Hiện tượng dẫn nhiệt là sự truyền năng lượng dưới dạng nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp giữa hai vật thể mà không có sự trao đổi vật chất hay trao đổi chất nào. Trong trường hợp này, năng lượng truyền từ một cơ thể hoặc vùng của cơ thể có nhiệt độ cao hơn sang cơ thể hoặc vùng có nhiệt độ thấp hơn. Đặc tính vật lý quyết định các thông số của quá trình truyền nhiệt là tính dẫn nhiệt. Dẫn nhiệt là gì, và nó được mô tả như thế nào trong vật lý? Bài viết này sẽ giải đáp những thắc mắc này.
Khái niệm chung về dẫn nhiệt và bản chất của nó
Nếu bạn trả lời một cách đơn giản câu hỏi dẫn nhiệt là gì trong vật lý, thì cần phải nói rằng sự truyền nhiệt giữa hai vật thể hoặc các vùng khác nhau của cùng một vật thể là một quá trình trao đổi năng lượng bên trong giữa các hạt. cấu tạo nên cơ thể (phân tử, nguyên tử, electron và ion). Bản thân nội năng bao gồm hai phần quan trọng: động năng và thế năng.
Độ dẫn nhiệt trong vật lý là gì theo quan điểm về bản chất của điều nàycác giá trị? Ở cấp độ vi mô, khả năng dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của chúng. Ví dụ, đối với chất lỏng và chất khí, quá trình vật lý này xảy ra do va chạm hỗn loạn giữa các phân tử; trong chất rắn, phần chính của nhiệt lượng được truyền vào sự trao đổi năng lượng giữa các electron tự do (trong hệ kim loại) hoặc phonon (các chất phi kim loại), là những dao động cơ học của mạng tinh thể.
Biểu diễn toán học về độ dẫn nhiệt
Hãy trả lời câu hỏi dẫn nhiệt là gì, theo quan điểm toán học. Nếu ta lấy một vật đồng chất thì nhiệt lượng truyền qua nó theo một phương sẽ tỷ lệ với diện tích bề mặt vuông góc với phương truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của bản thân vật đó và độ chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu vật liệu. cơ thể, và cũng sẽ tỷ lệ nghịch với độ dày của cơ thể.
Kết quả là công thức: Q / t=kA (T2-T1) / x, đây Q / t - nhiệt lượng (năng lượng) truyền qua vật trong thời gian t, k - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tạo nên vật được coi là vật, A - diện tích mặt cắt ngang của vật, T2-T1- chênh lệch nhiệt độ ở các đầu của cơ thể, với T2>T1, x - độ dày của phần thân mà nhiệt lượng Q được truyền qua.
Phương pháp truyền nhiệt năng
Xem xét câu hỏi về tính dẫn nhiệt của vật liệu là gì, chúng ta nên đề cập đến các phương pháp truyền nhiệt có thể có. Năng lượng nhiệt có thể được truyền giữa các cơ thể khác nhau bằng cách sử dụngcác quy trình sau:
- độ dẫn điện - quá trình này diễn ra mà không cần chuyển giao vật chất;
- đối lưu - truyền nhiệt liên quan trực tiếp đến chuyển động của chính vật chất;
- bức xạ - truyền nhiệt được thực hiện do bức xạ điện từ, tức là với sự trợ giúp của các photon.
Để nhiệt được truyền qua các quá trình dẫn truyền hoặc đối lưu, cần có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các vật thể khác nhau, với sự khác biệt là trong quá trình dẫn truyền không có chuyển động vĩ mô của vật chất, nhưng trong quá trình đối lưu chuyển động này là hiện tại. Lưu ý rằng chuyển động cực nhỏ diễn ra trong tất cả các quá trình truyền nhiệt.
Đối với nhiệt độ bình thường vài chục độ C, có thể nói rằng sự đối lưu và dẫn truyền chiếm phần lớn nhiệt lượng truyền đi, và phần năng lượng truyền trong quá trình bức xạ là không đáng kể. Tuy nhiên, bức xạ bắt đầu đóng một vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt ở nhiệt độ vài trăm và hàng nghìn Kelvin, vì lượng năng lượng Q được truyền theo cách này tăng tương ứng với lũy thừa thứ 4 của nhiệt độ tuyệt đối, nghĩa là, ∼ T4. Ví dụ, mặt trời của chúng ta mất hầu hết năng lượng do bức xạ.
Tính dẫn nhiệt của chất rắn
Vì trong chất rắn, mỗi phân tử hoặc nguyên tử đều ở một vị trí nhất định và không thể rời khỏi nó, nên sự truyền nhiệt bằng đối lưu là không thể, và quá trình duy nhất có thể xảy ra làđộ dẫn nhiệt. Khi nhiệt độ cơ thể tăng lên, động năng của các hạt cấu thành của nó tăng lên, và mỗi phân tử hoặc nguyên tử bắt đầu dao động mạnh hơn. Quá trình này dẫn đến va chạm của chúng với các phân tử hoặc nguyên tử lân cận, do kết quả của những va chạm như vậy động năng được truyền từ hạt này sang hạt khác cho đến khi tất cả các hạt của cơ thể được bao phủ bởi quá trình này.
Là kết quả của cơ chế vi mô được mô tả, khi một đầu của thanh kim loại được đốt nóng, nhiệt độ sẽ tỏa ra trên toàn bộ thanh sau một thời gian.
Nhiệt không truyền như nhau trong các vật liệu rắn khác nhau. Vì vậy, có những vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt. Chúng dễ dàng và nhanh chóng dẫn nhiệt qua chính chúng. Nhưng cũng có những chất dẫn nhiệt hoặc chất cách điện kém mà nhiệt có thể truyền qua rất ít hoặc không.
