Θερμική αγωγιμότητα: πώς συμβαίνει, παραδείγματα, ασκήσεις

θερμική αγωγιμότητα ή απλά η αγωγή είναι μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας που συμβαίνει μέσα σε στερεά, λόγω α διαφοράσεθερμοκρασία. Στην οδήγηση, το Θερμική ενέργεια μεταφέρεται μεταξύ του άτομα και μόρια σε ένα στερεός χωρίς τη μεταφορά της ύλης, μέχρι την κατάσταση θερμική ισορροπία.

Αυτό το φαινόμενο εμφανίζεται σε όλες τις ουσίες, ανεξάρτητα από τις ουσίες τους φυσική κατάσταση, παρά περισσότεροσυχνάζωσεστερεά. Αυτό συμβαίνει επειδή, σε σταθερή κατάσταση, η σταθερή θέση των ατόμων, τα οποία είναι διατεταγμένα σε κρυσταλλικό πλέγμα, ευνοεί την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των ατόμων λόγω της συχνότητας στην οποία συμβαίνουν συγκρούσεις μεταξύ αυτών σωματίδια.

Κοίταεπίσης:Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για τη Θερμολογία

Πώς συμβαίνει η θερμική αγωγιμότητα;

Η διαδικασία του οδήγησηθερμικός χαρακτηρίζεται από την αλληλεπίδραση μεταξύ ατόμων πολλά διαφορετικάθερμοκρασίες. Όταν θερμαίνουμε ένα σώμα, τα άτομα του αρχίζουν να ταλαντεύονται με μεγαλύτερο πλάτος. Εκείνοι πιο ταραγμένα άτομα μεταφέρετε μέρος του

κινητική ενέργεια στα γειτονικά άτομα από συγκρούσεις και δονήσεις, με αυτόν τον τρόπο επιβραδύνονται, ενώ το τίποτε λιγότεροταραγμένοςνίκηταχύτητα. Μέσω αυτού του μηχανισμού, η θερμότητα μεταφέρεται σταδιακά από τις περιοχές υψηλότερης θερμοκρασίας προς τις περιοχές χαμηλότερης θερμοκρασίας, έως ότου ολόκληρο το σύστημα βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία.

ΜΑΣ αέρια, για παράδειγμα, η μεταφορά θερμότητας μέσω αγωγής πραγματοποιείται αποκλειστικά μέσω συγκρούσεων μεταξύ ατόμων. ΜΑΣ μη μεταλλικά στερεά, η θερμική αγωγή πραγματοποιείται μέσω δονήσεων κατά μήκος του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού. ΜΑΣ μεταλλικά στερεά - οι καλύτεροι αγωγοί θερμότητας - η αγωγή συμβαίνει τόσο μέσω της διάδοσης δονήσεων στο κρυσταλλικό πλέγμα όσο και μέσω της χαοτικής κίνησης ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Στα στερεά, η αγωγή θερμότητας συμβαίνει μέσω συγκρούσεων μεταξύ γειτονικών ατόμων.

Μονωτές και θερμικοί αγωγοί

Διαφορετικές καταστάσεις της ύλης μεταδίδουν θερμότητα μέσω διαφορετικών μηχανισμών. Τα υλικά που ονομάζονται αγωγοί, Για παράδειγμα, είναι εκείνοι που μπορούν να μεταφέρουν θερμότητα με μεγάλο ευκολία - συμβαίνει με τα περισσότερα μέταλλα. Τα υλικά μονωτές, με τη σειρά τους, είναι εκείνα που εμποδίζουν το πέρασμα της θερμότητας, όπως το πολυστερίνη, ένα καουτσούκ, ο ξύλο και τα λοιπά.

Μην σταματάς τώρα... Υπάρχουν περισσότερα μετά τη διαφήμιση;)

Διαφορές μεταξύ αγωγιμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας

Οδήγηση, μεταγωγή και ακτινοβολία είναι οι τρεις διαφορετικές μορφές διάδοσης του θερμότητα. Το κοινό σημείο μεταξύ αυτών των τριών διαδικασιών είναι ότι πρέπει να υπάρχει διαφοράσεθερμοκρασία μεταξύ διαφορετικών σωμάτων ή σε διαφορετικά σημεία στο ίδιο σώμα.

Ο οδήγηση, Όπως ειπώθηκε, συμβαίνει μέσω άμεσης επαφής μεταξύ μορίων, τα οποία, όταν συγκρούονται, μεταφέρονται κινητική ενέργεια στα γειτονικά του μόρια. Σε αυτόν τον τύπο μεταφοράς θερμότητας, δεν έχει σημασία μεταφορά. Η μεταφορά, με τη σειρά της, συμβαίνει αποκλειστικά σε υγρά και, καθώς και σε οδήγηση, συμβαίνει μόνο με υλικά μέσα. Η διαφορά μεταξύ αγωγιμότητας και μεταφοράς είναι ότι, στη μεταφορά, υπάρχουν μεταφοράσεζυμαρικά από ρεύματα μεταφοράς. Ο ακτινοβολία και το ΜΕΤΑΦΟΡΑσεθερμότητα ανά Ηλεκτρομαγνητικά κύματαΕπομένως, αυτή η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό κενό.

