Теплопроводность

Теплопрово́дность

Один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При Т. перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Если относительное изменение температуры Т на расстоянии средней длины свободного пробега (См. Длина свободного пробега) частиц l мало, то выполняется основной закон Т. (закон Фурье): плотность теплового потока (См. Тепловой поток) q пропорциональна Градиенту температуры grad T, то есть

Теплопроводность , (1)

где λ — коэффициент Т., или просто Т., не зависит от grad T [λ зависит от агрегатного состояния вещества (см. табл.), его атомно-молекулярного строения, температуры и давления, состава (в случае смеси или раствора) и т. д.].

Значения коэффициента теплопроводности λ для некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении

Вещество t, ° C λ, вт/(м×К)
 Газы                                            0            0,1655 0,1411   
 Водород                                      0            0,0239 0,0237   
 Гелий                                        0            0,0226          
 Кислород                                      -3           429                 
 Азот                                           4            403                 
 Воздух                                       0            86,5                
 Металлы                                       0            68,2                
 Серебро                                    0            35,6                
 Медь                                           0            7,82                
 Железо                                         0            0,599             
 Олово                                           0            0,190             
 Свинец                                       20              0,167             
 Жидкости                                   16              0,158             
 Ртуть                                        20              6,9                   
 Вода                                         22,5          4,6                   
 Ацетон                                      0            0,4—1 0,16— 
 Этиловый спирт                           0            0,25 0,12          
 Бензол                                      18                                   
 Минералы и материалы             18                                   
 Хлорид натрия                              18                                   
 Турмалин                                                                      
 Стекло                                                                              
 Дерево                                                                           
 Асбест                                                                          

Отклонения от закона Фурье могут появиться при очень больших значениях grad T (например, в сильных ударных волнах (См. Ударная волна)), при низких температурах (См. Низкие температуры) (для жидкого гелия Не II) и при высоких температурах порядка десятков и сотен тысяч градусов, когда в газах перенос энергии осуществляется не только в результате межатомных столкновений, но в основном за счёт излучения (лучистая Т.). В разреженных газах, когда l сравнимо с расстоянием L между стенками, ограничивающими объём газа, молекулы чаще сталкиваются со стенками, чем между собой. При этом нарушается условие применимости закона Фурье и само понятие локальной температуры газа теряет смысл. В этом случае рассматривают не процесс Т. в газе, а теплообмен между телами, находящимися в газовой среде. Процесс переноса теплоты —Т. — в сплошной среде описывается Теплопроводности уравнением.

Для идеального газа (См. Идеальный газ), состоящего из твёрдых сферических молекул диаметром d, согласно кинетической теории газов (См. Кинетическая теория газов), справедливо следующее выражение для (при Теплопроводность. Рис. 2 ):

Теплопроводность. Рис. 3 , (2)

где ρ — плотность газа, cv теплоёмкость единицы массы газа при постоянном объёме V, v̅ — средняя скорость движения молекул. Поскольку J пропорциональна 1/р, а ρ ~ р (р — давление газа), то Т. такого газа не зависит от давления. Кроме того, коэффициент Т. λ и вязкости μ связаны соотношением: Теплопроводность. Рис. 4 . В случае газа, состоящего из многоатомных молекул, существенный вклад в λ дают внутренние степени свободы молекул, что учитывает соотношение:

Теплопроводность. Рис. 5

,

где γ = ср/cv, ср — теплоёмкость при постоянном давлении. В реальных газах (См. Реальный газ)коэффициент Т. — довольно сложная функция температуры и давления, причём с ростом Т и р значение λ возрастает. Для газовых смесей λ может быть как больше, так и меньше коэффициента Т. компонентов смеси, то есть Т. — нелинейная функция состава.

В плотных газах и жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул, а кинетическая энергия движения молекул того же порядка, что и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. В связи с этим перенос энергии столкновениями происходит значительно интенсивнее, чем в разреженных газах, и скорость передачи энергии молекул от горячих изотермических слоев жидкости к более холодным близка к скорости распространения малых возмущений давления, равной скорости звука, т. е. Теплопроводность. Рис. 6 , где us — скорость звука в жидкости, Теплопроводность. Рис. 7 среднее расстояние между молекулами. Эта формула лучше всего выполняется для одноатомных жидкостей. Как правило, λ жидкостей убывает с ростом Т и слабо возрастает с ростом р. Т. твёрдых тел имеет различную природу в зависимости от типа твёрдого тела. В диэлектриках (См. Диэлектрики), не имеющих свободных электрических зарядов, перенос энергии теплового движения осуществляется Фононами — квазичастицами, квантами упругих колебаний атомов кристалла (см. Колебания кристаллической решётки, Квазичастицы). У твёрдых диэлектриков Теплопроводность. Рис. 8 , где с — теплоёмкость диэлектрика, совпадающая с теплоёмкостью газа фононов, — средняя скорость движения фононов, приблизительно равная скорости звука, Теплопроводность. Рис. 9 — средняя длина свободного пробега фононов. Существование определённого конечного значения l — следствие рассеяния фононов на фононах, на дефектах кристаллической решётки (в частности, на границах кристаллитов и на границе образца). Температурная зависимость л. определяется зависимостью от температуры с и l. При высоких температурах (T >> ΘD, где ΘDДебая температура) главным механизмом, ограничивающим l, служит фонон-фононное рассеяние, связанное с ангармонизмом колебаний атомов кристалла. фонон-фононный механизм теплосопротивления (1/λ — коэффициент теплосопротивления) возможен только благодаря процессам переброса (см. Твёрдое тело), в результате которых происходит торможение потока фононов. Чем Т выше, тем с большей вероятностью осуществляются процессы переброса, а l уменьшается: при T >> ΘD l ~ 1/T и, следовательно, λ ~ 1/T, так как с в этих условиях слабо зависит от Т. С уменьшением Т (при T << ΘD) длина свободного пробега, определяемая фонон-фононным рассеянием, резко растет ( Теплопроводность. Рис. 10 ) и, как правило, ограничивается размерами образца (R). Теплоёмкость при T << ΘD убывает ~ Т3 благодаря чему λ при понижении температуры проходит через максимум. Температура, при которой λ имеет максимум, определяется из равенства l (T) — R.

