Conducția termică este transferul căldurii (energia internă) prin ciocniri microscopice ale particulelor și mișcarea electronilor în interiorul unui corp. Obiectele care se ciocnesc microscopic, care includ molecule, atomi și electroni, transferă energia cinetică și potențială microscopică dezorganizată, cunoscută în comun ca energie internă. Conducția are loc în toate fazele materiei, incluzând solide, lichide, gaze și unde. Rata la care energia este transferată sub formă de căldură între două corpuri este o funcție a diferenței de temperatură (gradient de temperatură) dintre cele două corpuri și a proprietăților mediului conductiv prin care se transferă căldura. Conducția termică a fost denumită inițial difuzie. Conducția: transferul căldurii prin contact direct.
Căldura se transferă spontan de la un corp mai cald la un corp mai rece. De exemplu, căldura este transferată de la plita electrică a unei sobe electrică la fundul unei cratițe în contact cu ea. În absența unei surse externe de energie, în interiorul unui corp sau între corpuri, diferențele de temperatură scad în timp, iar echilibrul termic este realizat, temperatura devenind mai uniformă.
În conducție, fluxul de căldură este în interiorul și prin corpul însuși. În schimb, în transferul de căldură prin radiație termică, transferul este adesea între corpuri, care pot fi separate spațial. Este posibil și transferul de căldură printr-o combinație între conducție și radiații termice. În convecție, energia internă este transportată între corpuri de un purtător de materie în mișcare. În solide, conducția este mediată de combinația de vibrații și coliziuni ale moleculelor, de propagarea și coliziunile fononilor și de difuzia și coliziunile electronilor liberi. În gaze și lichide, conducția se datorează coliziunilor și difuziei moleculelor în timpul mișcării lor aleatorii. Fotonii în acest context nu se ciocnesc unul cu celălalt și astfel transportul de căldură prin radiație electromagnetică este conceptual diferit de conduceția căldurii prin difuzie microscopică și coliziuni ale particulelor materialelor și fononilor. Dar distincția nu este ușor de observat, cu excepția cazului în care materialul este semi-transparent.
În științele inginerești, transferul de căldură include procesele de radiație termică, convecție și, uneori, transferul de masă. De obicei, mai mult de unul dintre aceste procese are loc într-o anumită situație. Simbolul convențional pentru proprietatea materialului, conductivitatea termică, este k.
Prezentare generală
La scară microscopică, conducția are loc în interiorul unui corp considerat staționar; aceasta înseamnă că energiile cinetice și potențiale ale mișcării în masă a corpului sunt luate în considerare separat. Energia internă se difuzează pe măsură ce atomii și moleculele care se mișcă rapid sau vibrează interacționează cu particulele vecine, transferând unele dintre energiile lor cinetice și potențiale microscopice, aceste cantități fiind definite în raport cu cea mai mare parte a corpului considerat staționar. Căldura este transferată prin conducție când atomii sau moleculele adiacente se ciocnesc sau mai mulți electroni se mișcă înainte și înapoi de la atom la atom într-un mod dezorganizat, astfel încât să nu formeze un curent electric macroscopic, sau când fotonul se ciocnește și se împrăștie. Conducția este cel mai semnificativ mijloc de transfer de căldură în interiorul unui solid sau între obiecte solide în contact termic. Conducția este mai mare în materii solide deoarece rețeaua de relații spațiale relativ strânse între atomi ajută la transferul de energie între ele prin vibrații.
Fluidele (și în special gazele) sunt mai puțin conductive. Acest lucru se datorează distanței mari dintre atomi într-un gaz: mai puține coliziuni între atomi înseamnă conducție mai redusă. La densități scăzute, conductivitatea gazelor poate fi derivată din teoria cinetică utilizând sfere rigide, neinteractive și rafinate utilizând teoria cinetică a gazelor Chapman-Enskog. Conductivitatea gazelor crește cu temperatura. Conductivitatea crește odată cu creșterea presiunii de la vid până la punctul critic, astfel încât densitatea gazului este de așa natură încât moleculele gazului ar trebui să se ciocnească între ele înainte de transferul căldurii de la o suprafață la alta. După acest punct, conductivitatea crește doar usor cu creșterea presiunii și a densității.
Conductanța contactului termic este studiul conducției termice între corpurile solide în contact. O scădere a temperaturii este adesea observată la interfața dintre cele două suprafețe în contact. Acest fenomen este declarat a fi rezultatul unei rezistențe de contact termic existent între suprafețele de contact. Rezistența termică interfacială este o măsură a rezistenței unei interfețe la fluxul termic. Această rezistență termică diferă de rezistența la contact, deoarece există chiar și la interfețele atomice perfecte. Înțelegerea rezistenței termice la interfața dintre două materiale are o importanță primară în studierea proprietăților sale termice. Interfețele contribuie adesea în mod semnificativ la proprietățile observate ale materialelor.
Transferul intermolecular al energiei ar putea fi în primul rând prin impact elastic, ca și în fluide sau prin difuzie electronică liberă, ca în metale, sau prin vibrații fononice, ca în izolatoare. În izolatori, fluxul de căldură este purtat aproape în întregime de vibrațiile fononice.
Metalele (de exemplu, cupru, platină, aur, etc.) sunt, de obicei, conductori buni ai energiei termice. Acest lucru se datorează faptului că metalele se leagă chimic: legăturile metalice (spre deosebire de legăturile covalente sau ionice) au electroni care se mișcă liber care transferă rapid energia termică prin metal. Fluidul de electroni al unui solid metalic conductiv conduce cea mai mare parte a fluxului de căldură prin solid. Fluxul de fononi este încă prezent, dar transportă mai puțin din energie. Electronii conduc, de asemenea, curent electric prin solidele conductive, iar conductivitățile termice și electrice ale majorității metalelor au aproximativ același raport. Un conductor electric bun, cum ar fi cuprul, conduce de asemenea căldură bine. Termoelectricitatea este cauzată de interacțiunea dintre fluxul de căldură și curentul electric. Conducția căldurii în interiorul unui solid este direct analoagă difuziei particulelor în interiorul unui fluid, în situația în care nu există curenți ai fluidului.
Pentru a cuantifica ușurința cu care conduce un anumit mediu, inginerii folosesc conductivitatea termică, cunoscută și sub numele de constanta de conductivitate sau coeficientul de conducție, k. În conductivitatea termică, k este definită drept „cantitatea de căldură Q transmisă în timp (t) printr-o grosime (L), într-o direcție normală la o suprafață a zonei (A), datorită unei diferențe de temperatură (ΔT) […]“. Conductivitatea termică este o proprietate materială care depinde în primul rând de faza, temperatura, densitatea și legătura moleculară a mediului. Efuzivitatea termică este o cantitate derivată din conductivitate, care este o măsură a capacității sale de a schimba energia termică cu împrejurimile sale.
Traducere din Wikipedia
Lasă un răspuns