Het fenomeen van thermische geleidbaarheid is de overdracht van energie in de vorm van warmte in direct contact van twee lichamen zonder enige uitwisseling van materie of met de uitwisseling ervan. In dit geval gaat energie van het ene lichaam of gebied van het lichaam met een hogere temperatuur naar een lichaam of gebied met een lagere temperatuur. Het fysieke kenmerk dat de parameters van warmteoverdracht bepa alt, is thermische geleidbaarheid. Wat is thermische geleidbaarheid en hoe wordt het beschreven in de natuurkunde? Dit artikel beantwoordt deze vragen.
Algemeen concept van thermische geleidbaarheid en de aard ervan
Als je in eenvoudige bewoordingen antwoord geeft op de vraag wat thermische geleidbaarheid is in de natuurkunde, dan moet gezegd worden dat warmteoverdracht tussen twee lichamen of verschillende delen van hetzelfde lichaam een proces is van interne energie-uitwisseling tussen de deeltjes die vormen het lichaam (moleculen, atomen, elektronen en ionen). Interne energie zelf bestaat uit twee belangrijke delen: kinetische energie en potentiële energie.
Wat is thermische geleidbaarheid in de natuurkunde vanuit het oogpunt van de aard hiervan?waarden? Op microscopisch niveau hangt het vermogen van materialen om warmte te geleiden af van hun microstructuur. Voor vloeistoffen en gassen vindt dit fysieke proces bijvoorbeeld plaats door chaotische botsingen tussen moleculen; in vaste stoffen v alt het grootste deel van de overgedragen warmte op de uitwisseling van energie tussen vrije elektronen (in metalen systemen) of fononen (niet-metalen stoffen), dit zijn mechanische trillingen van het kristalrooster.
Wiskundige weergave van thermische geleidbaarheid
Laten we de vraag beantwoorden wat thermische geleidbaarheid is, vanuit wiskundig oogpunt. Als we een homogeen lichaam nemen, dan is de hoeveelheid warmte die er doorheen wordt overgedragen in een bepaalde richting evenredig met het oppervlak loodrecht op de richting van de warmteoverdracht, de thermische geleidbaarheid van het materiaal zelf en het temperatuurverschil aan de uiteinden van de lichaam, en zal ook omgekeerd evenredig zijn met de dikte van het lichaam.
Het resultaat is de formule: Q/t=kA(T2-T1)/x, hier Q/t - warmte (energie) overgedragen door het lichaam in de tijd t, k - warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal waaruit het beschouwde lichaam is gemaakt, A - dwarsdoorsnede van het lichaam, T2 -T 1 - temperatuurverschil aan de uiteinden van het lichaam, met T2>T1, x - dikte van het lichaam waardoor warmte Q wordt overgedragen.
Methoden voor het overbrengen van thermische energie
Gezien de vraag wat de thermische geleidbaarheid van materialen is, moeten we de mogelijke methoden van warmteoverdracht noemen. Thermische energie kan worden overgedragen tussen verschillende lichamen met behulp vanvolgende processen:
- geleiding - dit proces gaat zonder materieoverdracht;
- convectie - warmteoverdracht is direct gerelateerd aan de beweging van materie zelf;
- straling - warmteoverdracht wordt uitgevoerd door elektromagnetische straling, dat wil zeggen met behulp van fotonen.
Opdat warmte kan worden overgedragen met behulp van geleidings- of convectieprocessen, is direct contact tussen verschillende lichamen noodzakelijk, met dit verschil dat er tijdens het geleidingsproces geen macroscopische beweging van materie is, maar in het proces van convectie deze beweging is aanwezig. Merk op dat microscopische bewegingen plaatsvinden in alle warmteoverdrachtsprocessen.
Voor normale temperaturen van enkele tientallen graden Celsius kan worden gezegd dat convectie en geleiding het grootste deel van de overgedragen warmte uitmaken, en de hoeveelheid energie die tijdens het stralingsproces wordt overgedragen, is verwaarloosbaar. Straling begint echter een belangrijke rol te spelen in het warmteoverdrachtsproces bij temperaturen van enkele honderdduizenden Kelvin, aangezien de hoeveelheid energie Q die op deze manier wordt overgedragen, toeneemt in verhouding tot de 4e macht van de absolute temperatuur, dat wil zeggen ∼ T 4. Onze zon verliest bijvoorbeeld het grootste deel van zijn energie door straling.
Thermische geleidbaarheid van vaste stoffen
Aangezien in vaste stoffen elk molecuul of atoom zich in een bepaalde positie bevindt en het niet kan verlaten, is de overdracht van warmte door convectie onmogelijk, en het enige mogelijke proces isgeleidbaarheid. Met een toename van de lichaamstemperatuur neemt de kinetische energie van de samenstellende deeltjes toe en begint elk molecuul of atoom intenser te oscilleren. Dit proces leidt tot hun botsing met naburige moleculen of atomen, als gevolg van dergelijke botsingen wordt kinetische energie van deeltje naar deeltje overgedragen totdat alle deeltjes van het lichaam door dit proces zijn bedekt.
Als gevolg van het beschreven microscopische mechanisme, wanneer een uiteinde van een metalen staaf wordt verwarmd, wordt de temperatuur na een tijdje gelijkmatiger over de hele staaf.
Warmte wordt niet gelijkmatig overgedragen in verschillende vaste materialen. Er zijn dus materialen met een goede thermische geleidbaarheid. Ze geleiden gemakkelijk en snel warmte door zichzelf. Maar er zijn ook slechte warmtegeleiders of isolatoren waar weinig of geen warmte doorheen kan.
