El fenomen de la conductivitat tèrmica és la transferència d'energia en forma de calor en contacte directe de dos cossos sense cap intercanvi de matèria o amb el seu intercanvi. En aquest cas, l'energia passa d'un cos o zona del cos amb una temperatura més alta a un cos o zona amb una temperatura més baixa. La característica física que determina els paràmetres de transferència de calor és la conductivitat tèrmica. Què és la conductivitat tèrmica i com es descriu en física? Aquest article respondrà aquestes preguntes.
Concepte general de conductivitat tèrmica i la seva naturalesa
Si responeu en termes senzills a la pregunta de quina és la conductivitat tèrmica en física, aleshores cal dir que la transferència de calor entre dos cossos o àrees diferents del mateix cos és un procés d'intercanvi d'energia interna entre les partícules que formen el cos (molècules, àtoms, electrons i ions). L'energia interna en si consta de dues parts importants: l'energia cinètica i l'energia potencial.
Què és la conductivitat tèrmica en física des del punt de vista de la naturalesa d'aquestavalors? A nivell microscòpic, la capacitat dels materials per conduir la calor depèn de la seva microestructura. Per exemple, per a líquids i gasos, aquest procés físic es produeix a causa de col·lisions caòtiques entre molècules; en sòlids, la part principal de la calor transferida recau en l'intercanvi d'energia entre electrons lliures (en sistemes metàl·lics) o fonons (substàncies no metàl·liques).), que són vibracions mecàniques de la xarxa cristal·lina.
Representació matemàtica de la conductivitat tèrmica
Contestem la pregunta de què és la conductivitat tèrmica, des d'un punt de vista matemàtic. Si prenem un cos homogeni, aleshores la quantitat de calor transferida a través d'ell en una direcció determinada serà proporcional a la superfície perpendicular a la direcció de transferència de calor, la conductivitat tèrmica del propi material i la diferència de temperatura als extrems del cos, i també serà inversament proporcional al gruix del cos.
El resultat és la fórmula: Q/t=kA(T2-T1)/x, aquí Q/t - calor (energia) transferida a través del cos en el temps t, k - coeficient de conductivitat tèrmica del material del qual està fet el cos considerat, A - àrea de la secció transversal del cos, T2 -T 1 - diferència de temperatura als extrems del cos, amb T2>T1, x - gruix del cos a través del qual es transfereix la calor Q.
Mètodes de transferència d'energia tèrmica
Tenint en compte la qüestió de quina és la conductivitat tèrmica dels materials, hem d'esmentar els possibles mètodes de transferència de calor. L'energia tèrmica es pot transferir entre diferents cossos utilitzantprocessos següents:
- conductivitat: aquest procés no té transferència de matèria;
- convecció: la transferència de calor està directament relacionada amb el moviment de la matèria mateixa;
- radiació: la transferència de calor es realitza a causa de la radiació electromagnètica, és a dir, amb l'ajuda de fotons.
Per tal que la calor es transfereixi mitjançant els processos de conducció o convecció és necessari el contacte directe entre diferents cossos, amb la diferència que en el procés de conducció no hi ha moviment macroscòpic de la matèria, sinó en el procés de convecció aquest moviment és present. Tingueu en compte que el moviment microscòpic té lloc en tots els processos de transferència de calor.
Per a temperatures normals de diverses desenes de graus centígrads, es pot dir que la convecció i la conducció representen la major part de la calor transferida, i la quantitat d'energia transferida en el procés de radiació és insignificant. Tanmateix, la radiació comença a tenir un paper important en el procés de transferència de calor a temperatures de diversos centenars i milers de Kelvin, ja que la quantitat d'energia Q transferida d'aquesta manera augmenta en proporció a la 4a potència de la temperatura absoluta, és a dir, ∼ T 4. Per exemple, el nostre sol perd la major part de la seva energia per radiació.
Conductivitat tèrmica dels sòlids
Com que en els sòlids cada molècula o àtom es troba en una determinada posició i no pot sortir-ne, la transferència de calor per convecció és impossible, i l'únic procés possible ésconductivitat. Amb l'augment de la temperatura corporal, l'energia cinètica de les partícules que la componen augmenta, i cada molècula o àtom comença a oscil·lar amb més intensitat. Aquest procés condueix a la seva col·lisió amb molècules o àtoms veïns, com a resultat d'aquestes col·lisions, l'energia cinètica es transfereix de partícula a partícula fins que totes les partícules del cos queden cobertes per aquest procés.
Com a resultat del mecanisme microscòpic descrit, quan s'escalfa un extrem d'una vareta metàl·lica, la temperatura s'uniforme a tota la vareta al cap d'un temps.
La calor no es transfereix per igual en diferents materials sòlids. Per tant, hi ha materials que tenen una bona conductivitat tèrmica. Condueixen la calor fàcilment i ràpidament a través d'ells mateixos. Però també hi ha conductors tèrmics o aïllants pobres pels quals pot passar poca o cap calor.
