Fenomen toplotne prevodnosti je prenos energije v obliki toplote v neposrednem stiku dveh teles brez kakršne koli izmenjave snovi ali z njeno izmenjavo. V tem primeru energija prehaja z enega telesa ali področja telesa z višjo temperaturo na telo ali območje z nižjo temperaturo. Fizikalna lastnost, ki določa parametre prenosa toplote, je toplotna prevodnost. Kaj je toplotna prevodnost in kako jo opisuje fizika? Ta članek bo odgovoril na ta vprašanja.
Splošni koncept toplotne prevodnosti in njena narava
Če preprosto odgovorite na vprašanje, kaj je toplotna prevodnost v fiziki, potem je treba reči, da je prenos toplote med dvema telesoma ali različnimi področji istega telesa proces notranje izmenjave energije med delci, ki sestavljajo telo (molekule, atomi, elektroni in ioni). Sama notranja energija je sestavljena iz dveh pomembnih delov: kinetične energije in potencialne energije.
Kaj je toplotna prevodnost v fiziki z vidika narave tegavrednote? Na mikroskopski ravni je sposobnost materialov za prevajanje toplote odvisna od njihove mikrostrukture. Na primer, pri tekočinah in plinih ta fizični proces nastane zaradi kaotičnih trkov med molekulami; v trdnih snoveh glavni delež prenesene toplote pade na izmenjavo energije med prostimi elektroni (v kovinskih sistemih) ali fononi (nekovinske snovi).), ki so mehanske vibracije kristalne mreže.
Matematični prikaz toplotne prevodnosti
Odgovorimo na vprašanje, kaj je toplotna prevodnost z matematičnega vidika. Če vzamemo homogeno telo, bo količina toplote, ki se prenese skozi njega v določeni smeri, sorazmerna s površino, pravokotno na smer prenosa toplote, toplotno prevodnostjo samega materiala in temperaturno razliko na koncih telo, in bo tudi obratno sorazmerna z debelino telesa.
Rezultat je formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, tukaj Q/t - toplota (energija), ki se prenese skozi telo v času t, k - koeficient toplotne prevodnosti materiala, iz katerega je obravnavano telo izdelano, A - površina prečnega prereza telesa, T2 -T 1 - temperaturna razlika na koncih telesa, s T2>T1, x - debelina telesa, skozi katero se prenaša toplota Q.
Načini prenosa toplotne energije
Glede na vprašanje, kakšna je toplotna prevodnost materialov, je treba omeniti možne načine prenosa toplote. Toplotna energija se lahko prenaša med različnimi telesi z uporabonaslednji procesi:
- prevodnost - ta postopek poteka brez prenosa snovi;
- konvekcija - prenos toplote je neposredno povezan s samim gibanjem snovi;
- sevanje - prenos toplote se izvaja zaradi elektromagnetnega sevanja, torej s pomočjo fotonov.
Za prenos toplote s procesi prevodnosti ali konvekcije je nujen neposreden stik med različnimi telesi, s to razliko, da v procesu prevodnosti ne prihaja do makroskopskega gibanja snovi, ampak v procesu konvekcija je to gibanje prisotno. Upoštevajte, da mikroskopsko gibanje poteka v vseh procesih prenosa toplote.
Za normalne temperature nekaj deset stopinj Celzija lahko rečemo, da konvekcija in prevodnost predstavljata glavnino prenesene toplote, količina energije, ki se prenese v procesu sevanja, pa je zanemarljiva. Sevanje pa začne igrati glavno vlogo v procesu prenosa toplote pri temperaturah nekaj sto in tisoč Kelvinov, saj se količina tako prenesene energije Q poveča sorazmerno s 4. potenco absolutne temperature, to je ∼ T 4. Naše sonce na primer izgubi večino energije zaradi sevanja.
Toplotna prevodnost trdnih snovi
Ker je v trdnih snoveh vsaka molekula ali atom v določenem položaju in ga ne more zapustiti, je prenos toplote s konvekcijo nemogoč in edini možen proces jeprevodnost. Z zvišanjem telesne temperature se poveča kinetična energija njegovih sestavnih delcev in vsaka molekula ali atom začne intenzivneje nihati. Ta proces vodi do njihovega trka s sosednjimi molekulami ali atomi, kot posledica takih trkov se kinetična energija prenaša od delca do delca, dokler ne pokrijejo vsi delci telesa s tem procesom.
Zaradi opisanega mikroskopskega mehanizma, ko se en konec kovinske palice segreje, se temperatura čez nekaj časa izenači po celotni palici.
Toplota se v različnih trdnih materialih ne prenaša enako. Torej, obstajajo materiali, ki imajo dobro toplotno prevodnost. Z lahkoto in hitro prevajajo toploto skozi sebe. Obstajajo pa tudi slabi toplotni prevodniki ali izolatorji, skozi katere lahko prehaja malo ali nič toplote.
