Lämmönjohtavuusilmiö on energian siirtymistä lämmön muodossa kahden kappaleen suorassa kosketuksessa ilman aineen vaihtoa tai sen vaihtoa. Tässä tapauksessa energia siirtyy yhdestä kehosta tai kehon alueelta, jonka lämpötila on korkeampi, kehoon tai alueeseen, jonka lämpötila on alhaisempi. Lämmönsiirron parametrit määräävä fysikaalinen ominaisuus on lämmönjohtavuus. Mikä on lämmönjohtavuus ja miten se kuvataan fysiikassa? Tämä artikkeli vastaa näihin kysymyksiin.
Yleinen lämmönjohtavuuden käsite ja sen luonne
Jos vastaat yksinkertaisesti kysymykseen siitä, mitä lämmönjohtavuus on fysiikassa, on sanottava, että lämmönsiirto kahden kappaleen tai saman kappaleen eri alueiden välillä on sisäistä energianvaihtoprosessia hiukkasten välillä. muodostavat kehon (molekyylit, atomit, elektronit ja ionit). Itse sisäinen energia koostuu kahdesta tärkeästä osasta: liike-energiasta ja potentiaalienergiasta.
Mitä on lämmönjohtavuus fysiikassa tämän luonteen kann altaarvot? Mikroskooppisella tasolla materiaalien kyky johtaa lämpöä riippuu niiden mikrorakenteesta. Esimerkiksi nesteillä ja kaasuilla tämä fysikaalinen prosessi johtuu molekyylien välisistä kaoottisista törmäyksistä; kiinteissä aineissa suurin osa siirtyvästä lämmöstä putoaa energian vaihtoon vapaiden elektronien (metallisissa järjestelmissä) tai fononien (ei-metalliset aineet) välillä.), jotka ovat kidehilan mekaanisia värähtelyjä.
Lämmönjohtavuuden matemaattinen esitys
Vastataan kysymykseen, mikä on lämmönjohtavuus, matemaattisesta näkökulmasta. Jos otamme homogeenisen kappaleen, niin sen läpi tiettyyn suuntaan siirtyvän lämmön määrä on verrannollinen lämmönsiirtosuuntaa vastaan kohtisuoraan pinta-alaan, itse materiaalin lämmönjohtavuuteen ja lämpötilaeroon kappaleen päissä. runko, ja se on myös kääntäen verrannollinen rungon paksuuteen.
Tulos on kaava: Q/t=kA(T2-T1)/x, tässä Q/t - lämpö (energia), joka siirtyy kehon läpi ajassa t, k - materiaalin lämmönjohtavuuskerroin, josta kyseessä oleva kappale on valmistettu, A - kappaleen poikkileikkausala, T2 -T 1 - lämpötilaero kehon päissä, T2>T1, x - kappaleen paksuus, jonka läpi lämpö Q siirtyy.
Lämpöenergian siirtomenetelmät
Kun otetaan huomioon kysymys materiaalien lämmönjohtavuudesta, on syytä mainita mahdolliset lämmönsiirtomenetelmät. Lämpöenergiaa voidaan siirtää eri kappaleiden välillä käyttämälläseuraavat prosessit:
- johtavuus - tämä prosessi sujuu ilman aineen siirtymistä;
- konvektio - lämmönsiirto liittyy suoraan itse aineen liikkeeseen;
- säteily - lämmönsiirto tapahtuu sähkömagneettisen säteilyn, eli fotonien avulla.
Jotta lämpö siirtyisi johtumis- tai konvektioprosesseilla, tarvitaan suora kosketus eri kappaleiden välillä sillä erolla, että johtumisprosessissa ei tapahdu aineen makroskooppista liikettä, vaan prosessissa konvektio tämä liike on läsnä. Huomaa, että mikroskooppista liikettä tapahtuu kaikissa lämmönsiirtoprosesseissa.
Normaaleissa useiden kymmenien celsiusasteiden lämpötiloissa voidaan sanoa, että konvektio ja johtuminen muodostavat suurimman osan siirretystä lämmöstä ja säteilyprosessissa siirtyvän energian määrä on mitätön. Säteily alkaa kuitenkin olla merkittävässä roolissa lämmönsiirtoprosessissa useiden satojen ja tuhansien Kelvinin lämpötiloissa, koska tällä tavalla siirretyn energian määrä Q kasvaa suhteessa absoluuttisen lämpötilan 4. potenssiin eli ~T 4. Esimerkiksi aurinkomme menettää suurimman osan energiastaan säteilyn seurauksena.
Kiinteiden aineiden lämmönjohtavuus
Koska kiinteissä aineissa jokainen molekyyli tai atomi on tietyssä paikassa eivätkä voi poistua siitä, lämmönsiirto konvektiolla on mahdotonta, ja ainoa mahdollinen prosessi onjohtavuus. Kehon lämpötilan noustessa sen aineosien kineettinen energia kasvaa ja jokainen molekyyli tai atomi alkaa värähdellä voimakkaammin. Tämä prosessi johtaa niiden törmäykseen viereisten molekyylien tai atomien kanssa, ja tällaisten törmäysten seurauksena kineettistä energiaa siirtyy hiukkasesta hiukkaseen, kunnes tämä prosessi peittää kaikki kehon hiukkaset.
Kuvatun mikroskooppisen mekanismin seurauksena, kun metallitangon toista päätä kuumennetaan, lämpötila tasaantuu koko sauvan alueelle hetken kuluttua.
Lämpö ei siirry tasaisesti eri kiinteissä materiaaleissa. Joten on materiaaleja, joilla on hyvä lämmönjohtavuus. Ne johtavat lämpöä helposti ja nopeasti itsensä läpi. Mutta on myös huonoja lämmönjohtimia tai eristeitä, joiden läpi vain vähän tai ei ollenkaan lämpöä pääsee kulkemaan.
