Il fenomeno della conducibilità termica è il trasferimento di energia sotto forma di calore a diretto contatto di due corpi senza alcuno scambio di materia o con il suo scambio. In questo caso, l'energia passa da un corpo o un'area del corpo con una temperatura più elevata a un corpo o un'area con una temperatura più bassa. La caratteristica fisica che determina i parametri di scambio termico è la conducibilità termica. Che cos'è la conduttività termica e come viene descritta in fisica? Questo articolo risponderà a queste domande.
Concetto generale di conducibilità termica e sua natura
Se rispondi in termini semplici alla domanda su cosa sia la conducibilità termica in fisica, allora va detto che il trasferimento di calore tra due corpi o aree diverse dello stesso corpo è un processo di scambio di energia interna tra le particelle che costituiscono il corpo (molecole, atomi, elettroni e ioni). L'energia interna stessa è composta da due parti importanti: energia cinetica ed energia potenziale.
Cos'è la conduttività termica in fisica dal punto di vista della natura di questavalori? A livello microscopico, la capacità dei materiali di condurre il calore dipende dalla loro microstruttura. Ad esempio, per liquidi e gas, questo processo fisico avviene a causa di collisioni caotiche tra molecole; nei solidi, la quota principale del calore trasferito ricade sullo scambio di energia tra elettroni liberi (nei sistemi metallici) o fononi (sostanze non metalliche), che sono vibrazioni meccaniche del reticolo cristallino.
Rappresentazione matematica della conducibilità termica
Rispondiamo alla domanda su cosa sia la conducibilità termica, da un punto di vista matematico. Se prendiamo un corpo omogeneo, la quantità di calore trasferita attraverso di esso in una determinata direzione sarà proporzionale alla superficie perpendicolare alla direzione di trasferimento del calore, alla conducibilità termica del materiale stesso e alla differenza di temperatura alle estremità del corpo, e sarà anche inversamente proporzionale allo spessore del corpo.
Il risultato è la formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, qui Q/t - calore (energia) trasferito attraverso il corpo nel tempo t, k - coefficiente di conducibilità termica del materiale di cui è composto il corpo considerato, A - area della sezione trasversale del corpo, T2 -T 1 - differenza di temperatura alle estremità del corpo, con T2>T1, x - spessore del corpo attraverso il quale viene trasferito il calore Q.
Metodi di trasferimento dell'energia termica
Considerando la questione di quale sia la conducibilità termica dei materiali, dovremmo menzionare i possibili metodi di trasferimento del calore. L'energia termica può essere trasferita tra diversi corpi utilizzandoseguenti processi:
- conduttività - questo processo avviene senza trasferimento di materia;
- convezione - il trasferimento di calore è direttamente correlato al movimento della materia stessa;
- radiazione - il trasferimento di calore viene effettuato a causa della radiazione elettromagnetica, cioè con l'aiuto dei fotoni.
Affinché il calore possa essere trasferito utilizzando i processi di conduzione o convezione, è necessario il contatto diretto tra corpi diversi, con la differenza che nel processo di conduzione non vi è movimento macroscopico della materia, ma nel processo di convezione questo movimento è presente. Si noti che il movimento microscopico ha luogo in tutti i processi di trasferimento del calore.
Per temperature normali di diverse decine di gradi Celsius, si può dire che la convezione e la conduzione rappresentano la maggior parte del calore trasferito e la quantità di energia trasferita nel processo di irraggiamento è trascurabile. Tuttavia, la radiazione inizia a svolgere un ruolo importante nel processo di trasferimento del calore a temperature di diverse centinaia e migliaia di Kelvin, poiché la quantità di energia Q trasferita in questo modo aumenta in proporzione alla 4a potenza della temperatura assoluta, cioè ∼ T 4. Ad esempio, il nostro sole perde la maggior parte della sua energia a causa delle radiazioni.
Conducibilità termica dei solidi
Poiché nei solidi ogni molecola o atomo si trova in una certa posizione e non può lasciarla, il trasferimento di calore per convezione è impossibile e l'unico processo possibile èconducibilità. Con un aumento della temperatura corporea, l'energia cinetica delle sue particelle costituenti aumenta e ogni molecola o atomo inizia a oscillare più intensamente. Questo processo porta alla loro collisione con molecole o atomi vicini, come risultato di tali collisioni l'energia cinetica viene trasferita da particella a particella fino a quando tutte le particelle del corpo sono coperte da questo processo.
Come risultato del meccanismo microscopico descritto, quando un'estremità di un'asta di metallo viene riscaldata, la temperatura si uniforma su tutta l'asta dopo un po'.
Il calore non si trasferisce allo stesso modo in diversi materiali solidi. Quindi, ci sono materiali che hanno una buona conduttività termica. Conducono facilmente e rapidamente il calore attraverso se stessi. Ma ci sono anche cattivi conduttori di calore o isolanti attraverso i quali può passare poco o nessun calore.
