Ang kababalaghan ng thermal conductivity ay ang paglipat ng enerhiya sa anyo ng init sa direktang pakikipag-ugnay ng dalawang katawan nang walang anumang pagpapalitan ng bagay o sa pagpapalitan nito. Sa kasong ito, ang enerhiya ay dumadaan mula sa isang katawan o lugar ng katawan na may mas mataas na temperatura patungo sa isang katawan o lugar na may mas mababang temperatura. Ang pisikal na katangian na tumutukoy sa mga parameter ng paglipat ng init ay thermal conductivity. Ano ang thermal conductivity, at paano ito inilarawan sa pisika? Sasagutin ng artikulong ito ang mga tanong na ito.
Pangkalahatang konsepto ng thermal conductivity at katangian nito
Kung sasagutin mo sa simpleng mga termino ang tanong kung ano ang thermal conductivity sa pisika, dapat sabihin na ang paglipat ng init sa pagitan ng dalawang katawan o magkaibang lugar ng parehong katawan ay isang proseso ng panloob na pagpapalitan ng enerhiya sa pagitan ng mga particle na bumubuo sa katawan (molecules, atoms, electron at ions). Ang panloob na enerhiya mismo ay binubuo ng dalawang mahalagang bahagi: kinetic energy at potensyal na enerhiya.
Ano ang thermal conductivity sa physics mula sa punto ng view ng kalikasan nitomga halaga? Sa isang mikroskopikong antas, ang kakayahan ng mga materyales na magsagawa ng init ay nakasalalay sa kanilang microstructure. Halimbawa, para sa mga likido at gas, ang pisikal na prosesong ito ay nangyayari dahil sa magulong banggaan sa pagitan ng mga molekula; sa mga solido, ang pangunahing bahagi ng inilipat na init ay nahuhulog sa pagpapalitan ng enerhiya sa pagitan ng mga libreng electron (sa mga metal na sistema) o phonon (mga di-metal na sangkap.), na mga mekanikal na vibrations ng crystal lattice.
Mathematic na representasyon ng thermal conductivity
Sagutin natin ang tanong kung ano ang thermal conductivity, mula sa mathematical point of view. Kung kukuha tayo ng isang homogenous na katawan, kung gayon ang dami ng init na inilipat sa pamamagitan nito sa isang naibigay na direksyon ay magiging proporsyonal sa lugar ng ibabaw na patayo sa direksyon ng paglipat ng init, ang thermal conductivity ng materyal mismo at ang pagkakaiba ng temperatura sa mga dulo ng katawan, at magiging inversely proportional din sa kapal ng katawan.
Ang resulta ay ang formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, dito Q/t - init (enerhiya) na inilipat sa katawan sa oras t, k - koepisyent ng thermal conductivity ng materyal kung saan ginawa ang itinuturing na katawan, A - cross-sectional area ng katawan, T2 -T 1 - pagkakaiba ng temperatura sa mga dulo ng katawan, na may T2>T1, x - kapal ng katawan kung saan inililipat ang init Q.
Mga paraan ng paglilipat ng thermal energy
Isinasaalang-alang ang tanong kung ano ang thermal conductivity ng mga materyales, dapat nating banggitin ang mga posibleng paraan ng paglipat ng init. Ang thermal energy ay maaaring ilipat sa pagitan ng iba't ibang katawan gamitsumusunod na proseso:
- conductivity - nagpapatuloy ang prosesong ito nang walang paglipat ng matter;
- convection - ang paglipat ng init ay direktang nauugnay sa paggalaw ng bagay mismo;
- radiation - ang paglipat ng init ay isinasagawa dahil sa electromagnetic radiation, ibig sabihin, sa tulong ng mga photon.
Upang mailipat ang init gamit ang mga proseso ng pagpapadaloy o kombeksyon, ang direktang pakikipag-ugnay sa pagitan ng iba't ibang mga katawan ay kinakailangan, na may pagkakaiba na sa proseso ng pagpapadaloy ay walang macroscopic na paggalaw ng bagay, ngunit sa proseso ng convection ang kilusang ito ay naroroon. Tandaan na nagaganap ang microscopic motion sa lahat ng proseso ng heat transfer.
