Fenomena kekonduksian terma ialah pemindahan tenaga dalam bentuk haba dalam sentuhan langsung dua jasad tanpa sebarang pertukaran jirim atau dengan pertukarannya. Dalam kes ini, tenaga berpindah dari satu badan atau kawasan badan dengan suhu yang lebih tinggi ke badan atau kawasan dengan suhu yang lebih rendah. Ciri fizikal yang menentukan parameter pemindahan haba ialah kekonduksian terma. Apakah kekonduksian terma, dan bagaimana ia diterangkan dalam fizik? Artikel ini akan menjawab soalan ini.
Konsep am kekonduksian terma dan sifatnya
Jika anda menjawab secara ringkas persoalan apakah kekonduksian terma dalam fizik, maka harus dikatakan bahawa pemindahan haba antara dua jasad atau kawasan berlainan jasad yang sama ialah proses pertukaran tenaga dalaman antara zarah-zarah yang membentuk badan (molekul, atom, elektron dan ion). Tenaga dalaman itu sendiri terdiri daripada dua bahagian penting: tenaga kinetik dan tenaga potensi.
Apakah kekonduksian terma dalam fizik dari sudut pandangan sifat ininilai? Pada tahap mikroskopik, keupayaan bahan untuk mengalirkan haba bergantung kepada struktur mikronya. Sebagai contoh, untuk cecair dan gas, proses fizikal ini berlaku akibat perlanggaran huru-hara antara molekul; dalam pepejal, bahagian utama haba yang dipindahkan jatuh pada pertukaran tenaga antara elektron bebas (dalam sistem logam) atau fonon (bahan bukan logam.), yang merupakan getaran mekanikal kekisi kristal.
Perwakilan matematik kekonduksian terma
Mari kita jawab soalan tentang apakah itu kekonduksian terma, dari sudut matematik. Jika kita mengambil jasad homogen, maka jumlah haba yang dipindahkan melaluinya dalam arah tertentu akan berkadar dengan luas permukaan yang berserenjang dengan arah pemindahan haba, kekonduksian haba bahan itu sendiri dan perbezaan suhu di hujung badan, dan juga akan berkadar songsang dengan ketebalan badan.
Hasilnya ialah formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, di sini Q/t - haba (tenaga) dipindahkan melalui badan dalam masa t, k - pekali kekonduksian terma bahan dari mana jasad yang dipertimbangkan dibuat, A - luas keratan rentas badan, T2 -T 1 - perbezaan suhu di hujung badan, dengan T2>T1, x - ketebalan badan yang melaluinya haba Q dipindahkan.
Kaedah pemindahan tenaga haba
Mempertimbangkan persoalan apakah kekonduksian terma bahan, kita harus menyebut kaedah pemindahan haba yang mungkin. Tenaga terma boleh dipindahkan antara badan yang berbeza menggunakanproses berikut:
- kekonduksian - proses ini berjalan tanpa pemindahan jirim;
- konveksi - pemindahan haba berkaitan secara langsung dengan pergerakan jirim itu sendiri;
- radiasi - pemindahan haba dilakukan disebabkan oleh sinaran elektromagnet, iaitu dengan bantuan foton.
Agar haba boleh dipindahkan menggunakan proses pengaliran atau perolakan, sentuhan terus antara jasad yang berbeza adalah perlu, dengan perbezaan bahawa dalam proses pengaliran tidak ada pergerakan makroskopik jirim, tetapi dalam proses perolakan pergerakan ini hadir. Ambil perhatian bahawa gerakan mikroskopik berlaku dalam semua proses pemindahan haba.
Untuk suhu biasa beberapa puluh darjah Celsius, boleh dikatakan bahawa perolakan dan pengaliran menyumbang sebahagian besar haba yang dipindahkan, dan jumlah tenaga yang dipindahkan dalam proses sinaran adalah diabaikan. Walau bagaimanapun, sinaran mula memainkan peranan utama dalam proses pemindahan haba pada suhu beberapa ratus dan ribuan Kelvin, kerana jumlah tenaga Q yang dipindahkan dengan cara ini meningkat mengikut perkadaran kuasa ke-4 suhu mutlak, iaitu, ~ T 4. Contohnya, matahari kita kehilangan sebahagian besar tenaganya melalui sinaran.
Kekonduksian terma pepejal
Oleh kerana dalam pepejal setiap molekul atau atom berada pada kedudukan tertentu dan tidak boleh meninggalkannya, pemindahan haba secara perolakan adalah mustahil, dan satu-satunya proses yang mungkin adalahkekonduksian. Dengan peningkatan suhu badan, tenaga kinetik zarah konstituennya meningkat, dan setiap molekul atau atom mula berayun dengan lebih kuat. Proses ini membawa kepada perlanggaran mereka dengan molekul atau atom jiran, akibat daripada perlanggaran tersebut tenaga kinetik dipindahkan dari zarah ke zarah sehingga semua zarah badan diliputi oleh proses ini.
Hasil daripada mekanisme mikroskopik yang diterangkan, apabila satu hujung rod logam dipanaskan, suhu menjadi sekata pada keseluruhan rod selepas beberapa ketika.
Haba tidak dipindahkan secara sama rata dalam bahan pepejal yang berbeza. Jadi, terdapat bahan yang mempunyai kekonduksian terma yang baik. Mereka dengan mudah dan cepat mengalirkan haba melalui diri mereka sendiri. Tetapi terdapat juga konduktor atau penebat haba yang lemah yang melaluinya sedikit atau tiada haba boleh dilalui.
