Šiluminio laidumo reiškinys – tai energijos perdavimas šilumos pavidalu tiesiogiai kontaktuojant dviem kūnams, nesikeičiant medžiaga arba su ja. Šiuo atveju energija iš vieno kūno ar kūno srities, kurioje temperatūra aukštesnė, pereina į žemesnės temperatūros kūną ar sritį. Fizikinė charakteristika, lemianti šilumos perdavimo parametrus, yra šilumos laidumas. Kas yra šilumos laidumas ir kaip jis apibūdinamas fizikoje? Šis straipsnis atsakys į šiuos klausimus.
Bendra šilumos laidumo samprata ir jo prigimtis
Jei paprastai atsakysite į klausimą, kas fizikoje yra šilumos laidumas, tuomet reikėtų pasakyti, kad šilumos perdavimas tarp dviejų kūnų arba skirtingų to paties kūno sričių yra vidinių energijos mainų procesas tarp dalelių, kurios sudaro kūną (molekules, atomus, elektronus ir jonus). Pati vidinė energija susideda iš dviejų svarbių dalių: kinetinės energijos ir potencialios energijos.
Kas yra šilumos laidumas fizikoje jo prigimties požiūriuvertybes? Mikroskopiniu lygmeniu medžiagų gebėjimas praleisti šilumą priklauso nuo jų mikrostruktūros. Pavyzdžiui, skysčiams ir dujoms šis fizinis procesas vyksta dėl chaotiškų molekulių susidūrimų; kietose medžiagose pagrindinė perduodamos šilumos dalis tenka energijos mainams tarp laisvųjų elektronų (metalinėse sistemose) arba fononų (nemetalinės medžiagos).), kurios yra mechaninės kristalinės gardelės virpesiai.
Matematinis šilumos laidumo pavaizdavimas
Atsakykime į klausimą, kas yra šilumos laidumas matematiniu požiūriu. Jei imsime vienalytį kūną, tai per jį tam tikra kryptimi perduodamos šilumos kiekis bus proporcingas paviršiaus plotui, statmenam šilumos perdavimo krypčiai, pačios medžiagos šilumos laidumui ir temperatūrų skirtumui kūno galuose. korpusas, taip pat bus atvirkščiai proporcingas korpuso storiui.
Rezultatas yra formulė: Q/t=kA(T2-T1)/x, čia Q/t - šiluma (energija), perduota per kūną per laiką t, k - medžiagos, iš kurios pagamintas svarstomas kūnas, šilumos laidumo koeficientas, A - kūno skerspjūvio plotas, T2 -T 1 – temperatūros skirtumas kūno galuose su T2>T1, x – kūno storis, per kurį perduodama šiluma Q.
Šiluminės energijos perdavimo būdai
Atsižvelgiant į klausimą, koks yra medžiagų šilumos laidumas, reikėtų paminėti galimus šilumos perdavimo būdus. Šiluminė energija gali būti perduodama tarp skirtingų kūnų naudojantšie procesai:
- laidumas – šis procesas vyksta be medžiagos perdavimo;
- konvekcija – šilumos perdavimas tiesiogiai susijęs su pačios materijos judėjimu;
- spinduliavimas – šilumos perdavimas vyksta dėl elektromagnetinės spinduliuotės, tai yra fotonų pagalba.
Kad šiluma būtų perduota laidumo ar konvekcijos procesais, būtinas tiesioginis skirtingų kūnų kontaktas su tuo skirtumu, kad laidumo procese nevyksta makroskopinis medžiagos judėjimas, o konvekcija šis judėjimas yra. Atminkite, kad mikroskopinis judėjimas vyksta visuose šilumos perdavimo procesuose.
Esant normaliai kelių dešimčių laipsnių Celsijaus temperatūrai, galima sakyti, kad konvekcija ir laidumas sudaro didžiąją dalį perduodamos šilumos, o spinduliuotės procese perduodamos energijos kiekis yra nereikšmingas. Tačiau radiacija pradeda vaidinti pagrindinį vaidmenį šilumos perdavimo procese, kai temperatūra yra keli šimtai ir tūkstančiai Kelvinų, nes tokiu būdu perduodamos energijos kiekis Q didėja proporcingai 4-ajai absoliučios temperatūros laipsnei, ty ~ T. 4. Pavyzdžiui, mūsų saulė praranda didžiąją dalį savo energijos dėl spinduliuotės.
Kietųjų medžiagų šilumos laidumas
Kadangi kietose medžiagose kiekviena molekulė ar atomas yra tam tikroje padėtyje ir negali iš jos išeiti, šilumos perdavimas konvekcijos būdu yra neįmanomas, o vienintelis galimas procesas yralaidumas. Didėjant kūno temperatūrai, didėja jį sudarančių dalelių kinetinė energija, kiekviena molekulė ar atomas pradeda intensyviau svyruoti. Šis procesas veda prie jų susidūrimo su kaimyninėmis molekulėmis ar atomais, dėl tokių susidūrimų kinetinė energija perduodama iš dalelės į dalelę, kol šis procesas apima visas kūno daleles.
Dėl aprašyto mikroskopinio mechanizmo įkaitinus vieną metalinio strypo galą, temperatūra po kurio laiko išsilygina visame strype.
