Issiqlik o'tkazuvchanlik hodisasi - bu ikki jismning to'g'ridan-to'g'ri aloqasidagi energiyaning issiqlik shaklida hech qanday moddalar almashinuvisiz yoki uning almashinuvisiz o'tkazilishi. Bunday holda, energiya yuqori haroratli tananing bir tanasi yoki maydonidan past haroratli tanaga yoki hududga o'tadi. Issiqlik uzatish parametrlarini aniqlaydigan jismoniy xarakteristikasi issiqlik o'tkazuvchanligi hisoblanadi. Issiqlik o'tkazuvchanligi nima va u fizikada qanday tavsiflanadi? Ushbu maqola ushbu savollarga javob beradi.
Issiqlik o'tkazuvchanligi va uning tabiati haqida umumiy tushuncha
Agar siz fizikada issiqlik oʻtkazuvchanligi nima degan savolga oddiygina javob bersangiz, shuni aytish kerakki, ikkita jism yoki bir jismning turli sohalari oʻrtasida issiqlik almashinuvi zarrachalar oʻrtasidagi ichki energiya almashinuvi jarayonidir. tanani tashkil qiladi (molekulalar, atomlar, elektronlar va ionlar). Ichki energiyaning o'zi ikkita muhim qismdan iborat: kinetik energiya va potensial energiya.
Buning tabiati nuqtai nazaridan fizikada issiqlik o'tkazuvchanligi nima?qiymatlar? Mikroskopik darajada materiallarning issiqlik o'tkazish qobiliyati ularning mikro tuzilishiga bog'liq. Masalan, suyuqliklar va gazlar uchun bu fizik jarayon molekulalar orasidagi xaotik to'qnashuvlar tufayli sodir bo'ladi; qattiq jismlarda uzatiladigan issiqlikning asosiy ulushi erkin elektronlar (metall tizimlarda) yoki fononlar (metall bo'lmagan moddalar) o'rtasidagi energiya almashinuviga to'g'ri keladi.), kristall panjaraning mexanik tebranishlari.
Issiqlik o'tkazuvchanligining matematik ko'rinishi
Issiqlik o’tkazuvchanligi nima degan savolga matematik nuqtai nazardan javob beraylik. Agar biz bir hil jismni olsak, u orqali ma'lum bir yo'nalishda o'tkaziladigan issiqlik miqdori issiqlik uzatish yo'nalishiga perpendikulyar sirt maydoniga, materialning issiqlik o'tkazuvchanligiga va uchlaridagi harorat farqiga mutanosib bo'ladi. tanasi, shuningdek, tananing qalinligi bilan teskari proportsional bo'ladi.
Natija: Q/t=kA(T2-T1)/x, bu yerda Q/t - t vaqtida tana orqali uzatiladigan issiqlik (energiya), k - ko'rib chiqilayotgan jism yaratilgan materialning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti, A - tananing ko'ndalang kesimi maydoni, T2 -T 1 - tananing uchlarida harorat farqi, T2>T1, x - issiqlik Q uzatiladigan tananing qalinligi.
Issiqlik energiyasini uzatish usullari
Materiallarning issiqlik o'tkazuvchanligi nima degan savolni ko'rib chiqsak, issiqlik uzatishning mumkin bo'lgan usullarini eslatib o'tishimiz kerak. Issiqlik energiyasi turli jismlar o'rtasida o'tkazilishi mumkinquyidagi jarayonlar:
- o'tkazuvchanlik - bu jarayon materiya o'tkazilmaydi;
- konvektsiya - issiqlik uzatish materiyaning o'zi harakati bilan bevosita bog'liq;
- radiatsiya - issiqlik uzatish elektromagnit nurlanish hisobiga, ya'ni fotonlar yordamida amalga oshiriladi.
Issiqlik o'tkazuvchanlik yoki konveksiya jarayonlari yordamida uzatilishi uchun turli jismlar o'rtasida to'g'ridan-to'g'ri aloqa zarur, farqi shundaki, o'tkazuvchanlik jarayonida materiyaning makroskopik harakati bo'lmaydi, lekin jarayonda. konvektsiya bu harakat mavjud. Mikroskopik harakat barcha issiqlik uzatish jarayonlarida sodir bo'lishini unutmang.
