces vyžaduje povinnú prítomnosť hmoty, ak sa vykonáva v dôsledku konvekcie alebo vedenia, preto vo vákuu sa teplo môže prenášať iba elektromagnetické žiarenie.
V zozname nižšie sú uvedené hodnoty koeficientov tepelnej vodivosti pre niektoré kovy a nekovy v J/(smK):
- oceľ - 47-58 v závislosti od triedy ocele;
- hliník - 209, 3;
- bronz - 116-186;
- zinok - 106-140 v závislosti od čistoty;
- meď - 372, 1-385, 2;
- mosadz - 81-116;
- zlato – 308, 2;
- strieborná - 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- sklolaminát - 0,03-0,07;
- tehla - 0, 80;
- strom - 0, 13;
- sklo - 0, 6-1, 0.
Tepelná vodivosť kovov je teda o 2-3 rády vyššia ako hodnoty tepelnej vodivosti pre izolanty, ktoré sú ukážkovým príkladom odpovede na otázku, čo je nízka tepelná vodivosť.
V mnohých hrá dôležitú úlohu hodnota tepelnej vodivostipriemyselné procesy. V niektorých procesoch sa ju snažia zvýšiť použitím dobrých tepelných vodičov a zväčšením kontaktnej plochy, zatiaľ čo v iných sa snažia znížiť tepelnú vodivosť zmenšením kontaktnej plochy a použitím tepelne izolačných materiálov.
Konvekcia v kvapalinách a plynoch
Prenos tepla v tekutinách sa uskutočňuje procesom konvekcie. Tento proces zahŕňa pohyb molekúl látky medzi zónami s rôznymi teplotami, to znamená, že počas konvekcie sa zmiešava kvapalina alebo plyn. Keď tekutá hmota uvoľňuje teplo, jej molekuly strácajú časť svojej kinetickej energie a hmota sa stáva hustejšou. Naopak, keď sa tekutá hmota zahrieva, jej molekuly zväčšia svoju kinetickú energiu, ich pohyb sa zintenzívni, respektíve zväčší sa objem hmoty a zníži sa hustota. To je dôvod, prečo studené vrstvy hmoty majú tendenciu klesať pod vplyvom gravitácie a horúce vrstvy sa snažia stúpať nahor. Tento proces vedie k premiešaniu hmoty, čím sa uľahčuje prenos tepla medzi jej vrstvami.
Tepelná vodivosť niektorých kvapalín
Ak odpoviete na otázku, aká je tepelná vodivosť vody, treba si uvedomiť, že je to spôsobené procesom konvekcie. Súčiniteľ tepelnej vodivosti je 0,58 J/(smK).
Pre ostatné kvapaliny je táto hodnota uvedená nižšie:
- etylalkohol – 0,17;
- acetón - 0, 16;
- glycerol – 0, 28.
To znamená hodnotytepelná vodivosť kvapalín je porovnateľná s vodivosťou pevných tepelných izolátorov.
Konvekcia v atmosfére
Atmosférická konvekcia je dôležitá, pretože spôsobuje javy, ako sú vetry, cyklóny, tvorba oblačnosti, dážď a iné. Všetky tieto procesy sa riadia fyzikálnymi zákonmi termodynamiky.
Z procesov konvekcie v atmosfére je najdôležitejší kolobeh vody. Tu by sme mali zvážiť otázky, aká je tepelná vodivosť a tepelná kapacita vody. Tepelnou kapacitou vody sa rozumie fyzikálna veličina udávajúca, koľko tepla treba odovzdať 1 kg vody, aby sa jej teplota zvýšila o jeden stupeň. Rovná sa 4220 J.
Vodný cyklus prebieha takto: Slnko ohrieva vody oceánov a časť vody sa vyparí do atmosféry. Vplyvom procesu konvekcie vodná para stúpa do veľkej výšky, ochladzuje sa, tvoria sa oblaky a mraky, ktoré vedú k zrážkam v podobe krúp alebo dažďa.
