Das Phänomen der Wärmeleitfähigkeit ist die Übertragung von Energie in Form von Wärme im direkten Kontakt zweier Körper ohne Stoffaustausch oder mit seinem Austausch. In diesem Fall gelangt Energie von einem Körper oder Körperbereich mit höherer Temperatur zu einem Körper oder Bereich mit niedrigerer Temperatur. Die physikalische Eigenschaft, die die Parameter der Wärmeübertragung bestimmt, ist die Wärmeleitfähigkeit. Was ist Wärmeleitfähigkeit und wie wird sie in der Physik beschrieben? Dieser Artikel wird diese Fragen beantworten.
Allgemeines Konzept der Wärmeleitfähigkeit und ihrer Natur
Wenn Sie die Frage, was Wärmeleitfähigkeit in der Physik ist, mit einfachen Worten beantworten, dann sollte gesagt werden, dass die Wärmeübertragung zwischen zwei Körpern oder verschiedenen Bereichen desselben Körpers ein Prozess des internen Energieaustauschs zwischen den Teilchen ist bilden den Körper (Moleküle, Atome, Elektronen und Ionen). Die innere Energie selbst besteht aus zwei wichtigen Teilen: der kinetischen Energie und der potentiellen Energie.
Was ist Wärmeleitfähigkeit in der Physik aus der Sicht der Natur davonWerte? Auf mikroskopischer Ebene hängt die Fähigkeit von Materialien, Wärme zu leiten, von ihrer Mikrostruktur ab. Bei Flüssigkeiten und Gasen beispielsweise erfolgt dieser physikalische Vorgang durch chaotische Stöße zwischen Molekülen, bei Festkörpern entfällt der Hauptanteil der übertragenen Wärme auf den Energieaustausch zwischen freien Elektronen (in metallischen Systemen) oder Phononen (nichtmetallische Stoffe).), das sind mechanische Schwingungen des Kristallgitters.
Mathematische Darstellung der Wärmeleitfähigkeit
Beantworten wir die Frage, was Wärmeleitfähigkeit ist, aus mathematischer Sicht. Wenn wir einen homogenen Körper nehmen, dann ist die durch ihn in eine bestimmte Richtung übertragene Wärmemenge proportional zur Oberfläche senkrecht zur Richtung der Wärmeübertragung, der Wärmeleitfähigkeit des Materials selbst und der Temperaturdifferenz an den Enden des Körpers Körper und ist auch umgekehrt proportional zur Dicke des Körpers.
Ergebnis ist die Formel: Q/t=kA(T2-T1)/x, hier Q/t - Wärme (Energie), die in der Zeit t durch den Körper übertragen wird, k - Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Materials, aus dem der betrachtete Körper besteht, A - Querschnittsfläche des Körpers, T2 -T 1 - Temperaturunterschied an den Enden des Körpers, mit T2>T1, x - Dicke des Körpers, durch den Wärme Q übertragen wird.
Methoden zur Übertragung thermischer Energie
Bei der Frage nach der Wärmeleitfähigkeit von Materialien sollten wir die möglichen Methoden der Wärmeübertragung erwähnen. Thermische Energie kann zwischen verschiedenen Körpern übertragen werdenfolgende Prozesse:
- Leitfähigkeit - dieser Vorgang läuft ohne Stoffübertragung ab;
- Konvektion - Wärmeübertragung steht in direktem Zusammenhang mit der Bewegung der Materie selbst;
- Strahlung - Wärmeübertragung erfolgt durch elektromagnetische Strahlung, also mit Hilfe von Photonen.
Damit Wärme durch Wärmeleitung oder Konvektion übertragen werden kann, ist ein direkter Kontakt zwischen verschiedenen Körpern notwendig, mit dem Unterschied, dass bei der Wärmeleitung keine makroskopische Bewegung der Materie stattfindet, sondern bei der Wärmeübertragung Konvektion ist diese Bewegung vorhanden. Beachten Sie, dass bei allen Wärmeübertragungsprozessen mikroskopische Bewegungen stattfinden.
Für normale Temperaturen von mehreren zehn Grad Celsius kann gesagt werden, dass Konvektion und Leitung den Großteil der übertragenen Wärme ausmachen und die beim Strahlungsprozess übertragene Energiemenge vernachlässigbar ist. Bei der Wärmeübertragung beginnt die Strahlung jedoch erst ab Temperaturen von mehreren hundert und tausend Kelvin eine große Rolle zu spielen, da die dabei übertragene Energie Q proportional zur 4. Potenz der absoluten Temperatur, also ∼ T, zunimmt 4. Beispielsweise verliert unsere Sonne den größten Teil ihrer Energie durch Strahlung.
Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern
Da sich in Festkörpern jedes Molekül oder Atom an einer bestimmten Position befindet und diese nicht verlassen kann, ist die Wärmeübertragung durch Konvektion unmöglich und der einzig mögliche ProzessLeitfähigkeit. Mit steigender Körpertemperatur nimmt die kinetische Energie seiner Partikel zu und jedes Molekül oder Atom beginnt intensiver zu schwingen. Dieser Prozess führt zu ihrer Kollision mit benachbarten Molekülen oder Atomen, als Ergebnis solcher Kollisionen wird kinetische Energie von Partikel zu Partikel übertragen, bis alle Partikel des Körpers von diesem Prozess erfasst werden.
Wenn ein Ende eines Metallstabes erhitzt wird, gleicht sich die Temperatur aufgrund des beschriebenen mikroskopischen Mechanismus nach einiger Zeit über den gesamten Stab aus.
