Isı iletkenlik olgusu, herhangi bir madde alışverişi veya değişimi olmaksızın iki cismin doğrudan temasında ısı şeklinde enerji aktarımıdır. Bu durumda enerji, sıcaklığı daha yüksek olan bir vücuttan veya vücut bölgesinden daha düşük sıcaklığa sahip bir vücuda veya bölgeye geçer. Isı transferinin parametrelerini belirleyen fiziksel özellik termal iletkenliktir. Termal iletkenlik nedir ve fizikte nasıl tanımlanır? Bu makale bu soruları cevaplayacaktır.
Isı iletkenliğin genel konsepti ve doğası
Fizikte ısıl iletkenliğin ne olduğu sorusuna basit terimlerle cevap verirseniz, o zaman iki cisim veya aynı cismin farklı alanları arasındaki ısı transferinin, parçacıklar arasındaki bir iç enerji alışverişi süreci olduğu söylenmelidir. vücudu oluşturur (moleküller, atomlar, elektronlar ve iyonlar). İç enerjinin kendisi iki önemli kısımdan oluşur: kinetik enerji ve potansiyel enerji.
Bunun doğası açısından fizikte termal iletkenlik nedir?değerler? Mikroskobik düzeyde, malzemelerin ısı iletme yeteneği mikro yapılarına bağlıdır. Örneğin, sıvılar ve gazlar için bu fiziksel süreç, moleküller arasındaki kaotik çarpışmalar nedeniyle oluşur; katılarda, aktarılan ısının ana payı, serbest elektronlar (metalik sistemlerde) veya fononlar (metalik olmayan maddeler) arasındaki enerji alışverişine düşer.), kristal kafesin mekanik titreşimleridir.
Isı iletkenliğin matematiksel gösterimi
Isı iletkenlik nedir sorusuna matematiksel bir bakış açısıyla cevap verelim. Homojen bir cisim alırsak, belirli bir yönde içinden aktarılan ısı miktarı, ısı aktarım yönüne dik yüzey alanı, malzemenin kendisinin termal iletkenliği ve uçlarındaki sıcaklık farkı ile orantılı olacaktır. gövde kalınlığıyla da ters orantılı olacaktır.
Sonuç şu formüldür: Q/t=kA(T2-T1)/x, burada Q/t - t zamanında vücuttan aktarılan ısı (enerji), k - dikkate alınan gövdenin yapıldığı malzemenin termal iletkenlik katsayısı, A - gövdenin kesit alanı, T2 -T 1 - T2>T1 ile vücudun uçlarındaki sıcaklık farkı, x - Q ısısının aktarıldığı cismin kalınlığı.
Termal enerjiyi aktarma yöntemleri
Malzemelerin ısıl iletkenliği nedir sorusu düşünüldüğünde olası ısı transferi yöntemlerinden bahsetmek gerekir. Termal enerji kullanılarak farklı cisimler arasında transfer edilebiliraşağıdaki işlemler:
- iletkenlik - bu işlem madde aktarımı olmadan gerçekleşir;
- konveksiyon - ısı transferi doğrudan maddenin hareketiyle ilgilidir;
- radyasyon - elektromanyetik radyasyon nedeniyle, yani fotonların yardımıyla ısı transferi gerçekleştirilir.
Isının iletim veya konveksiyon süreçleri kullanılarak transfer edilebilmesi için, farklı cisimler arasında doğrudan temas gereklidir, şu farkla ki, iletim sürecinde maddenin makroskopik hareketi yoktur, ancak süreç içindedir. konveksiyon bu hareket mevcuttur. Tüm ısı transferi süreçlerinde mikroskobik hareketin gerçekleştiğine dikkat edin.
Onlarca santigrat derecelik normal sıcaklıklar için, aktarılan ısının büyük kısmını konveksiyon ve iletimin oluşturduğu ve radyasyon sürecinde aktarılan enerji miktarının ihmal edilebilir olduğu söylenebilir. Bununla birlikte, radyasyon, birkaç yüz binlerce Kelvin'lik sıcaklıklarda ısı transfer sürecinde önemli bir rol oynamaya başlar, çünkü bu şekilde aktarılan Q enerjisi miktarı, mutlak sıcaklığın 4. kuvveti, yani ∼ T ile orantılı olarak artar. 4. Örneğin güneşimiz enerjisinin çoğunu radyasyon yoluyla kaybeder.
Katıların termal iletkenliği
Katılarda her molekül veya atom belirli bir konumda olduğundan ve onu terk edemediğinden, konveksiyonla ısı transferi imkansızdır ve mümkün olan tek süreç şudur:iletkenlik. Vücut sıcaklığındaki bir artışla, kendisini oluşturan parçacıkların kinetik enerjisi artar ve her molekül veya atom daha yoğun bir şekilde salınmaya başlar. Bu süreç onların komşu moleküller veya atomlarla çarpışmasına yol açar, bu tür çarpışmaların bir sonucu olarak kinetik enerji, vücudun tüm parçacıkları bu süreç tarafından kaplanana kadar parçacıktan parçacığa aktarılır.
Tarif edilen mikroskobik mekanizmanın bir sonucu olarak, bir metal çubuğun bir ucu ısıtıldığında, bir süre sonra sıcaklık tüm çubuk üzerinde eşitlenir.
Isı, farklı katı malzemelerde eşit şekilde aktarılmaz. Yani, iyi termal iletkenliğe sahip malzemeler var. Isıyı kendi içlerinde kolay ve hızlı bir şekilde iletirler. Ancak, içinden çok az ısının geçebileceği veya hiç geçemeyeceği zayıf ısı iletkenleri veya yalıtkanlar da vardır.