Στο σχήμα, είναι δυνατόν να παρατηρηθεί η αγωγή, η μεταφορά και η ακτινοβολία.

Heat flux ή ο νόμος του Fourier

Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται μεταξύ δύο σημείων μέσα στα σώματα, κάθε δευτερόλεπτο, καλείται ροήσεθερμότητα. Αυτή η ιδέα αφορά το πόσο γρήγορα μεταφέρεται η θερμότητα μέσα σε ένα σώμα. Ορισμένα υλικά έχουν μεγάλη χωρητικότητα μεταφορά θερμότητας, ως εκ τούτου, λέμε ότι είναι καλοί αγωγοί θερμότητας, καθώς είναι σε θέση να το διαλύσουν πιο γρήγορα.

Ο ροήσεθερμότητα, η οποία ορίζεται ως συνάρτηση ενός σταθερού k, μετράται σε watt (W), σύμφωνα με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων, αλλά μπορεί επίσης να μετρηθεί σε θερμίδεςανάδεύτερος. Αυτή η ροή ενέργειας είναι αναλογικά à διαφοράσεθερμοκρασία μεταξύ δύο σημείων ενός σώματος και αντιστοιχεί στην ποσότητα ενέργειας που ρέει, με τη μορφή θερμότητας, σε κάθε τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας, κατά τη διάρκεια του χρόνου ενός δευτερολέπτου.

Ο τύπος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας, επίσης γνωστή ως τύπος θερμικής ροής ή ΝόμοςσεΦουριέ είναι όπως ακολουθεί:

Φ - ροή θερμότητας (cal / s ή W)

Ερ - θερμότητα (ασβέστης ή J)

τ - χρονικά διαστήματα

A - εμβαδόν (m² ή cm²)

Τ₂ και Τ₁ - θερμοκρασία των σημείων 1 και 2 (K ή ºC)

κ - συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (J / s.m. K ή cal / s.cm.ºC)

Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (k) καθορίζει εάν ένα σώμα είναι καλός αγωγός θερμότητας. Αυτός ο συντελεστής αναφέρεται σε μεγάλο αριθμό ιδιοτήτων της ύλης, όπως το θερμοκρασία,κατάστασηφυσικός,καθαρότητα,πυκνότητα και τα λοιπά. Επιπλέον, ο τύπος δείχνει ότι η ποσότητα θερμότητας Ερ ρέει μέσα από μια περιοχή Ο, κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου τ, είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας (Τ₂ - Τ₁) μεταξύ των δύο όψεων αυτής της περιοχής και επίσης αντιστρόφωςαναλογικά στο πάχος και, που τους χωρίζει. Παρατηρήστε το ακόλουθο διάγραμμα, το οποίο δείχνει τη θερμική αγωγιμότητα σε στερεό μέσο, ​​σύμφωνα με τις παρουσιαζόμενες μεταβλητές:

Ασκήσεις θερμικής αγωγιμότητας

Ερώτηση 1) Κατά τη διάρκεια μιας ηλιόλουστης ημέρας, μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας - περίπου 180 θερμίδες - περνά μέσα από τα παράθυρα ενός οχήματος που έχει σταθμεύσει σε εξωτερικούς χώρους για μια περίοδο 15 λεπτών. Προσδιορίστε τη ροή θερμότητας από τα παράθυρα αυτού του οχήματος σε αυτήν την περίπτωση.

α) 10.000 cal / s

β) 2000 cal / s

γ) 50 cal / s

δ) 300 cal / s

ε) 500 cal / s

Πρότυπο: Γράμμα Β

Ανάλυση:

Για να λύσετε την άσκηση, απλώς υπολογίστε την ποσότητα θερμότητας που περνά μέσα από τα παράθυρα του οχήματος κάθε δευτερόλεπτο. Παρακολουθώ:

Σύμφωνα με τον υπολογισμό, περίπου 2000 θερμίδες περνούν μέσα από τα παράθυρα του οχήματος κάθε δευτερόλεπτο, οπότε η σωστή εναλλακτική λύση είναι το γράμμα Β.

Ερώτηση 2) Ελέγξτε την εναλλακτική λύση όπου συμβαίνει μόνο η αγωγή θερμότητας:

α) Ζεστό νερό που αναμιγνύεται με κρύο νερό.

β) Χαρτί που καίγεται από το φως του ήλιου, συμπυκνωμένο από μεγεθυντικό φακό.

γ) Σίδερο που καίει ένα πουκάμισο.

δ) Υδρατμοί μαγειρεύοντας ένα λαχανικό.

Πρότυπο: Γράμμα Γ

Ανάλυση:

Μεταξύ των διεργασιών που αναφέρονται, η πρώτη είναι η μεταφορά θερμότητας μεταφοράς. τότε έχουμε ακτινοβολία, στο γράμμα Β. οδήγηση, στο γράμμα Γ · Τέλος, στην τελευταία εναλλακτική λύση, μεταφέρετε ξανά. Επομένως, η σωστή εναλλακτική λύση είναι το γράμμα Γ.

Από τον M.e Rafael Helerbrock
Καθηγητής φυσικής