Telsiy boʻyicha bir necha oʻnlab darajali normal haroratlar uchun aytilishi mumkinki, konvektsiya va oʻtkazuvchanlik oʻtkaziladigan issiqlikning asosiy qismini tashkil qiladi va radiatsiya jarayonida uzatiladigan energiya miqdori ahamiyatsiz. Biroq, radiatsiya bir necha yuz va ming Kelvin haroratlarda issiqlik uzatish jarayonida asosiy rol o'ynay boshlaydi, chunki bu tarzda o'tkaziladigan Q energiya miqdori mutlaq haroratning 4-darajasiga mutanosib ravishda ortadi, ya'ni ~ T. 4. Masalan, quyoshimiz o‘z energiyasining katta qismini radiatsiya orqali yo‘qotadi.
Qattiq jismlarning issiqlik o'tkazuvchanligi
Qattiq jismlarda har bir molekula yoki atom ma'lum bir holatda bo'lgani va uni tark eta olmasligi sababli, issiqlikni konveksiya orqali uzatish mumkin emas va yagona mumkin bo'lgan jarayono'tkazuvchanlik. Tana haroratining oshishi bilan uni tashkil etuvchi zarrachalarning kinetik energiyasi ortadi va har bir molekula yoki atom kuchliroq tebranishni boshlaydi. Bu jarayon ularning qo'shni molekulalar yoki atomlar bilan to'qnashishiga olib keladi, bunday to'qnashuvlar natijasida kinetik energiya tananing barcha zarralari bu jarayon bilan qoplanmaguncha zarrachadan zarrachaga o'tadi.
Ta'riflangan mikroskopik mexanizm natijasida metall tayoqning bir uchi qizdirilganda, harorat bir muncha vaqt o'tgach butun novda bo'ylab tenglashadi.
Har xil qattiq materiallarda issiqlik teng oʻtmaydi. Shunday qilib, yaxshi issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan materiallar mavjud. Ular issiqlikni o'zlari orqali osongina va tez o'tkazadilar. Ammo issiqlik o‘tkazgichlari yoki izolyatorlari ham bor, ular orqali issiqlik juda kam yoki umuman o‘tmaydi.
Qattiq jismlar uchun issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti
Qattiq jismlar uchun issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti k quyidagi jismoniy ma'noga ega: u qalinligi va cheksiz uzunlik va kenglikdagi har qanday jismda birlik sirt maydoni bo'ylab vaqt birligida o'tadigan issiqlik miqdorini ko'rsatadi. uning uchlari bir darajaga teng. SI birliklarining xalqaro tizimida k koeffitsienti J/(smK) bilan o‘lchanadi.
Qattiq jismlardagi bu koeffitsient haroratga bog'liq, shuning uchun issiqlik o'tkazish qobiliyatini solishtirish uchun uni 300 K haroratda aniqlash odatiy holdir.turli materiallar.
Metallar va metall bo'lmagan qattiq materiallar uchun issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti
Barcha metallar, istisnosiz, yaxshi issiqlik o'tkazgichlari bo'lib, ularning uzatilishi uchun elektron gaz uchun javobgardir. O'z navbatida, ionli va kovalent materiallar, shuningdek, tolali tuzilishga ega bo'lgan materiallar yaxshi issiqlik izolyatorlari hisoblanadi, ya'ni ular issiqlikni yomon o'tkazadilar. Issiqlik o'tkazuvchanligi nima degan savolni ochishni yakunlash uchun shuni ta'kidlash kerakki, bu jarayon konvektsiya yoki o'tkazuvchanlik tufayli amalga oshirilsa, materiyaning majburiy mavjudligini talab qiladi, shuning uchun vakuumda issiqlik faqat shu sababli uzatilishi mumkin. elektromagnit nurlanish.
