Το φαινόμενο της θερμικής αγωγιμότητας είναι η μεταφορά ενέργειας υπό μορφή θερμότητας σε άμεση επαφή δύο σωμάτων χωρίς καμία ανταλλαγή ύλης ή με την ανταλλαγή της. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια περνά από ένα σώμα ή περιοχή του σώματος με υψηλότερη θερμοκρασία σε ένα σώμα ή περιοχή με χαμηλότερη θερμοκρασία. Το φυσικό χαρακτηριστικό που καθορίζει τις παραμέτρους της μεταφοράς θερμότητας είναι η θερμική αγωγιμότητα. Τι είναι η θερμική αγωγιμότητα και πώς περιγράφεται στη φυσική; Αυτό το άρθρο θα απαντήσει σε αυτές τις ερωτήσεις.
Γενική έννοια της θερμικής αγωγιμότητας και η φύση της
Αν απαντήσετε με απλά λόγια στο ερώτημα τι είναι η θερμική αγωγιμότητα στη φυσική, τότε θα πρέπει να πούμε ότι η μεταφορά θερμότητας μεταξύ δύο σωμάτων ή διαφορετικών περιοχών του ίδιου σώματος είναι μια διαδικασία εσωτερικής ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ των σωματιδίων που αποτελούν το σώμα (μόρια, άτομα, ηλεκτρόνια και ιόντα). Η ίδια η εσωτερική ενέργεια αποτελείται από δύο σημαντικά μέρη: την κινητική και τη δυναμική ενέργεια.
Τι είναι η θερμική αγωγιμότητα στη φυσική από την άποψη της φύσης αυτούαξίες? Σε μικροσκοπικό επίπεδο, η ικανότητα των υλικών να μεταφέρουν τη θερμότητα εξαρτάται από τη μικροδομή τους. Για παράδειγμα, για υγρά και αέρια, αυτή η φυσική διαδικασία συμβαίνει λόγω χαοτικών συγκρούσεων μεταξύ μορίων· στα στερεά, το κύριο μερίδιο της μεταφερόμενης θερμότητας πέφτει στην ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ ελεύθερων ηλεκτρονίων (σε μεταλλικά συστήματα) ή φωνονίων (μη μεταλλικές ουσίες), οι οποίες είναι μηχανικές δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος.
Μαθηματική αναπαράσταση της θερμικής αγωγιμότητας
Ας απαντήσουμε στο ερώτημα τι είναι η θερμική αγωγιμότητα, από μαθηματική άποψη. Αν πάρουμε ένα ομοιογενές σώμα, τότε η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται μέσω αυτού σε μια δεδομένη κατεύθυνση θα είναι ανάλογη με την επιφάνεια που είναι κάθετη προς την κατεύθυνση μεταφοράς θερμότητας, τη θερμική αγωγιμότητα του ίδιου του υλικού και τη διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του σώμα, και θα είναι επίσης αντιστρόφως ανάλογο με το πάχος του σώματος.
Το αποτέλεσμα είναι ο τύπος: Q/t=kA(T2-T1)/x, εδώ Q/t - θερμότητα (ενέργεια) που μεταφέρεται μέσω του σώματος σε χρόνο t, k - συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο το υπό εξέταση σώμα, A - εμβαδόν διατομής του σώματος, T2 -T 1 - διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα του σώματος, με T2>T1, x - πάχος του σώματος μέσω του οποίου μεταφέρεται θερμότητα Q.
Μέθοδοι μεταφοράς θερμικής ενέργειας
Λαμβάνοντας υπόψη το ερώτημα ποια είναι η θερμική αγωγιμότητα των υλικών, θα πρέπει να αναφέρουμε τις πιθανές μεθόδους μεταφοράς θερμότητας. Η θερμική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί μεταξύ διαφορετικών σωμάτων χρησιμοποιώνταςπαρακάτω διαδικασίες:
- αγωγιμότητα - αυτή η διαδικασία συνεχίζεται χωρίς μεταφορά ύλης;
- συναγωγή - η μεταφορά θερμότητας σχετίζεται άμεσα με την κίνηση της ίδιας της ύλης;
- ακτινοβολία - η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται λόγω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, δηλαδή με τη βοήθεια φωτονίων.
Για να μεταφερθεί θερμότητα με τη χρήση των διεργασιών αγωγής ή μεταφοράς, είναι απαραίτητη η άμεση επαφή μεταξύ διαφορετικών σωμάτων, με τη διαφορά ότι στη διαδικασία αγωγής δεν υπάρχει μακροσκοπική κίνηση της ύλης, αλλά στη διαδικασία συναγωγή αυτή η κίνηση είναι παρούσα. Σημειώστε ότι η μικροσκοπική κίνηση λαμβάνει χώρα σε όλες τις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας.
