O fenômeno da condutividade térmica é a transferência de energia na forma de calor em contato direto de dois corpos sem qualquer troca de matéria ou com sua troca. Nesse caso, a energia passa de um corpo ou área do corpo com temperatura mais alta para um corpo ou área com temperatura mais baixa. A característica física que determina os parâmetros de transferência de calor é a condutividade térmica. O que é condutividade térmica e como ela é descrita na física? Este artigo responderá a essas perguntas.
Conceito geral de condutividade térmica e sua natureza
Se você responder em termos simples a questão do que é a condutividade térmica na física, então deve-se dizer que a transferência de calor entre dois corpos ou áreas diferentes do mesmo corpo é um processo de troca interna de energia entre as partículas que compõem o corpo (moléculas, átomos, elétrons e íons). A própria energia interna consiste em duas partes importantes: energia cinética e energia potencial.
O que é condutividade térmica na física do ponto de vista da natureza destavalores? Em um nível microscópico, a capacidade dos materiais de conduzir calor depende de sua microestrutura. Por exemplo, para líquidos e gases, esse processo físico ocorre devido a colisões caóticas entre moléculas; em sólidos, a maior parte do calor transferido recai sobre a troca de energia entre elétrons livres (em sistemas metálicos) ou fônons (substâncias não metálicas).), que são vibrações mecânicas da rede cristalina.
Representação matemática da condutividade térmica
Vamos responder a questão do que é condutividade térmica, do ponto de vista matemático. Se tomarmos um corpo homogêneo, a quantidade de calor transferida através dele em uma determinada direção será proporcional à área da superfície perpendicular à direção da transferência de calor, à condutividade térmica do próprio material e à diferença de temperatura nas extremidades do corpo. corpo, e também será inversamente proporcional à espessura do corpo.
O resultado é a fórmula: Q/t=kA(T2-T1)/x, aqui Q/t - calor (energia) transferido através do corpo no tempo t, k - coeficiente de condutividade térmica do material do qual o corpo considerado é feito, A - área da seção transversal do corpo, T2 -T 1 - diferença de temperatura nas extremidades do corpo, com T2>T1, x - espessura do corpo através do qual o calor Q é transferido.
Métodos de transferência de energia térmica
Considerando a questão de qual é a condutividade térmica dos materiais, devemos mencionar os possíveis métodos de transferência de calor. A energia térmica pode ser transferida entre diferentes corpos usandoseguintes processos:
- condutividade - este processo ocorre sem transferência de matéria;
- convecção - a transferência de calor está diretamente relacionada ao movimento da própria matéria;
- radiação - a transferência de calor é realizada devido à radiação eletromagnética, ou seja, com a ajuda de fótons.
Para que o calor seja transferido pelos processos de condução ou convecção, é necessário o contato direto entre diferentes corpos, com a diferença de que no processo de condução não há movimento macroscópico da matéria, mas no processo de convecção este movimento está presente. Observe que o movimento microscópico ocorre em todos os processos de transferência de calor.
Para temperaturas normais de várias dezenas de graus Celsius, pode-se dizer que a convecção e a condução são responsáveis pela maior parte do calor transferido, e a quantidade de energia transferida no processo de radiação é insignificante. No entanto, a radiação começa a desempenhar um papel importante no processo de transferência de calor em temperaturas de várias centenas e milhares de Kelvin, uma vez que a quantidade de energia Q transferida dessa forma aumenta proporcionalmente à 4ª potência da temperatura absoluta, ou seja, ∼ T 4. Por exemplo, nosso sol perde a maior parte de sua energia através da radiação.
Condutividade térmica de sólidos
Como nos sólidos cada molécula ou átomo está em uma determinada posição e não pode sair dela, a transferência de calor por convecção é impossível, e o único processo possível écondutividade. Com o aumento da temperatura corporal, a energia cinética de suas partículas constituintes aumenta, e cada molécula ou átomo começa a oscilar mais intensamente. Este processo leva à sua colisão com moléculas ou átomos vizinhos, como resultado de tais colisões a energia cinética é transferida de partícula para partícula até que todas as partículas do corpo sejam cobertas por este processo.
Como resultado do mecanismo microscópico descrito, quando uma extremidade de uma haste de metal é aquecida, a temperatura se equilibra em toda a haste após algum tempo.
O calor não é transferido igualmente em diferentes materiais sólidos. Portanto, existem materiais que possuem boa condutividade térmica. Eles conduzem facilmente e rapidamente o calor por si mesmos. Mas também existem maus condutores de calor ou isolantes através dos quais pouco ou nenhum calor pode passar.