Coëfficiënt van thermische geleidbaarheid voor vaste stoffen
De thermische geleidbaarheidscoëfficiënt voor vaste stoffen k heeft de volgende fysieke betekenis: het geeft de hoeveelheid warmte aan die per tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid gaat in elk lichaam van eenheidsdikte en oneindige lengte en breedte met een temperatuurverschil van zijn uiteinden gelijk aan één graad. In het internationale systeem van eenheden SI wordt de coëfficiënt k gemeten in J/(smK).
Deze coëfficiënt in vaste stoffen is afhankelijk van de temperatuur, dus het is gebruikelijk om deze te bepalen bij een temperatuur van 300 K om het vermogen om warmte te geleiden te vergelijkenverschillende materialen.
Thermische geleidbaarheidscoëfficiënt voor metalen en niet-metalen harde materialen
Alle metalen, zonder uitzondering, zijn goede warmtegeleiders, voor de overdracht waarvan ze verantwoordelijk zijn voor het elektronengas. Op hun beurt zijn ionische en covalente materialen, evenals materialen met een vezelstructuur, goede warmte-isolatoren, dat wil zeggen dat ze de warmte slecht geleiden. Om de onthulling van de vraag wat thermische geleidbaarheid is te voltooien, moet worden opgemerkt dat dit proces de verplichte aanwezigheid van materie vereist als het wordt uitgevoerd als gevolg van convectie of geleiding, daarom kan warmte in een vacuüm alleen worden overgedragen vanwege elektromagnetische straling.
De onderstaande lijst toont de waarden van thermische geleidbaarheidscoëfficiënten voor sommige metalen en niet-metalen in J/(smK):
- staal - 47-58 afhankelijk van de staalsoort;
- aluminium - 209, 3;
- brons - 116-186;
- zink - 106-140 afhankelijk van de zuiverheid;
- koper - 372, 1-385, 2;
- messing - 81-116;
- goud - 308, 2;
- zilver - 406, 1-418, 7;
- rubber - 0, 04-0, 30;
- glasvezel - 0.03-0.07;
- baksteen - 0, 80;
- boom - 0, 13;
- glas - 0, 6-1, 0.
De thermische geleidbaarheid van metalen is dus 2-3 ordes van grootte hoger dan de thermische geleidbaarheidswaarden voor isolatoren, die een goed voorbeeld zijn van het antwoord op de vraag wat een lage thermische geleidbaarheid is.
De waarde van thermische geleidbaarheid speelt een belangrijke rol in veelindustriële processen. In sommige processen proberen ze het te vergroten door goede warmtegeleiders te gebruiken en het contactoppervlak te vergroten, terwijl ze in andere proberen de thermische geleidbaarheid te verminderen door het contactoppervlak te verkleinen en warmte-isolerende materialen te gebruiken.
Convectie in vloeistoffen en gassen
De overdracht van warmte in vloeistoffen wordt uitgevoerd door het proces van convectie. Dit proces omvat de beweging van moleculen van een stof tussen zones met verschillende temperaturen, dat wil zeggen dat tijdens convectie een vloeistof of gas wordt gemengd. Wanneer vloeibare materie warmte afgeeft, verliezen de moleculen een deel van hun kinetische energie en wordt de materie dichter. Integendeel, wanneer vloeibare materie wordt verwarmd, verhogen de moleculen hun kinetische energie, wordt hun beweging intenser, respectievelijk neemt het volume van de materie toe en neemt de dichtheid af. Dat is de reden waarom de koude lagen van de materie de neiging hebben om onder invloed van de zwaartekracht naar beneden te vallen, en de hete lagen proberen omhoog te komen. Dit proces resulteert in het mengen van materie, wat de overdracht van warmte tussen de lagen vergemakkelijkt.
De thermische geleidbaarheid van sommige vloeistoffen
Als u de vraag beantwoordt wat de thermische geleidbaarheid van water is, moet u begrijpen dat dit te wijten is aan het convectieproces. De thermische geleidbaarheidscoëfficiënt daarvoor is 0,58 J/(smK).
Voor andere vloeistoffen staat deze waarde hieronder:
- ethylalcohol - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glycerol - 0, 28.
Dat wil zeggen, de waardenthermische geleidbaarheid voor vloeistoffen is vergelijkbaar met die voor vaste warmte-isolatoren.
Convectie in de atmosfeer
Atmosferische convectie is belangrijk omdat het verschijnselen veroorzaakt zoals wind, cyclonen, wolkenvorming, regen en andere. Al deze processen gehoorzamen aan de natuurkundige wetten van de thermodynamica.
Van de convectieprocessen in de atmosfeer is de watercyclus de belangrijkste. Hier moeten we nadenken over de vragen wat de thermische geleidbaarheid en warmtecapaciteit van water is. De warmtecapaciteit van water wordt opgevat als een fysieke grootheid die aangeeft hoeveel warmte moet worden overgedragen aan 1 kg water zodat de temperatuur met één graad stijgt. Het is gelijk aan 4220 J.
De waterkringloop verloopt als volgt: de zon verwarmt het water van de oceanen en een deel van het water verdampt in de atmosfeer. Door het convectieproces stijgt waterdamp tot grote hoogte, koelt af, er ontstaan wolken en wolken die leiden tot neerslag in de vorm van hagel of regen.
