თბოგამტარობის ფენომენი არის ენერგიის გადაცემა სითბოს სახით ორი სხეულის უშუალო კონტაქტში მატერიის ყოველგვარი გაცვლის ან მისი გაცვლის გარეშე. ამ შემთხვევაში, ენერგია გადადის სხეულის ერთი სხეულისგან ან სხეულის ფართობიდან უფრო მაღალი ტემპერატურით სხეულზე ან უფრო დაბალი ტემპერატურის ზონაში. ფიზიკური მახასიათებელი, რომელიც განსაზღვრავს სითბოს გადაცემის პარამეტრებს, არის თბოგამტარობა. რა არის თბოგამტარობა და როგორ არის აღწერილი ფიზიკაში? ეს სტატია გასცემს პასუხს ამ კითხვებზე.
თბოგამტარობის ზოგადი კონცეფცია და მისი ბუნება
თუ მარტივად უპასუხებთ კითხვას, თუ რა არის თბოგამტარობა ფიზიკაში, მაშინ უნდა ითქვას, რომ სითბოს გადაცემა ორ სხეულს შორის ან ერთი და იმავე სხეულის სხვადასხვა უბანს შორის არის ენერგიის შინაგანი გაცვლის პროცესი ნაწილაკებს შორის. ქმნიან სხეულს (მოლეკულები, ატომები, ელექტრონები და იონები). შინაგანი ენერგია თავისთავად შედგება ორი მნიშვნელოვანი ნაწილისგან: კინეტიკური ენერგია და პოტენციური ენერგია.
რა არის თბოგამტარობა ფიზიკაში ამის ბუნების თვალსაზრისითღირებულებები? მიკროსკოპულ დონეზე მასალების სითბოს გატარების უნარი დამოკიდებულია მათ მიკროსტრუქტურაზე. მაგალითად, სითხეებისა და აირების შემთხვევაში, ეს ფიზიკური პროცესი ხდება მოლეკულებს შორის ქაოტური შეჯახების გამო; მყარ სხეულებში გადაცემული სითბოს ძირითადი წილი მოდის ენერგიის გაცვლაზე თავისუფალ ელექტრონებს (მეტალურ სისტემებში) ან ფონონებს (არამეტალური ნივთიერებები) შორის.), რომლებიც ბროლის გისოსის მექანიკური ვიბრაციებია.
თბოგამტარობის მათემატიკური წარმოდგენა
მოდით ვუპასუხოთ კითხვას, რა არის თბოგამტარობა მათემატიკური თვალსაზრისით. თუ ავიღებთ ერთგვაროვან სხეულს, მაშინ მასში მოცემული მიმართულებით გადაცემული სითბოს რაოდენობა პროპორციული იქნება სითბოს გადაცემის მიმართულების პერპენდიკულარული ზედაპირის, თავად მასალის თბოგამტარობისა და ტემპერატურის სხვაობისა ბოლოებში. სხეული, და ასევე იქნება სხეულის სისქის უკუპროპორციული.
შედეგი არის ფორმულა: Q/t=kA(T2-T1)/x, აქ Q/t - სხეულში გადაცემული სითბო (ენერგია) t დროში, k - მასალის თბოგამტარობის კოეფიციენტი, საიდანაც მზადდება განხილული სხეული, A - სხეულის განივი კვეთის ფართობი, T2. -T 1 - ტემპერატურის სხვაობა სხეულის ბოლოებში, T2>T1, x - სხეულის სისქე, რომლის მეშვეობითაც სითბო Q გადადის.
თერმული ენერგიის გადაცემის მეთოდები
იმის გათვალისწინებით, თუ რა არის მასალების თბოგამტარობა, უნდა აღვნიშნოთ სითბოს გადაცემის შესაძლო მეთოდები. თერმული ენერგიის გადაცემა შესაძლებელია სხვადასხვა სხეულებს შორის გამოყენებითშემდეგი პროცესები:
- გამტარობა - ეს პროცესი მიმდინარეობს მატერიის გადაცემის გარეშე;
- კონვექცია - სითბოს გადაცემა პირდაპირ კავშირშია თავად მატერიის მოძრაობასთან;
- გამოსხივება - სითბოს გადაცემა ხორციელდება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების, ანუ ფოტონების დახმარებით.
იმისთვის, რომ სითბო გადავიდეს გამტარობის ან კონვექციის პროცესების გამოყენებით, საჭიროა პირდაპირი კონტაქტი სხვადასხვა სხეულებს შორის, იმ განსხვავებით, რომ გამტარობის პროცესში არ ხდება მატერიის მაკროსკოპული მოძრაობა, არამედ ეს მოძრაობა არის კონვექცია. გაითვალისწინეთ, რომ მიკროსკოპული მოძრაობა ხდება სითბოს გადაცემის ყველა პროცესში.