Coeficiente de condutividade térmica para sólidos
O coeficiente de condutividade térmica para sólidos k tem o seguinte significado físico: indica a quantidade de calor que passa por unidade de tempo através de uma unidade de área de superfície em qualquer corpo de espessura unitária e comprimento e largura infinitos com uma diferença de temperatura em suas extremidades igual a um grau. No sistema internacional de unidades SI, o coeficiente k é medido em J/(smK).
Este coeficiente em sólidos depende da temperatura, por isso é costume determiná-lo a uma temperatura de 300 K para comparar a capacidade de conduzir calorvários materiais.
Coeficiente de condutividade térmica para metais e materiais duros não metálicos
Todos os metais, sem exceção, são bons condutores de calor, por cuja transferência são responsáveis pelo gás de elétrons. Por sua vez, materiais iônicos e covalentes, assim como materiais com estrutura fibrosa, são bons isolantes térmicos, ou seja, conduzem mal o calor. Para completar a divulgação da questão do que é condutividade térmica, deve-se notar que este processo requer a presença obrigatória de matéria se for realizado por convecção ou condução, portanto, no vácuo, o calor só pode ser transferido devido a radiação eletromagnética.
A lista abaixo mostra os valores dos coeficientes de condutividade térmica para alguns metais e não metais em J/(smK):
- aço - 47-58 dependendo do grau do aço;
- alumínio - 209, 3;
- bronze - 116-186;
- zinco - 106-140 dependendo da pureza;
- cobre - 372, 1-385, 2;
- bronze - 81-116;
- ouro - 308, 2;
- prata - 406, 1-418, 7;
- borracha - 0, 04-0, 30;
- fibra de vidro - 0,03-0,07;
- tijolo - 0, 80;
- árvore - 0, 13;
- vidro - 0, 6-1, 0.
Assim, a condutividade térmica dos metais é 2-3 ordens de grandeza superior aos valores de condutividade térmica dos isolantes, que são um excelente exemplo da resposta à pergunta sobre o que é baixa condutividade térmica.
O valor da condutividade térmica desempenha um papel importante em muitosprocesso industrial. Em alguns processos buscam aumentá-la utilizando bons condutores de calor e aumentando a área de contato, enquanto em outros tentam reduzir a condutividade térmica reduzindo a área de contato e utilizando materiais isolantes térmicos.
Convecção em líquidos e gases
A transferência de calor em fluidos é realizada pelo processo de convecção. Este processo envolve o movimento de moléculas de uma substância entre zonas com temperaturas diferentes, ou seja, durante a convecção, um líquido ou gás é misturado. Quando a matéria fluida libera calor, suas moléculas perdem parte de sua energia cinética e a matéria se torna mais densa. Pelo contrário, quando a matéria fluida é aquecida, suas moléculas aumentam sua energia cinética, seu movimento se torna mais intenso, respectivamente, o volume da matéria aumenta e a densidade diminui. É por isso que as camadas frias de matéria tendem a cair sob a influência da gravidade, e as camadas quentes tentam subir. Esse processo resulta na mistura da matéria, facilitando a transferência de calor entre suas camadas.
A condutividade térmica de alguns líquidos
Se você responder à pergunta sobre qual é a condutividade térmica da água, deve-se entender que ela se deve ao processo de convecção. O coeficiente de condutividade térmica para ele é 0,58 J/(smK).
Para outros líquidos, este valor está listado abaixo:
- álcool etílico - 0,17;
- acetona - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
Ou seja, os valoresas condutividades térmicas para líquidos são comparáveis às dos isolantes térmicos sólidos.
Convecção na atmosfera
A convecção atmosférica é importante porque causa fenômenos como ventos, ciclones, formação de nuvens, chuva e outros. Todos esses processos obedecem às leis físicas da termodinâmica.
Entre os processos de convecção na atmosfera, o mais importante é o ciclo da água. Aqui devemos considerar as questões de qual é a condutividade térmica e a capacidade calorífica da água. A capacidade calorífica da água é entendida como uma quantidade física que mostra quanto calor deve ser transferido para 1 kg de água para que sua temperatura aumente em um grau. É igual a 4220 J.
O ciclo da água é realizado da seguinte forma: o sol aquece as águas dos oceanos e parte da água evapora para a atmosfera. Devido ao processo de convecção, o vapor d'água sobe a uma grande altura, esfria, formam-se nuvens e nuvens, que levam à precipitação na forma de granizo ou chuva.
