Fenomeni i përçueshmërisë termike është transferimi i energjisë në formën e nxehtësisë në kontakt të drejtpërdrejtë të dy trupave pa asnjë shkëmbim të lëndës ose me shkëmbimin e saj. Në këtë rast, energjia kalon nga një trup ose zonë e trupit me temperaturë më të lartë në një trup ose zonë me temperaturë më të ulët. Karakteristika fizike që përcakton parametrat e transferimit të nxehtësisë është përçueshmëria termike. Çfarë është përçueshmëria termike dhe si përshkruhet në fizikë? Ky artikull do t'u përgjigjet këtyre pyetjeve.
Koncepti i përgjithshëm i përçueshmërisë termike dhe natyra e saj
Nëse i përgjigjeni me terma të thjeshtë pyetjes se çfarë është përçueshmëria termike në fizikë, atëherë duhet thënë se transferimi i nxehtësisë midis dy trupave ose zonave të ndryshme të të njëjtit trup është një proces i shkëmbimit të brendshëm të energjisë midis grimcave që përbëjnë trupin (molekulat, atomet, elektronet dhe jonet). Vetë energjia e brendshme përbëhet nga dy pjesë të rëndësishme: energjia kinetike dhe energjia potenciale.
Çfarë është përçueshmëria termike në fizikë nga pikëpamja e natyrës së kësajvlerat? Në një nivel mikroskopik, aftësia e materialeve për të përcjellë nxehtësinë varet nga mikrostruktura e tyre. Për shembull, për lëngjet dhe gazet, ky proces fizik ndodh për shkak të përplasjeve kaotike midis molekulave; në trupat e ngurtë, pjesa kryesore e nxehtësisë së transferuar bie në shkëmbimin e energjisë midis elektroneve të lira (në sistemet metalike) ose fononeve (substanca jo metalike.), të cilat janë dridhje mekanike të rrjetës kristalore.
Parafaqja matematikore e përçueshmërisë termike
Le t'i përgjigjemi pyetjes se çfarë është përçueshmëria termike, nga pikëpamja matematikore. Nëse marrim një trup homogjen, atëherë sasia e nxehtësisë së transferuar përmes tij në një drejtim të caktuar do të jetë proporcionale me sipërfaqen pingul me drejtimin e transferimit të nxehtësisë, përçueshmërinë termike të vetë materialit dhe ndryshimin e temperaturës në skajet e trupi, dhe gjithashtu do të jetë në përpjesëtim të zhdrejtë me trashësinë e trupit.
Rezultati është formula: Q/t=kA(T2-T1)/x, këtu Q/t - nxehtësia (energjia) e transferuar përmes trupit në kohën t, k - koeficienti i përçueshmërisë termike të materialit nga i cili është bërë trupi i konsideruar, A - zona e prerjes tërthore të trupit, T2 -T 1 - ndryshimi i temperaturës në skajet e trupit, me T2>T1, x - trashësia e trupit përmes të cilit transferohet nxehtësia Q.
Metodat e transferimit të energjisë termike
Duke marrë parasysh pyetjen se cila është përçueshmëria termike e materialeve, duhet të përmendim metodat e mundshme të transferimit të nxehtësisë. Energjia termike mund të transferohet ndërmjet trupave të ndryshëm duke përdorurproceset e mëposhtme:
- përçueshmëri - ky proces shkon pa transferim të lëndës;
- konvekcion - transferimi i nxehtësisë lidhet drejtpërdrejt me lëvizjen e vetë materies;
- rrezatim - transferimi i nxehtësisë kryhet për shkak të rrezatimit elektromagnetik, pra me ndihmën e fotoneve.
Që që nxehtësia të transferohet duke përdorur proceset e përcjelljes ose të konvekcionit, është i nevojshëm kontakti i drejtpërdrejtë ndërmjet trupave të ndryshëm, me ndryshimin se në procesin e përcjelljes nuk ka lëvizje makroskopike të materies, por në procesin e konvekcioni kjo lëvizje është e pranishme. Vini re se lëvizja mikroskopike ndodh në të gjitha proceset e transferimit të nxehtësisë.
