ظاهرة التوصيل الحراري هي انتقال الطاقة على شكل حرارة في اتصال مباشر بين جسمين دون أي تبادل للمادة أو مع تبادلها. في هذه الحالة ، تنتقل الطاقة من جسم أو منطقة من الجسم ذات درجة حرارة أعلى إلى الجسم أو المنطقة ذات درجة الحرارة المنخفضة. الخاصية الفيزيائية التي تحدد معاملات انتقال الحرارة هي التوصيل الحراري. ما هي الموصلية الحرارية وكيف توصف في الفيزياء؟ هذه المقالة سوف تجيب على هذه الأسئلة.
المفهوم العام للموصلية الحرارية وطبيعتها
إذا أجبت بعبارات بسيطة على سؤال ماهية الموصلية الحرارية في الفيزياء ، فيجب أن يقال إن انتقال الحرارة بين جسمين أو مناطق مختلفة من نفس الجسم هو عملية تبادل للطاقة الداخلية بين الجسيمات التي تشكل الجسم (الجزيئات والذرات والإلكترونات والأيونات). تتكون الطاقة الداخلية نفسها من جزأين مهمين: الطاقة الحركية والطاقة الكامنة
ما هي الموصلية الحرارية في الفيزياء من وجهة نظر طبيعة هذاالقيم؟ على المستوى المجهري ، تعتمد قدرة المواد على توصيل الحرارة على بنيتها المجهرية. على سبيل المثال ، بالنسبة للسوائل والغازات ، تحدث هذه العملية الفيزيائية بسبب الاصطدامات الفوضوية بين الجزيئات ؛ في المواد الصلبة ، تقع الحصة الرئيسية من الحرارة المنقولة على تبادل الطاقة بين الإلكترونات الحرة (في الأنظمة المعدنية) أو الفونونات (المواد غير المعدنية)) ، وهي اهتزازات ميكانيكية للشبكة البلورية.
تمثيل رياضي للتوصيل الحراري
دعونا نجيب على سؤال ما هي الموصلية الحرارية ، من وجهة نظر رياضية. إذا أخذنا جسمًا متجانسًا ، فإن كمية الحرارة المنقولة خلاله في اتجاه معين ستكون متناسبة مع مساحة السطح المتعامدة مع اتجاه انتقال الحرارة ، والتوصيل الحراري للمادة نفسها ، وفرق درجة الحرارة في نهايات ويتناسب عكسيا مع سمك الجسم.
النتيجة هي الصيغة: Q / t=kA (T2-T1) / x ، هنا Q / t - الحرارة (الطاقة) المنقولة عبر الجسم في الوقت t، k - معامل التوصيل الحراري للمادة التي يتكون منها الجسم المدروس ، أ - منطقة المقطع العرضي للجسم ، T2-T1- فرق درجة الحرارة في نهايات الجسم ، مع T2>T1، x - سمك الجسم الذي تنتقل من خلاله الحرارة Q
طرق نقل الطاقة الحرارية
بالنظر إلى مسألة ما هي الموصلية الحرارية للمواد ، يجب أن نذكر الطرق الممكنة لنقل الحرارة. يمكن نقل الطاقة الحرارية بين الهيئات المختلفة باستخدامالعمليات التالية:
- الموصلية - تتم هذه العملية دون نقل المادة ؛
- الحمل الحراري - يرتبط انتقال الحرارة ارتباطًا مباشرًا بحركة المادة نفسها ؛
- إشعاع - يتم نقل الحرارة بسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي ، أي بمساعدة الفوتونات.
من أجل نقل الحرارة باستخدام عمليات التوصيل أو الحمل الحراري ، من الضروري الاتصال المباشر بين الهيئات المختلفة ، مع اختلاف أنه في عملية التوصيل لا توجد حركة ماكروسكوبية للمادة ، ولكن في عملية الحمل الحراري هذه الحركة موجودة. لاحظ أن الحركة المجهرية تحدث في جميع عمليات نقل الحرارة.