ნორმალური ტემპერატურისთვის რამდენიმე ათეული გრადუსი ცელსიუსით, შეიძლება ითქვას, რომ კონვექცია და გამტარობა შეადგენს გადაცემული სითბოს ძირითად ნაწილს და გამოსხივების პროცესში გადაცემული ენერგიის რაოდენობა უმნიშვნელოა. თუმცა, რადიაცია იწყებს მთავარ როლს სითბოს გადაცემის პროცესში რამდენიმე ასეული ათასი კელვინის ტემპერატურაზე, რადგან ამ გზით გადაცემული ენერგიის რაოდენობა Q იზრდება აბსოლუტური ტემპერატურის მე-4 ხარისხთან პროპორციულად, ანუ ~ T. 4. მაგალითად, ჩვენი მზე ენერგიის უმეტეს ნაწილს კარგავს რადიაციის საშუალებით.
მყარი ნივთიერებების თბოგამტარობა
ვინაიდან მყარ სხეულებში თითოეული მოლეკულა ან ატომი გარკვეულ მდგომარეობაშია და ვერ ტოვებს მას, სითბოს გადაცემა კონვექციით შეუძლებელია და ერთადერთი შესაძლო პროცესიაგამტარობა. სხეულის ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მისი შემადგენელი ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია იზრდება და თითოეული მოლეკულა ან ატომი იწყებს უფრო ინტენსიურ რხევას. ეს პროცესი იწვევს მათ შეჯახებას მეზობელ მოლეკულებთან ან ატომებთან, ასეთი შეჯახების შედეგად კინეტიკური ენერგია გადადის ნაწილაკიდან ნაწილაკზე, სანამ სხეულის ყველა ნაწილაკი არ დაიფარება ამ პროცესით.
აღწერილი მიკროსკოპული მექანიზმის შედეგად, როდესაც ლითონის ღეროს ერთი ბოლო თბება, გარკვეული პერიოდის შემდეგ ტემპერატურა ტოლდება მთელ ღეროზე.
სითბო არ გადადის თანაბრად სხვადასხვა მყარ მასალაში. ასე რომ, არის მასალები, რომლებსაც აქვთ კარგი თბოგამტარობა. ისინი ადვილად და სწრაფად ატარებენ სითბოს საკუთარ თავში. მაგრამ ასევე არის ცუდი სითბოს გამტარები ან იზოლატორები, რომლებშიც მცირე ან საერთოდ არ გადის სითბო.
თბოგამტარობის კოეფიციენტი მყარი სხეულებისთვის
თბოგამტარობის კოეფიციენტს k მყარი სხეულებისთვის აქვს შემდეგი ფიზიკური მნიშვნელობა: ის მიუთითებს სითბოს რაოდენობაზე, რომელიც გადის დროში ერთეული ზედაპირის ფართობზე ერთეული სისქის ნებისმიერ სხეულში და უსასრულო სიგრძე და სიგანე, ტემპერატურის სხვაობით მისი ბოლოები უდრის ერთ გრადუსს. SI ერთეულების საერთაშორისო სისტემაში k კოეფიციენტი იზომება J/(smK).
მყარ სხეულებში ეს კოეფიციენტი დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, ამიტომ ჩვეულებრივია მისი დადგენა 300 K ტემპერატურაზე, რათა შევადაროთ სითბოს გატარების უნარი.სხვადასხვა მასალა.
თბოგამტარობის კოეფიციენტი ლითონებისა და არალითონური მყარი მასალებისთვის
ყველა ლითონი, გამონაკლისის გარეშე, სითბოს კარგი გამტარია, რომლის გადაცემაზეც ისინი პასუხისმგებელნი არიან ელექტრონულ გაზზე. თავის მხრივ, იონური და კოვალენტური მასალები, ისევე როგორც ბოჭკოვანი სტრუქტურის მქონე მასალები, კარგი სითბოს იზოლატორებია, ანუ ისინი ცუდად ატარებენ სითბოს. იმისათვის, რომ დავასრულოთ კითხვა, თუ რა არის თბოგამტარობა, უნდა აღინიშნოს, რომ ეს პროცესი მოითხოვს ნივთიერების სავალდებულო არსებობას, თუ იგი ხორციელდება კონვექციის ან გამტარობის გამო, ამიტომ ვაკუუმში სითბოს გადაცემა შესაძლებელია მხოლოდ იმის გამო. ელექტრომაგნიტური გამოსხივება.
