Fenomenet med värmeledningsförmåga är överföring av energi i form av värme i direkt kontakt med två kroppar utan något utbyte av materia eller med dess utbyte. I det här fallet går energi från en kropp eller ett område av kroppen med högre temperatur till en kropp eller område med lägre temperatur. Den fysiska egenskapen som bestämmer parametrarna för värmeöverföring är värmeledningsförmåga. Vad är värmeledningsförmåga och hur beskrivs den i fysiken? Den här artikeln kommer att besvara dessa frågor.
Allmänt koncept för värmeledningsförmåga och dess natur
Om du förenklat svarar på frågan om vad värmeledningsförmåga är i fysiken, så ska man säga att värmeöverföring mellan två kroppar eller olika områden av samma kropp är en process av internt energiutbyte mellan partiklarna som utgör kroppen (molekyler, atomer, elektroner och joner). Den inre energin i sig består av två viktiga delar: kinetisk energi och potentiell energi.
Vad är värmeledningsförmåga i fysik ur synvinkeln av dettavärderingar? På en mikroskopisk nivå beror materialens förmåga att leda värme på deras mikrostruktur. Till exempel, för vätskor och gaser, sker denna fysiska process på grund av kaotiska kollisioner mellan molekyler; i fasta ämnen faller huvuddelen av den överförda värmen på utbyte av energi mellan fria elektroner (i metalliska system) eller fononer (icke-metalliska ämnen)), som är mekaniska vibrationer av kristallgittret.
Matematisk representation av värmeledningsförmåga
Låt oss svara på frågan om vad värmeledningsförmåga är, ur en matematisk synvinkel. Om vi tar en homogen kropp, kommer mängden värme som överförs genom den i en given riktning att vara proportionell mot ytan vinkelrät mot värmeöverföringsriktningen, materialets värmeledningsförmåga och temperaturskillnaden i ändarna av kroppen, och kommer också att vara omvänt proportionell mot kroppens tjocklek.
Resultatet är formeln: Q/t=kA(T2-T1)/x, här Q/t - värme (energi) som överförs genom kroppen i tiden t, k - koefficient för värmeledningsförmåga för materialet från vilket den betraktade kroppen är gjord, A - kroppens tvärsnittsarea, T2 -T 1 - temperaturskillnad i ändarna av kroppen, med T2>T1, x - tjockleken på kroppen genom vilken värme Q överförs
Metoder för att överföra termisk energi
Med tanke på frågan om vad som är värmeledningsförmågan hos material bör vi nämna de möjliga metoderna för värmeöverföring. Termisk energi kan överföras mellan olika kroppar med hjälp avföljande processer:
- konduktivitet – denna process går utan överföring;
- konvektion - värmeöverföring är direkt relaterad till själva materiens rörelse;
- strålning - värmeöverföring sker på grund av elektromagnetisk strålning, det vill säga med hjälp av fotoner.
För att värme ska kunna överföras med hjälp av lednings- eller konvektionsprocesser krävs direktkontakt mellan olika kroppar, med den skillnaden att det i ledningsprocessen inte sker någon makroskopisk rörelse av materia, utan i processen av konvektion denna rörelse är närvarande. Observera att mikroskopisk rörelse sker i alla värmeöverföringsprocesser.
För normala temperaturer på flera tiotals grader Celsius kan man säga att konvektion och ledning står för huvuddelen av den överförda värmen, och mängden energi som överförs i strålningsprocessen är försumbar. Strålning börjar dock spela en stor roll i värmeöverföringsprocessen vid temperaturer på flera hundra och tusentals Kelvin, eftersom mängden energi Q som överförs på detta sätt ökar i proportion till den fjärde potensen av absolut temperatur, det vill säga ~ T 4. Till exempel förlorar vår sol det mesta av sin energi genom strålning.
Värmeledningsförmåga för fasta ämnen
Eftersom varje molekyl eller atom i fasta ämnen är i en viss position och inte kan lämna den, är överföring av värme genom konvektion omöjlig, och den enda möjliga processen ärledningsförmåga. Med en ökning av kroppstemperaturen ökar den kinetiska energin hos dess ingående partiklar, och varje molekyl eller atom börjar oscillera mer intensivt. Denna process leder till deras kollision med närliggande molekyler eller atomer, som ett resultat av sådana kollisioner överförs kinetisk energi från partikel till partikel tills alla partiklar i kroppen täcks av denna process.
Som ett resultat av den beskrivna mikroskopiska mekanismen, när ena änden av en metallstav värms upp, jämnar temperaturen ut sig över hela staven efter ett tag.