بالنسبة لدرجات الحرارة العادية التي تصل إلى عدة عشرات من الدرجات المئوية ، يمكن القول أن الحمل والتوصيل يمثلان الجزء الأكبر من الحرارة المنقولة ، وكمية الطاقة المنقولة في عملية الإشعاع لا تكاد تذكر. ومع ذلك ، يبدأ الإشعاع في لعب دور رئيسي في عملية نقل الحرارة عند درجات حرارة تصل إلى عدة مئات وآلاف من كلفن ، نظرًا لأن كمية الطاقة Q المنقولة بهذه الطريقة تزداد بما يتناسب مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة ، أي ∼ T4. على سبيل المثال ، تفقد شمسنا معظم طاقتها من خلال الإشعاع.
التوصيل الحراري للمواد الصلبة
نظرًا لأن كل جزيء أو ذرة في المواد الصلبة في وضع معين ولا يمكنها تركه ، فإن نقل الحرارة بالحمل الحراري مستحيل ، والعملية الوحيدة الممكنة هيالتوصيل. مع زيادة درجة حرارة الجسم ، تزداد الطاقة الحركية للجزيئات المكونة لها ، ويبدأ كل جزيء أو ذرة في التذبذب بشكل أكثر كثافة. تؤدي هذه العملية إلى اصطدامها بالجزيئات أو الذرات المجاورة ، ونتيجة لمثل هذه الاصطدامات ، تنتقل الطاقة الحركية من جسيم إلى آخر حتى يتم تغطية جميع جسيمات الجسم بهذه العملية.
نتيجة للآلية المجهرية الموصوفة ، عند تسخين أحد طرفي قضيب معدني ، تتساوى درجة الحرارة على القضيب بأكمله بعد فترة.
لا تنتقل الحرارة بالتساوي في المواد الصلبة المختلفة. لذلك ، هناك مواد لها موصلية حرارية جيدة. إنها تنقل الحرارة بسهولة وسرعة من خلال نفسها. ولكن هناك أيضًا موصلات حرارية سيئة أو عوازل يمكن أن تمر من خلالها القليل من الحرارة أو لا تمر منها على الإطلاق.
معامل التوصيل الحراري للمواد الصلبة
معامل التوصيل الحراري للمواد الصلبة k له المعنى الفيزيائي التالي: يشير إلى مقدار الحرارة التي تمر لكل وحدة زمنية عبر مساحة سطح الوحدة في أي جسم من سماكة الوحدة وطول وعرض لانهائي مع اختلاف درجة الحرارة عند نهاياته تساوي درجة واحدة. في النظام الدولي للوحدات SI ، يقاس المعامل k بـ J / (smK).
يعتمد هذا المعامل في المواد الصلبة على درجة الحرارة ، لذلك من المعتاد تحديده عند درجة حرارة 300 كلفن لمقارنة القدرة على توصيل الحرارةمواد مختلفة
معامل التوصيل الحراري للمعادن والمواد الصلبة غير المعدنية
جميع المعادن ، دون استثناء ، هي موصلات جيدة للحرارة ، وهي مسؤولة عن نقل غاز الإلكترون. في المقابل ، تعتبر المواد الأيونية والتساهمية ، وكذلك المواد ذات الهيكل الليفي ، عوازل حرارية جيدة ، أي أنها توصل الحرارة بشكل سيئ. لاستكمال الكشف عن سؤال ماهية الموصلية الحرارية ، تجدر الإشارة إلى أن هذه العملية تتطلب الوجود الإجباري للمادة إذا تم إجراؤها بسبب الحمل الحراري أو التوصيل ، لذلك ، في الفراغ ، لا يمكن نقل الحرارة إلا بسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي
توضح القائمة أدناه قيم معاملات التوصيل الحراري لبعض المعادن واللافلزات في J / (smK):
- فولاذ - 47-58 اعتمادًا على درجة الفولاذ
- ألومنيوم - 209 ، 3 ؛
- برونزي - 116-186 ؛
- زنك - 106-140 حسب النقاء ؛
- نحاس - 372، 1-385، 2 ؛
- نحاس - 81-116 ؛
- ذهب - 308 ، 2 ؛
- فضي - 406 ، 1-418 ، 7 ؛
- مطاط - 0 ، 04-0 ، 30 ؛
- الألياف الزجاجية - 0.03-0.07 ؛
- لبنة - 0 ، 80 ؛
- شجرة - 0 ، 13 ؛
- زجاج - 0، 6-1، 0.