Pekali kekonduksian terma untuk pepejal
Pekali kekonduksian terma untuk pepejal k mempunyai makna fizikal berikut: ia menunjukkan jumlah haba yang melalui setiap unit masa melalui kawasan permukaan unit dalam mana-mana badan dengan ketebalan unit dan panjang dan lebar tak terhingga dengan perbezaan suhu pada hujungnya sama dengan satu darjah. Dalam sistem antarabangsa unit SI, pekali k diukur dalam J/(smK).
Pekali dalam pepejal ini bergantung pada suhu, jadi adalah kebiasaan untuk menentukannya pada suhu 300 K untuk membandingkan keupayaan untuk mengalirkan habapelbagai bahan.
Pekali kekonduksian terma untuk logam dan bahan keras bukan logam
Semua logam, tanpa pengecualian, adalah konduktor haba yang baik, yang mana ia bertanggungjawab untuk gas elektron. Sebaliknya, bahan ionik dan kovalen, serta bahan dengan struktur berserabut, adalah penebat haba yang baik, iaitu, mereka menghantar haba dengan buruk. Untuk melengkapkan pendedahan persoalan tentang apakah kekonduksian terma, perlu diingatkan bahawa proses ini memerlukan kehadiran wajib bahan jika ia dijalankan disebabkan oleh perolakan atau pengaliran, oleh itu, dalam vakum, haba hanya boleh dipindahkan kerana sinaran elektromagnet.
Senarai di bawah menunjukkan nilai pekali kekonduksian terma untuk sesetengah logam dan bukan logam dalam J/(smK):
- keluli - 47-58 bergantung pada gred keluli;
- aluminium - 209, 3;
- gangsa - 116-186;
- zink - 106-140 bergantung pada ketulenan;
- kuprum - 372, 1-385, 2;
- loyang - 81-116;
- emas - 308, 2;
- perak - 406, 1-418, 7;
- getah - 0, 04-0, 30;
- gentian kaca - 0.03-0.07;
- bata - 0, 80;
- pokok - 0, 13;
- gelas - 0, 6-1, 0.
Oleh itu, kekonduksian terma logam adalah 2-3 urutan magnitud lebih tinggi daripada nilai kekonduksian terma untuk penebat, yang merupakan contoh utama jawapan kepada persoalan tentang kekonduksian terma yang rendah.
Nilai kekonduksian terma memainkan peranan penting dalam banyak perkaraproses perindustrian. Dalam sesetengah proses, mereka berusaha untuk meningkatkannya dengan menggunakan konduktor haba yang baik dan meningkatkan kawasan sentuhan, manakala dalam proses lain mereka cuba mengurangkan kekonduksian terma dengan mengurangkan kawasan sentuhan dan menggunakan bahan penebat haba.
Perolakan dalam cecair dan gas
Pemindahan haba dalam cecair dijalankan melalui proses perolakan. Proses ini melibatkan pergerakan molekul bahan antara zon dengan suhu yang berbeza, iaitu semasa perolakan, cecair atau gas bercampur. Apabila jirim bendalir membebaskan haba, molekulnya kehilangan sebahagian daripada tenaga kinetiknya dan jirim itu menjadi lebih tumpat. Sebaliknya, apabila jirim bendalir dipanaskan, molekulnya meningkatkan tenaga kinetiknya, pergerakannya menjadi lebih sengit, masing-masing, isipadu jirim meningkat, dan ketumpatan berkurangan. Itulah sebabnya lapisan bahan sejuk cenderung jatuh ke bawah di bawah pengaruh graviti, dan lapisan panas cuba bangkit. Proses ini menghasilkan percampuran jirim, memudahkan pemindahan haba antara lapisannya.
Kekonduksian terma sesetengah cecair
Jika anda menjawab soalan apakah kekonduksian terma air, perlu difahami bahawa ia adalah disebabkan oleh proses perolakan. Pekali kekonduksian terma untuknya ialah 0.58 J/(smK).
Untuk cecair lain, nilai ini disenaraikan di bawah:
- etil alkohol - 0.17;
- aseton - 0, 16;
- gliserol - 0, 28.
Iaitu, nilaikekonduksian terma untuk cecair adalah setanding dengan penebat haba pepejal.
Perolakan dalam atmosfera
Perolakan atmosfera adalah penting kerana ia menyebabkan fenomena seperti angin, siklon, pembentukan awan, hujan dan lain-lain. Semua proses ini mematuhi undang-undang fizik termodinamik.
Antara proses perolakan di atmosfera, yang paling penting ialah kitaran air. Di sini kita harus mempertimbangkan soalan tentang apakah kekonduksian terma dan kapasiti haba air. Muatan haba air difahamkan sebagai kuantiti fizik yang menunjukkan berapa banyak haba mesti dipindahkan ke 1 kg air supaya suhunya meningkat satu darjah. Ia bersamaan dengan 4220 J.
Kitaran air dijalankan seperti berikut: matahari memanaskan perairan lautan, dan sebahagian daripada air tersejat ke atmosfera. Disebabkan oleh proses perolakan, wap air naik ke ketinggian yang tinggi, menyejukkan, awan dan awan terbentuk, yang membawa kepada kerpasan dalam bentuk hujan batu atau hujan.