Kiinteän aineen lämmönjohtavuuskerroin
Kiinteiden aineiden k lämmönjohtavuuskertoimella on seuraava fysikaalinen merkitys: se ilmaisee lämpömäärän, joka kulkee aikayksikköä kohden pinta-alayksikön läpi missä tahansa kappaleessa, jonka yksikköpaksuus ja pituus ja leveys on ääretön lämpötilaerolla sen päät ovat yhtä astetta. Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä SI kerroin k mitataan J/(smK).
Tämä kerroin kiintoaineissa riippuu lämpötilasta, joten se on tapana määrittää 300 K:n lämpötilassa lämmönjohtavuuden vertaamiseksierilaisia materiaaleja.
Metallien ja ei-metallisten kovien materiaalien lämmönjohtavuuskerroin
Kaikki metallit poikkeuksetta ovat hyviä lämmönjohtimia, joiden siirtämisestä ne vastaavat elektronikaasusta. Ioni- ja kovalenttiset materiaalit sekä kuiturakenteen omaavat materiaalit puolestaan ovat hyviä lämmöneristimiä, eli ne johtavat huonosti lämpöä. Lämmönjohtavuuden kysymyksen paljastamisen täydentämiseksi on huomattava, että tämä prosessi vaatii pakollisen aineen läsnäolon, jos se suoritetaan konvektion tai johtumisen vuoksi, joten tyhjiössä lämpöä voidaan siirtää vain sähkömagneettista säteilyä.
Alla oleva luettelo näyttää joidenkin metallien ja ei-metallien lämmönjohtavuuskertoimien arvot J/(smK):
- teräs - 47-58 teräslaadusta riippuen;
- alumiini - 209, 3;
- pronssi - 116-186;
- sinkki - 106-140 puhtaudesta riippuen;
- kupari - 372, 1-385, 2;
- messinki - 81-116;
- kulta - 308, 2;
- hopea - 406, 1-418, 7;
- kumi - 0, 04-0, 30;
- lasikuitu - 0,03-0,07;
- tiili - 0, 80;
- puu - 0, 13;
- lasi - 0, 6-1, 0.
Metallien lämmönjohtavuus on siis 2-3 suuruusluokkaa korkeampi kuin eristeiden lämmönjohtavuusarvot, jotka ovat hyvä esimerkki vastauksesta kysymykseen, mitä alhainen lämmönjohtavuus on.
Lämmönjohtavuuden arvolla on tärkeä rooli monissateolliset prosessit. Joissakin prosesseissa sitä pyritään lisäämään käyttämällä hyviä lämmönjohtimia ja lisäämällä kosketuspinta-alaa, kun taas toisissa he yrittävät vähentää lämmönjohtavuutta pienentämällä kosketuspinta-alaa ja käyttämällä lämpöä eristäviä materiaaleja.
Konvektio nesteissä ja kaasuissa
Lämmönsiirto nesteissä tapahtuu konvektioprosessin avulla. Tämä prosessi sisältää aineen molekyylien liikkeen eri lämpötilojen vyöhykkeiden välillä, eli konvektion aikana sekoitetaan nestettä tai kaasua. Kun nestemäinen aine vapauttaa lämpöä, sen molekyylit menettävät osan kineettisestä energiastaan ja aineesta tulee tiheämpää. Päinvastoin, kun nestemäistä ainetta kuumennetaan, sen molekyylit lisäävät kineettistä energiaansa, niiden liike muuttuu voimakkaammaksi, vastaavasti aineen tilavuus kasvaa ja tiheys pienenee. Siksi kylmät ainekerrokset pyrkivät putoamaan alas painovoiman vaikutuksesta ja kuumat kerrokset yrittävät nousta ylös. Tämä prosessi johtaa aineen sekoittumiseen, mikä helpottaa lämmön siirtymistä kerrosten välillä.
Joidenkin nesteiden lämmönjohtavuus
Jos vastaat kysymykseen, mikä on veden lämmönjohtavuus, on ymmärrettävä, että se johtuu konvektioprosessista. Sen lämmönjohtavuuskerroin on 0,58 J/(smK).
Muille nesteille tämä arvo on lueteltu alla:
- etyylialkoholi - 0,17;
- asetoni - 0, 16;
- glyseroli - 0, 28.
Toisin sanoen arvotnesteiden lämmönjohtavuudet ovat verrattavissa kiinteiden lämmöneristeiden vastaaviin.
Konvektio ilmakehässä
Ilmakehän konvektio on tärkeä, koska se aiheuttaa ilmiöitä, kuten tuulia, sykloneja, pilvien muodostumista, sadetta ja muita ilmiöitä. Kaikki nämä prosessit noudattavat termodynamiikan fysikaalisia lakeja.
Ilmakehän konvektioprosesseista tärkein on veden kiertokulku. Tässä pitäisi pohtia kysymyksiä, mikä on veden lämmönjohtavuus ja lämpökapasiteetti. Veden lämpökapasiteetti ymmärretään fysikaaliseksi suureksi, joka osoittaa, kuinka paljon lämpöä on siirrettävä 1 kg:aan vettä, jotta sen lämpötila kohoaa yhden asteen. Se on yhtä suuri kuin 4220 J.
Veden kierto tapahtuu seuraavasti: aurinko lämmittää v altamerten vedet ja osa vedestä haihtuu ilmakehään. Konvektioprosessin seurauksena vesihöyry nousee suureen korkeuteen, jäähtyy, muodostuu pilviä ja pilviä, jotka johtavat sateeseen rakeiden tai sateen muodossa.