Koeficient toplotne prevodnosti za trdne snovi
Koeficient toplotne prevodnosti za trdne snovi k ima naslednji fizični pomen: označuje količino toplote, ki preide na enoto časa skozi enoto površine v katerem koli telesu enotne debeline ter neskončne dolžine in širine s temperaturno razliko pri njeni konci so enaki eni stopinji. V mednarodnem sistemu enot SI se koeficient k meri v J/(smK).
Ta koeficient v trdnih snoveh je odvisen od temperature, zato ga je običajno določiti pri temperaturi 300 K, da bi primerjali sposobnost prevajanja toploterazlični materiali.
Koeficient toplotne prevodnosti za kovine in nekovinske trde materiale
Vse kovine brez izjeme so dobri prevodniki toplote, za prenos katere so odgovorni elektronski plin. Po drugi strani so ionski in kovalentni materiali ter materiali z vlaknasto strukturo dobri toplotni izolatorji, torej slabo prevajajo toploto. Za dokončanje razkritja vprašanja, kaj je toplotna prevodnost, je treba opozoriti, da ta proces zahteva obvezno prisotnost snovi, če se izvaja zaradi konvekcije ali prevodnosti, zato se v vakuumu lahko toplota prenaša le zaradi elektromagnetno sevanje.
Spodnji seznam prikazuje vrednosti koeficientov toplotne prevodnosti za nekatere kovine in nekovine v J/(smK):
- jeklo - 47-58 odvisno od razreda jekla;
- aluminij - 209, 3;
- bron - 116-186;
- cink - 106-140 odvisno od čistosti;
- baker - 372, 1-385, 2;
- medenina - 81-116;
- zlato - 308, 2;
- srebro - 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- fiberglass - 0,03-0,07;
- opeka - 0, 80;
- drevo - 0, 13;
- steklo - 0, 6-1, 0.
Tako je toplotna prevodnost kovin 2-3 reda velikosti višja od vrednosti toplotne prevodnosti za izolatorje, ki so odličen primer odgovora na vprašanje, kaj je nizka toplotna prevodnost.
Vrednost toplotne prevodnosti ima pri mnogih pomembno vlogoindustrijskih procesov. V nekaterih procesih jo skušajo povečati z uporabo dobrih toplotnih prevodnikov in povečanjem kontaktne površine, v drugih pa poskušajo zmanjšati toplotno prevodnost z zmanjšanjem kontaktne površine in uporabo toplotnoizolacijskih materialov.
Konvekcija v tekočinah in plinih
Prenos toplote v tekočinah poteka s postopkom konvekcije. Ta proces vključuje gibanje molekul snovi med conami z različnimi temperaturami, to je, da se med konvekcijo meša tekočina ali plin. Ko tekoča snov sprosti toploto, njene molekule izgubijo del svoje kinetične energije in snov postane gostejša. Nasprotno, ko se tekoča snov segreje, njene molekule povečajo svojo kinetično energijo, njihovo gibanje postane bolj intenzivno, oziroma se poveča volumen snovi in zmanjša gostota. Zato hladne plasti snovi pod vplivom gravitacije padajo navzdol, vroče plasti pa se poskušajo dvigniti. Ta proces povzroči mešanje snovi, kar olajša prenos toplote med njenimi plastmi.
Toplotna prevodnost nekaterih tekočin
Če odgovorite na vprašanje, kakšna je toplotna prevodnost vode, je treba razumeti, da je to posledica procesa konvekcije. Koeficient toplotne prevodnosti zanj je 0,58 J/(smK).
Za druge tekočine je ta vrednost navedena spodaj:
- etilni alkohol - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
To so vrednostitoplotne prevodnosti za tekočine so primerljive s tistimi za trdne toplotne izolatorje.
konvekcija v ozračju
Atmosferska konvekcija je pomembna, ker povzroča pojave, kot so vetrovi, cikloni, nastajanje oblakov, dež in drugi. Vsi ti procesi so v skladu s fizikalnimi zakoni termodinamike.
Med procesi konvekcije v atmosferi je najpomembnejši vodni krog. Tu bi morali razmisliti o vprašanjih, kakšna je toplotna prevodnost in toplotna zmogljivost vode. Toplotno kapaciteto vode razumemo kot fizikalno količino, ki kaže, koliko toplote je treba prenesti na 1 kg vode, da se njena temperatura poveča za eno stopinjo. Enako je 4220 J.
Vodni krog poteka na naslednji način: sonce segreva vode oceanov, del vode pa izhlapi v ozračje. Zaradi procesa konvekcije se vodna para dvigne na veliko višino, ohladi, nastanejo oblaki in oblaki, ki vodijo do padavin v obliki toče ali dežja.
