Fenomen toplotne provodljivosti je prenos energije u obliku toplote u direktnom kontaktu dva tela bez ikakve razmene materije ili sa njenom razmenom. U tom slučaju energija prelazi sa jednog tijela ili područja tijela s višom temperaturom na tijelo ili područje s nižom temperaturom. Fizička karakteristika koja određuje parametre prijenosa topline je toplinska provodljivost. Šta je toplotna provodljivost i kako se opisuje u fizici? Ovaj članak će odgovoriti na ova pitanja.
Opći koncept toplotne provodljivosti i njena priroda
Ako jednostavno odgovorite na pitanje šta je toplotna provodljivost u fizici, onda treba reći da je prenos toplote između dva tela ili različitih delova istog tela proces unutrašnje razmene energije između čestica koje čine tijelo (molekule, atomi, elektroni i joni). Sama unutrašnja energija sastoji se od dva važna dijela: kinetičke energije i potencijalne energije.
Šta je toplotna provodljivost u fizici sa stanovišta prirode ovogavrijednosti? Na mikroskopskom nivou, sposobnost materijala da provode toplotu zavisi od njihove mikrostrukture. Na primjer, za tekućine i plinove ovaj fizički proces nastaje zbog haotičnih sudara između molekula; u čvrstim tijelima glavni dio prenesene topline otpada na razmjenu energije između slobodnih elektrona (u metalnim sistemima) ili fonona (nemetalne tvari), koje su mehaničke vibracije kristalne rešetke.
Matematički prikaz toplotne provodljivosti
Odgovorimo na pitanje šta je toplotna provodljivost, sa matematičke tačke gledišta. Ako uzmemo homogeno tijelo, tada će količina topline koja se kroz njega prenosi u datom smjeru biti proporcionalna površini okomitoj na smjer prijenosa topline, toplinskoj provodljivosti 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) koja se prenosi kroz tijelo u vremenu t, k - koeficijent toplotne provodljivosti materijala od kojeg je predmetno tijelo napravljeno, A - površina poprečnog presjeka tijela, T2 -T 1 - temperaturna razlika na krajevima tijela, sa T2>T1, x - debljina tijela kroz koju se prenosi toplina Q.
Metode prenosa toplotne energije
S obzirom na pitanje kolika je toplotna provodljivost materijala, treba pomenuti moguće metode prenosa toplote. Toplotna energija se može prenositi između različitih tijela pomoćusljedeći procesi:
- provodljivost - ovaj proces ide bez prijenosa materije;
- konvekcija - prijenos topline je direktno povezan sa kretanjem same materije;
- zračenje - prijenos topline se vrši zbog elektromagnetnog zračenja, odnosno uz pomoć fotona.
Da bi se toplota prenosila procesima provodljivosti ili konvekcije, neophodan je direktan kontakt između različitih tela, s tom razlikom što u procesu provodljivosti nema makroskopskog kretanja materije, već u procesu konvekcija je ovo kretanje prisutno. Imajte na umu da se mikroskopsko kretanje odvija u svim procesima prijenosa topline.
Za normalne temperature od nekoliko desetina stepeni Celzijusa, može se reći da konvekcija i provodljivost čine najveći dio prenesene topline, a količina energije koja se prenosi u procesu zračenja je zanemarljiva. 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. stepenu apsolutne temperature, odnosno ∼ T 4. Na primjer, naše sunce gubi većinu svoje energije kroz zračenje.
Toplotna provodljivost čvrstih tijela
Pošto se u čvrstim materijama svaki molekul ili atom nalazi u određenom položaju i ne može ga napustiti, prijenos topline konvekcijom je nemoguć, a jedini mogući proces jeprovodljivost. S povećanjem tjelesne temperature, kinetička energija njegovih sastavnih čestica raste, a svaki molekul ili atom počinje intenzivnije oscilirati. Ovaj proces dovodi do njihovog sudara sa susjednim molekulama ili atomima, kao rezultat takvih sudara kinetička energija se prenosi od čestice do čestice sve 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 cijelom štapu.
Toplota se ne prenosi jednako u različitim čvrstim materijalima. Dakle, postoje materijali koji imaju dobru toplotnu provodljivost. Lako i brzo provode toplinu kroz sebe. Ali postoje i loši provodnici toplote ili izolatori kroz koje može proći malo ili nimalo toplote.
