Явлението топлопроводимост е пренос на енергия под формата на топлина при директен контакт на две тела без какъвто и да е обмен на материя или с нейния обмен. В този случай енергията преминава от едно тяло или област на тялото с по-висока температура към тяло или област с по-ниска температура. Физическата характеристика, която определя параметрите на топлопреминаването, е топлопроводимостта. Какво е топлопроводимост и как се описва във физиката? Тази статия ще отговори на тези въпроси.
Обща концепция за топлопроводимост и нейната природа
Ако отговорите с прости думи на въпроса какво е топлопроводимостта във физиката, тогава трябва да се каже, че преносът на топлина между две тела или различни области на едно и също тяло е процес на вътрешен обмен на енергия между частиците, които изграждат тялото (молекули, атоми, електрони и йони). Самата вътрешна енергия се състои от две важни части: кинетична енергия и потенциална енергия.
Какво е топлопроводимостта във физиката от гледна точка на естеството на товастойности? На микроскопично ниво способността на материалите да провеждат топлина зависи от тяхната микроструктура. Например, за течности и газове този физически процес възниква поради хаотични сблъсъци между молекули; в твърдите тела основният дял от предадената топлина пада върху обмена на енергия между свободни електрони (в метални системи) или фонони (неметални вещества), които са механични вибрации на кристалната решетка.
Математическо представяне на топлопроводимостта
Нека да отговорим на въпроса какво е топлопроводимост от математическа гледна точка. Ако вземем хомогенно тяло, тогава количеството топлина, пренесено през него в дадена посока, ще бъде пропорционално на повърхността, перпендикулярна на посоката на пренос на топлина, топлопроводимостта на самия материал и температурната разлика в краищата на тяло, и също така ще бъде обратно пропорционално на дебелината на тялото.
Резултатът е формулата: Q/t=kA(T2-T1)/x, тук Q/t - топлина (енергия), пренесена през тялото за време t, k - коефициент на топлопроводимост на материала, от който е направено разглежданото тяло, A - площ на напречното сечение на тялото, T2 -T 1 - температурна разлика в краищата на тялото, с T2>T1, x - дебелина на тялото, през което се пренася топлина Q.
Методи за пренос на топлинна енергия
Имайки предвид въпроса каква е топлопроводимостта на материалите, трябва да споменем възможните методи за пренос на топлина. Топлинната енергия може да се прехвърля между различни тела с помощтаследните процеси:
- проводимост - този процес протича без прехвърляне на материята;
- конвекция - преносът на топлина е пряко свързан с движението на самата материя;
- радиация - преносът на топлина се осъществява поради електромагнитно излъчване, тоест с помощта на фотони.
За да може топлината да се пренася чрез процесите на проводимост или конвекция, е необходим директен контакт между различни тела, с тази разлика, че в процеса на проводимост няма макроскопично движение на материята, а в процеса на конвекция това движение е налице. Имайте предвид, че микроскопичното движение се осъществява при всички процеси на топлопредаване.
За нормални температури от няколко десетки градуса по Целзий може да се каже, че конвекцията и проводимостта представляват основната част от пренесената топлина, а количеството енергия, пренесено в процеса на излъчване, е незначително. Въпреки това, радиацията започва да играе основна роля в процеса на пренос на топлина при температури от няколкостотин и хиляди Келвини, тъй като количеството енергия Q, пренесено по този начин, нараства пропорционално на 4-та степен на абсолютната температура, тоест ∼ T 4. Например нашето слънце губи по-голямата част от енергията си чрез радиация.
Топлопроводимост на твърди тела
Тъй като в твърдите тела всяка молекула или атом е в определена позиция и не може да я напусне, преносът на топлина чрез конвекция е невъзможен и единственият възможен процес епроводимост. С повишаване на телесната температура кинетичната енергия на съставните му частици се увеличава и всяка молекула или атом започва да трепти по-интензивно. Този процес води до сблъсъка им със съседни молекули или атоми, в резултат на такива сблъсъци кинетичната енергия се прехвърля от частица на частица, докато всички частици на тялото бъдат покрити от този процес.
В резултат на описания микроскопичен механизъм, когато единият край на метален прът се нагрее, температурата се изравнява по целия прът след известно време.
Топлината не се предава еднакво в различни твърди материали. Така че има материали, които имат добра топлопроводимост. Те лесно и бързо провеждат топлина през себе си. Но има и лоши топлопроводници или изолатори, през които може да премине малко или никаква топлина.