Para sa mga normal na temperatura na ilang sampu-sampung degrees Celsius, masasabing ang convection at conduction ang account para sa karamihan ng init na inilipat, at ang dami ng enerhiya na inilipat sa proseso ng radiation ay bale-wala. Gayunpaman, ang radiation ay nagsisimulang gumanap ng malaking papel sa proseso ng paglipat ng init sa mga temperatura ng ilang daan at libu-libong Kelvin, dahil ang dami ng enerhiyang Q na inilipat sa ganitong paraan ay tumataas sa proporsyon sa ika-4 na kapangyarihan ng ganap na temperatura, iyon ay, ∼ T 4. Halimbawa, ang ating araw ay nawawalan ng halos lahat ng enerhiya nito sa pamamagitan ng radiation.
Thermal conductivity ng solids
Dahil sa mga solido ang bawat molekula o atom ay nasa isang tiyak na posisyon at hindi ito maiiwan, ang paglipat ng init sa pamamagitan ng convection ay imposible, at ang tanging posibleng proseso aykondaktibiti. Sa pagtaas ng temperatura ng katawan, tumataas ang kinetic energy ng mga constituent particle nito, at ang bawat molekula o atom ay nagsisimulang mag-oscillate nang mas matindi. Ang prosesong ito ay humahantong sa kanilang banggaan sa mga kalapit na molekula o atomo, bilang isang resulta ng mga naturang banggaan ay ang kinetic energy ay inililipat mula sa particle patungo sa particle hanggang sa ang lahat ng particle ng katawan ay sakop ng prosesong ito.
Bilang resulta ng inilarawang mikroskopiko na mekanismo, kapag ang isang dulo ng metal rod ay pinainit, ang temperatura ay tumataas sa buong baras pagkaraan ng ilang sandali.
Hindi pantay na lumilipat ang init sa iba't ibang solidong materyales. Kaya, may mga materyales na may magandang thermal conductivity. Madali at mabilis silang nagsasagawa ng init sa kanilang sarili. Ngunit mayroon ding mga mahinang konduktor o insulator ng init kung saan kakaunti o walang init ang madadaanan.
Coefficient ng thermal conductivity para sa solids
Ang thermal conductivity coefficient para sa solids k ay may sumusunod na pisikal na kahulugan: ito ay nagpapahiwatig ng dami ng init na dumadaan sa bawat yunit ng oras sa pamamagitan ng isang unit surface area sa anumang katawan ng unit na kapal at walang katapusang haba at lapad na may pagkakaiba sa temperatura sa ang mga dulo nito ay katumbas ng isang antas. Sa internasyonal na sistema ng mga yunit ng SI, ang coefficient k ay sinusukat sa J/(smK).
Ang koepisyent na ito sa mga solido ay nakadepende sa temperatura, kaya kaugalian na tukuyin ito sa temperaturang 300 K upang maihambing ang kakayahang magsagawa ng init.iba't ibang materyales.
Thermal conductivity coefficient para sa mga metal at non-metallic hard material
Lahat ng mga metal, nang walang pagbubukod, ay mahusay na mga konduktor ng init, para sa paglipat kung saan sila ay responsable para sa electron gas. Sa turn, ang mga ionic at covalent na materyales, pati na rin ang mga materyales na may fibrous na istraktura, ay mahusay na mga insulator ng init, iyon ay, nagsasagawa sila ng init nang hindi maganda. Upang makumpleto ang pagsisiwalat ng tanong kung ano ang thermal conductivity, dapat tandaan na ang prosesong ito ay nangangailangan ng obligadong presensya ng bagay kung ito ay isinasagawa dahil sa convection o conduction, samakatuwid, sa isang vacuum, ang init ay maaari lamang ilipat dahil sa electromagnetic radiation.
Ang listahan sa ibaba ay nagpapakita ng mga halaga ng thermal conductivity coefficient para sa ilang metal at non-metal sa J/(smK):
- bakal - 47-58 depende sa grado ng bakal;
- aluminum - 209, 3;
- bronze - 116-186;
- zinc - 106-140 depende sa kadalisayan;
- copper - 372, 1-385, 2;
- tanso - 81-116;
- ginto - 308, 2;
- pilak - 406, 1-418, 7;
- goma - 0, 04-0, 30;
- fiberglass - 0.03-0.07;
- brick - 0, 80;
- puno - 0, 13;
- baso - 0, 6-1, 0.