Šiluma nevienodai perduodama skirtingose kietose medžiagose. Taigi, yra medžiagų, kurios turi gerą šilumos laidumą. Jie lengvai ir greitai praleidžia šilumą per save. Tačiau taip pat yra prastų šilumos laidininkų arba izoliatorių, per kuriuos gali prasiskverbti mažai šilumos arba jos nepraeina.
Kietųjų medžiagų šilumos laidumo koeficientas
Kietųjų kūnų šilumos laidumo koeficientas k turi tokią fizinę reikšmę: jis rodo šilumos kiekį, kuris per laiko vienetą praeina per vienetinį paviršiaus plotą bet kuriame vienetinio storio ir begalinio ilgio bei pločio kūne, kai temperatūros skirtumas yra jo galai lygūs vienam laipsniui. Tarptautinėje vienetų SI sistemoje koeficientas k matuojamas J/(smK).
Šis koeficientas kietose medžiagose priklauso nuo temperatūros, todėl įprasta jį nustatyti esant 300 K temperatūrai, kad būtų galima palyginti šilumos laidumąįvairios medžiagos.
Metalų ir nemetalinių kietųjų medžiagų šilumos laidumo koeficientas
Visi be išimties metalai yra geri šilumos laidininkai, už kurių perdavimą jie atsakingi už elektronų dujas. Savo ruožtu joninės ir kovalentinės medžiagos, taip pat pluoštinės struktūros medžiagos yra geri šilumos izoliatoriai, tai yra, blogai praleidžia šilumą. Norint užbaigti klausimą, kas yra šilumos laidumas, reikia pažymėti, kad šis procesas reikalauja privalomo medžiagos buvimo, jei jis atliekamas dėl konvekcijos ar laidumo, todėl vakuume šiluma gali būti perduodama tik dėl elektromagnetinė spinduliuotė.
Toliau pateiktame sąraše pateikiamos kai kurių metalų ir nemetalų šilumos laidumo koeficientų vertės J/(smK):
- plienas - 47-58 priklausomai nuo plieno rūšies;
- aliuminis – 209, 3;
- bronza - 116-186;
- cinkas – 106–140, priklausomai nuo grynumo;
- varis – 372, 1-385, 2;
- žalvaris - 81-116;
- auksas - 308, 2;
- sidabras – 406, 1-418, 7;
- guma - 0, 04-0, 30;
- stiklo pluoštas – 0,03–0,07;
- plyta - 0, 80;
- medis - 0, 13;
- stiklas – 0, 6-1, 0.
Taigi, metalų šilumos laidumas yra 2–3 eilėmis didesnis nei izoliatorių šilumos laidumo vertės, kurios yra puikus atsakymo į klausimą, kas yra mažas šilumos laidumas, pavyzdys.
Šilumos laidumo vertė vaidina svarbų vaidmenį daugelyjepramoniniai procesai. Kai kuriuose procesuose jie siekia jį padidinti naudodami gerus šilumos laidininkus ir didindami kontaktinį plotą, o kituose - sumažinti šilumos laidumą mažindami kontaktinį plotą ir naudodami šilumą izoliuojančias medžiagas.
Konvekcija skysčiuose ir dujose
Šilumos perdavimas skysčiuose vyksta konvekcijos būdu. Šis procesas apima medžiagos molekulių judėjimą tarp skirtingų temperatūrų zonų, ty konvekcijos metu susimaišo skystis ar dujos. Kai skystoji medžiaga išskiria šilumą, jos molekulės praranda dalį savo kinetinės energijos ir medžiaga tampa tankesnė. Priešingai, kaitinant skystąją medžiagą, jos molekulės padidina savo kinetinę energiją, intensyvėja jų judėjimas, atitinkamai didėja medžiagos tūris, mažėja tankis. Štai kodėl š altieji materijos sluoksniai linkę kristi žemyn, veikiami gravitacijos, o karštieji – kilti aukštyn. Dėl šio proceso medžiaga susimaišo, o tai palengvina šilumos perdavimą tarp sluoksnių.
Kai kurių skysčių šilumos laidumas
Jei atsakysite į klausimą, koks yra vandens šilumos laidumas, reikėtų suprasti, kad tai yra dėl konvekcinio proceso. Jo šilumos laidumo koeficientas yra 0,58 J/(smK).
Kitų skysčių atveju ši vertė nurodyta toliau:
- etilo alkoholis - 0,17;
- acetonas – 0, 16;
- glicerolis – 0, 28.
Tai yra vertybėsskysčių šilumos laidumas yra panašus į kietųjų šilumos izoliatorių.
Konvekcija atmosferoje
Atmosferos konvekcija svarbi, nes sukelia tokius reiškinius kaip vėjai, ciklonai, debesų susidarymas, lietus ir kt. Visi šie procesai paklūsta fizikiniams termodinamikos dėsniams.
Iš konvekcijos procesų atmosferoje svarbiausias yra vandens ciklas. Čia turėtume apsvarstyti klausimus, koks yra vandens šilumos laidumas ir šiluminė talpa. Vandens šiluminė talpa suprantama kaip fizikinis dydis, parodantis, kiek šilumos turi būti perduota 1 kg vandens, kad jo temperatūra pakiltų vienu laipsniu. Jis lygus 4220 J.
Vandens ciklas vyksta taip: saulė šildo vandenynų vandenis, o dalis vandens išgaruoja į atmosferą. Dėl konvekcijos proceso vandens garai pakyla į didelį aukštį, atvėsta, susidaro debesys ir debesys, dėl kurių iškrenta kruša arba lietus.
