Fenomen toplinske vodljivosti je prijenos energije u obliku topline u izravnom dodiru dvaju tijela bez ikakve izmjene tvari ili uz njezinu izmjenu. U tom slučaju energija prelazi s jednog tijela ili područja tijela s višom temperaturom na tijelo ili područje s nižom temperaturom. Fizička karakteristika koja određuje parametre prijenosa topline je toplinska vodljivost. Što je toplinska vodljivost i kako se opisuje u fizici? Ovaj će članak odgovoriti na ova pitanja.
Opći koncept toplinske vodljivosti i njezina priroda
Ako jednostavno odgovorite na pitanje što je toplinska vodljivost u fizici, onda treba reći da je prijenos topline između dva tijela ili različitih područja istog tijela proces unutarnje izmjene energije između čestica koje čine tijelo (molekule, atomi, elektroni i ioni). Sama unutarnja energija sastoji se od dva važna dijela: kinetičke energije i potencijalne energije.
Što je toplinska vodljivost u fizici s gledišta prirode ovogavrijednosti? Na mikroskopskoj razini, sposobnost materijala da provode toplinu ovisi o njihovoj mikrostrukturi. Na primjer, za tekućine i plinove ovaj se fizički proces događa zbog kaotičnih sudara između molekula; u čvrstim tvarima glavni dio prenesene topline otpada na razmjenu energije između slobodnih elektrona (u metalnim sustavima) ili fonona (nemetalne tvari), koji su mehaničke vibracije kristalne rešetke.
Matematički prikaz toplinske vodljivosti
Odgovorimo na pitanje što je toplinska vodljivost, s matematičke točke gledišta. Ako uzmemo homogeno tijelo, tada će količina topline koja se kroz njega prenosi u određenom smjeru biti proporcionalna površini okomitoj na smjer prijenosa topline, toplinskoj vodljivosti samog materijala i temperaturnoj razlici na krajevima tijela. tijelo, a također će biti obrnuto proporcionalna debljini tijela.
Rezultat je formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, ovdje Q/t - toplina (energija) prenesena kroz tijelo u vremenu t, k - koeficijent toplinske vodljivosti materijala od kojeg je predmetno tijelo napravljeno, A - površina poprečnog presjeka tijela, T2 -T 1 - temperaturna razlika na krajevima tijela, s T2>T1, x - debljina tijela kroz koju se prenosi toplina Q.
Metode prijenosa toplinske energije
S obzirom na pitanje kolika je toplinska vodljivost materijala, treba spomenuti moguće načine prijenosa topline. Toplinska energija se može prenositi između različitih tijela pomoćusljedeći procesi:
- provodljivost - ovaj proces ide bez prijenosa materije;
- konvekcija - prijenos topline izravno je povezan s kretanjem same tvari;
- zračenje - prijenos topline se vrši zbog elektromagnetskog zračenja, odnosno uz pomoć fotona.
Da bi se toplina prenijela procesima vodljivosti ili konvekcije, neophodan je izravan kontakt između različitih tijela, s tom razlikom što u procesu vođenja nema makroskopskog kretanja tvari, već u procesu konvekcija ovo kretanje je prisutno. Imajte na umu da se mikroskopsko gibanje događa u svim procesima prijenosa topline.
Za normalne temperature od nekoliko desetaka Celzijevih stupnjeva, može se reći da konvekcija i vodljivost čine najveći dio prenesene topline, a količina energije koja se prenosi u procesu zračenja je zanemariva. Međutim, zračenje počinje igrati glavnu ulogu u procesu prijenosa topline na temperaturama od nekoliko stotina i tisuća Kelvina, budući da se količina energije Q koja se na taj način prenosi proporcionalno 4. potenciji apsolutne temperature, odnosno ∼ T 4. Na primjer, naše sunce gubi većinu svoje energije zbog zračenja.
Toplinska vodljivost čvrstih tijela
Budući da je u čvrstim tvarima svaka molekula ili atom u određenom položaju i ne može ga napustiti, prijenos topline konvekcijom je nemoguć, a jedini mogući proces jeprovodljivost. S porastom tjelesne temperature, kinetička energija njegovih sastavnih čestica raste, a svaka molekula ili atom počinje intenzivnije oscilirati. Ovaj proces dovodi do njihovog sudara sa susjednim molekulama ili atomima, kao rezultat takvih sudara kinetička energija se prenosi s čestice na česticu dok sve čestice tijela ne budu pokrivene ovim procesom.
Kao rezultat opisanog mikroskopskog mehanizma, kada se jedan kraj metalne šipke zagrije, temperatura se nakon nekog vremena izjednačava na cijeloj šipki.
Toplina se ne prenosi jednako u različitim čvrstim materijalima. Dakle, postoje materijali koji imaju dobru toplinsku vodljivost. Lako i brzo provode toplinu kroz sebe. Ali postoje i loši provodnici topline ili izolatori kroz koje može proći malo ili nimalo topline.
