Siltumvadītspējas parādība ir enerģijas pārnešana siltuma veidā tiešā saskarē ar diviem ķermeņiem bez jebkādas vielas apmaiņas vai ar tās apmaiņu. Šajā gadījumā enerģija pāriet no viena ķermeņa vai ķermeņa zonas ar augstāku temperatūru uz ķermeni vai zonu ar zemāku temperatūru. Fizikālā īpašība, kas nosaka siltuma pārneses parametrus, ir siltumvadītspēja. Kas ir siltumvadītspēja un kā tā tiek aprakstīta fizikā? Šis raksts sniegs atbildes uz šiem jautājumiem.
Vispārējais siltumvadītspējas jēdziens un tās būtība
Ja jūs vienkārši atbildat uz jautājumu par to, kas fizikā ir siltumvadītspēja, tad jāsaka, ka siltuma pārnese starp diviem ķermeņiem vai viena un tā paša ķermeņa dažādām zonām ir iekšējās enerģijas apmaiņas process starp daļiņām, kuras veido ķermeni (molekulas, atomi, elektroni un joni). Pati iekšējā enerģija sastāv no divām svarīgām daļām: kinētiskās enerģijas un potenciālās enerģijas.
Kas ir siltumvadītspēja fizikā no tās būtības viedokļavērtības? Mikroskopiskā līmenī materiālu spēja vadīt siltumu ir atkarīga no to mikrostruktūras. Piemēram, šķidrumos un gāzēs šis fiziskais process notiek haotisku sadursmju dēļ starp molekulām; cietās vielās galvenā pārnestā siltuma daļa krīt uz enerģijas apmaiņu starp brīvajiem elektroniem (metāla sistēmās) vai fononiem (nemetāla vielām).), kas ir kristāla režģa mehāniskās vibrācijas.
Siltumvadītspējas matemātiskais attēlojums
Atbildēsim uz jautājumu, kas ir siltumvadītspēja, no matemātiskā viedokļa. Ja ņemam viendabīgu ķermeni, tad caur to noteiktā virzienā nodotais siltuma daudzums būs proporcionāls virsmas laukumam, kas ir perpendikulārs siltuma pārneses virzienam, paša materiāla siltumvadītspējai un temperatūras starpībai korpusa galos. korpuss, un tas būs arī apgriezti proporcionāls korpusa biezumam.
Rezultāts ir formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, šeit Q/t - siltums (enerģija), kas nodots caur ķermeni laikā t, k - materiāla siltumvadītspējas koeficients, no kura izgatavots apskatāmais ķermenis, A - ķermeņa šķērsgriezuma laukums, T2 -T 1 - temperatūras starpība ķermeņa galos, ar T2>T1, x - ķermeņa biezums, caur kuru tiek pārnests siltums Q.
Siltumenerģijas pārnešanas metodes
Ņemot vērā jautājumu par to, kāda ir materiālu siltumvadītspēja, jāmin iespējamās siltuma pārneses metodes. Siltumenerģiju var pārnest starp dažādiem ķermeņiem, izmantojotšādi procesi:
- vadītspēja - šis process norit bez vielas pārneses;
- konvekcija - siltuma pārnese ir tieši saistīta ar pašas vielas kustību;
- starojums - siltuma pārnese notiek elektromagnētiskā starojuma ietekmē, tas ir, ar fotonu palīdzību.
Lai siltums tiktu nodots, izmantojot vadīšanas vai konvekcijas procesus, ir nepieciešams tiešs kontakts starp dažādiem ķermeņiem, ar atšķirību, ka vadīšanas procesā nenotiek matērijas makroskopiskā kustība, bet gan konvekcija šī kustība ir klāt. Ņemiet vērā, ka mikroskopiska kustība notiek visos siltuma pārneses procesos.
Par normālu temperatūru, kas ir vairāki desmiti grādu pēc Celsija, var teikt, ka konvekcija un vadītspēja veido lielāko daļu nodotā siltuma, un starojuma procesā pārnestās enerģijas daudzums ir niecīgs. Tomēr starojums sāk spēlēt galveno lomu siltuma pārneses procesā vairāku simtu un tūkstošu Kelvinu temperatūrā, jo šādā veidā pārnestās enerģijas daudzums Q palielinās proporcionāli absolūtās temperatūras ceturtajai pakāpei, tas ir, ~ T. 4. Piemēram, mūsu saule zaudē lielāko daļu savas enerģijas starojuma dēļ.
Cietu vielu siltumvadītspēja
Tā kā cietās vielās katra molekula vai atoms atrodas noteiktā stāvoklī un nevar to atstāt, siltuma pārnese konvekcijas ceļā nav iespējama, un vienīgais iespējamais process irvadītspēja. Paaugstinoties ķermeņa temperatūrai, palielinās to veidojošo daļiņu kinētiskā enerģija, un katra molekula vai atoms sāk intensīvāk svārstīties. Šis process noved pie to sadursmes ar blakus esošām molekulām vai atomiem, šādu sadursmju rezultātā kinētiskā enerģija tiek pārnesta no daļiņas uz daļiņu, līdz šis process aptver visas ķermeņa daļiņas.
Aprakstītā mikroskopiskā mehānisma rezultātā, uzkarsējot vienu metāla stieņa galu, temperatūra pēc kāda laika izlīdzinās pa visu stieni.