Värme överförs inte lika i olika fasta material. Så det finns material som har god värmeledningsförmåga. De leder enkelt och snabbt värme genom sig själva. Men det finns också dåliga värmeledare eller isolatorer genom vilka lite eller ingen värme kan passera.
Koefficient för värmeledningsförmåga för fasta ämnen
Den termiska konduktivitetskoefficienten för fasta ämnen k har följande fysiska betydelse: den indikerar mängden värme som passerar per tidsenhet genom en enhetsyta i varje kropp med enhetstjocklek och oändlig längd och bredd med en temperaturskillnad vid dess ändar lika med en grad. I det internationella enhetssystemet SI mäts koefficienten k i J/(smK).
Denna koefficient i fasta ämnen beror på temperaturen, så det är vanligt att bestämma den vid en temperatur på 300 K för att jämföra förmågan att leda värmeolika material.
Värmeledningskoefficient för metaller och icke-metalliska hårda material
Alla metaller, utan undantag, är goda värmeledare, för vars överföring de är ansvariga för elektrongasen. I sin tur är joniska och kovalenta material, såväl som material med en fibrös struktur, bra värmeisolatorer, det vill säga de leder värme dåligt. För att avsluta avslöjandet av frågan om vad värmeledningsförmåga är, bör det noteras att denna process kräver den obligatoriska närvaron av materia om den utförs på grund av konvektion eller ledning, därför kan värme i vakuum endast överföras p.g.a. elektromagnetisk strålning.
Listan nedan visar värdena för värmeledningskoefficienter för vissa metaller och icke-metaller i J/(smK):
- stål - 47-58 beroende på stålkvalitet;
- aluminium - 209, 3;
- brons - 116-186;
- zink - 106-140 beroende på renhet;
- koppar - 372, 1-385, 2;
- brass - 81-116;
- guld - 308, 2;
- silver - 406, 1-418, 7;
- gummi - 0, 04-0, 30;
- glasfiber - 0,03-0,07;
- brick - 0, 80;
- träd - 0, 13;
- glas - 0, 6-1, 0.
Därmed är metallernas värmeledningsförmåga 2-3 storleksordningar högre än värmeledningsförmågan för isolatorer, vilket är ett utmärkt exempel på svaret på frågan om vad låg värmeledningsförmåga är.
Värdet av värmeledningsförmåga spelar en viktig roll i mångaindustriella processer. I vissa processer försöker man öka den genom att använda bra värmeledare och öka kontaktytan, medan man i andra försöker minska värmeledningsförmågan genom att minska kontaktytan och använda värmeisolerande material.
Konvektion i vätskor och gaser
Överföringen av värme i vätskor utförs genom konvektionsprocessen. Denna process involverar förflyttning av molekyler av ett ämne mellan zoner med olika temperaturer, det vill säga under konvektion blandas en vätska eller gas. När flytande materia avger värme förlorar dess molekyler en del av sin kinetiska energi och materien blir tätare. Tvärtom, när flytande materia värms upp, ökar dess molekyler sin kinetiska energi, deras rörelse blir mer intensiv respektive, materiens volym ökar och densiteten minskar. Det är därför de kalla lagren av materia tenderar att falla ner under inverkan av gravitationen, och de varma lagren försöker stiga upp. Denna process resulterar i blandning av materia, vilket underlättar överföringen av värme mellan dess lager.
Värmeledningsförmågan hos vissa vätskor
Om du svarar på frågan om vad vattnets värmeledningsförmåga är, bör det förstås att det beror på konvektionsprocessen. Värmekonduktivitetskoefficienten för den är 0,58 J/(smK).
För andra vätskor, är detta värde listat nedan:
- etylalkohol - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glycerol - 0, 28.
Det vill säga värdenavärmeledningsförmågan för vätskor är jämförbar med den för solida värmeisolatorer.
Konvektion i atmosfären
Atmosfärisk konvektion är viktig eftersom den orsakar fenomen som vindar, cykloner, molnbildning, regn och andra. Alla dessa processer följer termodynamikens fysikaliska lagar.
Bland konvektionsprocesserna i atmosfären är vattnets kretslopp den viktigaste. Här bör vi överväga frågorna om vad som är värmeledningsförmågan och värmekapaciteten hos vatten. Vattnets värmekapacitet förstås som en fysisk storhet som visar hur mycket värme som måste överföras till 1 kg vatten för att dess temperatur ska öka med en grad. Det är lika med 4220 J.
Vattnets kretslopp utförs enligt följande: solen värmer havens vatten och en del av vattnet förångas till atmosfären. På grund av konvektionsprocessen stiger vattenånga till en stor höjd, kyler, moln och moln bildas, vilket leder till nederbörd i form av hagel eller regn.
