Що це — теплопровідність у фізиці?

Явище теплопровідності полягає в передачі енергії у вигляді тепла при безпосередньому контакті двох тіл без будь-якого обміну матерією або з її обміном. При цьому енергія переходить з одного тіла або області тіла, що має більш високу температуру, в тіло або область з більш низькою температурою. Фізичною характеристикою, яка визначає параметри передачі тепла, є теплопровідність. Що таке теплопровідність, і як її описують у фізиці? На ці запитання відповість ця стаття.

Загальне поняття про теплопровідність та її природа

Якщо відповідати простими словами на питання про те, що таке теплопровідність у фізиці, то слід сказати, що передача тепла між двома тілами або різними областями одного і того ж тіла є процесом обміну внутрішньою енергією між частинками, що складають тіло (молекули, атоми, електрони та іони). Сама внутрішня енергія складається з двох важливих частин: з кінетичної та з потенційної енергії.

Що таке теплопровідність у фізиці з точки зору природи цієї величини? На мікроскопічному рівні здатність матеріалів проводити тепло залежить від їх мікроструктури. Наприклад, для рідин і газів зазначений фізичний процес відбувається за рахунок хаотичних зіткнень між молекулами, в твердих тілах основна частка переносимого тепла припадає на обмін енергією між вільними електронами (в металевих системах) або фононами (неметалеві речовини), які являють собою механічні коливання кристалічної решітки.

Математичне представлення теплопровідності

Відповімо на питання про те, що таке теплопровідність, з математичної точки зору. Якщо взяти однорідне тіло, тоді кількість тепла, переданого через нього в даному напрямку, буде пропорційно площі поверхні, перпендикулярній напрямку теплопередачі, теплопровідності самого матеріалу і різниці температур на кінцях тіла, а також буде назад пропорційно товщині тіла.

У підсумку виходить формула: Q/t = kA (T₂-T₁ )/x, тут Q/t — теплота (енергія), передана через тіло за час t, k — коефіцієнт теплопровідності матеріалу, з якого виготовлено розглянуте тіло, A — площа поперечного перерізу тіла, T₂-T₁ — різниця температур на кінцях тіла, причому T₂ > T₁, x — товщина тіла, через яку передається тепло Q.

Способи передачі теплової енергії

Розглядаючи питання про те, що таке теплопровідність матеріалів, слід згадати про можливі способи передачі тепла. Теплова енергія може передаватися між різними тілами за допомогою наступних процесів:

• провідність — цей процес йде без перенесення матерії;
• конвекція — перенесення тепла безпосередньо пов’язане і з рухом самої матерії;
• випромінювання — передача тепла здійснюється за рахунок електромагнітного випромінювання, тобто за допомогою фотонів.

Щоб тепло було передано за допомогою процесів провідності або конвекції, необхідний безпосередній контакт між різними тілами з тією відмінністю, що в процесі провідності не існує макроскопічного руху матерії, а в процесі конвекції цей рух присутній. Зазначимо, що мікроскопічний рух має місце у всіх процесах теплопередачі.

Для звичайних температур у кілька десятків градусів Цельсія можна сказати, що на частку конвекції і провідності припадає основна частина переданого тепла, а кількість енергії, переданої в процесі випромінювання, є незначною. Однак випромінювання починає грати головну роль у процесі теплопередачі при температурах в кілька сотень і тисяч Кельвін, оскільки кількість енергії Q, що передається цим способом, зростає пропорційно 4-го ступеня абсолютної температури, тобто ∼ T⁴. Наприклад, наше сонце втрачає більшу частину енергії саме за рахунок випромінювання.

Теплопровідність твердих тіл

Оскільки в твердих тілах кожна молекула або атом знаходяться в певному положенні і не можуть його покинути, то передача тепла за допомогою конвекції виявляється неможливою, і єдиним можливим процесом є провідність. При збільшенні температури тіла кінетична енергія складових його частинок збільшується, і кожна молекула або атом починають інтенсивніше коливатися. Цей процес призводить до їх зіткнення з сусідніми молекулами або атомами, в результаті таких зіткнень передається кінетична енергія від частинки до частинки до тих пір, поки всі частинки тіла не будуть охоплені цим процесом.

В результаті описаного мікроскопічного механізму при нагріванні одного кінця металевого стрижня температура через деякий час вирівнюється по всьому стрижню.

Тепло не передається однаково в різних твердих матеріалах. Так, існують матеріали, які мають хорошу теплопровідність. Вони легко і швидко проводять тепло через себе. Але також існують погані теплопровідники або ізолятори, через які тепло практично не проходить.