Wärme wird in verschiedenen festen Materialien nicht gleichmäßig übertragen. Es gibt also Materialien, die eine gute Wärmeleitfähigkeit haben. Sie leiten Wärme einfach und schnell durch sich selbst. Es gibt aber auch schlechte Wärmeleiter oder Isolatoren, durch die wenig oder gar keine Wärme dringen kann.
Wärmeleitfähigkeit für Feststoffe
Der Wärmeleitkoeffizient für Festkörper k hat folgende physikalische Bedeutung: Er gibt die Wärmemenge an, die pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche in einem beliebigen Körper von Einheitsdicke und unendlicher Länge und Breite bei einer Temperaturdifferenz at geht seine Enden gleich einem Grad. Im internationalen Einheitensystem SI wird der Koeffizient k in J/(smK) gemessen.
Dieser Koeffizient in Feststoffen ist temperaturabhängig, daher ist es üblich, ihn bei einer Temperatur von 300 K zu bestimmen, um die Wärmeleitfähigkeit zu vergleichenverschiedene Materialien.
Wärmeleitzahl für Metalle und nichtmetallische Hartstoffe
Alle Metalle sind ausnahmslos gute Wärmeleiter, für deren Übertragung sie das Elektronengas verantwortlich machen. Ionische und kovalente Materialien sowie Materialien mit Faserstruktur wiederum sind gute Wärmeisolatoren, d. h. sie leiten Wärme schlecht. Um die Aufklärung der Frage, was Wärmeleitfähigkeit ist, zu vervollständigen, sei darauf hingewiesen, dass dieser Prozess die zwingende Anwesenheit von Materie erfordert, wenn er aufgrund von Konvektion oder Leitung durchgeführt wird, daher kann Wärme im Vakuum nur aufgrund übertragen werden elektromagnetische Strahlung.
Die folgende Liste zeigt die Werte der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten für einige Metalle und Nichtmetalle in J/(smK):
- Stahl - 47-58 je nach Stahlsorte;
- Aluminium - 209, 3;
- bronze - 116-186;
- Zink - 106-140 je nach Reinheit;
- Kupfer - 372, 1-385, 2;
- Messing - 81-116;
- Gold - 308, 2;
- silber - 406, 1-418, 7;
- Gummi - 0, 04-0, 30;
- Glasfaser - 0,03-0,07;
- Ziegel - 0, 80;
- Baum - 0, 13;
- Glas - 0, 6-1, 0.
Damit ist die Wärmeleitfähigkeit von Metallen um 2-3 Größenordnungen höher als die Wärmeleitfähigkeitswerte von Isolatoren, die ein Paradebeispiel für die Antwort auf die Frage sind, was eine geringe Wärmeleitfähigkeit ist.
Der Wert der Wärmeleitfähigkeit spielt bei vielen eine wichtige Rolleindustrieller Prozess. Bei manchen Verfahren versucht man, sie durch gute Wärmeleiter und eine Vergrößerung der Kontaktfläche zu erhöhen, bei anderen versucht man, die Wärmeleitfähigkeit durch Verkleinerung der Kontaktfläche und wärmeisolierende Materialien zu verringern.
Konvektion in Flüssigkeiten und Gasen
Die Wärmeübertragung in Flüssigkeiten erfolgt durch Konvektion. Dieser Prozess beinh altet die Bewegung von Molekülen eines Stoffes zwischen Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen, dh während der Konvektion wird eine Flüssigkeit oder ein Gas gemischt. Wenn flüssige Materie Wärme abgibt, verlieren ihre Moleküle einen Teil ihrer kinetischen Energie und die Materie wird dichter. Im Gegenteil, wenn flüssige Materie erhitzt wird, erhöhen ihre Moleküle ihre kinetische Energie, ihre Bewegung wird intensiver bzw. das Volumen der Materie nimmt zu und die Dichte ab. Deshalb neigen die k alten Materieschichten dazu, unter dem Einfluss der Schwerkraft herunterzufallen, und die heißen Schichten versuchen aufzusteigen. Dieser Prozess führt zur Vermischung von Materie und erleichtert die Wärmeübertragung zwischen ihren Schichten.
Die Wärmeleitfähigkeit einiger Flüssigkeiten
Wenn Sie die Frage nach der Wärmeleitfähigkeit von Wasser beantworten, sollte klar sein, dass dies auf den Konvektionsprozess zurückzuführen ist. Der Wärmeleitkoeffizient dafür beträgt 0,58 J/(smK).
Für andere Flüssigkeiten ist dieser Wert unten aufgeführt:
- Ethylalkohol - 0,17;
- Aceton - 0, 16;
- Glycerin - 0, 28.
Das sind die WerteWärmeleitfähigkeiten für Flüssigkeiten sind vergleichbar mit denen für feste Wärmeisolatoren.
Konvektion in der Atmosphäre
Atmosphärische Konvektion ist wichtig, weil sie Phänomene wie Winde, Wirbelstürme, Wolkenbildung, Regen und andere verursacht. All diese Prozesse gehorchen den physikalischen Gesetzen der Thermodynamik.
Unter den Konvektionsprozessen in der Atmosphäre ist der Wasserkreislauf der wichtigste. Hier sollten wir uns mit der Frage befassen, was die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität von Wasser ist. Unter der Wärmekapazität von Wasser versteht man eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Wärme auf 1 kg Wasser übertragen werden muss, damit sich dessen Temperatur um ein Grad erhöht. Es ist gleich 4220 J.
Der Wasserkreislauf läuft wie folgt ab: Die Sonne erwärmt das Wasser der Ozeane und ein Teil des Wassers verdunstet in die Atmosphäre. Durch den Prozess der Konvektion steigt Wasserdampf in große Höhe, kühlt ab, es bilden sich Wolken und Wolken, die zu Niederschlägen in Form von Hagel oder Regen führen.
