תופעת המוליכות התרמית היא העברת אנרגיה בצורת חום במגע ישיר של שני גופים ללא כל חילופי חומר או עם חילופיו. במקרה זה, אנרגיה עוברת מגוף או אזור אחד בגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר לגוף או אזור עם טמפרטורה נמוכה יותר. המאפיין הפיזי הקובע את הפרמטרים של העברת החום הוא מוליכות תרמית. מהי מוליכות תרמית וכיצד היא מתוארת בפיזיקה? מאמר זה יענה על שאלות אלו.
תפיסה כללית של מוליכות תרמית והטבע שלה
אם אתה עונה במילים פשוטות על השאלה מהי מוליכות תרמית בפיזיקה, אז צריך לומר שהעברת חום בין שני גופים או אזורים שונים של אותו גוף הוא תהליך של חילופי אנרגיה פנימית בין החלקיקים ש מרכיבים את הגוף (מולקולות, אטומים, אלקטרונים ויונים). האנרגיה הפנימית עצמה מורכבת משני חלקים חשובים: אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית.
מהי מוליכות תרמית בפיזיקה מנקודת המבט של טבעו של זהערכים? ברמה המיקרוסקופית, יכולתם של חומרים להוביל חום תלויה במבנה המיקרו שלהם. לדוגמה, עבור נוזלים וגזים, תהליך פיזיקלי זה מתרחש עקב התנגשויות כאוטיות בין מולקולות; במוצקים, החלק העיקרי של החום המועבר נופל על חילופי אנרגיה בין אלקטרונים חופשיים (במערכות מתכתיות) או פונונים (חומרים לא מתכתיים), שהן רעידות מכניות של סריג הגביש.
ייצוג מתמטי של מוליכות תרמית
בואו נענה על השאלה מהי מוליכות תרמית, מנקודת מבט מתמטית. אם ניקח גוף הומוגני, אזי כמות החום המועברת דרכו בכיוון נתון תהיה פרופורציונלית לשטח הפנים המאונך לכיוון העברת החום, המוליכות התרמית של החומר עצמו והפרש הטמפרטורה בקצות החום. גוף, וגם יהיה ביחס הפוך לעובי הגוף.
התוצאה היא הנוסחה: Q/t=kA(T2-T1)/x, כאן Q/t - חום (אנרגיה) המועבר דרך הגוף בזמן t, k - מקדם מוליכות תרמית של החומר ממנו עשוי הגוף הנחשב, A - שטח חתך של הגוף, T2 -T 1 - הפרש טמפרטורה בקצוות הגוף, עם T2>T1, x - עובי הגוף שדרכו מועבר חום Q.
שיטות להעברת אנרגיה תרמית
בהתחשב בשאלה מהי המוליכות התרמית של חומרים, עלינו להזכיר את השיטות האפשריות להעברת חום. ניתן להעביר אנרגיה תרמית בין גופים שונים באמצעותהתהליכים הבאים:
- conductivity - תהליך זה עובר ללא העברת חומר;
- הסעה - העברת חום קשורה ישירות לתנועת החומר עצמו;
- קרינה - העברת חום מתבצעת עקב קרינה אלקטרומגנטית, כלומר בעזרת פוטונים.
כדי שחום יעבור בתהליכי הולכה או הסעה יש צורך במגע ישיר בין גופים שונים, בהבדל שבתהליך ההולכה אין תנועה מקרוסקופית של החומר, אלא בתהליך של הסעה תנועה זו קיימת. שימו לב שתנועה מיקרוסקופית מתרחשת בכל תהליכי העברת החום.
עבור טמפרטורות רגילות של כמה עשרות מעלות צלזיוס, ניתן לומר שההסעה וההולכה מהוות את עיקר החום המועבר, וכמות האנרגיה המועברת בתהליך הקרינה היא זניחה. עם זאת, קרינה מתחילה למלא תפקיד מרכזי בתהליך העברת החום בטמפרטורות של כמה מאות ואלפי קלווין, שכן כמות האנרגיה Q המועברת בדרך זו גדלה ביחס לחזק הרביעי של הטמפרטורה המוחלטת, כלומר ~ T. 4. לדוגמה, השמש שלנו מאבדת את רוב האנרגיה שלה באמצעות קרינה.
מוליכות תרמית של מוצקים
מכיוון שבמוצקים כל מולקולה או אטום נמצאים במיקום מסוים ואינו יכול לעזוב אותו, העברת החום בהסעה בלתי אפשרית, והתהליך האפשרי היחיד הואמוֹלִיכוּת. עם עלייה בטמפרטורת הגוף, האנרגיה הקינטית של החלקיקים המרכיבים אותה עולה, וכל מולקולה או אטום מתחילים להתנודד בצורה אינטנסיבית יותר. תהליך זה מוביל להתנגשות שלהם עם מולקולות או אטומים שכנים, כתוצאה מהתנגשויות כאלה מועברת אנרגיה קינטית מחלקיק לחלקיק עד שכל חלקיקי הגוף מכוסים בתהליך זה.
כתוצאה מהמנגנון המיקרוסקופי המתואר, כאשר קצה אחד של מוט מתכת מחומם, הטמפרטורה מתאזנת על פני כל המוט לאחר זמן מה.
חום אינו עובר באופן שווה בחומרים מוצקים שונים. אז, ישנם חומרים בעלי מוליכות תרמית טובה. הם מעבירים חום בקלות ובמהירות דרך עצמם. אבל יש גם מוליכי חום או מבודדים גרועים שדרכם מעט חום יכול לעבור.
