Die verskynsel van termiese geleidingsvermoë is die oordrag van energie in die vorm van hitte in direkte kontak van twee liggame sonder enige uitruiling van materie of met die uitruil daarvan. In hierdie geval gaan energie van een liggaam of area van die liggaam met 'n hoër temperatuur na 'n liggaam of area met 'n laer temperatuur. Die fisiese eienskap wat die parameters van hitte-oordrag bepaal, is termiese geleidingsvermoë. Wat is termiese geleidingsvermoë, en hoe word dit in fisika beskryf? Hierdie artikel sal hierdie vrae beantwoord.
Algemene konsep van termiese geleidingsvermoë en die aard daarvan
As jy in eenvoudige terme die vraag beantwoord wat termiese geleidingsvermoë in fisika is, dan moet gesê word dat hitte-oordrag tussen twee liggame of verskillende areas van dieselfde liggaam 'n proses van interne energie-uitruiling tussen die deeltjies is wat vorm die liggaam (molekules, atome, elektrone en ione). Interne energie self bestaan uit twee belangrike dele: kinetiese energie en potensiële energie.
Wat is termiese geleidingsvermoë in fisika vanuit die oogpunt van die aard van hierdiewaardes? Op 'n mikroskopiese vlak hang die vermoë van materiale om hitte te gelei af van hul mikrostruktuur. Byvoorbeeld, vir vloeistowwe en gasse vind hierdie fisiese proses plaas as gevolg van chaotiese botsings tussen molekules; in vaste stowwe val die grootste deel van die oorgedra hitte op die uitruil van energie tussen vrye elektrone (in metaalstelsels) of fonone (nie-metaalstowwe)), wat meganiese vibrasies van die kristalrooster is.
Wiskundige voorstelling van termiese geleidingsvermoë
Kom ons beantwoord die vraag wat termiese geleidingsvermoë is, vanuit 'n wiskundige oogpunt. As ons 'n homogene liggaam neem, dan sal die hoeveelheid hitte wat daardeur in 'n gegewe rigting oorgedra word eweredig wees aan die oppervlakte loodreg op die rigting van hitte-oordrag, die termiese geleidingsvermoë van die materiaal self en die temperatuurverskil aan die punte van die liggaam, en sal ook omgekeerd eweredig wees aan die dikte van die liggaam.
Die resultaat is die formule: Q/t=kA(T2-T1)/x, hier Q/t - hitte (energie) oorgedra deur die liggaam in tyd t, k - koëffisiënt van termiese geleidingsvermoë van die materiaal waaruit die oorweegse liggaam gemaak is, A - deursnee-area van die liggaam, T2 -T 1 - temperatuurverskil aan die punte van die liggaam, met T2>T1, x - dikte van die liggaam waardeur hitte Q oorgedra word
Metodes vir die oordrag van termiese energie
Oorweging van die vraag wat die termiese geleidingsvermoë van materiale is, moet ons die moontlike metodes van hitte-oordrag noem. Termiese energie kan tussen verskillende liggame oorgedra word deur gebruik te maak vanvolgende prosesse:
- geleiding - hierdie proses verloop sonder materieoordrag;
- konveksie - hitte-oordrag hou direk verband met die beweging van materie self;
- straling - hitte-oordrag word uitgevoer as gevolg van elektromagnetiese straling, dit wil sê met behulp van fotone.
Om hitte oor te dra deur die prosesse van geleiding of konveksie, is direkte kontak tussen verskillende liggame nodig, met die verskil dat daar in die proses van geleiding geen makroskopiese beweging van materie is nie, maar in die proses van konveksie hierdie beweging is teenwoordig. Let daarop dat mikroskopiese beweging in alle hitte-oordragprosesse plaasvind.
Vir normale temperature van etlike tientalle grade Celsius, kan daar gesê word dat konveksie en geleiding die grootste deel van die hitte wat oorgedra word verantwoordelik is, en die hoeveelheid energie wat in die bestralingsproses oorgedra word, is weglaatbaar. Bestraling begin egter 'n groot rol speel in die hitte-oordragproses by temperature van etlike honderde en duisende Kelvin, aangesien die hoeveelheid energie Q wat op hierdie manier oorgedra word in verhouding met die 4de mag van absolute temperatuur toeneem, dit wil sê ~ T 4. Ons son verloor byvoorbeeld die meeste van sy energie deur bestraling.
Termiese geleidingsvermoë van vaste stowwe
Aangesien elke molekule of atoom in vaste stowwe in 'n sekere posisie is en dit nie kan verlaat nie, is die oordrag van hitte deur konveksie onmoontlik, en die enigste moontlike proses isgeleidingsvermoë. Met 'n toename in liggaamstemperatuur neem die kinetiese energie van sy samestellende deeltjies toe, en elke molekule of atoom begin meer intens osilleer. Hierdie proses lei tot hul botsing met naburige molekules of atome, as gevolg van sulke botsings word kinetiese energie van deeltjie tot deeltjie oorgedra totdat alle deeltjies van die liggaam deur hierdie proses bedek is.
As gevolg van die beskryfde mikroskopiese meganisme, wanneer die een punt van 'n metaalstaaf verhit word, word die temperatuur na 'n rukkie oor die hele staaf gelyk.
Hitte dra nie eweredig oor in verskillende soliede materiale nie. So, daar is materiale wat goeie termiese geleidingsvermoë het. Hulle lei maklik en vinnig hitte deur hulself. Maar daar is ook swak hittegeleiers of isolators waardeur min of geen hitte kan gaan nie.