Quyidagi roʻyxat J/(smK) da baʼzi metallar va metall boʻlmaganlar uchun issiqlik oʻtkazuvchanlik koeffitsientlarining qiymatlarini koʻrsatadi:
- po'lat - po'lat darajasiga qarab 47-58;
- alyuminiy - 209, 3;
- bronza - 116-186;
- rux - tozaligiga qarab 106-140;
- mis - 372, 1-385, 2;
- guruch - 81-116;
- oltin - 308, 2;
- kumush - 406, 1-418, 7;
- kauchuk - 0, 04-0, 30;
- shisha tolali - 0,03-0,07;
- gʻisht - 0, 80;
- daraxt - 0, 13;
- shisha - 0, 6-1, 0.
Shunday qilib, metallarning issiqlik o'tkazuvchanligi izolyatorlar uchun issiqlik o'tkazuvchanlik qiymatlaridan 2-3 daraja yuqori bo'lib, bu past issiqlik o'tkazuvchanligi nima degan savolga javobning yorqin namunasidir.
Issiqlik o'tkazuvchanligining qiymati ko'pchilikda muhim rol o'ynaydisanoat jarayonlari. Ba'zi jarayonlarda ular yaxshi issiqlik o'tkazgichlardan foydalanish va aloqa maydonini ko'paytirish orqali uni oshirishga intilishadi, boshqalari esa ular kontakt maydonini kamaytirish va issiqlik o'tkazmaydigan materiallardan foydalanish orqali issiqlik o'tkazuvchanligini kamaytirishga harakat qilishadi.
Suyuqlik va gazlardagi konveksiya
Suyuqliklarda issiqlikni uzatish konveksiya jarayoni orqali amalga oshiriladi. Bu jarayon har xil haroratli zonalar orasidagi modda molekulalarining harakatini o'z ichiga oladi, ya'ni konveksiya paytida suyuqlik yoki gaz aralashtiriladi. Suyuq moddalar issiqlik chiqarganda, uning molekulalari kinetik energiyasining bir qismini yo'qotadi va modda zichroq bo'ladi. Aksincha, suyuq modda qizdirilganda uning molekulalari kinetik energiyasini oshiradi, harakati kuchayadi, mos ravishda moddalar hajmi ortadi va zichlik kamayadi. Shuning uchun materiyaning sovuq qatlamlari tortishish kuchi ta'sirida pastga tushishga, issiq qatlamlar esa yuqoriga ko'tarilishga harakat qiladi. Bu jarayon materiyaning aralashishiga olib keladi va uning qatlamlari orasidagi issiqlik o'tkazilishini osonlashtiradi.
Ba'zi suyuqliklarning issiqlik o'tkazuvchanligi
Suvning issiqlik o'tkazuvchanligi nima degan savolga javob bersangiz, bu konveksiya jarayoni bilan bog'liqligini tushunish kerak. Uning uchun issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti 0,58 J/(smK).
Boshqa suyuqliklar uchun bu qiymat quyida keltirilgan:
- etil spirti - 0,17;
- aseton - 0, 16;
- glitserin - 0, 28.
Ya'ni qadriyatlarsuyuqliklar uchun issiqlik o'tkazuvchanliklari qattiq issiqlik izolyatorlari bilan solishtirish mumkin.
Atmosferadagi konveksiya
Atmosfera konvektsiyasi muhim ahamiyatga ega, chunki u shamollar, siklonlar, bulut shakllanishi, yomg'ir va boshqalar kabi hodisalarni keltirib chiqaradi. Bu jarayonlarning barchasi termodinamikaning fizik qonunlariga bo‘ysunadi.
Atmosferadagi konveksiya jarayonlari ichida eng muhimi suv aylanishidir. Bu erda biz suvning issiqlik o'tkazuvchanligi va issiqlik sig'imi nima degan savollarni ko'rib chiqishimiz kerak. Suvning issiqlik sig'imi deganda, uning harorati bir darajaga oshishi uchun 1 kg suvga qancha issiqlik o'tkazilishi kerakligini ko'rsatadigan jismoniy miqdor tushuniladi. Bu 4220 J ga teng.
Suv aylanishi quyidagicha amalga oshiriladi: quyosh okeanlar suvlarini isitadi va suvning bir qismi atmosferaga bug'lanadi. Konvektsiya jarayoni tufayli suv bug'lari katta balandlikka ko'tariladi, soviydi, bulutlar va bulutlar paydo bo'ladi, bu esa do'l yoki yomg'ir shaklida yog'ingarchilikka olib keladi.
