Теплопроводность

Диффузии родственен процесс теплопроводности. Если в разных местах тела температура различна, то возникает поток тепла из мест более нагретых в места менее нагретые, продолжающийся до тех пор, пока температура во всем теле не выровняется. И здесь механизм процесса связан с беспорядочным тепловым движением молекул: молекулы из более нагретых мест тела, сталкиваясь при своем движении с молекулами соседних, менее нагретых участков, передают им часть своей энергии.

Как и при рассмотрении диффузии подразумевается, что теплопроводность происходит в покоящейся среде. В частности, предполагается, что в среде отсутствуют какие-либо перепады давления, которые приводили бы к возникновению движения в ней.

Как и выше предполагается, что температура Т среды меняется только вдоль какого-либо одного направления (ось х). Поток тепла q определяется как количество тепла, проходящего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х. Вполне аналогично диффузии связь теплового потока с градиентом температуры dT/dx выражается соотношением

q = - æ dT/dx

И здесь знак минус стоит по той причине, что направление теплового потока противоположно направлению возрастания температуры: тепло распространяется в сторону уменьшения температуры. Коэффициент æ называется коэффициентом теплопроводности.

Если измерять количество тепла в джоулях, то тепловой поток будет измеряться в дж/м² сек. Поэтому размерность коэффициента теплопроводности

[æ] = дж/(м×сек×град)

Коэффициент теплопроводности определяет скорость передачи тепла от более нагретых к менее нагретым участкам.

Как и в случае диффузии, наличие поля тяжести может привести к возникновению конвекционного перемешивания неравномерно нагретой жидкости (или газа). Это происходит при нагревании жидкости снизу (или при охлаждении сверху): более нагретые и потому менее плотные нижние слои жидкости поднимаются наверх, а на их место спускаются струи менее нагретой жидкости. Выравнивание температуры путем конвекции происходит, конечно, гораздо быстрее, чем путем теплопроводности.

В таблице для примера приведены значения коэффициента теплопроводности некоторых жидкостей и твердых тел (при комнатной температуре). Эти значения даны в дж/м сек град (другими словами, тепловой поток определяется как энергия в джоулях, переносимая в 1 сек через 1 м²):

Вода	6,0×10^-5	Свинец	0,35×10^-2
Бензол	1,5×10^-5	Железо	0,75×10^-2
Стекло	4–8×10^-5	Медь	3,8×10^-2
Эбонит	1,7×10^-5	Серебро	4,2×10^-2

Обращает на себя внимание очень большая теплопроводность металлов. Причина этого заключается в том, что в металлах, в отличие от других тел, тепло переносится тепловым движением не атомов, а свободных электронов. Большая эффективность электронной теплопроводности связана со скоростями электронов, порядка 10⁶ м/сек, т. е. гораздо большими, чем обычные тепловые скорости атомов и молекул (10² – 10³ м/сек).

Дата добавления: 2015-05-09