מקדם מוליכות תרמית למוצקים
למקדם המוליכות התרמית של מוצקים k יש את המשמעות הפיזיקלית הבאה: הוא מציין את כמות החום העוברת ביחידת זמן דרך יחידת שטח פנים בכל גוף בעל עובי יחידה ואורך ורוחב אינסופיים עם הפרש טמפרטורה ב- הקצוות שלו שווים למעלה אחת. במערכת הבינלאומית של יחידות SI, מקדם k נמדד ב-J/(smK).
מקדם זה במוצקים תלוי בטמפרטורה ולכן נהוג לקבוע אותו בטמפרטורה של 300 K על מנת להשוות את יכולת הולכת חוםחומרים שונים.
מקדם מוליכות תרמית למתכות וחומרים קשים לא מתכתיים
כל המתכות, ללא יוצא מן הכלל, הן מוליכות חום טובות, שעל העברתן הן אחראיות על גז האלקטרונים. בתורו, חומרים יוניים וקוולנטיים, כמו גם חומרים בעלי מבנה סיבי, הם מבודדי חום טובים, כלומר, הם מוליכים חום בצורה גרועה. להשלמת חשיפת השאלה מהי מוליכות תרמית יצוין שתהליך זה מצריך נוכחות חובה של חומר במידה והוא מתבצע עקב הסעה או הולכה, לכן בוואקום ניתן להעביר חום רק עקב קרינה אלקטרומגנטית.
הרשימה למטה מציגה את הערכים של מקדמי מוליכות תרמית עבור כמה מתכות ולא-מתכות ב-J/(smK):
- פלדה - 47-58 בהתאם לדרגת פלדה;
- aluminium - 209, 3;
- ברונזה - 116-186;
- אבץ - 106-140 בהתאם לטוהר;
- copper - 372, 1-385, 2;
- brass - 81-116;
- gold - 308, 2;
- silver - 406, 1-418, 7;
- rubber - 0, 04-0, 30;
- פיברגלס - 0.03-0.07;
- לבנה - 0, 80;
- עץ - 0, 13;
- glass - 0, 6-1, 0.
לכן, המוליכות התרמית של מתכות גבוהה ב-2-3 סדרי גודל מערכי המוליכות התרמית של מבודדים, שהם דוגמה מצוינת לתשובה לשאלה מהי מוליכות תרמית נמוכה.
הערך של מוליכות תרמית ממלא תפקיד חשוב ברביםתהליכים תעשייתיים. בחלק מהתהליכים הם מבקשים להגדיל אותו על ידי שימוש במוליכי חום טובים והגדלת שטח המגע, בעוד שבאחרים מנסים להפחית מוליכות תרמית על ידי הקטנת שטח המגע ושימוש בחומרים מבודדי חום.
הסעה בנוזלים וגזים
העברת החום בנוזלים מתבצעת בתהליך של הסעה. תהליך זה כולל תנועה של מולקולות של חומר בין אזורים עם טמפרטורות שונות, כלומר, במהלך הסעה, נוזל או גז מעורבב. כאשר חומר נוזלי משחרר חום, המולקולות שלו מאבדות חלק מהאנרגיה הקינטית שלהן והחומר הופך צפוף יותר. להיפך, כאשר מחממים חומר נוזלי, המולקולות שלו מגבירות את האנרגיה הקינטית שלהן, תנועתן נעשית אינטנסיבית יותר, בהתאמה, נפח החומר גדל והצפיפות יורדת. לכן שכבות החומר הקרות נוטות ליפול למטה בהשפעת כוח הכבידה, והשכבות החמות מנסות לעלות למעלה. תהליך זה מביא לערבוב החומר, המקל על העברת החום בין השכבות שלו.
המוליכות התרמית של נוזלים מסוימים
אם תענה על השאלה מהי המוליכות התרמית של מים, יש להבין שזה נובע מתהליך ההסעה. מקדם המוליכות התרמית עבורו הוא 0.58 J/(smK).
עבור נוזלים אחרים, ערך זה מופיע להלן:
- אלכוהול אתילי - 0.17;
- אצטון - 0, 16;
- גליצרול - 0, 28.
כלומר, הערכיםמוליכות תרמית של נוזלים דומות לאלו של מבודדי חום מוצקים.
הסעה באווירה
הסעה אטמוספרית חשובה מכיוון שהיא גורמת לתופעות כמו רוחות, ציקלונים, היווצרות עננים, גשם ואחרות. כל התהליכים הללו מצייתים לחוקים הפיזיקליים של התרמודינמיקה.
בין תהליכי ההסעה באטמוספרה, החשוב ביותר הוא מחזור המים. כאן עלינו לשקול את השאלות של מהי המוליכות התרמית וקיבולת החום של מים. קיבולת החום של מים מובנת ככמות פיזיקלית המראה כמה חום יש להעביר ל-1 ק ג מים כדי שהטמפרטורה שלהם תעלה במעלה אחת. זה שווה ל-4220 J.
מחזור המים מתבצע באופן הבא: השמש מחממת את מי האוקיינוסים, וחלק מהמים מתאדה לאטמוספירה. עקב תהליך ההסעה אדי המים עולים לגובה רב, מתקררים, נוצרים עננים ועננים שמובילים למשקעים בצורת ברד או גשם.
