การนำความร้อนในทางฟิสิกส์คืออะไร?

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ปรากฏการณ์การนำความร้อนคือการถ่ายเทพลังงานในรูปของความร้อนโดยสัมผัสโดยตรงกับวัตถุทั้งสองโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนสสารหรือการแลกเปลี่ยน ในกรณีนี้ พลังงานส่งผ่านจากร่างกายหรือส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่าไปยังร่างกายหรือบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า ลักษณะทางกายภาพที่กำหนดพารามิเตอร์ของการถ่ายเทความร้อนคือการนำความร้อน การนำความร้อนคืออะไรและอธิบายไว้ในฟิสิกส์อย่างไร? บทความนี้จะตอบคำถามเหล่านี้

แนวคิดทั่วไปของการนำความร้อนและธรรมชาติ

หากคุณตอบคำถามง่ายๆ เกี่ยวกับการนำความร้อนที่มีอยู่ในฟิสิกส์ ก็ควรกล่าวว่าการถ่ายเทความร้อนระหว่างวัตถุสองชิ้นหรือส่วนต่างๆ ของร่างกายเดียวกันนั้นเป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนพลังงานภายในระหว่างอนุภาคที่ ประกอบเป็นร่างกาย (โมเลกุล, อะตอม, อิเล็กตรอนและไอออน). พลังงานภายในประกอบด้วยสองส่วนที่สำคัญ: พลังงานจลน์และพลังงานศักย์

ค่าการนำความร้อนในฟิสิกส์จากมุมมองของธรรมชาตินี้คืออะไรค่า? ในระดับจุลภาค ความสามารถของวัสดุในการนำความร้อนขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาค ตัวอย่างเช่น สำหรับของเหลวและก๊าซ กระบวนการทางกายภาพนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการชนกันของโมเลกุลอย่างไม่เป็นระเบียบ ในของแข็ง สัดส่วนหลักของความร้อนที่ถ่ายเทจะตกอยู่ที่การแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างอิเล็กตรอนอิสระ (ในระบบโลหะ) หรือโฟตอน (สารที่ไม่ใช่โลหะ)) ซึ่งเป็นแรงสั่นสะเทือนทางกลของตะแกรงคริสตัล

การแสดงทางคณิตศาสตร์ของการนำความร้อน

มาตอบคำถามว่าค่าการนำความร้อนคืออะไร จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ ถ้าเรานำวัตถุที่เป็นเนื้อเดียวกัน ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทผ่านในทิศทางที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ผิวตั้งฉากกับทิศทางของการถ่ายเทความร้อน ค่าการนำความร้อนของวัสดุเอง และความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลาย ตัวและก็จะเป็นสัดส่วนผกผันกับความหนาของลำตัว

ผลลัพธ์คือสูตร: Q/t=kA(T₂-T₁)/x, ที่นี่ Q/t - ความร้อน (พลังงาน) ที่ถ่ายเทผ่านร่างกายในเวลา t, k - ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุที่ทำร่างกายที่พิจารณา A - พื้นที่หน้าตัดของร่างกาย T₂ -T ₁ - ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ปลายร่างกาย โดย T₂>T_{1, x - ความหนาของร่างกายที่ถ่ายเทความร้อน Q}

วิธีการถ่ายเทพลังงานความร้อน

เมื่อพิจารณาถึงสิ่งที่เป็นค่าการนำความร้อนของวัสดุ เราควรพูดถึงวิธีการถ่ายเทความร้อนที่เป็นไปได้ พลังงานความร้อนสามารถถ่ายเทระหว่างวัตถุต่างๆ ได้โดยใช้กระบวนการต่อไปนี้:

• conductivity - กระบวนการนี้ดำเนินไปโดยไม่ต้องโอนถ่าย
• การพาความร้อน - การถ่ายเทความร้อนเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเคลื่อนที่ของสสารเอง
• radiation - การถ่ายเทความร้อนเกิดจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นคือด้วยโฟตอน

เพื่อให้ความร้อนถูกถ่ายเทโดยใช้กระบวนการนำหรือการพาความร้อน การสัมผัสโดยตรงระหว่างวัตถุต่างๆ มีความจำเป็น โดยมีความแตกต่างว่าในกระบวนการนำนั้นไม่มีการเคลื่อนที่ของสสารในระดับมหภาค แต่ในกระบวนการของ การพาการเคลื่อนไหวนี้มีอยู่ โปรดทราบว่าการเคลื่อนที่ด้วยกล้องจุลทรรศน์เกิดขึ้นในกระบวนการถ่ายเทความร้อนทั้งหมด

