Fenomenul de conductivitate termică este transferul de energie sub formă de căldură în contact direct a două corpuri fără nici un schimb de materie sau cu schimbul ei. În acest caz, energia trece de la un corp sau o zonă a corpului cu o temperatură mai mare la un corp sau zonă cu o temperatură mai scăzută. Caracteristica fizică care determină parametrii transferului de căldură este conductivitatea termică. Ce este conductivitatea termică și cum este descrisă în fizică? Acest articol va răspunde la aceste întrebări.
Concept general de conductivitate termică și natura sa
Dacă răspundeți în termeni simpli la întrebarea ce este conductivitatea termică în fizică, atunci trebuie spus că transferul de căldură între două corpuri sau zone diferite ale aceluiași corp este un proces de schimb intern de energie între particulele care alcătuiesc corpul (molecule, atomi, electroni și ioni). Energia internă în sine constă din două părți importante: energia cinetică și energia potențială.
Ce este conductivitatea termică în fizică din punctul de vedere al naturii acesteivalori? La nivel microscopic, capacitatea materialelor de a conduce căldura depinde de microstructura lor. De exemplu, pentru lichide și gaze, acest proces fizic are loc din cauza ciocnirilor haotice dintre molecule; în solide, ponderea principală a căldurii transferate cade pe schimbul de energie între electroni liberi (în sistemele metalice) sau fononi (substanțe nemetalice).), care sunt vibrații mecanice ale rețelei cristaline.
Reprezentarea matematică a conductibilității termice
Să răspundem la întrebarea ce este conductivitatea termică, din punct de vedere matematic. Dacă luăm un corp omogen, atunci cantitatea de căldură transferată prin el într-o direcție dată va fi proporțională cu aria suprafeței perpendiculară pe direcția transferului de căldură, conductivitatea termică a materialului în sine și diferența de temperatură la capetele corp și va fi, de asemenea, invers proporțional cu grosimea corpului.
Rezultatul este formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, aici Q/t - căldură (energie) transferată prin corp în timpul t, k - coeficientul de conductivitate termică a materialului din care este realizat corpul considerat, A - aria secțiunii transversale a corpului, T2 -T 1 - diferența de temperatură la capetele corpului, cu T2>T1, x - grosimea corpului prin care se transferă căldura Q.
Metode de transfer al energiei termice
Având în vedere întrebarea care este conductivitatea termică a materialelor, ar trebui să menționăm posibilele metode de transfer de căldură. Energia termică poate fi transferată între diferite corpuri folosindurmătoarele procese:
- conductivitate - acest proces se desfășoară fără transfer de materie;
- convecție - transferul de căldură este direct legat de mișcarea materiei în sine;
- radiație - transferul de căldură se realizează datorită radiației electromagnetice, adică cu ajutorul fotonilor.
Pentru ca căldura să fie transferată prin procesele de conducție sau convecție, este necesar contactul direct între diferite corpuri, cu diferența că în procesul de conducere nu există mișcare macroscopică a materiei, ci în procesul de convecție această mișcare este prezentă. Rețineți că mișcarea microscopică are loc în toate procesele de transfer de căldură.
Pentru temperaturi normale de câteva zeci de grade Celsius, se poate spune că convecția și conducerea reprezintă cea mai mare parte a căldurii transferate, iar cantitatea de energie transferată în procesul de radiație este neglijabilă. Cu toate acestea, radiația începe să joace un rol major în procesul de transfer de căldură la temperaturi de câteva sute și mii de Kelvin, deoarece cantitatea de energie Q transferată în acest fel crește proporțional cu puterea a 4-a a temperaturii absolute, adică ∼ T 4. De exemplu, soarele nostru își pierde cea mai mare parte a energiei prin radiații.
Conductivitatea termică a solidelor
Deoarece în solide fiecare moleculă sau atom se află într-o anumită poziție și nu poate părăsi, transferul de căldură prin convecție este imposibil, iar singurul proces posibil esteconductivitate. Odată cu creșterea temperaturii corpului, energia cinetică a particulelor sale constitutive crește, iar fiecare moleculă sau atom începe să oscileze mai intens. Acest proces duce la ciocnirea lor cu moleculele sau atomii vecini, ca urmare a unor astfel de ciocniri, energia cinetică este transferată de la particulă la particulă până când toate particulele corpului sunt acoperite de acest proces.
Ca urmare a mecanismului microscopic descris, atunci când un capăt al unei tije metalice este încălzit, temperatura se uniformizează peste întreaga tijă după un timp.
Căldura nu se transferă în mod egal în diferite materiale solide. Deci, există materiale care au o conductivitate termică bună. Ei conduc cu ușurință și rapid căldura prin ei înșiși. Dar există și conductori de căldură sau izolatori slabi prin care căldură poate trece puțin sau deloc.