Коефициент на топлопроводимост за твърди тела
Коефициентът на топлопроводимост за твърди тела k има следното физическо значение: той показва количеството топлина, което преминава за единица време през единица повърхност във всяко тяло с единична дебелина и безкрайна дължина и ширина с температурна разлика при краищата му са равни на един градус. В международната система от единици SI коефициентът k се измерва в J/(smK).
Този коефициент в твърди вещества зависи от температурата, така че е обичайно да се определя при температура от 300 K, за да се сравни способността за провеждане на топлинаразлични материали.
Коефициент на топлопроводимост за метали и неметални твърди материали
Всички метали, без изключение, са добри проводници на топлина, за чийто пренос са отговорни електронния газ. От своя страна йонните и ковалентните материали, както и материалите с влакнеста структура, са добри топлоизолатори, тоест те провеждат лошо топлина. За да завършим разкриването на въпроса какво е топлопроводимост, трябва да се отбележи, че този процес изисква задължително присъствие на материя, ако се извършва поради конвекция или проводимост, следователно във вакуум топлината може да се пренася само поради електромагнитно излъчване.
Списъкът по-долу показва стойностите на коефициентите на топлопроводимост за някои метали и неметали в J/(smK):
- стомана - 47-58 в зависимост от марката стомана;
- алуминий - 209, 3;
- бронз - 116-186;
- цинк - 106-140 в зависимост от чистотата;
- мед - 372, 1-385, 2;
- месинг - 81-116;
- злато - 308, 2;
- сребро - 406, 1-418, 7;
- гумена - 0, 04-0, 30;
- фибростъкло - 0,03-0,07;
- тухла - 0, 80;
- дърво - 0, 13;
- стъкло - 0, 6-1, 0.
По този начин топлопроводимостта на металите е с 2-3 порядъка по-висока от стойностите на топлопроводимост за изолатори, които са отличен пример за отговора на въпроса какво е ниската топлопроводимост.
Стойността на топлопроводимостта играе важна роля в многопромишлени процеси. При някои процеси те се стремят да го увеличат чрез използване на добри топлопроводници и увеличаване на контактната площ, докато в други се опитват да намалят топлопроводимостта чрез намаляване на контактната площ и използване на топлоизолационни материали.
Конвекция в течности и газове
Преносът на топлина във флуидите се осъществява чрез процеса на конвекция. Този процес включва движение на молекули на вещество между зони с различни температури, тоест по време на конвекция се смесва течност или газ. Когато течната материя отделя топлина, нейните молекули губят част от кинетичната си енергия и материята става по-плътна. Напротив, когато течната материя се нагрява, нейните молекули увеличават кинетичната си енергия, движението им става по-интензивно, съответно обемът на материята се увеличава, а плътността намалява. Ето защо студените слоеве на материята са склонни да падат надолу под въздействието на гравитацията, а горещите слоеве се опитват да се издигнат. Този процес води до смесване на материята, улеснявайки преноса на топлина между нейните слоеве.
Топлопроводимостта на някои течности
Ако отговорите на въпроса каква е топлопроводимостта на водата, трябва да се разбере, че тя се дължи на процеса на конвекция. Коефициентът на топлопроводимост за него е 0,58 J/(smK).
За други течности тази стойност е посочена по-долу:
- етилов алкохол - 0,17;
- ацетон - 0, 16;
- глицерол - 0, 28.
Тоест стойноститетоплопроводимостта за течности е сравнима с тази за твърди топлоизолатори.
Конвекция в атмосферата
Атмосферната конвекция е важна, защото причинява явления като ветрове, циклони, образуване на облаци, дъжд и други. Всички тези процеси се подчиняват на физичните закони на термодинамиката.
Сред процесите на конвекция в атмосферата най-важен е водният цикъл. Тук трябва да разгледаме въпросите каква е топлопроводимостта и топлинния капацитет на водата. Топлинният капацитет на водата се разбира като физическа величина, показваща колко топлина трябва да се предаде на 1 kg вода, така че температурата й да се повиши с един градус. Равно на 4220 J.
Водният цикъл се осъществява по следния начин: слънцето загрява водите на океаните и част от водата се изпарява в атмосферата. Поради процеса на конвекция водната пара се издига на голяма височина, охлажда се, образуват се облаци и облаци, които водят до валежи под формата на градушка или дъжд.