Koeficijent toplinske vodljivosti za čvrste tvari
Koeficijent toplinske vodljivosti za krute tvari k ima sljedeće fizičko značenje: označava količinu topline koja prolazi u jedinici vremena kroz jediničnu površinu u bilo kojem tijelu jedinične debljine i beskonačne duljine i širine s temperaturnom razlikom pri njegovi krajevi jednaki jednom stupnju. U međunarodnom sustavu jedinica SI, koeficijent k se mjeri u J/(smK).
Ovaj koeficijent u krutim tvarima ovisi o temperaturi, pa je uobičajeno odrediti ga na temperaturi od 300 K kako bi se usporedila sposobnost provođenja toplinerazni materijali.
Koeficijent toplinske vodljivosti za metale i nemetalne tvrde materijale
Svi metali, bez iznimke, dobri su provodnici topline, za čiji su prijenos odgovorni elektronski plin. Zauzvrat, ionski i kovalentni materijali, kao i materijali s vlaknastom strukturom, su dobri toplinski izolatori, odnosno slabo provode toplinu. Da bismo dovršili razotkrivanje pitanja što je toplinska vodljivost, treba napomenuti da ovaj proces zahtijeva obveznu prisutnost materije ako se provodi konvekcijom ili vodljivošću, stoga se u vakuumu toplina može prenositi samo zbog elektromagnetsko zračenje.
Popis ispod prikazuje vrijednosti koeficijenata toplinske vodljivosti za neke metale i nemetale u J/(smK):
- čelik - 47-58 ovisno o razredu čelika;
- aluminij - 209, 3;
- bronca - 116-186;
- cink - 106-140 ovisno o čistoći;
- bakar - 372, 1-385, 2;
- mjed - 81-116;
- zlato - 308, 2;
- srebro - 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- fiberglass - 0,03-0,07;
- cigla - 0, 80;
- stablo - 0, 13;
- staklo - 0, 6-1, 0.
Dakle, toplinska vodljivost metala je 2-3 reda veličine veća od vrijednosti toplinske vodljivosti za izolatore, što je odličan primjer odgovora na pitanje što je niska toplinska vodljivost.
Vrijednost toplinske vodljivosti igra važnu ulogu u mnogimaindustrijskih procesa. U nekim procesima nastoje je povećati korištenjem dobrih vodiča topline i povećanjem površine kontakta, dok u drugim pokušavaju smanjiti toplinsku vodljivost smanjenjem kontaktne površine i korištenjem toplinski izolacijskih materijala.
Konvekcija u tekućinama i plinovima
Prijenos topline u tekućinama vrši se procesom konvekcije. Ovaj proces uključuje kretanje molekula tvari između zona s različitim temperaturama, odnosno tijekom konvekcije miješa se tekućina ili plin. Kada tekuća tvar otpusti toplinu, njezine molekule gube dio svoje kinetičke energije i materija postaje gušća. Naprotiv, kada se tekuća tvar zagrijava, njezine molekule povećavaju svoju kinetičku energiju, njihovo kretanje postaje intenzivnije, odnosno povećava se volumen tvari, a gustoća se smanjuje. Zato hladni slojevi materije pod utjecajem gravitacije nastoje pasti dolje, a vrući se pokušavaju uzdići. Ovaj proces rezultira miješanjem tvari, olakšavajući prijenos topline između njenih slojeva.
Toplinska vodljivost nekih tekućina
Ako odgovorite na pitanje kolika je toplinska vodljivost vode, treba shvatiti da je to zbog procesa konvekcije. Koeficijent toplinske vodljivosti za njega je 0,58 J/(smK).
Za ostale tekućine ova vrijednost je navedena u nastavku:
- etilni alkohol - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
Odnosno, vrijednostitoplinske vodljivosti za tekućine usporedive su s onima za čvrste toplinske izolatore.
Konvekcija u atmosferi
Atmosferska konvekcija je važna jer uzrokuje pojave kao što su vjetrovi, ciklone, stvaranje oblaka, kiša i druge. Svi ovi procesi poštuju fizikalne zakone termodinamike.
Među procesima konvekcije u atmosferi najvažniji je ciklus vode. Ovdje trebamo razmotriti pitanja kolika je toplinska vodljivost i toplinski kapacitet vode. Toplinski kapacitet vode shvaća se kao fizikalna veličina koja pokazuje koliko topline treba prenijeti 1 kg vode da bi se njezina temperatura povećala za jedan stupanj. To je jednako 4220 J.
Vodeni ciklus se odvija na sljedeći način: sunce zagrijava vode oceana, a dio vode isparava u atmosferu. Uslijed procesa konvekcije vodena para se diže na veliku visinu, hladi, stvaraju se oblaci i oblaci koji dovode do padalina u obliku tuče ili kiše.
