Soojusjuhtivuse nähtus on energia ülekandmine soojuse kujul kahe keha otseses kokkupuutes ilma ainevahetuseta või selle vahetumisel. Sel juhul liigub energia ühest kõrgema temperatuuriga kehast või kehapiirkonnast madalama temperatuuriga kehasse või piirkonda. Füüsikaline omadus, mis määrab soojusülekande parameetrid, on soojusjuhtivus. Mis on soojusjuhtivus ja kuidas seda füüsikas kirjeldatakse? See artikkel annab neile küsimustele vastused.
Üldine soojusjuhtivuse kontseptsioon ja selle olemus
Kui vastata lihtsate sõnadega küsimusele, mis on soojusjuhtivus füüsikas, siis tuleb öelda, et soojusülekanne kahe keha või sama keha erinevate piirkondade vahel on sisemise energiavahetuse protsess osakeste vahel, mis moodustavad keha (molekulid, aatomid, elektronid ja ioonid). Siseenergia ise koosneb kahest olulisest osast: kineetilisest energiast ja potentsiaalsest energiast.
Mis on soojusjuhtivus füüsikas selle olemuse seisukoh altväärtused? Mikroskoopilisel tasandil sõltub materjalide soojusjuhtimise võime nende mikrostruktuurist. Näiteks vedelike ja gaaside puhul toimub see füüsikaline protsess molekulide vaheliste kaootiliste kokkupõrgete tõttu; tahketes ainetes langeb põhiosa ülekantavast soojusest vabade elektronide (metallisüsteemides) või fonoonide (mittemetallilised ained) vahelisele energiavahetusele.), mis on kristallvõre mehaanilised vibratsioonid.
Soojusjuhtivuse matemaatiline esitus
Vastame küsimusele, mis on soojusjuhtivus, matemaatilisest vaatenurgast. Kui võtame homogeense keha, siis on seda läbiv soojushulk antud suunas võrdeline soojusülekande suunaga risti oleva pinna pindalaga, materjali enda soojusjuhtivusega ja temperatuuride erinevusega keha otstes. keha ja on ka pöördvõrdeline kere paksusega.
Tulemus on valem: Q/t=kA(T2-T1)/x, siin Q/t - keha läbinud soojus (energia) ajas t, k - materjali soojusjuhtivuse koefitsient, millest vaadeldav keha on valmistatud, A - keha ristlõikepindala, T2 -T 1 - temperatuuride erinevus keha otstes koos T2>T1, x – keha paksus, mille kaudu soojus Q kandub.
Soojusenergia ülekandmise meetodid
Arvestades küsimust, milline on materjalide soojusjuhtivus, tuleks mainida võimalikke soojusülekande meetodeid. Soojusenergiat saab erinevate kehade vahel üle kanda kasutadesjärgmised protsessid:
- juhtivus – see protsess kulgeb ilma aineülekandeta;
- konvektsioon - soojusülekanne on otseselt seotud aine enda liikumisega;
- kiirgus - soojusülekanne toimub elektromagnetkiirguse toimel ehk footonite abil.
Soojuse ülekandmiseks juhtivuse või konvektsiooni protsesside abil on vajalik otsekontakt erinevate kehade vahel, selle erinevusega, et juhtivuse protsessis ei toimu aine makroskoopilist liikumist, vaid konvektsioon see liikumine on olemas. Pange tähele, et mikroskoopiline liikumine toimub kõigis soojusülekande protsessides.
Mitmekümne Celsiuse kraadise tavatemperatuuri puhul võib öelda, et konvektsioon ja juhtivus moodustavad põhiosa ülekantavast soojusest ning kiirgusprotsessis ülekantava energia hulk on tühine. Küll aga hakkab kiirgus mängima olulist rolli soojusülekande protsessis mitmesaja ja tuhande kelvini kraadi juures, kuna sel viisil ülekantava energia hulk Q suureneb võrdeliselt absoluutse temperatuuri 4. astmega ehk ~T. 4. Näiteks kaotab meie päike suurema osa oma energiast kiirguse tõttu.
Tahkete ainete soojusjuhtivus
Kuna tahketes ainetes on iga molekul või aatom teatud asendis ega saa se alt lahkuda, on soojusülekanne konvektsiooni teel võimatu ja ainus võimalik protsess onjuhtivus. Kehatemperatuuri tõusuga suureneb selle koostisosade osakeste kineetiline energia ja iga molekul või aatom hakkab intensiivsem alt võnkuma. See protsess viib nende kokkupõrkeni naabermolekulide või aatomitega, mille tulemusena kandub kineetiline energia osakeselt osakesesse, kuni kõik kehaosakesed on selle protsessiga kaetud.
Kirjeldatud mikroskoopilise mehhanismi tulemusena ühtlustub metallvarda ühe otsa kuumutamisel temperatuur mõne aja pärast kogu varda ulatuses.
Soojus ei kandu erinevates tahketes materjalides võrdselt. Niisiis, on materjale, millel on hea soojusjuhtivus. Nad juhivad soojust kergesti ja kiiresti läbi ise. Kuid on ka halbu soojusjuhte või isolaatoreid, millest ei pääse soojust vähe või üldse mitte.
