Conductivitate termică: definiție, unități, ecuație și exemplu

Când treci peste covor într-o zi rece de iarnă, nu-ți este frig până la picioare. Cu toate acestea, odată ce ai pășit pe pardoseala din gresie din baie, picioarele tale se simt instantaneu reci. Cele două etaje sunt cumva diferite temperaturi?

Cu siguranță nu te-ai aștepta ca acestea să fie, având în vedere ceea ce știi despre echilibrul termic. Deci, de ce se simt atât de diferit? Motivul are legătură cu conductivitatea termică.

Căldura este energie care se transferă între două materiale din cauza diferențelor de temperatură. Căldura curge de la obiectul de temperatură mai mare la obiectul de temperatură mai scăzută până când se atinge echilibrul termic. Metodele de transfer de căldură includ conducerea termică, convecția și radiația.

Termicconducereaeste modul discutat mai detaliat mai târziu în acest articol, dar pe scurt este transferul de căldură prin contact direct. În esență, moleculele din obiectul mai cald își transferă energia către moleculele din obiectul mai rece prin coliziuni până când ambele obiecte au aceeași temperatură.

Înconvecție, căldura este transferată prin mișcare. Imaginați-vă aerul din casa dvs. într-o zi rece de iarnă. Ați observat că majoritatea încălzitoarelor sunt situate de obicei lângă podea? Pe măsură ce încălzitoarele încălzesc aerul, acel aer se extinde. Când se extinde, devine mai puțin dens și astfel se ridică deasupra aerului mai rece. Aerul mai rece este apoi aproape de încălzitor, astfel încât aerul se poate încălzi, extinde și așa mai departe. Acest ciclu creează curenți de convecție și determină dispersarea energiei termice prin aerul din cameră prin amestecarea aerului pe măsură ce este încălzit.

Atomii și moleculele eliberează electromagneticradiații, care este o formă de energie care poate călători prin vidul spațiului. Acesta este modul în care energia termică dintr-un foc cald ajunge la tine și modul în care energia termică de la soare își face drum spre Pământ.

Conductivitatea termică este o măsură a cât de ușor se deplasează energia termică printr-un material sau cât de bine poate transfera căldura acel material. Cât de bine se produce conducerea căldurii depinde de proprietățile termice ale materialului.

Luați în considerare podeaua din gresie din exemplul de la început. Este un conductor mai bun decât covorul. Puteți spune doar prin simțire. Când picioarele tale sunt pe podeaua din gresie, căldura te lasă mult mai repede decât atunci când ești pe covor. Acest lucru se datorează faptului că faianța permite căldurii de la picioare să se deplaseze prin ea mult mai repede.

La fel ca capacitatea de căldură specifică și căldurile latente, conductivitatea este o proprietate specifică materialului la îndemână. Este notat cu litera greacă κ (kappa) și este, de obicei, căutat într-un tabel. Unitățile SI de conductivitate sunt wați / metru × Kelvin (W / mK).

Obiectele cu conductivitate termică ridicată sunt conductori buni, în timp ce obiectele cu conductivitate termică scăzută sunt izolați buni. Aici este prezentat un tabel al valorilor conductivității termice.

După cum puteți vedea, obiectele care se simt adesea „reci” la atingere, cum ar fi metalele, sunt conductori buni. Rețineți, de asemenea, cât de bun este un aer izolator termic. Acesta este motivul pentru care jachetele mari pufoase te țin la cald iarna: prind un strat mare de aer în jurul tău. Styrofoam este, de asemenea, un excelent izolator, motiv pentru care este folosit pentru a menține mâncarea și băuturile calde sau reci.

Pe măsură ce căldura se difuzează prin material, există un gradient de temperatură în material de la capătul cel mai apropiat de sursa de căldură până la capătul cel mai îndepărtat de acesta.

Pe măsură ce căldura se deplasează prin material și înainte ca echilibrul să fie atins, capătul cel mai apropiat de căldură sursa va fi cea mai caldă, iar temperatura va scădea liniar la cel mai scăzut nivel de la distanță Sfârșit. Pe măsură ce materialul se apropie de echilibru, totuși, acest gradient se aplatizează.

Cât de bine se poate mișca căldura, deși un obiect depinde nu numai de conductivitatea acelui obiect, ci și de dimensiunea și forma obiectului. Imaginați-vă o tijă lungă de metal care conduce căldura de la un capăt la altul. Cantitatea de energie termică care poate trece deși pe unitate de timp va depinde de lungimea tijei, precum și de cât de mare este în jurul tijei. Aici intră în joc noțiunea de conductanță termică.

Conductanța termică a unui material, cum ar fi o tijă de fier, este dată de formula:

UndeAeste aria secțiunii transversale a materialului,Leste lungimea și κ este conductivitatea termică. Unitățile SI de conductanță sunt W / K (wați pe Kelvin). Aceasta permite interpretarea lui κ ca conductanța termică a unei unități de suprafață pe unitate de grosime.

În schimb, rezistența termică este dată de:

Acesta este pur și simplu inversul conductanței. Rezistența este o măsură a cantității de opoziție cu energia termică care trece. Rezistivitatea termică este de asemenea definită ca 1 / κ.

Viteza la care energia termicăÎse deplasează prin lungimeLa materialului atunci când diferența de temperatură dintre capete esteΔTeste dat de formula:

Acest lucru poate fi scris și ca:

Rețineți că acest lucru este direct analog cu ceea ce se întâmplă cu curentul în conducta electrică. În conducția electrică, curentul este egal cu tensiunea împărțită la rezistența electrică. Conductivitatea electrică și curentul electric sunt similare cu conductivitatea termică și curentul, tensiunea este analogă diferenței de temperatură, iar rezistența electrică este analogă cu cea termică rezistenţă. Se aplică aceeași matematică.

​Exemplu:Un iglu semisferic format din gheață are o rază interioară de 3 m și o grosime de 0,4 m. Căldura scapă de iglu cu o rată care depinde de conductivitatea termică a gheții, κ = 1,6 W / mK. Cu ce ​​viteză trebuie să fie generată continuu energia termică în interiorul igluului pentru a menține o temperatură de 5 grade Celsius în interiorul igluului atunci când este -30 C în exterior?

​Soluţie:Ecuația corectă de utilizat în această situație este ecuația dinainte:

Ți se dă κ,ΔTeste doar diferența în intervalul de temperatură dintre interior și exterior șiLeste grosimea gheții.Aeste un pic mai complicat. A găsiAtrebuie să găsiți suprafața unei emisfere. Aceasta ar fi jumătate din suprafața unei sfere, care este 4πr​². Pentrur, puteți alege raza medie (raza interiorului igluului + jumătate din grosimea gheții = 3,2 m), deci zona este atunci:

Conectarea totul la ecuație dă apoi:

​Cerere:Un radiator este un dispozitiv care transferă căldura de la obiecte la temperaturi ridicate în aer sau într-un lichid care apoi transportă excesul de energie termică. Majoritatea computerelor au un radiator atașat la CPU.

Radiatorul este realizat din metal, care conduce căldura departe de procesor, iar apoi un mic ventilator circulă aerul în jurul radiatorului, provocând dispersarea energiei termice. Dacă se face corect, radiatorul permite procesorului să funcționeze într-o stare stabilă. Cât de bine funcționează radiatorul depinde de conductivitatea metalului, suprafața, grosimea și gradientul de temperatură care poate fi menținut.