Hệ số dẫn nhiệt cho chất rắn
Hệ số dẫn nhiệt đối với chất rắn k có ý nghĩa vật lý sau: nó cho biết lượng nhiệt truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích bề mặt trong bất kỳ vật thể có độ dày đơn vị và chiều dài và chiều rộng vô hạn với sự chênh lệch nhiệt độ tại các đầu của nó bằng một độ. Trong hệ đơn vị quốc tế SI, hệ số k được đo bằng J / (smK).
Hệ số này trong chất rắn phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó người ta thường xác định nó ở nhiệt độ 300 K để so sánh khả năng dẫn nhiệtvật liệu khác nhau.
Hệ số dẫn nhiệt cho kim loại và vật liệu cứng phi kim loại
Tất cả các kim loại, không có ngoại lệ, đều là chất dẫn nhiệt tốt, để truyền nhiệt mà chúng chịu trách nhiệm tạo ra khí điện tử. Đổi lại, các vật liệu ion và cộng hóa trị, cũng như các vật liệu có cấu trúc dạng sợi, là những chất cách nhiệt tốt, tức là chúng dẫn nhiệt kém. Để hoàn thành câu hỏi dẫn nhiệt là gì, cần lưu ý rằng quá trình này đòi hỏi sự có mặt bắt buộc của vật chất nếu nó được thực hiện do đối lưu hoặc dẫn, do đó, trong chân không, nhiệt chỉ có thể được truyền do bức xạ điện từ.
Danh sách dưới đây hiển thị các giá trị của hệ số dẫn nhiệt của một số kim loại và phi kim loại trong J / (smK):
- thép - 47-58 tùy thuộc vào mác thép;
- nhôm - 209, 3;
- đồng - 116-186;
- kẽm - 106-140 tùy thuộc vào độ tinh khiết;
- đồng - 372, 1-385, 2;
- đồng - 81-116;
- vàng - 308, 2;
- bạc - 406, 1-418, 7;
- cao su - 0, 04-0, 30;
- sợi thủy tinh - 0,03-0,07;
- gạch - 0, 80;
- cây - 0, 13;
- kính - 0, 6-1, 0.
Do đó, độ dẫn nhiệt của kim loại cao hơn 2-3 bậc độ lớn so với giá trị độ dẫn nhiệt của chất cách điện, đây là một ví dụ điển hình cho câu trả lời cho câu hỏi độ dẫn nhiệt thấp là gì.
Giá trị của độ dẫn nhiệt đóng một vai trò quan trọng trong nhiềuQuy trình công nghiệp. Trong một số quy trình, họ tìm cách tăng độ dẫn nhiệt bằng cách sử dụng chất dẫn nhiệt tốt và tăng diện tích tiếp xúc, trong khi trong những quy trình khác, họ cố gắng giảm độ dẫn nhiệt bằng cách giảm diện tích tiếp xúc và sử dụng vật liệu cách nhiệt.
Đối lưu trong chất lỏng và chất khí
Sự truyền nhiệt trong chất lỏng được thực hiện bằng quá trình đối lưu. Quá trình này liên quan đến sự chuyển động của các phân tử của một chất giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau, nghĩa là trong quá trình đối lưu, một chất lỏng hoặc khí được trộn lẫn. Khi vật chất lỏng giải phóng nhiệt, các phân tử của nó mất đi một phần động năng và vật chất trở nên đặc hơn. Ngược lại, khi chất lỏng bị đốt nóng, các phân tử của nó tăng động năng, chuyển động của chúng trở nên mạnh hơn, tương ứng, thể tích vật chất tăng lên và khối lượng riêng giảm. Đó là lý do tại sao các lớp vật chất lạnh có xu hướng rơi xuống dưới tác động của lực hấp dẫn, và các lớp nóng cố gắng vươn lên. Quá trình này dẫn đến sự trộn lẫn của vật chất, tạo điều kiện cho việc truyền nhiệt giữa các lớp của nó.
Tính dẫn nhiệt của một số chất lỏng
Nếu bạn trả lời câu hỏi tính dẫn nhiệt của nước là gì thì cần hiểu rằng đó là do quá trình đối lưu. Hệ số dẫn nhiệt của nó là 0,58 J / (smK).
Đối với các chất lỏng khác, giá trị này được liệt kê bên dưới:
- rượu etylic - 0,17;
- axeton - 0, 16;
- glycerol - 0, 28.
Đó là, các giá trịđộ dẫn nhiệt của chất lỏng có thể so sánh với độ dẫn nhiệt của chất cách nhiệt ở thể rắn.
Đối lưu trong bầu khí quyển
Đối lưu trong khí quyển rất quan trọng vì nó gây ra các hiện tượng như gió, lốc xoáy, hình thành mây, mưa và các hiện tượng khác. Tất cả các quá trình này tuân theo các quy luật vật lý của nhiệt động lực học.
Trong số các quá trình đối lưu trong khí quyển, quan trọng nhất là vòng tuần hoàn của nước. Ở đây chúng ta nên xem xét các câu hỏi về tính dẫn nhiệt và nhiệt dung của nước là gì. Nhiệt dung của nước được hiểu là đại lượng vật lý biểu thị 1kg nước phải truyền bao nhiêu nhiệt lượng để nhiệt độ của nó tăng thêm một độ. Nó bằng 4220 J.
Vòng tuần hoàn của nước được thực hiện như sau: mặt trời làm nóng nước của các đại dương, và một phần nước bốc hơi vào khí quyển. Do quá trình đối lưu, hơi nước bốc lên ở độ cao lớn, nguội đi, mây và mây hình thành, dẫn đến kết tủa dưới dạng mưa đá.
