Ջերմային հաղորդունակության երևույթը էներգիայի փոխանցումն է ջերմության տեսքով երկու մարմինների անմիջական շփման մեջ՝ առանց նյութի փոխանակման կամ դրա փոխանակման։ Այս դեպքում էներգիան անցնում է ավելի բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմնի մեկ մարմնից կամ տարածքից դեպի ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմին կամ տարածք: Ֆիզիկական բնութագիրը, որը որոշում է ջերմության փոխանցման պարամետրերը, ջերմային հաղորդունակությունն է: Ի՞նչ է ջերմային հաղորդունակությունը և ինչպե՞ս է այն նկարագրվում ֆիզիկայում: Այս հոդվածը կպատասխանի այս հարցերին:
Ջերմային հաղորդունակության և դրա բնույթի ընդհանուր հայեցակարգ
Եթե պարզ բառերով պատասխանեք հարցին, թե որն է ջերմային հաղորդունակությունը ֆիզիկայում, ապա պետք է ասել, որ ջերմության փոխանցումը երկու մարմինների կամ նույն մարմնի տարբեր տարածքների միջև էներգիայի ներքին փոխանակման գործընթաց է մասնիկների միջև, որոնք. կազմում են մարմինը (մոլեկուլներ, ատոմներ, էլեկտրոններ և իոններ): Ներքին էներգիան ինքնին բաղկացած է երկու կարևոր մասից՝ կինետիկ և պոտենցիալ էներգիա։
Ի՞նչ է ջերմային հաղորդունակությունը ֆիզիկայում՝ դրա բնույթի տեսանկյունիցարժեքներ? Մանրադիտակային մակարդակում նյութերի ջերմություն հաղորդելու ունակությունը կախված է դրանց միկրոկառուցվածքից: Օրինակ, հեղուկների և գազերի դեպքում այս ֆիզիկական գործընթացը տեղի է ունենում մոլեկուլների միջև քաոսային բախումների պատճառով, իսկ պինդ մարմիններում փոխանցվող ջերմության հիմնական բաժինը բաժին է ընկնում ազատ էլեկտրոնների (մետաղական համակարգերում) կամ ֆոնոնների (ոչ մետաղական նյութեր) էներգիայի փոխանակմանը։), որոնք բյուրեղային ցանցի մեխանիկական թրթռանքներ են։
Ջերմային հաղորդունակության մաթեմատիկական ներկայացում
Պատասխանենք հարցին, թե ինչ է ջերմահաղորդականությունը՝ մաթեմատիկական տեսանկյունից։ Եթե վերցնենք միատարր մարմին, ապա դրա միջոցով տվյալ ուղղությամբ փոխանցվող ջերմության քանակը համաչափ կլինի ջերմության փոխանցման ուղղությանը ուղղահայաց մակերեսին, բուն նյութի ջերմահաղորդականությանը և ջերմաստիճանի տարբերությանը: մարմինը և նաև հակադարձ համեմատական կլինի մարմնի հաստությանը։
Արդյունքը բանաձևն է՝ Q/t=kA(T2-T1)/x, այստեղ Q/t - մարմնի միջոցով փոխանցվող ջերմություն (էներգիա) t ժամանակում, k - նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցը, որից պատրաստված է դիտարկվող մարմինը, A - մարմնի խաչմերուկի մակերեսը, T2 -T 1 - մարմնի ծայրերում ջերմաստիճանի տարբերություն՝ T2>T1, x - մարմնի հաստությունը, որով փոխանցվում է ջերմությունը Q:
Ջերմային էներգիայի փոխանցման մեթոդներ
Նկատի ունենալով այն հարցը, թե որն է նյութերի ջերմահաղորդականությունը, պետք է նշել ջերմափոխադրման հնարավոր եղանակները։ Ջերմային էներգիան կարող է փոխանցվել տարբեր մարմինների միջև՝ օգտագործելովհետևյալ գործընթացները՝
- հաղորդունակություն - այս գործընթացը ընթանում է առանց նյութի փոխանցման;
- կոնվեկցիա - ջերմության փոխանցումն ուղղակիորեն կապված է բուն նյութի շարժման հետ;
- ճառագայթում - ջերմափոխանակումն իրականացվում է էլեկտրամագնիսական ճառագայթման շնորհիվ, այսինքն՝ ֆոտոնների օգնությամբ։
Որպեսզի ջերմությունը փոխանցվի հաղորդման կամ կոնվեկցիայի պրոցեսների միջոցով, անհրաժեշտ է ուղիղ շփում տարբեր մարմինների միջև, այն տարբերությամբ, որ հաղորդման գործընթացում նյութի մակրոսկոպիկ շարժում չկա, այլ կոնվեկցիա այս շարժումը առկա է: Նկատի ունեցեք, որ միկրոսկոպիկ շարժումը տեղի է ունենում ջերմության փոխանցման բոլոր գործընթացներում:
