Теплопроводность

Физика > Проводимость тепла

Проводимость – передача тепла при физическом контакте.

Задача обучения

• Разобраться в том, почему определенные характеристики нужны для эффективной проводимости.

Основные пункты

• В микроскопическом масштабе проводимость проявляет себя как стремительные или вибрирующие атомы и молекулы, наладившие контакт с соседними элементами. Они переносят часть их кинетической энергии.
• Это наиболее примечательная форма теплообмена в твердом теле или между подобными телами.
• Большую значимость она приобретает для твердых тел, чем для газов или жидкостей.
• Скорость теплопередачи зависит от различия в температурах, размерах, соприкасающегося участка, толщины и свойств материалов.

Термин

• Теплопроводность – умение материала проводить тепло.

Теплопроводность

Теплопроводность передача тепла сквозь лишенное движения вещество при физическом контакте. Например, это тепло, переходящее от электрической плиты к кастрюле. У некоторых материалов скорость проводимости намного выше. У подушки и металлической дверной ручки может быть одна температура, но от второй прохлада ощущается сильнее. Получается, что отличные проводники электричества также хорошо передают тепло.

Микроскопическая характеристика проводимости

Здесь теплопроводность осуществляется в стремительно перемещающихся или вибрирующих атомах. Молекулы контактируют с соседними частичками и переносят часть их кинетической энергии. Тепло передается через проводимость, когда атомы настраивают вибрацию друг против друга. В твердых телах проводимость выступает основным способом теплообмена.

У жидкостей или газов заметна низкая теплопроводность, чем у твердых объектов. Все дело в больших дистанциях между атомами (меньше сталкиваются – ниже проводимость).

Молекулы в двух объектах при различных температурных показателях обладают разными средними кинетическими энергиями. Удары при контакте передают энергию из участков с большей температурой в меньшие. На снимке видно, что молекула в районе низкой температуры (справа) обладает более низкой энергией перед ударом, но после она возрастает. А вот молекула из более высокого температурного участка (слева) наделена противоположными характеристиками и результатом

Кинетическая энергия в горячем теле выше, чем более прохладном. При ударе двух молекул энергия перейдет от горячей к холодной. Кумулятивный эффект вызывает чистый поток тепла. Поэтому тепловой поток основывается на разности температур: T = T_{горячая} – T_{холодный}.

Число столкновений увеличивается с площадью, поэтому теплопроводность зависит от площади поперечного сечения.

Факторы, влияющие на скорость передачи тепла

Кроме температуры и площади поперечного сечения стоит также вспомнить о толщине материала, через который транспортируется тепло. Чтобы оно перешло слева направо, нужно задействовать молекулярные столкновения. Чем толще материал, тем больше времени требует для передачи.

Теплопроводность проходит через материал, отображенный здесь прямоугольным стержнем. Температура: T₂ (слева) и T₁ (справа), где T₂ больше T₁. Скорость теплопередачи выступает прямо пропорциональной площади поверхности A, отличию температур T2-T1 и проводимости вещества k. Скорость обратно пропорциональна толщине d

Скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Добавляем все факторы и получим формулу:

(Q/t – скорость передачи тепла в джоулях в секунду, k – теплопроводность материала, A и d – площадь поверхности и толщина, а (T2-T1) – разность температур).

---