پدیده رسانایی گرمایی عبارت است از انتقال انرژی به شکل گرما در تماس مستقیم دو جسم بدون هیچ گونه تبادل ماده یا با تبادل آن. در این حالت انرژی از یک جسم یا ناحیه ای از بدن با دمای بالاتر به جسم یا ناحیه ای با دمای پایین تر منتقل می شود. مشخصه فیزیکی که پارامترهای انتقال حرارت را تعیین می کند هدایت حرارتی است. رسانایی حرارتی چیست و چگونه در فیزیک توضیح داده شده است؟ این مقاله به این سوالات پاسخ خواهد داد.
مفهوم کلی هدایت حرارتی و ماهیت آن
اگر به این سؤال که رسانایی گرمایی در فیزیک چیست به زبان ساده پاسخ دهید، باید گفت که انتقال حرارت بین دو جسم یا مناطق مختلف یک جسم یک فرآیند تبادل انرژی درونی بین ذرات است که بدن را تشکیل می دهند (مولکول ها، اتم ها، الکترون ها و یون ها). انرژی درونی خود از دو بخش مهم تشکیل شده است: انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل.
هدایت حرارتی در فیزیک از نقطه نظر ماهیت این چیست؟ارزش های؟ در سطح میکروسکوپی، توانایی مواد برای هدایت گرما به ریزساختار آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، برای مایعات و گازها، این فرآیند فیزیکی به دلیل برخوردهای بی نظم بین مولکول ها رخ می دهد؛ در جامدات، سهم اصلی گرمای منتقل شده بر روی تبادل انرژی بین الکترون های آزاد (در سیستم های فلزی) یا فونون ها (مواد غیرفلزی) است.) که ارتعاشات مکانیکی شبکه کریستالی هستند.
نمایش ریاضی رسانایی حرارتی
بیایید به این سوال که رسانایی حرارتی چیست، از دیدگاه ریاضی پاسخ دهیم. اگر جسمی همگن بگیریم، مقدار گرمای منتقل شده از طریق آن در جهت معین متناسب با مساحت سطح عمود بر جهت انتقال حرارت، رسانایی حرارتی خود ماده و اختلاف دما در انتها خواهد بود. بدنه، و همچنین با ضخامت بدنه نسبت معکوس خواهد داشت.
نتیجه فرمول است: Q/t=kA(T2-T1)/x، اینجا Q/t - گرما (انرژی) منتقل شده از طریق بدن در زمان t، k - ضریب هدایت حرارتی ماده ای که بدن مورد نظر از آن ساخته شده است، A - سطح مقطع بدن، T2 -T 1 - اختلاف دما در انتهای بدن، با T2>T1 ، x - ضخامت جسمی که گرما Q از طریق آن منتقل می شود.
روشهای انتقال انرژی حرارتی
با توجه به این سوال که رسانایی حرارتی مواد چقدر است، باید به روش های ممکن انتقال حرارت اشاره کرد. انرژی حرارتی را می توان با استفاده از اجسام مختلف منتقل کردفرآیندهای زیر:
- رسانایی - این فرآیند بدون انتقال ماده انجام می شود؛
- همرفت - انتقال حرارت مستقیماً با حرکت خود ماده مرتبط است؛
- تابش - انتقال حرارت در اثر تابش الکترومغناطیسی، یعنی با کمک فوتون ها انجام می شود.
برای انتقال گرما با استفاده از فرآیندهای رسانش یا همرفت، تماس مستقیم بین اجسام مختلف ضروری است، با این تفاوت که در فرآیند رسانش، حرکت ماکروسکوپی ماده وجود ندارد، اما در فرآیند همرفت این حرکت وجود دارد. توجه داشته باشید که حرکت میکروسکوپی در تمام فرآیندهای انتقال حرارت انجام می شود.
برای دماهای معمولی چند ده درجه سانتیگراد، می توان گفت که همرفت و هدایت بخش عمده گرمای منتقل شده را تشکیل می دهند و مقدار انرژی منتقل شده در فرآیند تابش ناچیز است. با این حال، تابش شروع به ایفای نقش اصلی در فرآیند انتقال حرارت در دماهای چند صد و هزار کلوین می کند، زیرا مقدار انرژی Q منتقل شده به این ترتیب به نسبت توان 4 دمای مطلق افزایش می یابد، یعنی ~ T. 4. برای مثال، خورشید ما بیشتر انرژی خود را از طریق تابش از دست می دهد.
رسانایی گرمایی جامدات
از آنجایی که در جامدات هر مولکول یا اتم در موقعیت خاصی قرار دارد و نمی تواند آن را ترک کند، انتقال گرما از طریق همرفت غیرممکن است و تنها فرآیند ممکن این است.هدایت با افزایش دمای بدن، انرژی جنبشی ذرات تشکیل دهنده آن افزایش می یابد و هر مولکول یا اتم شروع به نوسان شدیدتر می کند. این فرآیند منجر به برخورد آنها با مولکول ها یا اتم های همسایه می شود، در نتیجه چنین برخوردهایی انرژی جنبشی از ذره ای به ذره دیگر منتقل می شود تا زمانی که تمام ذرات بدن تحت پوشش این فرآیند قرار گیرند.
در نتیجه مکانیسم میکروسکوپی توصیف شده، وقتی یک انتهای میله فلزی گرم می شود، بعد از مدتی دما در کل میله یکسان می شود.
گرما در مواد جامد مختلف به یک اندازه منتقل نمی شود. بنابراین، موادی هستند که هدایت حرارتی خوبی دارند. آنها به راحتی و به سرعت گرما را از طریق خود عبور می دهند. اما رساناها یا عایق های حرارتی ضعیفی نیز وجود دارند که گرمای کمی از آنها عبور می کند یا اصلاً نمی تواند از آنها عبور کند.