Մի քանի տասնյակ աստիճան Celsius նորմալ ջերմաստիճանների դեպքում կարելի է ասել, որ կոնվեկցիան և հաղորդունակությունը կազմում են փոխանցվող ջերմության հիմնական մասը, իսկ ճառագայթման գործընթացում փոխանցվող էներգիայի քանակը աննշան է: Այնուամենայնիվ, ճառագայթումը սկսում է մեծ դեր խաղալ ջերմափոխանակման գործընթացում մի քանի հարյուր հազար Կելվինի ջերմաստիճանում, քանի որ այս կերպ փոխանցված էներգիայի քանակությունը մեծանում է բացարձակ ջերմաստիճանի 4-րդ հզորության համամասնությամբ, այսինքն՝ ~ T: 4. Օրինակ՝ մեր արևը կորցնում է իր էներգիայի մեծ մասը ճառագայթման միջոցով։
Պինդ մարմինների ջերմային հաղորդունակություն
Քանի որ պինդ մարմիններում յուրաքանչյուր մոլեկուլ կամ ատոմ գտնվում է որոշակի դիրքում և չի կարող լքել այն, ջերմության փոխանցումը կոնվեկցիայի միջոցով անհնար է, և միակ հնարավոր գործընթացը.հաղորդունակություն. Մարմնի ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ նրա բաղկացուցիչ մասնիկների կինետիկ էներգիան մեծանում է, և յուրաքանչյուր մոլեկուլ կամ ատոմ սկսում է ավելի ինտենսիվ տատանվել։ Այս գործընթացը հանգեցնում է նրանց բախմանը հարևան մոլեկուլների կամ ատոմների հետ, նման բախումների արդյունքում կինետիկ էներգիան փոխանցվում է մասնիկից մասնիկ, մինչև մարմնի բոլոր մասնիկները ծածկվեն այս գործընթացով։
Նկարագրված մանրադիտակային մեխանիզմի արդյունքում, երբ մետաղյա ձողի մի ծայրը տաքացվում է, ջերմաստիճանը որոշ ժամանակ անց հավասարվում է ամբողջ ձողի վրա:
Ջերմությունը հավասարապես չի փոխանցվում տարբեր պինդ նյութերում: Այսպիսով, կան նյութեր, որոնք ունեն լավ ջերմային հաղորդակցություն: Նրանք հեշտությամբ և արագ ջերմություն են փոխանցում իրենց միջոցով: Բայց կան նաև վատ ջերմահաղորդիչներ կամ մեկուսիչներ, որոնց միջով քիչ ջերմություն կարող է անցնել կամ ընդհանրապես բացակայել:
Ջերմահաղորդականության գործակից պինդ մարմինների համար
Պինդ մարմինների համար ջերմային հաղորդունակության գործակիցը k-ն ունի հետևյալ ֆիզիկական նշանակությունը. այն ցույց է տալիս ջերմության քանակությունը, որն անցնում է միավոր ժամանակում միավոր մակերեսի միջով ցանկացած մարմնի հաստությամբ և անսահման երկարությամբ և լայնությամբ՝ ջերմաստիճանի տարբերությամբ: դրա ծայրերը հավասար են մեկ աստիճանի: SI միավորների միջազգային համակարգում k գործակիցը չափվում է J/(smK):
Պինդ մարմիններում այս գործակիցը կախված է ջերմաստիճանից, ուստի ընդունված է այն որոշել 300 Կ ջերմաստիճանում՝ ջերմություն վարելու ունակությունը համեմատելու համար։տարբեր նյութեր։
Ջերմահաղորդականության գործակից մետաղների և ոչ մետաղական կոշտ նյութերի համար
Բոլոր մետաղները, առանց բացառության, ջերմության լավ հաղորդիչներ են, որոնց փոխանցման համար պատասխանատու են էլեկտրոնային գազի համար։ Իր հերթին, իոնային և կովալենտային նյութերը, ինչպես նաև թելքավոր կառուցվածք ունեցող նյութերը լավ ջերմամեկուսիչներ են, այսինքն՝ վատ են փոխանցում ջերմությունը։ Հարցի բացահայտումն ավարտելու համար, թե որն է ջերմային հաղորդունակությունը, պետք է նշել, որ այս գործընթացը պահանջում է նյութի պարտադիր առկայությունը, եթե այն իրականացվում է կոնվեկցիայի կամ հաղորդման պատճառով, հետևաբար, վակուումում ջերմությունը կարող է փոխանցվել միայն էլեկտրամագնիսական ճառագայթում.
