Жылуөткізгіштік құбылысы – екі дененің тікелей жанасуында зат алмасусыз немесе оның алмасуымен энергияның жылу түрінде берілуі. Бұл жағдайда энергия температурасы жоғары дененің бір денесінен немесе аймағынан температурасы төмен денеге немесе аймаққа өтеді. Жылу берудің параметрлерін анықтайтын физикалық сипаттама жылу өткізгіштік болып табылады. Жылу өткізгіштік дегеніміз не және ол физикада қалай сипатталады? Бұл мақала осы сұрақтарға жауап береді.
Жылуөткізгіштік және оның табиғаты туралы жалпы түсінік
Физикадағы жылуөткізгіштік дегеніміз не деген сұраққа қарапайым түрде жауап берсеңіз, онда екі дене немесе бір дененің әртүрлі аймақтары арасындағы жылу алмасуды бөлшектер арасындағы ішкі энергия алмасу процесі деп айту керек. денені құрайды (молекулалар, атомдар, электрондар және иондар). Ішкі энергияның өзі екі маңызды бөліктен тұрады: кинетикалық энергия және потенциалдық энергия.
Осының табиғаты тұрғысынан физикада жылу өткізгіштік дегеніміз неқұндылықтар? Микроскопиялық деңгейде материалдардың жылу өткізу қабілеті олардың микроқұрылымына байланысты. Мысалы, сұйықтар мен газдар үшін бұл физикалық процесс молекулалар арасындағы хаотикалық соқтығыстардың салдарынан жүреді, қатты денелерде берілетін жылудың негізгі үлесі бос электрондар (металлдық жүйелерде) немесе фонондар (металл емес заттар) арасындағы энергия алмасуына келеді.), бұл кристалдық тордың механикалық тербелісі.
Жылуөткізгіштіктің математикалық көрінісі
Жылуөткізгіштік дегеніміз не деген сұраққа математикалық тұрғыдан жауап беріп көрейік. Егер біртекті денені алсақ, онда ол арқылы берілген бағытта берілген жылу мөлшері жылу беру бағытына перпендикуляр бет ауданына, материалдың өзінің жылу өткізгіштігіне және дененің ұштарындағы температура айырмашылығына пропорционал болады. денесі, сондай-ақ дененің қалыңдығына кері пропорционал болады.
Нәтиже формуласы: Q/t=kA(T2-T1)/x, мұнда Q/t - t уақыт ішінде дене арқылы берілетін жылу (энергия), k - қарастырылатын дене жасалған материалдың жылу өткізгіштік коэффициенті, А - дененің көлденең қимасының ауданы, T2 -T 1 - дененің шеттеріндегі температура айырмашылығы, T2>T1, x - жылу Q тасымалданатын дененің қалыңдығы.
Жылу энергиясын беру әдістері
Материалдардың жылу өткізгіштігі дегеніміз не деген сұрақты қарастыра отырып, жылу берудің мүмкін әдістерін атап өткен жөн. Жылу энергиясын әртүрлі денелер арасында тасымалдауға боладыкелесі процестер:
- өткізгіштік - бұл процесс зат алмасусыз жүреді;
- конвекция - жылу алмасу заттың қозғалысына тікелей байланысты;
- сәулелену – жылу алмасу электромагниттік сәулелену есебінен, яғни фотондардың көмегімен жүзеге асады.
Өткізгіштік немесе конвекция процестері арқылы жылуды беру үшін әртүрлі денелер арасында тікелей байланыс қажет, айырмашылығы өткізгіштік процесінде заттардың макроскопиялық қозғалысы болмайды, бірақ процесте. конвекцияда бұл қозғалыс бар. Микроскопиялық қозғалыс барлық жылу алмасу процестерінде орын алатынын ескеріңіз.
Бірнеше ондаған градус Цельсийдің қалыпты температурасы үшін тасымалданатын жылудың негізгі бөлігін конвекция мен өткізгіштік құрайды, ал сәулелену процесінде берілетін энергия мөлшері шамалы деп айтуға болады. Дегенмен, бірнеше жүздеген және мыңдаған Кельвин температурасында жылу алмасу процесінде сәулелену үлкен рөл атқара бастайды, өйткені бұл жолмен берілетін Q энергиясының мөлшері абсолютті температураның 4-ші дәрежесіне пропорционалды түрде артады, яғни ~ T. 4. Мысалы, біздің күн энергиясының көп бөлігін радиация арқылы жоғалтады.
Қатты заттардың жылу өткізгіштігі
Қатты денелерде әрбір молекула немесе атом белгілі бір қалыпта болғандықтан және одан шыға алмайтындықтан, жылуды конвекция арқылы беру мүмкін емес және жалғыз мүмкін болатын процессөткізгіштік. Дене температурасының жоғарылауымен оны құрайтын бөлшектердің кинетикалық энергиясы артады және әрбір молекула немесе атом қарқынды тербеліс жасай бастайды. Бұл процесс олардың көршілес молекулалармен немесе атомдармен соқтығысуына әкеледі, мұндай соқтығыстардың нәтижесінде кинетикалық энергия дененің барлық бөлшектері осы процеспен жабылғанша бөлшектен бөлшекке ауысады.
Сипатталған микроскопиялық механизмнің нәтижесінде металл шыбықтың бір ұшын қыздырғанда, біраз уақыттан кейін температура бүкіл таяқшада біркелкі болады.
Әртүрлі қатты материалдарда жылу бірдей берілмейді. Сонымен, жақсы жылу өткізгіштігі бар материалдар бар. Олар жылуды өздері арқылы оңай және тез өткізеді. Бірақ жылу өте аз немесе мүлдем өтпейтін нашар жылу өткізгіштер немесе оқшаулағыштар да бар.
