A hővezetőképesség jelensége az energia hő formájában történő átadása két test közvetlen érintkezésében, anyagcsere nélkül vagy annak cseréje nélkül. Ebben az esetben az energia egy magasabb hőmérsékletű testről vagy testterületről egy alacsonyabb hőmérsékletű testre vagy területre halad át. A hőátadás paramétereit meghatározó fizikai jellemző a hővezető képesség. Mi a hővezető képesség, és hogyan írják le a fizikában? Ez a cikk választ ad ezekre a kérdésekre.
A hővezető képesség általános fogalma és természete
Ha egyszerűen válaszolunk arra a kérdésre, hogy mi a hővezető képesség a fizikában, akkor azt kell mondani, hogy a hőátadás két test vagy ugyanazon test különböző területei között a részecskék közötti belső energiacsere folyamata. alkotják a testet (molekulák, atomok, elektronok és ionok). Maga a belső energia két fontos részből áll: a mozgási energiából és a potenciális energiából.
Mi a hővezető képesség a fizikában ennek természete szempontjábólértékeket? Mikroszkopikus szinten az anyagok hővezető képessége a mikroszerkezetüktől függ. Például folyadékok és gázok esetében ez a fizikai folyamat a molekulák közötti kaotikus ütközések miatt következik be; szilárd anyagokban az átvitt hő fő része a szabad elektronok (fémes rendszerekben) vagy a fononok (nem fémes anyagok) közötti energiacserére esik.), amelyek a kristályrács mechanikai rezgései.
A hővezetőképesség matematikai ábrázolása
Válaszoljunk arra a kérdésre, hogy mi a hővezető képesség, matematikai szempontból. Ha egy homogén testet veszünk, akkor az adott irányban átadott hőmennyiség arányos lesz a hőátadás irányára merőleges felülettel, magának az anyagnak a hővezető képességével és a hőmérséklet-különbséggel a végein. test, és fordítottan arányos lesz a test vastagságával.
Az eredmény a következő képlet: Q/t=kA(T2-T1)/x, itt Q/t - a testen áthaladó hő (energia) t idő alatt, k - annak az anyagnak a hővezetési együtthatója, amelyből a vizsgált test készült, A - a test keresztmetszete, T2 -T 1 - hőmérséklet-különbség a test végein, a T2>T1, x - a test vastagsága, amelyen keresztül a Q hő átadódik.
A hőenergia átvitelének módszerei
Figyelembe véve azt a kérdést, hogy mi az anyagok hővezető képessége, meg kell említeni a lehetséges hőátadási módokat. A hőenergia átadható a különböző testek közötta következő folyamatok:
- vezetőképesség - ez a folyamat anyagátvitel nélkül megy végbe;
- konvekció - a hőátadás közvetlenül magával az anyag mozgásával függ össze;
- sugárzás - a hőátadás elektromágneses sugárzás hatására, azaz fotonok segítségével történik.
Ahhoz, hogy a hőt vezetési vagy konvekciós folyamatok segítségével adják át, a különböző testek közötti közvetlen érintkezés szükséges, azzal a különbséggel, hogy a vezetési folyamat során nem makroszkopikus anyagmozgás történik, hanem konvekció ez a mozgás jelen van. Vegye figyelembe, hogy minden hőátadási folyamatban mikroszkopikus mozgás megy végbe.
Több tíz Celsius fokos normál hőmérséklet esetén elmondható, hogy a konvekció és a vezetés adja az átadott hő nagy részét, és a sugárzási folyamat során átvitt energia mennyisége elhanyagolható. A hőátadási folyamatban azonban több száz és ezer Kelvin hőmérsékleten kezd főszerepet játszani a sugárzás, mivel az így átadott Q energia mennyisége az abszolút hőmérséklet 4. hatványával, azaz ~T-vel arányosan növekszik. 4. Például a napunk energiája nagy részét a sugárzás miatt veszíti el.
Szilárd anyagok hővezető képessége
Mivel szilárd testekben minden molekula vagy atom egy bizonyos helyzetben van, és nem tud elhagyni azt, a hőátadás a konvekcióval lehetetlen, és az egyetlen lehetséges folyamatvezetőképesség. A testhőmérséklet emelkedésével az alkotó részecskéinek mozgási energiája növekszik, és minden molekula vagy atom intenzívebben kezd oszcillálni. Ez a folyamat a szomszédos molekulákkal vagy atomokkal való ütközéshez vezet, az ilyen ütközések eredményeként a mozgási energia részecskéről részecskére átvitelre kerül, amíg a test összes részecskéjét be nem fedi ez a folyamat.
A leírt mikroszkopikus mechanizmus eredményeként, ha egy fémrúd egyik végét felmelegítjük, a hőmérséklet egy idő után a teljes rúdon kiegyenlítődik.
A különböző szilárd anyagokban a hő nem egyformán terjed. Tehát vannak olyan anyagok, amelyek jó hővezető képességgel rendelkeznek. Könnyen és gyorsan vezetik át magukon a hőt. De vannak rossz hővezetők vagy szigetelők is, amelyeken kevés hő tud áthaladni, vagy egyáltalán nem tud áthaladni.
