Fænomenet termisk ledningsevne er overførsel af energi i form af varme i direkte kontakt mellem to legemer uden udveksling af stof eller med dets udveksling. I dette tilfælde går energi fra en krop eller et område af kroppen med en højere temperatur til en krop eller et område med en lavere temperatur. Den fysiske egenskab, der bestemmer parametrene for varmeoverførsel, er termisk ledningsevne. Hvad er termisk ledningsevne, og hvordan beskrives det i fysik? Denne artikel vil besvare disse spørgsmål.
Generelt koncept for termisk ledningsevne og dens natur
Hvis du i enkle vendinger svarer på spørgsmålet om, hvad termisk ledningsevne er i fysik, så skal det siges, at varmeoverførsel mellem to legemer eller forskellige områder af samme krop er en proces med intern energiudveksling mellem partiklerne, der udgør kroppen (molekyler, atomer, elektroner og ioner). Selve indre energi består af to vigtige dele: kinetisk energi og potentiel energi.
Hvad er termisk ledningsevne i fysik set ud fra arten af denneværdier? På et mikroskopisk niveau afhænger materialers evne til at lede varme af deres mikrostruktur. For eksempel, for væsker og gasser, sker denne fysiske proces på grund af kaotiske kollisioner mellem molekyler; i faste stoffer falder hovedandelen af den overførte varme på udvekslingen af energi mellem frie elektroner (i metalliske systemer) eller fononer (ikke-metalliske stoffer)), som er mekaniske vibrationer af krystalgitteret.
Matematisk repræsentation af termisk ledningsevne
Lad os besvare spørgsmålet om, hvad termisk ledningsevne er, ud fra et matematisk synspunkt. Hvis vi tager et homogent legeme, vil mængden af varme, der overføres gennem det i en given retning, være proportional med overfladearealet vinkelret på varmeoverførselsretningen, selve materialets varmeledningsevne og temperaturforskellen i enderne af krop, og vil også være omvendt proportional med kroppens tykkelse.
Resultatet er formlen: Q/t=kA(T2-T1)/x, her Q/t - varme (energi) overført gennem kroppen i tiden t, k - koefficient for varmeledningsevne for det materiale, hvoraf det betragtede legeme er lavet, A - tværsnitsareal af kroppen, T2 -T 1 - temperaturforskel i enderne af kroppen, med T2>T1, x - tykkelsen af kroppen, gennem hvilken varme Q overføres.
Metoder til overførsel af termisk energi
I betragtning af spørgsmålet om, hvad er materialers termiske ledningsevne, bør vi nævne de mulige metoder til varmeoverførsel. Termisk energi kan overføres mellem forskellige legemer vhafølgende processer:
- konduktivitet - denne proces foregår uden sagsoverførsel;
- konvektion - varmeoverførsel er direkte relateret til selve stoffets bevægelse;
- stråling - varmeoverførsel udføres på grund af elektromagnetisk stråling, det vil sige ved hjælp af fotoner.
For at varme kan overføres ved hjælp af lednings- eller konvektionsprocesser, er direkte kontakt mellem forskellige legemer nødvendig, med den forskel, at der i ledningsprocessen ikke er nogen makroskopisk bevægelse af stof, men i processen med konvektion denne bevægelse er til stede. Bemærk, at mikroskopisk bevægelse finder sted i alle varmeoverførselsprocesser.
For normale temperaturer på flere titusgrader Celsius kan man sige, at konvektion og ledning tegner sig for hovedparten af den overførte varme, og mængden af energi, der overføres i strålingsprocessen, er ubetydelig. Imidlertid begynder stråling at spille en stor rolle i varmeoverførselsprocessen ved temperaturer på flere hundrede og tusinder af Kelvin, da mængden af energi Q, der overføres på denne måde, stiger i forhold til 4. potens af absolut temperatur, det vil sige ~ T 4. For eksempel mister vores sol det meste af sin energi gennem stråling.
Varmeledningsevne for faste stoffer
Da hvert molekyle eller atom i faste stoffer er i en bestemt position og ikke kan forlade den, er overførsel af varme ved konvektion umulig, og den eneste mulige proces erledningsevne. Med en stigning i kropstemperaturen øges den kinetiske energi af dets partikler, og hvert molekyle eller atom begynder at oscillere mere intenst. Denne proces fører til deres kollision med tilstødende molekyler eller atomer, som et resultat af sådanne kollisioner overføres kinetisk energi fra partikel til partikel, indtil alle partikler i kroppen er dækket af denne proces.
Som et resultat af den beskrevne mikroskopiske mekanisme, når den ene ende af en metalstang opvarmes, jævner temperaturen sig ud over hele stangen efter et stykke tid.
Varme overføres ikke lige meget i forskellige faste materialer. Så der er materialer, der har god varmeledningsevne. De leder nemt og hurtigt varme gennem sig selv. Men der er også dårlige varmeledere eller isolatorer, som kun lidt eller ingen varme kan passere.