ქვემო სია აჩვენებს თბოგამტარობის კოეფიციენტების მნიშვნელობებს ზოგიერთი ლითონისა და არალითონისთვის J/(smK):
- ფოლადი - 47-58 დამოკიდებულია ფოლადის კლასის მიხედვით;
- ალუმინი - 209, 3;
- ბრინჯაო - 116-186;
- თუთია - 106-140 სისუფთავის მიხედვით;
- სპილენძი - 372, 1-385, 2;
- სპილენძი - 81-116;
- ოქრო - 308, 2;
- ვერცხლი - 406, 1-418, 7;
- რეზინი - 0, 04-0, 30;
- ბოჭკოვანი მინა - 0.03-0.07;
- აგური - 0, 80;
- ხე - 0, 13;
- მინა - 0, 6-1, 0.
ამგვარად, ლითონების თბოგამტარობა 2-3 ბრძანებით აღემატება თბოგამტარობის მნიშვნელობებს იზოლატორებისთვის, რაც არის პასუხის მთავარი მაგალითი კითხვაზე, რა არის დაბალი თბოგამტარობა.
თერმული კონდუქტომეტრის მნიშვნელობა ბევრში მნიშვნელოვან როლს თამაშობსსამრეწველო პროცესები. ზოგიერთ პროცესში ისინი ცდილობენ მის გაზრდას კარგი სითბოს გამტარების გამოყენებით და კონტაქტის არეალის გაზრდით, ზოგიერთში კი ცდილობენ შეამცირონ თბოგამტარობა კონტაქტის არეალის შემცირებით და თბოიზოლაციის მასალების გამოყენებით.
კონვექცია სითხეებსა და აირებში
სითხეებში სითბოს გადაცემა ხდება კონვექციის პროცესით. ეს პროცესი გულისხმობს ნივთიერების მოლეკულების მოძრაობას სხვადასხვა ტემპერატურულ ზონებს შორის, ანუ კონვექციის დროს ხდება სითხის ან აირის შერევა. როდესაც თხევადი მატერია ათავისუფლებს სითბოს, მისი მოლეკულები კარგავენ კინეტიკურ ენერგიას და მატერია უფრო მკვრივი ხდება. პირიქით, როდესაც თხევადი მატერია თბება, მისი მოლეკულები ზრდის მათ კინეტიკურ ენერგიას, მათი მოძრაობა უფრო ინტენსიური ხდება, შესაბამისად, მატულობს მატერიის მოცულობა და მცირდება სიმკვრივე. სწორედ ამიტომ, მატერიის ცივი ფენები მიდრეკილია ვარდნას გრავიტაციის გავლენის ქვეშ, ხოლო ცხელი ფენები ამაღლებას ცდილობენ. ეს პროცესი იწვევს მატერიის შერევას, რაც ხელს უწყობს სითბოს გადაცემას მის ფენებს შორის.
ზოგიერთი სითხის თბოგამტარობა
თუ თქვენ უპასუხებთ კითხვას, რა არის წყლის თბოგამტარობა, უნდა გვესმოდეს, რომ ეს გამოწვეულია კონვექციის პროცესით. თბოგამტარობის კოეფიციენტი მისთვის არის 0,58 J/(smK).
სხვა სითხეებისთვის ეს მნიშვნელობა ჩამოთვლილია ქვემოთ:
- ეთილის სპირტი - 0,17;
- აცეტონი - 0, 16;
- გლიცეროლი - 0, 28.
ეს არის მნიშვნელობებისითხეების თბოგამტარობა შედარებულია მყარი თბოიზოლატორებისთვის.
კონვექცია ატმოსფეროში
ატმოსფერული კონვექცია მნიშვნელოვანია, რადგან ის იწვევს ისეთ მოვლენებს, როგორიცაა ქარები, ციკლონები, ღრუბლების წარმოქმნა, წვიმა და სხვა. ყველა ეს პროცესი ემორჩილება თერმოდინამიკის ფიზიკურ კანონებს.
ატმოსფეროში კონვექციის პროცესებს შორის ყველაზე მნიშვნელოვანია წყლის ციკლი. აქ უნდა განვიხილოთ კითხვები, თუ რა არის წყლის თბოგამტარობა და სითბოს სიმძლავრე. წყლის სითბოს სიმძლავრე გაგებულია, როგორც ფიზიკური სიდიდე, რომელიც გვიჩვენებს, თუ რამდენი სითბო უნდა გადავიდეს 1 კგ წყალზე ისე, რომ მისი ტემპერატურა გაიზარდოს ერთი გრადუსით. ის უდრის 4220 J.
წყლის ციკლი ხორციელდება შემდეგნაირად: მზე ათბობს ოკეანეების წყლებს, ხოლო წყლის ნაწილი ორთქლდება ატმოსფეროში. კონვექციის პროცესის გამო წყლის ორთქლი ადის დიდ სიმაღლეზე, კლებულობს, წარმოიქმნება ღრუბლები და ღრუბლები, რაც იწვევს ნალექებს სეტყვის ან წვიმის სახით.