ضریب هدایت حرارتی برای جامدات
ضریب هدایت حرارتی برای جامدات k به معنای فیزیکی زیر است: نشان دهنده مقدار گرمایی است که در واحد زمان از یک واحد سطح در هر جسمی با ضخامت واحد و طول و عرض نامحدود با اختلاف دما در واحد زمان عبور می کند. انتهای آن برابر با یک درجه است. در سیستم بین‌المللی واحدهای SI، ضریب k با J/(smK) اندازه‌گیری می‌شود.
این ضریب در جامدات به دما بستگی دارد، بنابراین مرسوم است که آن را در دمای 300 کلوین تعیین کنیم تا توانایی انتقال گرما را با هم مقایسه کنیم.مواد مختلف.
ضریب هدایت حرارتی برای فلزات و مواد سخت غیرفلزی
همه فلزات، بدون استثنا، رسانای خوبی برای گرما هستند، که برای انتقال آن مسئول گاز الکترون هستند. به نوبه خود، مواد یونی و کووالانسی و همچنین مواد با ساختار فیبری، عایق های حرارتی خوبی هستند، یعنی گرما را به خوبی هدایت می کنند. برای تکمیل این سوال که رسانایی حرارتی چیست، باید توجه داشت که این فرآیند اگر به دلیل همرفت یا رسانایی انجام شود، نیاز به حضور اجباری ماده دارد، بنابراین در خلاء، گرما فقط به دلیل انتقال می تواند تابش الکترومغناطیسی.
لیست زیر مقادیر ضرایب هدایت حرارتی برخی فلزات و غیرفلزات را در J/(smK) نشان می‌دهد:
- فولاد - 47-58 بسته به درجه فولاد؛
- آلومینیوم - 209, 3;
- برنز - 116-186;
- روی - 106-140 بسته به خلوص؛
- مس - 372، 1-385، 2;
- برنج - 81-116;
- طلا - 308, 2;
- نقره - 406, 1-418, 7;
- لاستیک - 0, 04-0, 30;
- فایبرگلاس - 0.03-0.07;
- آجر - 0, 80;
- درخت - 0, 13;
- شیشه - 0، 6-1، 0.
بنابراین، رسانایی حرارتی فلزات 2-3 مرتبه بیشتر از مقادیر هدایت حرارتی برای عایق ها است، که نمونه بارز پاسخ به این سوال است که رسانایی حرارتی پایین چیست.
مقدار هدایت حرارتی در بسیاری از موارد نقش مهمی ایفا می کندفرایندهای صنعتی. در برخی از فرآیندها با استفاده از هادی های حرارتی خوب و افزایش سطح تماس به دنبال افزایش آن هستند، در حالی که در برخی دیگر با کاهش سطح تماس و استفاده از مواد عایق حرارت سعی در کاهش هدایت حرارتی دارند.
همرفت در مایعات و گازها
انتقال گرما در سیالات توسط فرآیند همرفت انجام می شود. این فرآیند شامل حرکت مولکول های یک ماده بین مناطق با دماهای مختلف است، یعنی در حین جابجایی، یک مایع یا گاز مخلوط می شود. هنگامی که ماده سیال گرما آزاد می کند، مولکول های آن مقداری از انرژی جنبشی خود را از دست می دهند و ماده متراکم تر می شود. برعکس، هنگامی که ماده سیال گرم می شود، مولکول های آن انرژی جنبشی خود را افزایش می دهند، حرکت آنها شدیدتر می شود، به ترتیب حجم ماده افزایش می یابد و چگالی کاهش می یابد. به همین دلیل است که لایه‌های سرد ماده تحت تأثیر گرانش به پایین می‌افتند و لایه‌های داغ سعی می‌کنند بالا بیایند. این فرآیند منجر به اختلاط ماده و تسهیل انتقال گرما بین لایه‌های آن می‌شود.
رسانایی حرارتی برخی مایعات
اگر به این سوال پاسخ دهید که رسانایی حرارتی آب چقدر است، باید فهمید که این به دلیل فرآیند همرفت است. ضریب هدایت حرارتی برای آن 0.58 J/(smK) است.
برای مایعات دیگر، این مقدار در زیر فهرست شده است:
- اتیل الکل - 0.17;
- استون - 0، 16؛
- گلیسرول - 0, 28.
یعنی مقادیررسانایی حرارتی مایعات با عایق های حرارت جامد قابل مقایسه است.
همرفت در جو
همرفت اتمسفر مهم است زیرا باعث ایجاد پدیده هایی مانند باد، طوفان، تشکیل ابر، باران و غیره می شود. همه این فرآیندها از قوانین فیزیکی ترمودینامیک پیروی می کنند.
در میان فرآیندهای جابجایی در جو، مهم ترین چرخه آب است. در اینجا باید این سؤال را در نظر بگیریم که رسانایی گرمایی و ظرفیت گرمایی آب چقدر است. ظرفیت گرمایی آب به عنوان یک کمیت فیزیکی درک می شود که نشان می دهد چه مقدار گرما باید به 1 کیلوگرم آب منتقل شود تا دمای آن یک درجه افزایش یابد. برابر است با 4220 J.
چرخه آب به شرح زیر انجام می شود: خورشید آب اقیانوس ها را گرم می کند و بخشی از آب به جو تبخیر می شود. در اثر فرآیند همرفت، بخار آب تا ارتفاع زیادی بالا می‌آید، سرد می‌شود، ابر و ابر تشکیل می‌شود که منجر به بارندگی به صورت تگرگ یا باران می‌شود.