Koefficient for termisk ledningsevne for faste stoffer
Den termiske konduktivitetskoefficient for faste stoffer k har følgende fysiske betydning: den angiver mængden af varme, der passerer per tidsenhed gennem en enhedsoverfladeareal i ethvert legeme med enhedstykkelse og uendelig længde og bredde med en temperaturforskel kl. dens ender lig med en grad. I det internationale system af enheder SI måles koefficienten k i J/(smK).
Denne koefficient i faste stoffer afhænger af temperaturen, så det er sædvanligt at bestemme den ved en temperatur på 300 K for at sammenligne evnen til at lede varmeforskellige materialer.
Vermeledningskoefficient for metaller og ikke-metalliske hårde materialer
Alle metaller, uden undtagelse, er gode varmeledere, for hvis overførsel de er ansvarlige for elektrongassen. Til gengæld er ioniske og kovalente materialer, såvel som materialer med en fibrøs struktur, gode varmeisolatorer, det vil sige, at de leder varme dårligt. For at fuldende afsløringen af spørgsmålet om, hvad termisk ledningsevne er, skal det bemærkes, at denne proces kræver den obligatoriske tilstedeværelse af stof, hvis den udføres på grund af konvektion eller ledning, derfor kan varme i et vakuum kun overføres pga. elektromagnetisk stråling.
Listen nedenfor viser værdierne for varmeledningskoefficienter for nogle metaller og ikke-metaller i J/(smK):
- stål - 47-58 afhængig af stålkvalitet;
- aluminium - 209, 3;
- bronze - 116-186;
- zink - 106-140 afhængigt af renhed;
- kobber - 372, 1-385, 2;
- messing - 81-116;
- guld - 308, 2;
- sølv - 406, 1-418, 7;
- gummi - 0, 04-0, 30;
- glasfiber - 0,03-0,07;
- brick - 0, 80;
- træ - 0, 13;
- glas - 0, 6-1, 0.
Dermed er den termiske ledningsevne af metaller 2-3 størrelsesordener højere end de termiske ledningsevneværdier for isolatorer, som er et glimrende eksempel på svaret på spørgsmålet om, hvad lav varmeledningsevne er.
Værdien af termisk ledningsevne spiller en vigtig rolle i mangeindustrielle processer. I nogle processer søger de at øge den ved at bruge gode varmeledere og øge kontaktarealet, mens de i andre forsøger at reducere termisk ledningsevne ved at reducere kontaktarealet og bruge varmeisolerende materialer.
Konvektion i væsker og gasser
Overførslen af varme i væsker udføres ved konvektionsprocessen. Denne proces involverer bevægelse af molekyler af et stof mellem zoner med forskellige temperaturer, det vil sige under konvektion blandes en væske eller gas. Når flydende stof frigiver varme, mister dets molekyler noget af deres kinetiske energi, og stoffet bliver tættere. Tværtimod, når flydende stof opvarmes, øger dets molekyler deres kinetiske energi, deres bevægelse bliver henholdsvis mere intens, mængden af stof øges, og tætheden falder. Derfor har de kolde lag af stof en tendens til at falde ned under påvirkning af tyngdekraften, og de varme lag forsøger at rejse sig. Denne proces resulterer i blanding af stof, hvilket letter overførslen af varme mellem dets lag.
Den termiske ledningsevne af nogle væsker
Hvis du besvarer spørgsmålet om, hvad vands termiske ledningsevne er, skal det forstås, at det skyldes konvektionsprocessen. Den termiske ledningsevnekoefficient for den er 0,58 J/(smK).
For andre væsker er denne værdi anført nedenfor:
- ethylalkohol - 0,17;
- acetone - 0, 16;
- glycerol - 0, 28.
Det vil sige værdiernetermiske ledningsevner for væsker er sammenlignelige med dem for faste varmeisolatorer.
Konvektion i atmosfæren
Atmosfærisk konvektion er vigtig, fordi den forårsager fænomener som vind, cykloner, skydannelse, regn og andre. Alle disse processer adlyder termodynamikkens fysiske love.
Blandt konvektionsprocesserne i atmosfæren er vandets kredsløb den vigtigste. Her bør vi overveje spørgsmålene om, hvad der er vands termiske ledningsevne og varmekapacitet. Vandets varmekapacitet forstås som en fysisk størrelse, der viser, hvor meget varme der skal overføres til 1 kg vand, så dets temperatur stiger med en grad. Det er lig med 4220 J.
Vandets kredsløb udføres som følger: Solen opvarmer vandet i oceanerne, og en del af vandet fordamper til atmosfæren. På grund af konvektionsprocessen stiger vanddamp til en stor højde, afkøles, skyer og skyer dannes, hvilket fører til nedbør i form af hagl eller regn.