Kaya, ang thermal conductivity ng mga metal ay 2-3 orders of magnitude na mas mataas kaysa sa thermal conductivity values para sa mga insulator, na isang pangunahing halimbawa ng sagot sa tanong kung ano ang mababang thermal conductivity.
Ang halaga ng thermal conductivity ay gumaganap ng mahalagang papel sa maramimga prosesong pang-industriya. Sa ilang proseso, sinisikap nilang dagdagan ito sa pamamagitan ng paggamit ng magagandang heat conductor at pagpapataas ng contact area, habang sa iba naman ay sinusubukan nilang bawasan ang thermal conductivity sa pamamagitan ng pagbabawas ng contact area at paggamit ng heat-insulating material.
Convection sa mga likido at gas
Ang paglipat ng init sa mga likido ay isinasagawa sa pamamagitan ng proseso ng convection. Ang prosesong ito ay nagsasangkot ng paggalaw ng mga molekula ng isang sangkap sa pagitan ng mga zone na may iba't ibang temperatura, iyon ay, sa panahon ng kombeksyon, ang isang likido o gas ay halo-halong. Kapag ang fluid matter ay naglalabas ng init, ang mga molekula nito ay nawawala ang ilan sa kanilang kinetic energy at ang bagay ay nagiging mas siksik. Sa kabaligtaran, kapag ang fluid matter ay pinainit, ang mga molekula nito ay nagdaragdag ng kanilang kinetic energy, ang kanilang paggalaw ay nagiging mas matindi, ayon sa pagkakabanggit, ang dami ng bagay ay tumataas, at ang density ay bumababa. Iyon ang dahilan kung bakit ang malamig na mga layer ng bagay ay may posibilidad na bumagsak sa ilalim ng impluwensya ng grabidad, at ang mainit na mga layer ay sinusubukang tumaas. Ang prosesong ito ay nagreresulta sa paghahalo ng materya, na nagpapadali sa paglipat ng init sa pagitan ng mga layer nito.
Ang thermal conductivity ng ilang likido
Kung sasagutin mo ang tanong kung ano ang thermal conductivity ng tubig, dapat itong maunawaan na ito ay dahil sa proseso ng convection. Ang thermal conductivity coefficient para dito ay 0.58 J/(smK).
Para sa iba pang likido, ang halagang ito ay nakalista sa ibaba:
- ethyl alcohol - 0.17;
- acetone - 0, 16;
- glycerol - 0, 28.
Ibig sabihin, ang mga halagaang mga thermal conductivity para sa mga likido ay maihahambing sa mga para sa solid heat insulators.
Convection sa atmosphere
Ang atmospheric convection ay mahalaga dahil nagdudulot ito ng mga phenomena gaya ng hangin, bagyo, pagbuo ng ulap, ulan at iba pa. Ang lahat ng prosesong ito ay sumusunod sa mga pisikal na batas ng thermodynamics.
Sa mga proseso ng convection sa atmospera, ang pinakamahalaga ay ang ikot ng tubig. Dito dapat nating isaalang-alang ang mga tanong kung ano ang thermal conductivity at heat capacity ng tubig. Ang kapasidad ng init ng tubig ay nauunawaan bilang isang pisikal na dami na nagpapakita kung gaano karaming init ang dapat ilipat sa 1 kg ng tubig upang ang temperatura nito ay tumaas ng isang degree. Katumbas ito ng 4220 J.
Ang ikot ng tubig ay isinasagawa tulad ng sumusunod: pinapainit ng araw ang tubig ng mga karagatan, at ang bahagi ng tubig ay sumingaw sa atmospera. Dahil sa proseso ng convection, tumataas ang singaw ng tubig sa napakataas, lumalamig, nabubuo ang mga ulap at ulap, na humahantong sa pag-ulan sa anyo ng granizo o ulan.
