Jev tepelné vodivosti je přenos energie ve formě tepla při přímém kontaktu dvou těles bez jakékoli výměny hmoty nebo s její výměnou. V tomto případě energie přechází z jednoho těla nebo oblasti těla s vyšší teplotou do těla nebo oblasti s nižší teplotou. Fyzikální charakteristikou, která určuje parametry přenosu tepla, je tepelná vodivost. Co je tepelná vodivost a jak se popisuje ve fyzice? Tento článek odpoví na tyto otázky.
Obecný pojem tepelné vodivosti a její povaha
Pokud jednoduše odpovíte na otázku, co je tepelná vodivost ve fyzice, pak je třeba říci, že přenos tepla mezi dvěma tělesy nebo různými oblastmi téhož tělesa je proces vnitřní výměny energie mezi částicemi, které tvoří tělo (molekuly, atomy, elektrony a ionty). Samotná vnitřní energie se skládá ze dvou důležitých částí: kinetické energie a potenciální energie.
Co je tepelná vodivost ve fyzice z hlediska její podstatyhodnoty? Na mikroskopické úrovni závisí schopnost materiálů vést teplo na jejich mikrostruktuře. Například u kapalin a plynů k tomuto fyzikálnímu procesu dochází v důsledku chaotických srážek mezi molekulami, u pevných látek připadá hlavní podíl předávaného tepla na výměnu energie mezi volnými elektrony (v kovových soustavách) nebo fonony (nekovové látky).), což jsou mechanické vibrace krystalové mřížky.
Matematické vyjádření tepelné vodivosti
Pojďme si odpovědět na otázku, co je tepelná vodivost, z matematického hlediska. Vezmeme-li homogenní těleso, pak množství tepla, které se přes něj v daném směru přenese, bude úměrné ploše kolmé ke směru přenosu tepla, tepelné vodivosti samotného materiálu a rozdílu teplot na koncích tělesa. tělo a bude také nepřímo úměrné tloušťce těla.
Výsledkem je vzorec: Q/t=kA(T2-T1)/x, zde Q/t - teplo (energie) přenesené tělesem za čas t, k - součinitel tepelné vodivosti materiálu, ze kterého je uvažované těleso vyrobeno, A - plocha průřezu tělesa, T2 -T 1 – teplotní rozdíl na koncích těla s T2>T1, x - tloušťka tělesa, kterým se přenáší teplo Q.
Metody přenosu tepelné energie
Vzhledem k otázce, jaká je tepelná vodivost materiálů, je třeba zmínit možné způsoby přenosu tepla. Tepelná energie může být přenášena mezi různými tělesy pomocínásledující procesy:
- vodivost – tento proces probíhá bez přenosu hmoty;
- konvekce - přenos tepla přímo souvisí s pohybem samotné hmoty;
- záření - přenos tepla probíhá díky elektromagnetickému záření, tedy pomocí fotonů.
Aby došlo k přenosu tepla pomocí procesů vedení nebo konvekce, je nutný přímý kontakt mezi různými tělesy s tím rozdílem, že v procesu vedení nedochází k makroskopickému pohybu hmoty, ale k procesu konvekce tento pohyb je přítomen. Všimněte si, že mikroskopický pohyb probíhá ve všech procesech přenosu tepla.
Pro normální teploty několik desítek stupňů Celsia lze říci, že konvekce a kondukce tvoří převážnou část přeneseného tepla a množství energie přenesené v procesu sálání je zanedbatelné. Radiace však začíná hrát hlavní roli v procesu přenosu tepla při teplotách několika set a tisíc Kelvinů, protože množství takto přenesené energie Q roste úměrně se 4. mocninou absolutní teploty, tedy ∼ T 4. Například naše slunce ztrácí většinu své energie zářením.
Tepelná vodivost pevných látek
Protože v pevných látkách je každá molekula nebo atom v určité poloze a nemůže ji opustit, přenos tepla konvekcí je nemožný a jediný možný proces jevodivost. S nárůstem tělesné teploty se zvyšuje kinetická energie jeho částic a každá molekula nebo atom začne intenzivněji oscilovat. Tento proces vede k jejich srážce se sousedními molekulami nebo atomy, v důsledku těchto srážek se kinetická energie přenáší z částice na částici, dokud nejsou tímto procesem pokryty všechny částice těla.
V důsledku popsaného mikroskopického mechanismu se při zahřátí jednoho konce kovové tyče po chvíli vyrovná teplota na celé tyči.
V různých pevných materiálech se teplo nepřenáší rovnoměrně. Existují tedy materiály, které mají dobrou tepelnou vodivost. Snadno a rychle vedou teplo přes sebe. Existují však také špatné tepelné vodiče nebo izolátory, kterými může procházet jen málo nebo žádné teplo.