Coeficient de conductivitate termică pentru solide
Coeficientul de conductivitate termică pentru solide k are următoarea semnificație fizică: indică cantitatea de căldură care trece pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață în orice corp de grosime unitară și lungime și lățime infinite cu o diferență de temperatură la capetele sale egale cu un grad. În sistemul internațional de unități SI, coeficientul k se măsoară în J/(smK).
Acest coeficient în solide depinde de temperatură, deci se obișnuiește să-l determine la o temperatură de 300 K pentru a compara capacitatea de a conduce călduradiverse materiale.
Coeficient de conductivitate termică pentru metale și materiale dure nemetalice
Toate metalele, fără excepție, sunt bune conductoare de căldură, de transferul căreia sunt responsabile pentru gazul de electroni. La rândul lor, materialele ionice și covalente, precum și materialele cu structură fibroasă, sunt izolatori termici buni, adică conduc căldura prost. Pentru a completa dezvăluirea întrebării ce este conductivitatea termică, trebuie remarcat că acest proces necesită prezența obligatorie a materiei dacă este efectuată din cauza convecției sau conducției, prin urmare, în vid, căldura poate fi transferată numai datorită radiații electromagnetice.
Lista de mai jos arată valorile coeficienților de conductivitate termică pentru unele metale și nemetale în J/(smK):
- oțel - 47-58 în funcție de calitatea oțelului;
- aluminiu - 209, 3;
- bronz - 116-186;
- zinc - 106-140 în funcție de puritate;
- cupru - 372, 1-385, 2;
- alama - 81-116;
- aur - 308, 2;
- argint - 406, 1-418, 7;
- cauciuc - 0, 04-0, 30;
- fibră de sticlă - 0,03-0,07;
- cărămidă - 0, 80;
- arbore - 0, 13;
- sticlă - 0, 6-1, 0.
Astfel, conductivitatea termică a metalelor este cu 2-3 ordine de mărime mai mare decât valorile conductivității termice pentru izolatori, care sunt un prim exemplu de răspuns la întrebarea ce este conductibilitatea termică scăzută.
Valoarea conductibilității termice joacă un rol important în multeprocese industriale. În unele procese, ei caută să o mărească prin folosirea de buni conductori de căldură și creșterea zonei de contact, în timp ce în altele încearcă să reducă conductibilitatea termică prin reducerea ariei de contact și folosind materiale termoizolante.
Convecție în lichide și gaze
Transferul de căldură în fluide se realizează prin procesul de convecție. Acest proces implică mișcarea moleculelor unei substanțe între zone cu temperaturi diferite, adică în timpul convecției, se amestecă un lichid sau un gaz. Când materia fluidă eliberează căldură, moleculele sale își pierd o parte din energia lor cinetică și materia devine mai densă. Dimpotrivă, atunci când materia fluidă este încălzită, moleculele sale își măresc energia cinetică, mișcarea lor devine mai intensă, respectiv, volumul materiei crește, iar densitatea scade. De aceea straturile reci de materie tind să cadă sub influența gravitației, iar straturile fierbinți încearcă să se ridice. Acest proces are ca rezultat amestecarea materiei, facilitând transferul de căldură între straturile sale.
Conductivitatea termică a unor lichide
Dacă răspundeți la întrebarea care este conductivitatea termică a apei, trebuie înțeles că aceasta se datorează procesului de convecție. Coeficientul de conductivitate termică pentru acesta este de 0,58 J/(smK).
Pentru alte lichide, această valoare este listată mai jos:
- alcool etilic - 0,17;
- acetonă - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
Adică valorileconductivitățile termice pentru lichide sunt comparabile cu cele pentru izolatoarele termice solide.
Convecție în atmosferă
Convecția atmosferică este importantă deoarece provoacă fenomene precum vânturi, cicloane, formarea norilor, ploaia și altele. Toate aceste procese se supun legilor fizice ale termodinamicii.
Dintre procesele de convecție din atmosferă, cel mai important este ciclul apei. Aici ar trebui să luăm în considerare întrebările care sunt conductivitatea termică și capacitatea de căldură a apei. Capacitatea termică a apei este înțeleasă ca o cantitate fizică care arată cât de multă căldură trebuie transferată la 1 kg de apă, astfel încât temperatura acesteia să crească cu un grad. Este egal cu 4220 J.
Ciclul apei se desfășoară după cum urmează: soarele încălzește apele oceanelor, iar o parte din apă se evaporă în atmosferă. Datorită procesului de convecție, vaporii de apă se ridică la o înălțime mare, se răcesc, se formează nori și nori, care duc la precipitații sub formă de grindină sau ploaie.