Për temperatura normale prej disa dhjetëra gradë Celsius, mund të thuhet se konveksioni dhe përçueshmëria përbëjnë pjesën më të madhe të nxehtësisë së transferuar dhe sasia e energjisë së transferuar në procesin e rrezatimit është e papërfillshme. Sidoqoftë, rrezatimi fillon të luajë një rol kryesor në procesin e transferimit të nxehtësisë në temperaturat prej disa qindra e mijëra Kelvin, pasi sasia e energjisë Q e transferuar në këtë mënyrë rritet në përpjesëtim me fuqinë e 4-të të temperaturës absolute, domethënë ~ T 4. Për shembull, dielli ynë humbet shumicën e energjisë së tij përmes rrezatimit.
Përçueshmëri termike e trupave të ngurtë
Meqenëse në trupat e ngurtë çdo molekulë ose atom është në një pozicion të caktuar dhe nuk mund ta lërë atë, transferimi i nxehtësisë me konvekcion është i pamundur dhe i vetmi proces i mundshëm ështëpërçueshmëri. Me një rritje të temperaturës së trupit, energjia kinetike e grimcave përbërëse të tij rritet dhe çdo molekulë ose atom fillon të lëkundet më intensivisht. Ky proces çon në përplasjen e tyre me molekulat ose atomet fqinje, si rezultat i përplasjeve të tilla energjia kinetike transferohet nga grimca në grimcë derisa të gjitha grimcat e trupit të mbulohen nga ky proces.
Si rezultat i mekanizmit mikroskopik të përshkruar, kur një skaj i një shufre metalike nxehet, temperatura barazohet në të gjithë shufrën pas një kohe.
Nxehtësia nuk transmetohet në mënyrë të barabartë në materiale të ndryshme të ngurta. Pra, ka materiale që kanë përçueshmëri të mirë termike. Ata lehtë dhe shpejt e përcjellin nxehtësinë përmes vetes. Por ka edhe përcjellës ose izolues të dobët të nxehtësisë nëpër të cilët mund të kalojë pak ose aspak nxehtësi.
Koeficienti i përçueshmërisë termike për trupat e ngurtë
Koeficienti i përçueshmërisë termike për trupat e ngurtë k ka kuptimin fizik të mëposhtëm: ai tregon sasinë e nxehtësisë që kalon për njësi të kohës nëpër një sipërfaqe njësie në çdo trup me trashësi njësi dhe gjatësi dhe gjerësi të pafundme me një ndryshim të temperaturës në skajet e tij janë të barabarta me një shkallë. Në sistemin ndërkombëtar të njësive SI, koeficienti k matet në J/(smK).
Ky koeficient në trupat e ngurtë varet nga temperatura, kështu që është zakon të përcaktohet në një temperaturë prej 300 K në mënyrë që të krahasohet aftësia për të përcjellë nxehtësinë.materiale të ndryshme.
Koeficienti i përçueshmërisë termike për metalet dhe materialet e forta jometalike
Të gjithë metalet, pa përjashtim, janë përcjellës të mirë të nxehtësisë, për transferimin e të cilave janë përgjegjës për gazin elektronik. Nga ana tjetër, materialet jonike dhe kovalente, si dhe materialet me një strukturë fibroze, janë izolues të mirë të nxehtësisë, domethënë ato e përcjellin nxehtësinë dobët. Për të përfunduar zbulimin e pyetjes se çfarë është përçueshmëria termike, duhet të theksohet se ky proces kërkon praninë e detyrueshme të materies nëse kryhet për shkak të konvekcionit ose përcjelljes, prandaj, në vakum, nxehtësia mund të transferohet vetëm për shkak të rrezatimi elektromagnetik.