Για κανονικές θερμοκρασίες αρκετών δεκάδων βαθμών Κελσίου, μπορεί να ειπωθεί ότι η μεταφορά και η αγωγιμότητα αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που μεταφέρεται και η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται στη διαδικασία ακτινοβολίας είναι αμελητέα. Ωστόσο, η ακτινοβολία αρχίζει να παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας σε θερμοκρασίες αρκετών εκατοντάδων χιλιάδων Kelvin, καθώς η ποσότητα ενέργειας Q που μεταφέρεται με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται αναλογικά με την 4η δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας, δηλαδή ~ T 4. Για παράδειγμα, ο ήλιος μας χάνει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς του μέσω της ακτινοβολίας.
Θερμική αγωγιμότητα στερεών
Δεδομένου ότι στα στερεά κάθε μόριο ή άτομο βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη θέση και δεν μπορεί να το αφήσει, η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή είναι αδύνατη και η μόνη δυνατή διαδικασία είναιαγώγιμο. Με την αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων που το αποτελούν αυξάνεται και κάθε μόριο ή άτομο αρχίζει να ταλαντώνεται πιο έντονα. Αυτή η διαδικασία οδηγεί στη σύγκρουσή τους με γειτονικά μόρια ή άτομα, ως αποτέλεσμα τέτοιων συγκρούσεων η κινητική ενέργεια μεταφέρεται από σωματίδιο σε σωματίδιο έως ότου όλα τα σωματίδια του σώματος καλυφθούν από αυτή τη διαδικασία.
Ως αποτέλεσμα του περιγραφόμενου μικροσκοπικού μηχανισμού, όταν το ένα άκρο μιας μεταλλικής ράβδου θερμαίνεται, η θερμοκρασία εξισορροπείται σε ολόκληρη τη ράβδο μετά από λίγο.
Η θερμότητα δεν μεταφέρεται εξίσου σε διαφορετικά στερεά υλικά. Άρα, υπάρχουν υλικά που έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα. Διοχετεύουν εύκολα και γρήγορα τη θερμότητα μέσω του εαυτού τους. Υπάρχουν όμως και κακοί αγωγοί θερμότητας ή μονωτές από τους οποίους μπορεί να περάσει λίγη ή καθόλου θερμότητα.
Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας για στερεά
Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας για τα στερεά k έχει την ακόλουθη φυσική σημασία: υποδηλώνει την ποσότητα θερμότητας που περνά ανά μονάδα χρόνου από μια μονάδα επιφάνειας σε οποιοδήποτε σώμα μοναδιαίου πάχους και άπειρου μήκους και πλάτους με διαφορά θερμοκρασίας σε τα άκρα του είναι ίσα με μια μοίρα. Στο διεθνές σύστημα μονάδων SI, ο συντελεστής k μετριέται σε J/(smK).
Αυτός ο συντελεστής στα στερεά εξαρτάται από τη θερμοκρασία, γι' αυτό συνηθίζεται να προσδιορίζεται σε θερμοκρασία 300 K για να συγκρίνεται η ικανότητα αγωγής θερμότηταςδιάφορα υλικά.
Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας για μέταλλα και μη μεταλλικά σκληρά υλικά
Όλα τα μέταλλα, ανεξαιρέτως, είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας, για τη μεταφορά της οποίας είναι υπεύθυνα για το αέριο ηλεκτρονίων. Με τη σειρά τους, τα ιοντικά και ομοιοπολικά υλικά, καθώς και τα υλικά με ινώδη δομή, είναι καλοί μονωτές θερμότητας, δηλαδή διοχετεύουν ελάχιστα τη θερμότητα. Για να ολοκληρωθεί η αποκάλυψη του ερωτήματος του τι είναι η θερμική αγωγιμότητα, θα πρέπει να σημειωθεί ότι αυτή η διαδικασία απαιτεί την υποχρεωτική παρουσία ύλης εάν πραγματοποιείται λόγω μεταφοράς ή αγωγιμότητας, επομένως, στο κενό, η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί μόνο λόγω ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Η παρακάτω λίστα δείχνει τις τιμές των συντελεστών θερμικής αγωγιμότητας για ορισμένα μέταλλα και αμέταλλα σε J/(smK):
- χάλυβας - 47-58 ανάλογα με την ποιότητα χάλυβα;
- αλουμίνιο - 209, 3;
- χάλκινο - 116-186;
- ψευδάργυρος - 106-140 ανάλογα με την καθαρότητα;
- χαλκός - 372, 1-385, 2;
- ορείχαλκος - 81-116;
- χρυσός - 308, 2;
- ασημί - 406, 1-418, 7;
- λάστιχο - 0, 04-0, 30;
- fiberglass - 0,03-0,07;
- τούβλο - 0, 80;
- δέντρο - 0, 13;
- γυαλί - 0, 6-1, 0.