Coeficient de conductivitat tèrmica per a sòlids
El coeficient de conductivitat tèrmica dels sòlids k té el significat físic següent: indica la quantitat de calor que passa per unitat de temps a través d'una unitat de superfície en qualsevol cos de gruix unitari i longitud i amplada infinites amb una diferència de temperatura a els seus extrems són iguals a un grau. En el sistema internacional d'unitats SI, el coeficient k es mesura en J/(smK).
Aquest coeficient en sòlids depèn de la temperatura, per això s'acostuma a determinar-lo a una temperatura de 300 K per tal de comparar la capacitat de conduir la calordiversos materials.
Coeficient de conductivitat tèrmica per a metalls i materials durs no metàl·lics
Tots els metalls, sense excepció, són bons conductors de la calor, de la transferència de la qual són responsables del gas electrònic. Al seu torn, els materials iònics i covalents, així com els materials amb estructura fibrosa, són bons aïllants tèrmics, és a dir, condueixen malament la calor. Per completar la divulgació de la qüestió de què és la conductivitat tèrmica, cal tenir en compte que aquest procés requereix la presència obligatòria de matèria si es realitza per convecció o conducció, per tant, en el buit, la calor només es pot transferir a causa de radiació electromagnètica.
La llista següent mostra els valors dels coeficients de conductivitat tèrmica per a alguns metalls i no metalls en J/(smK):
- acer - 47-58 segons el grau d'acer;
- alumini - 209, 3;
- bronze - 116-186;
- zinc - 106-140 segons la puresa;
- coure - 372, 1-385, 2;
- llautó - 81-116;
- or - 308, 2;
- plata - 406, 1-418, 7;
- goma - 0, 04-0, 30;
- fibra de vidre - 0,03-0,07;
- brick - 0, 80;
- arbre - 0, 13;
- vidre - 0, 6-1, 0.
Així, la conductivitat tèrmica dels metalls és 2-3 ordres de magnitud superior als valors de conductivitat tèrmica dels aïllants, que són un bon exemple de la resposta a la pregunta de què és la baixa conductivitat tèrmica.
El valor de la conductivitat tèrmica té un paper important en moltsprocessos industrials. En alguns processos, busquen augmentar-la utilitzant bons conductors de calor i augmentant l'àrea de contacte, mentre que en altres intenten reduir la conductivitat tèrmica reduint l'àrea de contacte i utilitzant materials aïllants de la calor.
Convecció en líquids i gasos
La transferència de calor en els fluids es realitza mitjançant el procés de convecció. Aquest procés implica el moviment de molècules d'una substància entre zones amb temperatures diferents, és a dir, durant la convecció, es barreja un líquid o gas. Quan la matèria fluida allibera calor, les seves molècules perden part de la seva energia cinètica i la matèria es torna més densa. Al contrari, quan s'escalfa la matèria fluida, les seves molècules augmenten la seva energia cinètica, el seu moviment es fa més intens, respectivament, augmenta el volum de la matèria i disminueix la densitat. És per això que les capes fredes de la matèria tendeixen a caure sota la influència de la gravetat, i les capes calentes intenten aixecar-se. Aquest procés provoca la barreja de matèria, facilitant la transferència de calor entre les seves capes.
La conductivitat tèrmica d'alguns líquids
Si responeu a la pregunta de quina és la conductivitat tèrmica de l'aigua, s'ha d'entendre que es deu al procés de convecció. El seu coeficient de conductivitat tèrmica és de 0,58 J/(smK).
Per a altres líquids, aquest valor es mostra a continuació:
- alcohol etílic - 0,17;
- acetona - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
És a dir, els valorsles conductivitats tèrmiques dels líquids són comparables a les dels aïllants tèrmics sòlids.
Convecció a l'atmosfera
La convecció atmosfèrica és important perquè provoca fenòmens com els vents, els ciclons, la formació de núvols, la pluja i altres. Tots aquests processos obeeixen les lleis físiques de la termodinàmica.
Entre els processos de convecció de l'atmosfera, el més important és el cicle de l'aigua. Aquí hauríem de considerar les preguntes de quina és la conductivitat tèrmica i la capacitat calorífica de l'aigua. La capacitat calorífica de l'aigua s'entén com una magnitud física que mostra quanta calor s'ha de transferir a 1 kg d'aigua perquè la seva temperatura augmenti un grau. És igual a 4220 J.
El cicle de l'aigua es realitza de la següent manera: el sol escalfa les aigües dels oceans, i part de l'aigua s'evapora a l'atmosfera. A causa del procés de convecció, el vapor d'aigua puja a una gran alçada, es refreda, es formen núvols i núvols, que provoquen precipitacions en forma de calamarsa o pluja.