Katı maddeler için termal iletkenlik katsayısı
Katılar için ısıl iletkenlik katsayısı k aşağıdaki fiziksel anlama sahiptir: bir sıcaklık farkı ile birim kalınlıkta ve sonsuz uzunluk ve genişlikte herhangi bir cisimdeki birim yüzey alanından birim zamanda geçen ısı miktarını gösterir. uçları bir dereceye eşittir. Uluslararası SI birim sisteminde, k katsayısı J/(smK) cinsinden ölçülür.
Katılarda bu katsayı sıcaklığa bağlıdır, bu nedenle ısıyı iletme yeteneğini karşılaştırmak için 300 K sıcaklıkta belirlemek gelenekseldir.çeşitli malzemeler.
Metaller ve metalik olmayan sert malzemeler için termal iletkenlik katsayısı
İstisnasız tüm metaller, elektron gazından sorumlu oldukları transferinde iyi ısı iletkenleridir. Buna karşılık, iyonik ve kovalent malzemelerin yanı sıra lifli yapıya sahip malzemeler iyi ısı yalıtkanlarıdır, yani ısıyı zayıf iletirler. Termal iletkenliğin ne olduğu sorusunun açıklamasını tamamlamak için, bu işlemin konveksiyon veya iletim nedeniyle gerçekleştirilirse zorunlu olarak maddenin varlığını gerektirdiğini, bu nedenle bir vakumda ısının ancak nedeniyle aktarılabileceğini belirtmek gerekir. elektromanyetik radyasyon.
Aşağıdaki liste, J/(smK) cinsinden bazı metaller ve metal olmayanlar için termal iletkenlik katsayılarının değerlerini gösterir:
- çelik - çelik kalitesine bağlı olarak 47-58;
- alüminyum - 209, 3;
- bronz - 116-186;
- çinko - 106-140 saflığa bağlı olarak;
- bakır - 372, 1-385, 2;
- pirinç - 81-116;
- altın - 308, 2;
- gümüş - 406, 1-418, 7;
- kauçuk - 0, 04-0, 30;
- fiberglas - 0.03-0.07;
- tuğla - 0, 80;
- ağaç - 0, 13;
- cam - 0, 6-1, 0.
Böylece metallerin ısıl iletkenliği, düşük ısıl iletkenlik nedir sorusunun cevabına en iyi örnek olan yalıtkanlar için ısıl iletkenlik değerlerinden 2-3 kat daha fazladır.
Isı iletkenlik değeri birçok durumda önemli bir rol oynar.endüstriyel işlemler. Bazı işlemlerde iyi ısı iletkenleri kullanarak ve temas alanını artırarak bunu artırmaya çalışırken, bazılarında ise temas alanını az altarak ve ısı yalıtkan malzemeler kullanarak ısıl iletkenliği düşürmeye çalışırlar.
Sıvılarda ve gazlarda konveksiyon
Akışkanlarda ısı transferi konveksiyon işlemi ile gerçekleştirilir. Bu işlem, bir maddenin moleküllerinin farklı sıcaklıklara sahip bölgeler arasında hareketini içerir, yani konveksiyon sırasında bir sıvı veya gaz karıştırılır. Akışkan madde ısı verdiğinde, molekülleri kinetik enerjilerinin bir kısmını kaybeder ve madde daha yoğun hale gelir. Aksine, akışkan madde ısıtıldığında, molekülleri kinetik enerjilerini arttırır, hareketleri sırasıyla daha yoğun hale gelir, maddenin hacmi artar ve yoğunluğu azalır. Bu nedenle, soğuk madde katmanları yerçekimi etkisi altında aşağı düşmeye eğilimlidir ve sıcak katmanlar yükselmeye çalışır. Bu işlem, maddenin karışmasıyla sonuçlanır ve katmanları arasında ısı transferini kolaylaştırır.
Bazı sıvıların termal iletkenliği
Suyun ısıl iletkenliği nedir sorusuna cevap verirseniz, bunun konveksiyon sürecinden kaynaklandığı anlaşılmalıdır. Bunun için termal iletkenlik katsayısı 0,58 J/(smK).
Diğer sıvılar için bu değer aşağıda listelenmiştir:
- etil alkol - 0.17;
- aseton - 0, 16;
- gliserol - 0, 28.
Yani, değerlersıvıların termal iletkenlikleri, katı ısı yalıtkanlarınınkiyle karşılaştırılabilir.
Atmosferdeki konveksiyon
Atmosferik konveksiyon önemlidir çünkü rüzgarlar, kasırgalar, bulut oluşumu, yağmur ve diğerleri gibi olaylara neden olur. Tüm bu süreçler termodinamiğin fiziksel yasalarına uyar.
Atmosferdeki konveksiyon süreçleri arasında en önemlisi su döngüsüdür. Burada suyun ısıl iletkenliği ve ısı kapasitesi nedir sorularını ele almalıyız. Suyun ısı kapasitesi, sıcaklığının bir derece artması için 1 kg suya ne kadar ısı aktarılması gerektiğini gösteren fiziksel bir miktar olarak anlaşılır. 4220 J'ye eşittir.
Su döngüsü şu şekilde gerçekleştirilir: güneş okyanusların sularını ısıtır ve suyun bir kısmı atmosfere buharlaşır. Konveksiyon süreci nedeniyle, su buharı büyük bir yüksekliğe çıkar, soğur, bulutlar ve bulutlar oluşur ve bu da dolu veya yağmur şeklinde yağışa neden olur.