Siltums nenotiek vienādi dažādos cietos materiālos. Tātad, ir materiāli, kuriem ir laba siltumvadītspēja. Viņi viegli un ātri vada siltumu caur sevi. Taču ir arī slikti siltumvadītāji vai izolatori, caur kuriem var iziet maz siltuma vai nemaz.
Siltumvadītspējas koeficients cietām vielām
Siltumvadītspējas koeficientam cietām vielām k ir šāda fizikāla nozīme: tas norāda siltuma daudzumu, kas laika vienībā iziet caur virsmas laukuma vienību jebkurā korpusā ar vienības biezumu un bezgalīgu garumu un platumu ar temperatūras starpību plkst. tā gali ir vienādi ar vienu grādu. Starptautiskajā vienību sistēmā SI koeficientu k mēra J/(smK).
Šis koeficients cietās vielās ir atkarīgs no temperatūras, tāpēc ir ierasts to noteikt 300 K temperatūrā, lai salīdzinātu spēju vadīt siltumudažādi materiāli.
Siltumvadītspējas koeficients metāliem un nemetāliskiem cietiem materiāliem
Visi metāli bez izņēmuma ir labi siltuma vadītāji, par kuru pārnesi tie ir atbildīgi par elektronu gāzi. Savukārt jonu un kovalentie materiāli, kā arī materiāli ar šķiedru struktūru ir labi siltumizolatori, proti, slikti vada siltumu. Lai pabeigtu jautājuma atklāšanu par to, kas ir siltumvadītspēja, jāatzīmē, ka šim procesam ir nepieciešama obligāta vielas klātbūtne, ja tas tiek veikts konvekcijas vai vadītspējas dēļ, tāpēc vakuumā siltumu var pārnest tikai elektromagnētiskais starojums.
Tālāk esošajā sarakstā ir parādītas dažu metālu un nemetālu siltumvadītspējas koeficientu vērtības J/(smK):
- tērauds - 47-58 atkarībā no tērauda markas;
- alumīnijs - 209, 3;
- bronza - 116-186;
- cinks - 106-140 atkarībā no tīrības pakāpes;
- varš - 372, 1-385, 2;
- misiņš - 81-116;
- zelts - 308, 2;
- sudrabs - 406, 1-418, 7;
- gumija - 0, 04-0, 30;
- stikla šķiedra - 0,03-0,07;
- ķieģelis - 0, 80;
- koks - 0, 13;
- stikls - 0, 6-1, 0.
Tādējādi metālu siltumvadītspēja ir par 2-3 kārtām augstāka nekā siltumvadītspējas vērtībām izolatoriem, kas ir lielisks piemērs atbildei uz jautājumu, kas ir zema siltumvadītspēja.
Siltumvadītspējas vērtībai daudzās ir svarīga lomarūpnieciskie procesi. Dažos procesos viņi cenšas to palielināt, izmantojot labus siltuma vadītājus un palielinot kontakta laukumu, savukārt citos viņi cenšas samazināt siltumvadītspēju, samazinot kontakta laukumu un izmantojot siltumizolācijas materiālus.
Konvekcija šķidrumos un gāzēs
Siltuma pārnese šķidrumos tiek veikta konvekcijas procesā. Šis process ietver vielas molekulu kustību starp zonām ar dažādu temperatūru, tas ir, konvekcijas laikā tiek sajaukts šķidrums vai gāze. Kad šķidrā viela izdala siltumu, tās molekulas zaudē daļu savas kinētiskās enerģijas un matērija kļūst blīvāka. Gluži pretēji, karsējot šķidru vielu, tās molekulas palielina savu kinētisko enerģiju, to kustība kļūst intensīvāka, attiecīgi palielinās vielas tilpums un samazinās blīvums. Tāpēc aukstie matērijas slāņi gravitācijas ietekmē mēdz krist uz leju, bet karstie mēģina celties augšā. Šī procesa rezultātā notiek vielu sajaukšanās, atvieglojot siltuma pārnesi starp tās slāņiem.
Dažu šķidrumu siltumvadītspēja
Ja atbildat uz jautājumu, kāda ir ūdens siltumvadītspēja, jāsaprot, ka tas ir saistīts ar konvekcijas procesu. Siltumvadītspējas koeficients tam ir 0,58 J/(smK).
Citiem šķidrumiem šī vērtība ir norādīta tālāk:
- etilspirts - 0,17;
- acetons - 0, 16;
- glicerīns - 0, 28.
Tas ir, vērtībasšķidrumu siltumvadītspēja ir salīdzināma ar cieto siltumizolatoru siltumvadītspēju.
Konvekcija atmosfērā
Atmosfēras konvekcija ir svarīga, jo tā izraisa tādas parādības kā vēji, cikloni, mākoņu veidošanās, lietus un citas. Visi šie procesi atbilst termodinamikas fizikālajiem likumiem.
Starp konvekcijas procesiem atmosfērā vissvarīgākais ir ūdens cikls. Šeit jāapsver jautājumi par to, kāda ir ūdens siltumvadītspēja un siltumietilpība. Ar ūdens siltumietilpību saprot fizisku lielumu, kas parāda, cik daudz siltuma jānodod 1 kg ūdens, lai tā temperatūra paaugstinātos par vienu grādu. Tas ir vienāds ar 4220 J.
Ūdens cikls tiek veikts šādi: saule sasilda okeānu ūdeņus, un daļa ūdens iztvaiko atmosfērā. Konvekcijas procesa rezultātā ūdens tvaiki paceļas lielā augstumā, atdziest, veidojas mākoņi un mākoņi, kas izraisa nokrišņus krusas vai lietus veidā.