สำหรับอุณหภูมิปกติหลายสิบองศาเซลเซียส อาจกล่าวได้ว่าการพาความร้อนและการนำความร้อนคิดเป็นปริมาณมากที่ถ่ายเท และปริมาณพลังงานที่ถ่ายเทในกระบวนการฉายรังสีมีเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การแผ่รังสีเริ่มมีบทบาทสำคัญในกระบวนการถ่ายเทความร้อนที่อุณหภูมิหลายแสนเคลวิน เนื่องจากปริมาณพลังงาน Q ที่ถ่ายโอนในลักษณะนี้จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของกำลัง 4 ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ กล่าวคือ ∼ T ⁴. ตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์ของเราสูญเสียพลังงานส่วนใหญ่ผ่านการแผ่รังสี

การนำความร้อนของของแข็ง

เนื่องจากเป็นของแข็ง แต่ละโมเลกุลหรืออะตอมอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนและไม่สามารถปล่อยไว้ได้ การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนจึงเป็นไปไม่ได้ และกระบวนการเดียวที่เป็นไปได้คือการนำไฟฟ้า เมื่ออุณหภูมิร่างกายสูงขึ้น พลังงานจลน์ของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบจะเพิ่มขึ้น และแต่ละโมเลกุลหรืออะตอมเริ่มสั่นอย่างรุนแรงมากขึ้น กระบวนการนี้นำไปสู่การชนกันของพวกมันกับโมเลกุลหรืออะตอมที่อยู่ใกล้เคียง อันเป็นผลมาจากการชนกันของพลังงานจลน์ถูกถ่ายโอนจากอนุภาคหนึ่งไปยังอีกอนุภาคหนึ่ง จนกระทั่งกระบวนการนี้ครอบคลุมอนุภาคทั้งหมดของร่างกาย

อันเป็นผลมาจากกลไกกล้องจุลทรรศน์ที่อธิบายไว้ เมื่อปลายด้านหนึ่งของแท่งโลหะถูกทำให้ร้อน อุณหภูมิจะเท่ากันทั่วทั้งแท่งหลังจากนั้นสักครู่

ความร้อนไม่ถ่ายเทเท่ากันในวัสดุแข็งต่างกัน จึงมีวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนที่ดี พวกเขานำความร้อนผ่านตัวเองได้ง่ายและรวดเร็ว แต่ก็มีตัวนำความร้อนหรือฉนวนที่ไม่ดีซึ่งความร้อนสามารถผ่านได้น้อยหรือไม่มีเลย

สัมประสิทธิ์การนำความร้อนสำหรับของแข็ง

สัมประสิทธิ์การนำความร้อนสำหรับของแข็ง k มีความหมายทางกายภาพดังต่อไปนี้: มันบ่งชี้ปริมาณความร้อนที่ผ่านต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นที่ผิวของหน่วยในความหนาหน่วยใด ๆ และความยาวและความกว้างอนันต์โดยมีความแตกต่างของอุณหภูมิที่ ปลายของมันเท่ากับหนึ่งองศา ในระบบสากลของหน่วย SI สัมประสิทธิ์ k มีหน่วยวัดเป็น J/(smK)

ค่าสัมประสิทธิ์ของของแข็งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นจึงเป็นธรรมเนียมที่จะต้องพิจารณาที่อุณหภูมิ 300 K เพื่อเปรียบเทียบความสามารถในการนำความร้อนวัสดุต่างๆ

สัมประสิทธิ์การนำความร้อนสำหรับโลหะและวัสดุแข็งที่ไม่ใช่โลหะ

โลหะทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้น เป็นตัวนำความร้อนที่ดี ซึ่งพวกมันมีหน้าที่ในการถ่ายโอนก๊าซอิเล็กตรอน ในทางกลับกัน วัสดุไอออนิกและโควาเลนต์ เช่นเดียวกับวัสดุที่มีโครงสร้างเป็นเส้นใย ก็เป็นฉนวนความร้อนที่ดี กล่าวคือ พวกมันนำความร้อนได้ไม่ดี ในการเปิดเผยคำถามว่าการนำความร้อนคืออะไรให้สมบูรณ์ ควรสังเกตว่ากระบวนการนี้จำเป็นต้องมีสสารที่บังคับ หากดำเนินการเนื่องจากการพาความร้อนหรือการนำไฟฟ้า ดังนั้น ในสุญญากาศ ความร้อนสามารถถ่ายเทได้เนื่องจาก รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

รายการด้านล่างแสดงค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสำหรับโลหะและอโลหะบางชนิดใน J/(smK):

• เหล็ก - 47-58 ขึ้นอยู่กับเกรดเหล็ก;
• อลูมิเนียม - 209, 3;
• บรอนซ์ - 116-186;
• สังกะสี - 106-140 ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์;
• ทองแดง - 372, 1-385, 2;
• ทองเหลือง - 81-116;
• ทอง - 308, 2;
• เงิน - 406, 1-418, 7;
• ยาง - 0, 04-0, 30;
• ไฟเบอร์กลาส - 0.03-0.07;
• อิฐ - 0, 80;
• ต้นไม้ - 0, 13;
• แก้ว - 0, 6-1, 0.