Ստորև բերված ցանկը ցույց է տալիս որոշ մետաղների և ոչ մետաղների ջերմահաղորդականության գործակիցների արժեքները J/(smK):
- պողպատ - 47-58 կախված պողպատի դասակարգից;
- ալյումին - 209, 3;
- բրոնզ - 116-186;
- ցինկ - 106-140 կախված մաքրությունից;
- պղինձ - 372, 1-385, 2;
- փողային - 81-116;
- ոսկի - 308, 2;
- արծաթ - 406, 1-418, 7;
- ռետին - 0, 04-0, 30;
- ապակեպլաստե - 0,03-0,07;
- աղյուս - 0, 80;
- ծառ - 0, 13;
- բաժակ - 0, 6-1, 0.
Այսպիսով, մետաղների ջերմային հաղորդունակությունը 2-3 կարգով բարձր է մեկուսիչների ջերմային հաղորդունակության արժեքներից, որոնք պարզ օրինակ են այն հարցի պատասխանի համար, թե որն է ցածր ջերմային հաղորդունակությունը:
Ջերմային հաղորդունակության արժեքը շատերի մեջ կարևոր դեր է խաղումարդյունաբերական գործընթացներ. Որոշ գործընթացներում նրանք ձգտում են մեծացնել այն՝ օգտագործելով լավ ջերմային հաղորդիչներ և մեծացնելով շփման տարածքը, մինչդեռ մյուսներում նրանք փորձում են նվազեցնել ջերմային հաղորդունակությունը՝ նվազեցնելով շփման տարածքը և օգտագործելով ջերմամեկուսիչ նյութեր:
Կոնվեկցիա հեղուկներում և գազերում
Հեղուկներում ջերմության փոխանցումն իրականացվում է կոնվեկցիայի գործընթացով։ Այս գործընթացը ներառում է նյութի մոլեկուլների շարժումը տարբեր ջերմաստիճաններով գոտիների միջև, այսինքն՝ կոնվեկցիայի ժամանակ հեղուկ կամ գազ խառնվում է։ Երբ հեղուկ նյութը ջերմություն է արձակում, նրա մոլեկուլները կորցնում են իրենց կինետիկ էներգիայի մի մասը, և նյութը դառնում է ավելի խիտ: Ընդհակառակը, երբ հեղուկ նյութը տաքացվում է, նրա մոլեկուլները մեծացնում են իրենց կինետիկ էներգիան, նրանց շարժումը դառնում է ավելի ինտենսիվ, համապատասխանաբար, նյութի ծավալը մեծանում է, իսկ խտությունը նվազում է։ Այդ պատճառով նյութի սառը շերտերը ձգողականության ազդեցությամբ հակված են ցած ընկնելու, իսկ տաք շերտերը փորձում են վեր բարձրանալ։ Այս գործընթացի արդյունքում նյութը խառնվում է, ինչը հեշտացնում է ջերմության փոխանցումը դրա շերտերի միջև:
Որոշ հեղուկների ջերմահաղորդականություն
Եթե պատասխանում եք հարցին, թե որն է ջրի ջերմային հաղորդունակությունը, ապա պետք է հասկանալ, որ դա պայմանավորված է կոնվեկցիոն գործընթացով։ Ջերմահաղորդականության գործակիցը դրա համար կազմում է 0,58 Ջ/(սմԿ)։
Այլ հեղուկների համար այս արժեքը նշված է ստորև՝
- էթիլային սպիրտ - 0,17;
- ացետոն - 0, 16;
- գլիցերին - 0, 28.
Այսինքն՝ արժեքներըՀեղուկների ջերմային հաղորդունակությունը համեմատելի է պինդ ջերմամեկուսիչների հետ:
Կոնվեկցիա մթնոլորտում
Մթնոլորտային կոնվեկցիան կարևոր է, քանի որ այն առաջացնում է այնպիսի երևույթներ, ինչպիսիք են քամիները, ցիկլոնները, ամպերի ձևավորումը, անձրևը և այլն: Այս բոլոր գործընթացները ենթարկվում են թերմոդինամիկայի ֆիզիկական օրենքներին:
Մթնոլորտում կոնվեկցիայի գործընթացներից ամենակարևորը ջրի շրջապտույտն է։ Այստեղ մենք պետք է քննարկենք այն հարցերը, թե որն է ջրի ջերմահաղորդականությունը և ջերմային հզորությունը: Ջրի ջերմունակությունը հասկացվում է որպես ֆիզիկական մեծություն, որը ցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն պետք է փոխանցվի 1 կգ ջրին, որպեսզի նրա ջերմաստիճանը բարձրանա մեկ աստիճանով։ Այն հավասար է 4220 J.
Ջրի շրջապտույտն իրականացվում է հետևյալ կերպ՝ արևը տաքացնում է օվկիանոսների ջրերը, իսկ ջրի մի մասը գոլորշիանում է մթնոլորտ։ Կոնվեկցիայի պրոցեսի պատճառով ջրի գոլորշին բարձրանում է մեծ բարձրության վրա, սառչում, առաջանում են ամպեր և ամպեր, որոնք բերում են տեղումների՝ կարկուտի կամ անձրևի տեսքով։