Т. металлов определяется движением и взаимодействием носителей тока — электронов проводимости. В общем случае для металла коэффициент Т. равен сумме решёточной фононной λреш и электронной λэ составляющих: λ = λэ + λреш, причём при обычных температурах, как правило, λэλреш. В процессе теплопроводности каждый электрон переносит при наличии градиента температуры энергию kT, благодаря чему отношение электронной части коэффициента Т. λэ, к электрической проводимости σ в широком интервале температур пропорционально температуре (Видемана — Франца закон):

Теплопроводность. Рис. 11 , (3)

где kБольцмана постоянная, е — заряд электрона. В связи с тем, что у большинства металлов λрешλэ, в законе Видемана — Франца можно с хорошей точностью заменить λэ на λ. Обнаруженные отклонения от равенства (3) нашли своё объяснение в неупругости столкновений электронов. У полуметаллов Bi и Sb λреш сравнима с λэ, что связано у них с малостью числа свободных электронов.

Явление переноса теплоты в полупроводниках (См. Полупроводники) сложнее, чем в диэлектриках и металлах, во-первых, в связи с тем, что для них существенны обе составляющие Т. (λэ и λреш), а, во-вторых, в связи со значительным влиянием на коэффициент Т. примесей, процессов биполярной диффузии, переноса Экситонов и др. факторов.

Влияние давления на λ твёрдых тел с хорошей точностью выражается линейной зависимостью λ от р, причём у многих металлов и минералов λ растет с ростом р.

Лит.: Лыков А. В., Теория теплопроводности, М., 1967; Рейф Ф., Статистическая физика, пер. с англ., М., 1972 (Берклеевский курс физики, т. 5); Робертс Дж., Теплота и термодинамика, пер. с англ., М.—Л., 1950; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; 3айман Дж., Принципы теории твердого тела, пер. с англ., М., 1966; Киттель Ч., Элементарная физика твердого тела, пер. с англ., М., 1965; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966.

С. П. Малышенко.

Источник: Большая советская энциклопедия на Gufo.me


Значения в других словарях

  1. теплопроводность — Тепл/о/про/во́д/н/ость/. Морфемно-орфографический словарь
  2. теплопроводность — орф. теплопроводность, -и Орфографический словарь Лопатина
  3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ — ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, переход тепла с участка тела, имеющего высокую температуру, на участок с низкой температурой. Если один конец металлического стержня поместить в пламя... Научно-технический словарь
  4. теплопроводность — ТЕПЛОПРОВ’ОДНОСТЬ, теплопроводности, мн. нет, ·жен. (физ.). Свойство тел распространять тепло от более нагретых частей к менее нагретым. Коэффициент теплопроводности. Толковый словарь Ушакова
  5. теплопроводность — -и, ж. физ. Свойство тел передавать теплоту от более нагретых мест к менее нагретым, обусловленное тепловым движением атомов (молекул) тела и их взаимодействием. Теплопроводность керамики. Коэффициент теплопроводности. Малый академический словарь
  6. Теплопроводность — Горных пород (a. heat condustance of rocks, thermoconductivity of rocks; н. Warmeleitung der Gesteine; ф. conductibilite calorifique des roches;... Горная энциклопедия
  7. теплопроводность — ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, обусловленный движением частиц (молекул, атомов, ионов, своб. электронов и др.). При... Химическая энциклопедия
  8. Теплопроводность — См. Теплота. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
  9. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ — Один из видов переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию темп-ры. При Т. перенос энергии осуществляется в результате непосредств. Физический энциклопедический словарь
  10. теплопроводность — теплопроводность ж. Свойство тел передавать тепло I 1., основанное на теплообмене между атомами и молекулами тела. Толковый словарь Ефремовой
  11. теплопроводность — Свойство материала конструкции переносить теплоту под действием разности (градиента) температур на ее поверхностях. [82] Строительная терминология
  12. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ — ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ — перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц. Приводит к выравниванию температуры тела. Большой энциклопедический словарь
  13. теплопроводность — ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, и, ж. (спец.). Свойство передавать теплоту от нагретых участков к более холодным. Толковый словарь Ожегова