Coefficiente di conducibilità termica per solidi
Il coefficiente di conducibilità termica per i solidi k ha il seguente significato fisico: indica la quantità di calore che passa per unità di tempo attraverso una superficie unitaria in qualsiasi corpo di spessore unitario e lunghezza e larghezza infinite con una differenza di temperatura pari a le sue estremità sono uguali a un grado. Nel sistema internazionale di unità SI, il coefficiente k è misurato in J/(smK).
Questo coefficiente nei solidi dipende dalla temperatura, quindi è consuetudine determinarlo a una temperatura di 300 K per confrontare la capacità di condurre il calorevari materiali.
Coefficiente di conducibilità termica per metalli e materiali duri non metallici
Tutti i metalli, senza eccezioni, sono buoni conduttori di calore, per il cui trasferimento sono responsabili del gas di elettroni. A loro volta, i materiali ionici e covalenti, nonché i materiali con una struttura fibrosa, sono buoni isolanti termici, ovvero conducono male il calore. Per completare la divulgazione della domanda su cosa sia la conducibilità termica, va notato che questo processo richiede la presenza obbligatoria di materia se viene eseguito per convezione o conduzione, quindi, nel vuoto, il calore può essere trasferito solo a causa di radiazione elettromagnetica.
L'elenco seguente mostra i valori dei coefficienti di conducibilità termica per alcuni metalli e non metalli in J/(smK):
- acciaio - 47-58 a seconda del tipo di acciaio;
- alluminio - 209, 3;
- bronzo - 116-186;
- zinco - 106-140 a seconda della purezza;
- rame - 372, 1-385, 2;
- ottone - 81-116;
- oro - 308, 2;
- argento - 406, 1-418, 7;
- gomma - 0, 04-0, 30;
- fibra di vetro - 0,03-0,07;
- mattone - 0, 80;
- albero - 0, 13;
- vetro - 0, 6-1, 0.
Quindi, la conducibilità termica dei metalli è di 2-3 ordini di grandezza superiore ai valori di conducibilità termica per gli isolanti, che sono un ottimo esempio della risposta alla domanda su cosa sia la bassa conducibilità termica.
Il valore della conducibilità termica gioca un ruolo importante in moltiprocessi industriali. In alcuni processi, cercano di aumentarlo utilizzando buoni conduttori di calore e aumentando l'area di contatto, mentre in altri cercano di ridurre la conduttività termica riducendo l'area di contatto e utilizzando materiali termoisolanti.
Convezione in liquidi e gas
Il trasferimento di calore nei fluidi avviene per convezione. Questo processo prevede il movimento di molecole di una sostanza tra zone con temperature diverse, ovvero, durante la convezione, viene miscelato un liquido o un gas. Quando la materia fluida rilascia calore, le sue molecole perdono parte della loro energia cinetica e la materia diventa più densa. Al contrario, quando la materia fluida viene riscaldata, le sue molecole aumentano la loro energia cinetica, il loro movimento diventa più intenso, rispettivamente, il volume della materia aumenta e la densità diminuisce. Ecco perché gli strati freddi della materia tendono a cadere sotto l'influenza della gravità e gli strati caldi cercano di sollevarsi. Questo processo si traduce nella miscelazione della materia, facilitando il trasferimento di calore tra i suoi strati.
La conducibilità termica di alcuni liquidi
Se rispondi alla domanda su quale sia la conduttività termica dell'acqua, dovresti capire che è dovuta al processo di convezione. Il coefficiente di conducibilità termica è 0,58 J/(smK).
Per altri liquidi, questo valore è elencato di seguito:
- alcol etilico - 0,17;
- acetone - 0, 16;
- glicerolo - 0, 28.
Ovvero i valorile conducibilità termiche dei liquidi sono paragonabili a quelle degli isolanti termici solidi.
Convezione nell'atmosfera
La convezione atmosferica è importante perché provoca fenomeni come venti, cicloni, formazione di nubi, pioggia e altri. Tutti questi processi obbediscono alle leggi fisiche della termodinamica.
Tra i processi di convezione nell'atmosfera, il più importante è il ciclo dell'acqua. Qui dovremmo considerare le domande su quale sia la conducibilità termica e la capacità termica dell'acqua. La capacità termica dell'acqua è intesa come una quantità fisica che mostra quanto calore deve essere trasferito a 1 kg di acqua affinché la sua temperatura aumenti di un grado. È uguale a 4220 J.
Il ciclo dell'acqua si svolge come segue: il sole riscalda le acque degli oceani e parte dell'acqua evapora nell'atmosfera. A causa del processo di convezione, il vapore acqueo sale a una grande altezza, si raffredda, si formano nuvole e nuvole, che portano a precipitazioni sotto forma di grandine o pioggia.