Koeficient tepelné vodivosti pevných látek
Koeficient tepelné vodivosti pro pevné látky k má následující fyzikální význam: udává množství tepla, které projde za jednotku času jednotkovou povrchovou plochou v jakémkoli tělese o jednotkové tloušťce a nekonečné délce a šířce s teplotním rozdílem při jeho konce rovné jednomu stupni. V mezinárodní soustavě jednotek SI se koeficient k měří v J/(smK).
Tento koeficient v pevných látkách závisí na teplotě, proto je zvykem jej určovat při teplotě 300 K za účelem porovnání schopnosti vést teplorůzné materiály.
Koeficient tepelné vodivosti pro kovy a nekovové tvrdé materiály
Všechny kovy bez výjimky jsou dobrými vodiči tepla, za jehož přenos jsou zodpovědné elektronový plyn. Iontové a kovalentní materiály, stejně jako materiály s vláknitou strukturou, jsou zase dobrými tepelnými izolanty, to znamená, že špatně vedou teplo. Abychom dokončili odhalení otázky, co je tepelná vodivost, je třeba poznamenat, že tento proces vyžaduje povinnou přítomnost hmoty, pokud se provádí v důsledku konvekce nebo kondukce, proto ve vakuu může být teplo přenášeno pouze elektromagnetické záření.
V seznamu níže jsou uvedeny hodnoty koeficientů tepelné vodivosti pro některé kovy a nekovy v J/(smK):
- ocel - 47-58 v závislosti na jakosti oceli;
- hliník - 209, 3;
- bronz – 116-186;
- zinek - 106-140 v závislosti na čistotě;
- měď – 372, 1-385, 2;
- mosaz - 81-116;
- zlato – 308, 2;
- stříbrná – 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- sklolaminát - 0,03-0,07;
- cihla – 0, 80;
- strom - 0, 13;
- sklo – 0, 6-1, 0.
Tepelná vodivost kovů je tedy o 2-3 řády vyšší než hodnoty tepelné vodivosti u izolantů, které jsou ukázkovým příkladem odpovědi na otázku, co je to nízká tepelná vodivost.
V mnoha hraje důležitou roli hodnota tepelné vodivostiprůmyslové procesy. V některých procesech se ji snaží zvýšit použitím dobrých tepelných vodičů a zvětšení kontaktní plochy, zatímco v jiných se snaží snížit tepelnou vodivost zmenšením kontaktní plochy a použitím tepelně izolačních materiálů.
Konvekce v kapalinách a plynech
Přenos tepla v tekutinách se provádí procesem konvekce. Tento proces zahrnuje pohyb molekul látky mezi zónami s různými teplotami, to znamená, že během konvekce dochází ke smíchání kapaliny nebo plynu. Když tekutá hmota uvolňuje teplo, její molekuly ztrácejí část své kinetické energie a hmota se stává hustší. Naopak při zahřívání tekuté hmoty její molekuly zvyšují svoji kinetickou energii, jejich pohyb se zintenzivňuje, respektive zvětšuje se objem hmoty a zmenšuje se hustota. To je důvod, proč studené vrstvy hmoty mají tendenci klesat pod vlivem gravitace a horké vrstvy se snaží stoupat nahoru. Tento proces vede k promíchání hmoty, což usnadňuje přenos tepla mezi jejími vrstvami.
Tepelná vodivost některých kapalin
Pokud odpovíte na otázku, jaká je tepelná vodivost vody, je třeba chápat, že je to kvůli procesu konvekce. Součinitel tepelné vodivosti je 0,58 J/(smK).
U ostatních kapalin je tato hodnota uvedena níže:
- ethylalkohol – 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glycerol – 0, 28.
To jsou hodnotytepelné vodivosti pro kapaliny jsou srovnatelné s tepelnými izolátory pevných látek.
Konvekce v atmosféře
Atmosférická konvekce je důležitá, protože způsobuje jevy, jako jsou větry, cyklóny, tvorba mraků, déšť a další. Všechny tyto procesy se řídí fyzikálními zákony termodynamiky.
Z procesů konvekce v atmosféře je nejdůležitější koloběh vody. Zde bychom se měli zamyslet nad otázkami, jaká je tepelná vodivost a tepelná kapacita vody. Tepelnou kapacitou vody se rozumí fyzikální veličina udávající, kolik tepla je třeba předat 1 kg vody, aby se její teplota zvýšila o jeden stupeň. To se rovná 4220 J.
Koloběh vody probíhá následovně: Slunce ohřívá vody oceánů a část vody se vypařuje do atmosféry. Vlivem procesu konvekce stoupá vodní pára do velké výšky, ochlazuje se, tvoří se mraky a mraky, které vedou ke srážkám ve formě krup nebo deště.