Koëffisiënt van termiese geleidingsvermoë vir vaste stowwe
Die termiese geleidingskoëffisiënt vir vaste stowwe k het die volgende fisiese betekenis: dit dui die hoeveelheid hitte aan wat per tydseenheid deur 'n eenheidsoppervlakte beweeg in enige liggaam van eenheidsdikte en oneindige lengte en breedte met 'n temperatuurverskil by sy punte gelyk aan een graad. In die internasionale stelsel van eenhede SI word die koëffisiënt k gemeet in J/(smK).
Hierdie koëffisiënt in vaste stowwe hang af van temperatuur, daarom is dit gebruiklik om dit by 'n temperatuur van 300 K te bepaal om die vermoë om hitte te kan vergelykverskeie materiale.
Termiese geleidingskoëffisiënt vir metale en nie-metaal harde materiale
Alle metale, sonder uitsondering, is goeie geleiers van hitte, vir die oordrag waarvan hulle verantwoordelik is vir die elektrongas. Op hul beurt is ioniese en kovalente materiale, sowel as materiale met 'n veselstruktuur, goeie hitte-isoleerders, dit wil sê hulle gelei hitte swak. Om die openbaarmaking van die vraag wat termiese geleiding is, te voltooi, moet daarop gelet word dat hierdie proses die verpligte aanwesigheid van materie vereis indien dit uitgevoer word as gevolg van konveksie of geleiding, daarom kan hitte in 'n vakuum slegs oorgedra word a.g.v. elektromagnetiese straling.
Die lys hieronder toon die waardes van termiese geleidingsvermoëkoëffisiënte vir sommige metale en nie-metale in J/(smK):
- staal - 47-58 afhangende van staalgraad;
- aluminium - 209, 3;
- brons - 116-186;
- sink - 106-140 afhangende van suiwerheid;
- koper - 372, 1-385, 2;
- koper - 81-116;
- goud - 308, 2;
- silwer - 406, 1-418, 7;
- rubber - 0, 04-0, 30;
- veselglas - 0.03-0.07;
- baksteen - 0, 80;
- boom - 0, 13;
- glas - 0, 6-1, 0.
Dus, die termiese geleidingsvermoë van metale is 2-3 ordes hoër as die termiese geleidingsvermoë waardes vir isolators, wat 'n uitstekende voorbeeld is van die antwoord op die vraag wat lae termiese geleidingsvermoë is.
Die waarde van termiese geleidingsvermoë speel 'n belangrike rol in baieindustriële prosesse. In sommige prosesse poog hulle om dit te vergroot deur goeie hittegeleiers te gebruik en die kontakarea te vergroot, terwyl hulle in ander probeer om termiese geleidingsvermoë te verminder deur die kontakarea te verklein en hitte-isolerende materiale te gebruik.
Konveksie in vloeistowwe en gasse
Die oordrag van hitte in vloeistowwe word deur die proses van konveksie uitgevoer. Hierdie proses behels die beweging van molekules van 'n stof tussen sones met verskillende temperature, dit wil sê, tydens konveksie word 'n vloeistof of gas gemeng. Wanneer vloeibare materie hitte vrystel, verloor sy molekules van hul kinetiese energie en die materie word digter. Inteendeel, wanneer vloeibare materie verhit word, verhoog sy molekules hul kinetiese energie, hul beweging word onderskeidelik intenser, die volume van materie neem toe en die digtheid neem af. Dit is hoekom die koue lae materie geneig is om onder die invloed van swaartekrag af te val, en die warm lae probeer opstyg. Hierdie proses lei tot die vermenging van materie, wat die oordrag van hitte tussen die lae daarvan vergemaklik.
Die termiese geleidingsvermoë van sommige vloeistowwe
As jy die vraag beantwoord wat die termiese geleidingsvermoë van water is, moet verstaan word dat dit as gevolg van die konveksieproses is. Die termiese geleidingskoëffisiënt daarvoor is 0,58 J/(smK).
Vir ander vloeistowwe word hierdie waarde hieronder gelys:
- etielalkohol - 0,17;
- asetoon - 0, 16;
- gliserol - 0, 28.
Dit is die waardestermiese geleidingsvermoë vir vloeistowwe is vergelykbaar met dié vir soliede hitte-isolators.
Konveksie in die atmosfeer
Atmosferiese konveksie is belangrik omdat dit verskynsels soos winde, siklone, wolkvorming, reën en ander veroorsaak. Al hierdie prosesse gehoorsaam die fisiese wette van termodinamika.
Onder die prosesse van konveksie in die atmosfeer is die watersiklus die belangrikste. Hier moet ons die vrae oor wat die termiese geleidingsvermoë en hittekapasiteit van water is, oorweeg. Die hittekapasiteit van water word verstaan as 'n fisiese hoeveelheid wat wys hoeveel hitte na 1 kg water oorgedra moet word sodat die temperatuur daarvan met een graad styg. Dit is gelyk aan 4220 J.
Die watersiklus word soos volg uitgevoer: die son verhit die water van die oseane, en 'n deel van die water verdamp in die atmosfeer. As gevolg van die proses van konveksie styg waterdamp tot 'n groot hoogte, koel af, wolke en wolke vorm, wat tot neerslag in die vorm van hael of reën lei.