Koeficijent toplotne provodljivosti za čvrste materije
Koeficijent toplotne provodljivosti za čvrsta tela k ima sledeće fizičko značenje: označava količinu toplote koja prolazi u jedinici vremena kroz jediničnu površinu u bilo kom telu jedinične debljine i beskonačne dužine i širine sa temperaturnom razlikom na njegovi krajevi jednaki jednom stepenu. U međunarodnom sistemu jedinica SI, koeficijent k se mjeri u J/(smK).
Ovaj koeficijent u čvrstim materijama zavisi od temperature, pa je uobičajeno da se odredi na temperaturi od 300 K kako bi se uporedila sposobnost provođenja toploterazni materijali.
Koeficijent toplinske provodljivosti za metale i nemetalne tvrde materijale
Svi metali, bez izuzetka, su dobri provodnici toplote, za čiji prenos su odgovorni elektronski gas. Zauzvrat, jonski i kovalentni materijali, kao i materijali s vlaknastom strukturom, su dobri toplinski izolatori, odnosno slabo provode toplinu. Da bismo završili razotkrivanje pitanja šta je toplotna provodljivost, treba napomenuti da ovaj proces zahteva obavezno prisustvo materije ako se odvija konvekcijom ili kondukcijom, pa se u vakuumu toplota može prenositi samo zbog elektromagnetno zračenje.
Sljedeća lista prikazuje vrijednosti koeficijenata toplotne provodljivosti za neke metale i nemetale u J/(smK):
- čelik - 47-58 u zavisnosti od razreda čelika;
- aluminij - 209, 3;
- bronza - 116-186;
- cink - 106-140 u zavisnosti od čistoće;
- bakar - 372, 1-385, 2;
- mesing - 81-116;
- zlato - 308, 2;
- srebro - 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- fiberglass - 0,03-0,07;
- cigla - 0, 80;
- drvo - 0, 13;
- staklo - 0, 6-1, 0.
Dakle, toplotna provodljivost metala je 2-3 reda veličine veća od vrednosti toplotne provodljivosti za izolatore, što je odličan primer odgovora na pitanje šta je niska toplotna provodljivost.
Vrijednost toplotne provodljivosti igra važnu ulogu kod mnogihindustrijskim procesima. U nekim procesima nastoje je povećati korištenjem dobrih provodnika topline i povećanjem površine kontakta, dok u drugim pokušavaju smanjiti toplinsku provodljivost smanjenjem kontaktne površine i korištenjem materijala za toplinsku izolaciju.
Konvekcija u tečnostima i gasovima
Prenos toplote u fluidima vrši se procesom konvekcije. Ovaj proces uključuje kretanje molekula supstance između zona sa različitim temperaturama, odnosno, tokom konvekcije, tečnost ili gas se mešaju. Kada tečna materija oslobodi toplotu, njeni molekuli gube deo svoje kinetičke energije i materija postaje gušća. Naprotiv, kada se tečna materija zagrije, njeni molekuli povećavaju svoju kinetičku energiju, njihovo kretanje postaje intenzivnije, odnosno volumen materije se povećava, a gustoća se smanjuje. Zato hladni slojevi materije imaju tendenciju da padnu pod dejstvom gravitacije, a topli da se podignu. Ovaj proces rezultira miješanjem materije, olakšavajući prijenos topline između njenih slojeva.
Toplotna provodljivost nekih tečnosti
Ako odgovorite na pitanje kolika je toplotna provodljivost vode, treba shvatiti da je to zbog procesa konvekcije. Koeficijent toplotne provodljivosti za njega je 0,58 J/(smK).
Za druge tečnosti, ova vrijednost je navedena ispod:
- etil alkohol - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
Odnosno, vrijednostitoplotne provodljivosti za tečnosti su uporedive sa onima za čvrste toplotne izolatore.
Konvekcija u atmosferi
Atmosferska konvekcija je važna jer uzrokuje pojave kao što su vjetrovi, cikloni, formiranje oblaka, kiša i druge. Svi ovi procesi poštuju fizičke zakone termodinamike.
Među procesima konvekcije u atmosferi najvažniji je ciklus vode. Ovdje treba razmotriti pitanja kolika je toplinska provodljivost i toplinski kapacitet vode. Pod toplinskim kapacitetom vode se podrazumijeva fizička veličina koja pokazuje koliko toplote treba prenijeti 1 kg vode da bi se njena temperatura povećala za jedan stepen. To je jednako 4220 J.
Vodeni ciklus se odvija na sljedeći način: sunce zagrijava vode okeana, a dio vode isparava u atmosferu. Usled procesa konvekcije vodena para se diže na veliku visinu, hladi, stvaraju se oblaci i oblaci koji dovode do padavina u vidu grada ili kiše.