ดังนั้น ค่าการนำความร้อนของโลหะจะมีขนาดสูงกว่าค่าการนำความร้อนสำหรับฉนวน 2-3 เท่า ซึ่งเป็นตัวอย่างที่สำคัญของคำตอบสำหรับคำถามที่ว่าค่าการนำความร้อนต่ำคืออะไร

ค่าการนำความร้อนมีบทบาทสำคัญในหลายๆ อย่างกระบวนการทางอุตสาหกรรม ในบางกระบวนการ พวกเขาพยายามเพิ่มโดยใช้ตัวนำความร้อนที่ดีและเพิ่มพื้นที่สัมผัส ในขณะที่กระบวนการอื่นๆ พยายามลดการนำความร้อนโดยการลดพื้นที่สัมผัสและใช้วัสดุฉนวนความร้อน

การพาความร้อนในของเหลวและก๊าซ

การถ่ายเทความร้อนในของเหลวดำเนินการโดยกระบวนการพาความร้อน กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารระหว่างโซนที่มีอุณหภูมิต่างกัน กล่าวคือ ระหว่างการพาความร้อน ของเหลวหรือก๊าซจะถูกผสมเข้าด้วยกัน เมื่อสสารของไหลปล่อยความร้อน โมเลกุลของมันจะสูญเสียพลังงานจลน์บางส่วนและสสารจะหนาแน่นขึ้น ในทางตรงกันข้าม เมื่อสสารของไหลถูกทำให้ร้อน โมเลกุลของมันจะเพิ่มพลังงานจลน์ การเคลื่อนที่จะรุนแรงขึ้นตามลำดับ ปริมาตรของสสารเพิ่มขึ้น และความหนาแน่นลดลง นั่นคือสาเหตุที่ชั้นของสสารเย็นมักจะตกลงมาภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง และชั้นที่ร้อนก็พยายามที่จะลุกขึ้น กระบวนการนี้ส่งผลให้เกิดการผสมของสสาร ทำให้การถ่ายเทความร้อนระหว่างชั้นของสสารง่ายขึ้น

การนำความร้อนของของเหลวบางชนิด

หากคุณตอบคำถามว่าค่าการนำความร้อนของน้ำคืออะไร ควรเข้าใจว่าเป็นเพราะกระบวนการพาความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนคือ 0.58 J/(smK)

สำหรับของเหลวอื่น ๆ ค่านี้แสดงอยู่ด้านล่าง:

• เอทิลแอลกอฮอล์ - 0.17;
• อะซิโตน - 0, 16;
• กลีเซอรอล - 0, 28.

นั่นคือค่านิยมค่าการนำความร้อนสำหรับของเหลวเทียบได้กับการนำความร้อนที่เป็นของแข็ง

พาลมร้อนในบรรยากาศ

การหมุนเวียนของบรรยากาศมีความสำคัญเพราะมันทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น ลม พายุไซโคลน การก่อตัวของเมฆ ฝน และอื่นๆ กระบวนการทั้งหมดนี้เป็นไปตามกฎทางกายภาพของอุณหพลศาสตร์

ในกระบวนการพาความร้อนในบรรยากาศ วัฏจักรของน้ำสำคัญที่สุด ที่นี่เราควรพิจารณาคำถามที่ว่าการนำความร้อนและความจุความร้อนของน้ำคืออะไร ความจุความร้อนของน้ำเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นปริมาณทางกายภาพที่แสดงว่าต้องถ่ายเทความร้อนเท่าใดไปยังน้ำ 1 กิโลกรัมเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นหนึ่งองศา เท่ากับ 4220 J.

วัฏจักรของน้ำดำเนินการดังนี้: ดวงอาทิตย์ทำให้น้ำทะเลร้อนขึ้นและน้ำบางส่วนระเหยสู่ชั้นบรรยากาศ เนื่องจากกระบวนการพาความร้อน ไอน้ำจึงสูงขึ้นมาก เย็นลง มีเมฆและก่อตัวเป็นเมฆ ซึ่งนำไปสู่การตกตะกอนในรูปของลูกเห็บหรือฝน