Lista më poshtë tregon vlerat e koeficientëve të përçueshmërisë termike për disa metale dhe jometale në J/(smK):
- çelik - 47-58 në varësi të klasës së çelikut;
- alumin - 209, 3;
- bronz - 116-186;
- zink - 106-140 në varësi të pastërtisë;
- bakër - 372, 1-385, 2;
- tunxh - 81-116;
- ari - 308, 2;
- argjend - 406, 1-418, 7;
- gome - 0, 04-0, 30;
- tekstil me fije qelqi - 0,03-0,07;
- tullë - 0, 80;
- pema - 0, 13;
- gotë - 0, 6-1, 0.
Kështu, përçueshmëria termike e metaleve është 2-3 rend magnitudë më e lartë se vlerat e përçueshmërisë termike për izoluesit, të cilat janë një shembull kryesor i përgjigjes së pyetjes se çfarë është përçueshmëria e ulët termike.
Vlera e përçueshmërisë termike luan një rol të rëndësishëm në shumëproceset industriale. Në disa procese, ata kërkojnë ta rrisin atë duke përdorur përçues të mirë të nxehtësisë dhe duke rritur zonën e kontaktit, ndërsa në të tjera përpiqen të zvogëlojnë përçueshmërinë termike duke zvogëluar zonën e kontaktit dhe duke përdorur materiale izoluese të nxehtësisë.
Konvekcioni në lëngje dhe gazra
Transferimi i nxehtësisë në lëngje kryhet me procesin e konvekcionit. Ky proces përfshin lëvizjen e molekulave të një substance midis zonave me temperatura të ndryshme, domethënë gjatë konvekcionit, një lëng ose gaz përzihet. Kur lënda e lëngshme lëshon nxehtësi, molekulat e saj humbasin një pjesë të energjisë së tyre kinetike dhe lënda bëhet më e dendur. Përkundrazi, kur lënda e lëngshme nxehet, molekulat e saj rrisin energjinë e tyre kinetike, lëvizja e tyre bëhet më intensive, përkatësisht, vëllimi i materies rritet dhe dendësia zvogëlohet. Kjo është arsyeja pse shtresat e ftohta të materies priren të bien poshtë nën ndikimin e gravitetit, dhe shtresat e nxehta përpiqen të ngrihen lart. Ky proces rezulton në përzierjen e materies, duke lehtësuar transferimin e nxehtësisë midis shtresave të saj.
Përçueshmëria termike e disa lëngjeve
Nëse i përgjigjeni pyetjes se cila është përçueshmëria termike e ujit, duhet kuptuar se kjo është për shkak të procesit të konvekcionit. Koeficienti i përçueshmërisë termike për të është 0,58 J/(smK).
Për lëngje të tjera, kjo vlerë është renditur më poshtë:
- alkool etilik - 0,17;
- aceton - 0, 16;
- glicerinë - 0, 28.
Dmth, vleratpërçueshmëria termike për lëngjet është e krahasueshme me ato për izoluesit e ngurtë të nxehtësisë.
Konvekcion në atmosferë
Konvekcioni atmosferik është i rëndësishëm sepse shkakton fenomene të tilla si erërat, ciklonet, formimi i reve, shiu e të tjera. Të gjitha këto procese u binden ligjeve fizike të termodinamikës.
Ndër proceset e konvekcionit në atmosferë, më i rëndësishmi është cikli i ujit. Këtu duhet të shqyrtojmë pyetjet se cila është përçueshmëria termike dhe kapaciteti termik i ujit. Kapaciteti termik i ujit kuptohet si një sasi fizike që tregon se sa nxehtësi duhet të transferohet në 1 kg ujë në mënyrë që temperatura e tij të rritet me një gradë. Është e barabartë me 4220 J.
Cikli i ujit kryhet si më poshtë: dielli ngroh ujërat e oqeaneve dhe një pjesë e ujit avullon në atmosferë. Për shkak të procesit të konvekcionit, avulli i ujit ngrihet në një lartësi të madhe, ftohet, formohen re dhe re, të cilat çojnë në reshje në formë breshëri ose shiu.