Коефіцієнт теплопровідності для твердих тіл

Коефіцієнт термічної провідності для твердих тіл k має наступний фізичний змив: він вказує на кількість теплоти, яка проходить за одиницю часу через одиницю площі поверхні в якому-небудь тілі одиничної товщини і нескінченної довжини і ширини при різниці температур на його кінцях, що дорівнює одному градусу. У міжнародній системі одиниць СІ коефіцієнт k вимірюється в Дж/( с * м * К).

Даний коефіцієнт в твердих речовинах залежить від температури, тому його прийнято визначати при температурі 300 K з метою порівняння здатності проводити тепло різними матеріалами.

Коефіцієнт теплопровідності для металів і неметалевих твердих матеріалів

Всі метали без винятку є хорошими провідниками тепла, за перенесення якого в них відповідає електронний газ. У свою чергу іонні та ковалентні матеріали, а також матеріали, що мають волокнисту структуру, є хорошими теплоізоляторами, тобто погано проводять тепло. Для повноти розкриття питання про те, що таке теплопровідність, слід зауважити, що цей процес вимагає обов’язкової наявності речовини, якщо він здійснюється за рахунок конвекції або провідності, тому у вакуумі тепло може передаватися тільки за рахунок електромагнітного випромінювання.

У списку нижче наведено значення коефіцієнтів теплопровідності для деяких металів і неметалів у Дж/( с * м * К):

• сталь — 47-58 залежно від марки сталі;
• алюміній — 209,3;
• бронза — 116-186;
• цинк — 106-140 залежно від чистоти;
• мідь — 372,1-385,2;
• латунь — 81-116;
• золото — 308,2;
• срібло — 406,1-418,7;
• каучук — 0,04-0,30;
• скловолокно — 0,03-0,07;
• цегла — 0,80;
• дерево — 0,13;
• скло — 0,6-1,0.

Таким чином, теплопровідність металів на 2-3 порядку перевищує значення теплопровідності для ізоляторів, які є яскравим прикладом відповіді на питання про те, що таке низька теплопровідність.

Значення теплопровідності відіграє важливу роль у багатьох індустріальних процесах. В одних процесах прагнуть збільшити її, використовуючи хороші теплопровідники і збільшуючи площу контакту, в інших же намагаються зменшити теплопровідність, зменшуючи площу контакту і застосовуючи теплоізолюючі матеріали.

Конвекція в рідинах і газах

Передача тепла в плинних середовищах здійснюється за рахунок процесу конвекції. Цей процес передбачає переміщення молекул речовини між зонами з різною температурою, тобто при конвекції відбувається перемішування рідини або газу. Коли текуча матерія віддає тепло, її молекули втрачають частину кінетичної енергії, і матерія стає більш щільною. Навпаки, коли плинна матерія нагрівається, її молекули збільшують свою кінетичну енергію, їх рух стає більш інтенсивним, відповідно, обсяг матерії збільшується, а щільність зменшується. Саме тому холодні шари матерії прагнуть опуститися вниз під дією сили тяжкості, а гарячі шари намагаються піднятися вгору. Цей процес призводить до перемішування матерії, сприяючи передачі тепла між її шарами.

Коефіцієнт теплопровідності деяких рідин

Якщо відповідати на питання про те, що таке теплопровідність води, то слід розуміти, що вона обумовлена конвекційним процесом. Коефіцієнт теплопровідності для неї дорівнює 0,58 Дж/( с * м * К).

Для інших рідин ця величина наведена в списку нижче:

• етиловий спирт — 0,17;
• ацетон — 0,16;
• гліцерол — 0,28.

Тобто значення теплопровідності для рідин можна порівняти з такими для твердих теплоізоляторів.

Конвекція в атмосфері

Важливість атмосферної конвекції велика, оскільки завдяки ній існують такі явища, як вітри, циклони, утворення хмар, дощі та інші. Всі ці процеси підпорядковуються фізичним законам термодинаміки.

Серед процесів конвекції в атмосфері найважливішим є кругообіг води. Тут слід розглянути питання про те, що таке теплопровідність і теплоємність води. Під тепломісткістю води розуміється фізична величина, яка показує, яку кількість теплоти необхідно передати 1 кг води, щоб її температура збільшилася на один градус. Воно дорівнює 4220 Дж.

Кругообіг води здійснюється таким чином: сонце нагріває води Світового океану, і частина води випаровується в атмосферу. За рахунок процесу конвекції водяної пар піднімається на велику висоту, охолоджується, утворюються хмари і хмари, які призводять до виникнення опадів у вигляді граду або дощу.