Szilárd anyagok hővezetési tényezője
A k szilárd anyagok hővezetési együtthatója a következő fizikai jelentéssel bír: azt a hőmennyiséget jelzi, amely egységnyi felületen egységnyi idő alatt áthalad bármely egységnyi vastagságú, végtelen hosszúságú és szélességű testben, hőmérsékletkülönbséggel végei egy fokkal egyenlők. Az SI mértékegységek nemzetközi rendszerében a k együtthatót J/(smK) mértékegységben mérik.
Ez a szilárdanyag-együttható a hőmérséklettől függ, ezért szokás 300 K hőmérsékleten meghatározni a hővezető képesség összehasonlítása érdekébenkülönféle anyagok.
Fémek és nem fémes kemény anyagok hővezetési együtthatója
Kivétel nélkül minden fém jó hővezető, melynek átviteléért felelős az elektrongázért. Az ionos és kovalens anyagok, valamint a rostos szerkezetű anyagok viszont jó hőszigetelők, vagyis rosszul vezetik a hőt. A hővezető képesség kérdésének feltárása végett meg kell jegyezni, hogy ehhez a folyamathoz az anyag kötelező jelenléte szükséges, ha konvekció vagy vezetés miatt megy végbe, ezért vákuumban a hő csak a hőátadás miatt lehetséges. elektromágneses sugárzás.
Az alábbi lista egyes fémek és nemfémek hővezetési együtthatóinak értékeit mutatja J/(smK):
- acél - 47-58 az acélminőségtől függően;
- alumínium - 209, 3;
- bronz - 116-186;
- cink - 106-140 a tisztaságtól függően;
- réz - 372, 1-385, 2;
- réz - 81-116;
- arany - 308, 2;
- ezüst - 406, 1-418, 7;
- gumi - 0, 04-0, 30;
- üvegszál - 0,03-0,07;
- tégla - 0, 80;
- fa - 0, 13;
- üveg - 0, 6-1, 0.
Így a fémek hővezető képessége 2-3 nagyságrenddel magasabb, mint a szigetelők hővezető képessége, amely kiváló példa arra, hogy mi az alacsony hővezető képesség.
A hővezető képesség értéke sok esetben fontos szerepet játszikipari folyamatok. Egyes eljárásokban jó hővezetők használatával és az érintkezési felület növelésével igyekeznek növelni, míg másokban az érintkezési felület csökkentésével és hőszigetelő anyagok használatával próbálják csökkenteni a hővezető képességet.
Konvekció folyadékokban és gázokban
A folyadékokban a hőátadás konvekciós folyamattal történik. Ez a folyamat magában foglalja az anyag molekuláinak mozgását a különböző hőmérsékletű zónák között, vagyis a konvekció során folyadék vagy gáz keveredik. Amikor a folyékony anyag hőt bocsát ki, molekulái elveszítik kinetikus energiájuk egy részét, és az anyag sűrűbbé válik. Ellenkezőleg, ha a folyékony anyagot felmelegítjük, molekulái megnövelik kinetikus energiájukat, mozgásuk intenzívebbé válik, illetve az anyag térfogata nő, sűrűsége csökken. Ez az oka annak, hogy a hideg anyagrétegek a gravitáció hatására hajlamosak leesni, a forró rétegek pedig felfelé próbálnak emelkedni. Ez a folyamat az anyagok keveredését eredményezi, megkönnyítve a hőátvitelt a rétegek között.
Egyes folyadékok hővezető képessége
Ha válaszol arra a kérdésre, hogy mi a víz hővezető képessége, akkor meg kell érteni, hogy ez a konvekciós folyamatnak köszönhető. A hővezetési együttható 0,58 J/(smK).
Más folyadékok esetében ez az érték az alábbiakban látható:
- etil-alkohol - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glicerin - 0, 28.
Azaz az értékeka folyadékok hővezető képessége hasonló a szilárd hőszigetelőkéhez.
Konvekció a légkörben
A légköri konvekció fontos, mert olyan jelenségeket okoz, mint a szél, ciklonok, felhőképződés, eső és mások. Mindezek a folyamatok engedelmeskednek a termodinamika fizikai törvényeinek.
A légkörben zajló konvekciós folyamatok közül a legfontosabb a víz körforgása. Itt érdemes megfontolni azt a kérdést, hogy mi a víz hővezető képessége és hőkapacitása. A víz hőkapacitása alatt azt a fizikai mennyiséget értjük, amely megmutatja, hogy mennyi hőt kell átadni 1 kg víznek, hogy a hőmérséklete egy fokkal emelkedjen. Ez egyenlő 4220 J.
A víz körforgása a következőképpen zajlik: a nap felmelegíti az óceánok vizét, és a víz egy része elpárolog a légkörbe. A konvekciós folyamat következtében a vízgőz nagy magasságba emelkedik, lehűl, felhők, felhők képződnek, amelyek jégeső vagy eső formájában csapadékhoz vezetnek.