Қатты заттардың жылуөткізгіштік коэффициенті
Қатты денелер үшін жылуөткізгіштік коэффициенті k келесі физикалық мағынаға ие: ол қалыңдығы және шексіз ұзындығы мен ені кез келген денедегі температура айырмашылығымен бірлік бет ауданы арқылы бірлік уақытта өтетін жылу мөлшерін көрсетеді. оның ұштары бір градусқа тең. SI бірліктерінің халықаралық жүйесінде k коэффициенті J/(smK) өлшенеді.
Қатты денелердегі бұл коэффициент температураға байланысты, сондықтан жылу өткізгіштік қабілетін салыстыру үшін оны 300 К температурада анықтау әдетке айналған.әртүрлі материалдар.
Металдар мен металл емес қатты материалдар үшін жылу өткізгіштік коэффициенті
Барлық металдар жылуды жақсы өткізеді, олардың берілуіне электрон газы жауапты. Өз кезегінде иондық және ковалентті материалдар, сондай-ақ талшықты құрылымы бар материалдар жақсы жылу оқшаулағыштары болып табылады, яғни олар жылуды нашар өткізеді. Жылу өткізгіштік дегеніміз не деген сұрақты ашуды аяқтау үшін бұл процесс конвекция немесе өткізгіштік есебінен жүзеге асырылатын болса, заттың міндетті түрде болуын талап ететінін атап өткен жөн, сондықтан вакуумде жылу тек оның арқасында ғана берілуі мүмкін. электромагниттік сәулелену.
Төмендегі тізім J/(smK) кейбір металдар мен бейметалдар үшін жылу өткізгіштік коэффициенттерінің мәндерін көрсетеді:
- болат - 47-58 болат сыныбына байланысты;
- алюминий - 209, 3;
- қола - 116-186;
- мырыш - тазалығына байланысты 106-140;
- мыс - 372, 1-385, 2;
- жез - 81-116;
- алтын - 308, 2;
- күміс - 406, 1-418, 7;
- резеңке - 0, 04-0, 30;
- шыны талшық - 0,03-0,07;
- кірпіш - 0, 80;
- ағаш - 0, 13;
- әйнек - 0, 6-1, 0.
Осылайша, металдардың жылу өткізгіштігі изоляторлар үшін жылу өткізгіштік мәндерінен 2-3 рет жоғары, бұл төмен жылу өткізгіштік дегеніміз не деген сұраққа жауаптың тамаша мысалы болып табылады.
Жылуөткізгіштік мәні көптеген адамдарда маңызды рөл атқарадыөндірістік процестер. Кейбір процестерде олар жақсы жылу өткізгіштерді пайдалану және жанасу аймағын ұлғайту арқылы оны арттыруға тырысады, ал басқаларында олар жанасу аймағын азайту және жылу оқшаулағыш материалдарды қолдану арқылы жылу өткізгіштігін азайтуға тырысады.
Сұйықтар мен газдардағы конвекция
Сұйықтардағы жылудың берілуі конвекция процесі арқылы жүзеге асады. Бұл процесс температуралары әртүрлі аймақтар арасында зат молекулаларының қозғалысын қамтиды, яғни конвекция кезінде сұйықтық немесе газ араласады. Сұйық зат жылу бөлгенде, оның молекулалары кинетикалық энергиясының бір бөлігін жоғалтады және зат тығызырақ болады. Керісінше, сұйық затты қыздырған кезде оның молекулалары кинетикалық энергиясын арттырады, олардың қозғалысы қарқынды болады, сәйкесінше заттың көлемі ұлғаяды, ал тығыздығы азаяды. Сондықтан заттың суық қабаттары ауырлық күшінің әсерінен төмен түсуге бейім, ал ыстық қабаттар көтерілуге тырысады. Бұл процесс заттың араласуына әкеліп, оның қабаттары арасында жылудың берілуін жеңілдетеді.
Кейбір сұйықтықтардың жылу өткізгіштігі
Судың жылу өткізгіштігі қандай деген сұраққа жауап берсеңіз, оны конвекция процесіне байланысты деп түсіну керек. Ол үшін жылу өткізгіштік коэффициенті 0,58 Дж/(смК).
Басқа сұйықтықтар үшін бұл мән төменде берілген:
- этил спирті - 0,17;
- ацетон - 0, 16;
- глицерин - 0, 28.
Яғни, мәндерСұйықтықтардың жылу өткізгіштігі қатты жылу оқшаулағыштарымен салыстыруға болады.
Атмосферадағы конвекция
Атмосфералық конвекция маңызды, себебі ол желдер, циклондар, бұлттардың пайда болуы, жаңбыр және т.б. сияқты құбылыстарды тудырады. Бұл процестердің барлығы термодинамиканың физикалық заңдарына бағынады.
Атмосферадағы конвекция процестерінің ішінде ең маңыздысы су айналымы болып табылады. Бұл жерде біз судың жылу өткізгіштігі мен жылу сыйымдылығы дегеніміз не деген сұрақтарды қарастыруымыз керек. Судың жылу сыйымдылығы деп оның температурасы бір градусқа жоғарылауы үшін 1 кг суға қанша жылу беру керектігін көрсететін физикалық шама түсініледі. Ол 4220 Дж-ға тең.
Су айналымы былай жүзеге асады: күн мұхит суларын қыздырады, ал судың бір бөлігі атмосфераға буланады. Конвекция процесіне байланысты су буы үлкен биіктікке көтеріледі, салқындайды, бұлттар мен бұлттар пайда болады, бұл бұршақ немесе жаңбыр түрінде жауын-шашынға әкеледі.