Έτσι, η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων είναι 2-3 τάξεις μεγέθους υψηλότερη από τις τιμές θερμικής αγωγιμότητας για μονωτές, οι οποίες αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα της απάντησης στο ερώτημα τι είναι η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα.
Η τιμή της θερμικής αγωγιμότητας παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλάβιομηχανικές διαδικασίες. Σε ορισμένες διαδικασίες, επιδιώκουν να την αυξήσουν χρησιμοποιώντας καλούς αγωγούς θερμότητας και αυξάνοντας την επιφάνεια επαφής, ενώ σε άλλες προσπαθούν να μειώσουν τη θερμική αγωγιμότητα μειώνοντας την επιφάνεια επαφής και χρησιμοποιώντας θερμομονωτικά υλικά.
Συναγωγή σε υγρά και αέρια
Η μεταφορά θερμότητας στα ρευστά πραγματοποιείται με τη διαδικασία της συναγωγής. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την κίνηση μορίων μιας ουσίας μεταξύ ζωνών με διαφορετικές θερμοκρασίες, δηλαδή, κατά τη μεταφορά, ένα υγρό ή ένα αέριο αναμιγνύεται. Όταν η ρευστή ύλη απελευθερώνει θερμότητα, τα μόριά της χάνουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας και η ύλη γίνεται πιο πυκνή. Αντίθετα, όταν η ρευστή ύλη θερμαίνεται, τα μόριά της αυξάνουν την κινητική τους ενέργεια, η κίνησή τους γίνεται εντονότερη, αντίστοιχα, ο όγκος της ύλης αυξάνεται και η πυκνότητα μειώνεται. Γι' αυτό τα ψυχρά στρώματα της ύλης τείνουν να πέφτουν κάτω υπό την επίδραση της βαρύτητας και τα θερμά στρώματα προσπαθούν να ανέβουν. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα την ανάμειξη της ύλης, διευκολύνοντας τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ των στρωμάτων της.
Η θερμική αγωγιμότητα ορισμένων υγρών
Αν απαντήσετε στο ερώτημα ποια είναι η θερμική αγωγιμότητα του νερού, θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι οφείλεται στη διαδικασία μεταφοράς. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας για αυτό είναι 0,58 J/(smK).
Για άλλα υγρά, αυτή η τιμή αναφέρεται παρακάτω:
- αιθυλική αλκοόλη - 0,17;
- ασετόνη - 0, 16;
- γλυκερόλη - 0, 28.
Δηλαδή οι τιμέςΗ θερμική αγωγιμότητα των υγρών είναι συγκρίσιμη με εκείνη των στερεών θερμομονωτών.
Συναγωγή στην ατμόσφαιρα
Η ατμοσφαιρική μεταφορά είναι σημαντική γιατί προκαλεί φαινόμενα όπως ανέμους, κυκλώνες, σχηματισμό νεφών, βροχή και άλλα. Όλες αυτές οι διεργασίες υπακούουν στους φυσικούς νόμους της θερμοδυναμικής.
Μεταξύ των διεργασιών μεταφοράς στην ατμόσφαιρα, η πιο σημαντική είναι ο κύκλος του νερού. Εδώ θα πρέπει να εξετάσουμε τα ερωτήματα για το ποια είναι η θερμική αγωγιμότητα και η θερμοχωρητικότητα του νερού. Ως θερμοχωρητικότητα του νερού νοείται μια φυσική ποσότητα που δείχνει πόση θερμότητα πρέπει να μεταφερθεί σε 1 κιλό νερού, ώστε η θερμοκρασία του να αυξηθεί κατά ένα βαθμό. Είναι ίσο με 4220 J.
Ο κύκλος του νερού πραγματοποιείται ως εξής: ο ήλιος θερμαίνει τα νερά των ωκεανών και μέρος του νερού εξατμίζεται στην ατμόσφαιρα. Λόγω της διαδικασίας της μεταφοράς, οι υδρατμοί ανεβαίνουν σε μεγάλο ύψος, ψύχονται, σχηματίζονται σύννεφα και σύννεφα, που οδηγούν σε βροχόπτωση με τη μορφή χαλαζιού ή βροχής.