وبالتالي ، فإن الموصلية الحرارية للمعادن هي 2-3 مرات من حيث الحجم أعلى من قيم التوصيل الحراري للعوازل ، والتي تعد مثالًا رئيسيًا للإجابة على سؤال ما هي الموصلية الحرارية المنخفضة.
تلعب قيمة التوصيل الحراري دورًا مهمًا في العديدالعمليات الصناعية. في بعض العمليات ، يسعون إلى زيادتها باستخدام موصلات جيدة للحرارة وزيادة منطقة التلامس ، بينما في حالات أخرى يحاولون تقليل التوصيل الحراري عن طريق تقليل منطقة التلامس واستخدام مواد عازلة للحرارة.
الحمل الحراري في السوائل والغازات
يتم نقل الحرارة في السوائل من خلال عملية الحمل الحراري. تتضمن هذه العملية حركة جزيئات مادة ما بين مناطق ذات درجات حرارة مختلفة ، أي أثناء الحمل الحراري ، يتم خلط سائل أو غاز. عندما تطلق المادة السائلة الحرارة ، تفقد جزيئاتها بعض طاقتها الحركية وتصبح المادة أكثر كثافة. على العكس من ذلك ، عندما يتم تسخين المادة السائلة ، تزيد جزيئاتها من طاقتها الحركية ، وتصبح حركتها أكثر كثافة ، على التوالي ، ويزداد حجم المادة ، وتقل الكثافة. هذا هو السبب في أن الطبقات الباردة من المادة تميل إلى السقوط تحت تأثير الجاذبية ، وتحاول الطبقات الساخنة الصعود. ينتج عن هذه العملية اختلاط المادة وتسهيل انتقال الحرارة بين طبقاتها.
التوصيل الحراري لبعض السوائل
إذا أجبت على سؤال ما هي الموصلية الحرارية للماء ، فيجب أن نفهم أنها ناتجة عن عملية الحمل الحراري. معامل التوصيل الحراري لها 0.58 J / (smK).
بالنسبة للسوائل الأخرى ، هذه القيمة مذكورة أدناه:
- الكحول الإيثيلي - 0.17 ؛
- أسيتون - 0 ، 16 ؛
- جلسرين - 0، 28.
أي القيمالموصلية الحرارية للسوائل مماثلة لتلك المستخدمة في عوازل الحرارة الصلبة.
الحمل الحراري في الغلاف الجوي
الحمل الحراري في الغلاف الجوي مهم لأنه يسبب ظواهر مثل الرياح والأعاصير وتشكيل السحب والأمطار وغيرها. كل هذه العمليات تخضع للقوانين الفيزيائية للديناميكا الحرارية.
من بين عمليات الحمل الحراري في الغلاف الجوي ، فإن دورة الماء الأكثر أهمية. هنا يجب أن ننظر في أسئلة ما هي الموصلية الحرارية والسعة الحرارية للماء. تُفهم السعة الحرارية للماء على أنها كمية مادية توضح مقدار الحرارة التي يجب نقلها إلى 1 كجم من الماء بحيث تزداد درجة حرارته بدرجة واحدة. وهي تساوي 4220 ج.
تتم دورة الماء على النحو التالي: الشمس تسخن مياه المحيطات ، و جزء من الماء يتبخر في الغلاف الجوي. بسبب عملية الحمل الحراري ، يرتفع بخار الماء إلى ارتفاع كبير ، ويبرد ، وتتشكل السحب والغيوم ، مما يؤدي إلى هطول الأمطار على شكل برد أو مطر.