Tahkete ainete soojusjuhtivuse koefitsient
Tahkete ainete soojusjuhtivuse koefitsiendil k on järgmine füüsikaline tähendus: see näitab soojushulka, mis läbib ajaühikus pindalaühikut mis tahes ühiku paksuse ning lõpmatu pikkuse ja laiusega kehas temperatuuride erinevusega selle otsad on võrdsed ühe kraadiga. Rahvusvahelises ühikute süsteemis SI mõõdetakse koefitsienti k J/(smK).
See tahkete ainete koefitsient sõltub temperatuurist, mistõttu on tavaks määrata see temperatuuril 300 K, et võrrelda soojusjuhtivuse võimeterinevaid materjale.
Metallide ja mittemetalliliste kõvade materjalide soojusjuhtivuse koefitsient
Eranditult kõik metallid on head soojusjuhid, mille ülekandmise eest vastutavad nad elektrongaasi eest. Ioonsed ja kovalentsed materjalid, aga ka kiudstruktuuriga materjalid on omakorda head soojusisolaatorid ehk juhivad halvasti soojust. Küsimuse, mis on soojusjuhtivus, avalikustamise lõpuleviimiseks tuleb märkida, et see protsess nõuab aine kohustuslikku olemasolu, kui see viiakse läbi konvektsiooni või juhtivuse tõttu, seetõttu saab vaakumis soojust üle kanda ainult elektromagnetkiirgus.
Allpool olev loend näitab teatud metallide ja mittemetallide soojusjuhtivustegurite väärtusi J/(smK):
- teras - 47-58 sõltuv alt terase klassist;
- alumiinium – 209, 3;
- pronks – 116-186;
- tsink - 106-140 sõltuv alt puhtusest;
- vask - 372, 1-385, 2;
- messing - 81-116;
- kuld – 308, 2;
- hõbe - 406, 1-418, 7;
- kumm - 0, 04-0, 30;
- klaaskiud – 0,03-0,07;
- telliskivi - 0, 80;
- puu - 0, 13;
- klaas – 0, 6-1, 0.
Seega on metallide soojusjuhtivus 2-3 suurusjärku kõrgem kui isolaatorite soojusjuhtivuse väärtused, mis on suurepärane näide vastusest küsimusele, mis on madal soojusjuhtivus.
Soojusjuhtivuse väärtus mängib paljudes olulist rollitööstuslikud protsessid. Mõne protsessi puhul püüavad nad seda suurendada, kasutades häid soojusjuhte ja suurendades kontaktpinda, samas kui teistes püüavad nad vähendada soojusjuhtivust, vähendades kontaktpinda ja kasutades soojusisolatsioonimaterjale.
Konvektsioon vedelikes ja gaasides
Soojusülekanne vedelikes toimub konvektsiooni teel. See protsess hõlmab aine molekulide liikumist erineva temperatuuriga tsoonide vahel, st konvektsiooni ajal seguneb vedelik või gaas. Kui vedel aine eraldab soojust, kaotavad selle molekulid osa oma kineetilisest energiast ja aine muutub tihedamaks. Vastupidi, vedela aine kuumutamisel suurendavad selle molekulid oma kineetilist energiat, nende liikumine muutub vastav alt intensiivsemaks, aine maht suureneb ja tihedus väheneb. Seetõttu kipuvad külmad ainekihid gravitatsiooni mõjul alla vajuma, kuumad aga üles tõusta. Selle protsessi tulemuseks on aine segunemine, mis hõlbustab soojuse ülekandmist selle kihtide vahel.
Mõnede vedelike soojusjuhtivus
Kui vastata küsimusele, mis on vee soojusjuhtivus, tuleks mõista, et see on tingitud konvektsiooniprotsessist. Selle soojusjuhtivuse koefitsient on 0,58 J/(smK).
Muude vedelike puhul on see väärtus loetletud allpool:
- etüülalkohol - 0,17;
- atsetoon – 0, 16;
- glütserool – 0, 28.
See tähendab, väärtusedvedelike soojusjuhtivus on võrreldav tahkete soojusisolaatorite omaga.
Konvektsioon atmosfääris
Atmosfääri konvektsioon on oluline, kuna see põhjustab selliseid nähtusi nagu tuuled, tsüklonid, pilvede teke, vihm ja muud. Kõik need protsessid järgivad termodünaamika füüsikalisi seadusi.
Atmosfääris toimuvate konvektsiooniprotsesside hulgas on kõige olulisem veeringe. Siin tuleks käsitleda küsimusi, milline on vee soojusjuhtivus ja soojusmahtuvus. Vee soojusmahtuvuse all mõistetakse füüsikalist suurust, mis näitab, kui palju soojust tuleb üle kanda 1 kg veele, et selle temperatuur tõuseks ühe kraadi võrra. See võrdub 4220 J.
Veeringe toimub järgmiselt: päike soojendab ookeanide vett ja osa veest aurustub atmosfääri. Konvektsiooniprotsessi tõttu tõuseb veeaur suurele kõrgusele, jahtub, tekivad pilved ja pilved, mis toovad kaasa sademeid rahe või vihma kujul.
