El fenómeno de la conductividad térmica es la transferencia de energía en forma de calor en contacto directo de dos cuerpos sin ningún intercambio de materia o con su intercambio. En este caso, la energía pasa de un cuerpo o zona del cuerpo con mayor temperatura a un cuerpo o zona con menor temperatura. La característica física que determina los parámetros de transferencia de calor es la conductividad térmica. ¿Qué es la conductividad térmica y cómo se describe en física? Este artículo responderá estas preguntas.
Concepto general de conductividad térmica y su naturaleza
Si respondes en términos simples a la pregunta de qué es la conductividad térmica en física, entonces se debe decir que la transferencia de calor entre dos cuerpos o diferentes áreas del mismo cuerpo es un proceso de intercambio de energía interna entre las partículas que componen el cuerpo (moléculas, átomos, electrones e iones). La energía interna en sí consta de dos partes importantes: energía cinética y energía potencial.
¿Qué es la conductividad térmica en física desde el punto de vista de la naturaleza de esta¿valores? A nivel microscópico, la capacidad de los materiales para conducir el calor depende de su microestructura. Por ejemplo, para líquidos y gases, este proceso físico ocurre debido a colisiones caóticas entre moléculas; en sólidos, la mayor parte del calor transferido recae en el intercambio de energía entre electrones libres (en sistemas metálicos) o fonones (sustancias no metálicas).), que son vibraciones mecánicas de la red cristalina.
Representación matemática de la conductividad térmica
Respondamos a la pregunta de qué es la conductividad térmica, desde un punto de vista matemático. Si tomamos un cuerpo homogéneo, entonces la cantidad de calor transferido a través de él en una dirección dada será proporcional al área de superficie perpendicular a la dirección de transferencia de calor, la conductividad térmica del material mismo y la diferencia de temperatura en los extremos del cuerpo, y también será inversamente proporcional al grosor del cuerpo.
El resultado es la fórmula: Q/t=kA(T2-T1)/x, aquí Q/t - calor (energía) transferido a través del cuerpo en el tiempo t, k - coeficiente de conductividad térmica del material del que está hecho el cuerpo considerado, A - área de la sección transversal del cuerpo, T2 -T 1 - diferencia de temperatura en los extremos del cuerpo, con T2>T1, x - grosor del cuerpo a través del cual se transfiere el calor Q.
Métodos de transferencia de energía térmica
Considerando la cuestión de cuál es la conductividad térmica de los materiales, debemos mencionar los posibles métodos de transferencia de calor. La energía térmica se puede transferir entre diferentes cuerpos utilizandosiguientes procesos:
- conductividad - este proceso se lleva a cabo sin transferencia de materia;
- convección: la transferencia de calor está directamente relacionada con el movimiento de la materia misma;
- radiación: la transferencia de calor se lleva a cabo debido a la radiación electromagnética, es decir, con la ayuda de fotones.
Para que el calor se transfiera mediante los procesos de conducción o convección es necesario el contacto directo entre diferentes cuerpos, con la diferencia que en el proceso de conducción no hay movimiento macroscópico de la materia, sino en el proceso de convección este movimiento está presente. Tenga en cuenta que el movimiento microscópico tiene lugar en todos los procesos de transferencia de calor.
Para temperaturas normales de varias decenas de grados Celsius, se puede decir que la convección y la conducción representan la mayor parte del calor transferido, y la cantidad de energía transferida en el proceso de radiación es insignificante. Sin embargo, la radiación comienza a jugar un papel importante en el proceso de transferencia de calor a temperaturas de varios cientos y miles de Kelvin, ya que la cantidad de energía Q transferida de esta manera aumenta en proporción a la 4ª potencia de la temperatura absoluta, es decir, ∼ T 4. Por ejemplo, nuestro sol pierde la mayor parte de su energía a través de la radiación.
Conductividad térmica de sólidos
Como en los sólidos cada molécula o átomo está en una determinada posición y no puede salir de ella, la transferencia de calor por convección es imposible, y el único proceso posible esconductividad. Con el aumento de la temperatura corporal, aumenta la energía cinética de sus partículas constituyentes, y cada molécula o átomo comienza a oscilar con mayor intensidad. Este proceso conduce a su colisión con moléculas o átomos vecinos, como resultado de tales colisiones, la energía cinética se transfiere de una partícula a otra hasta que todas las partículas del cuerpo quedan cubiertas por este proceso.
Como resultado del mecanismo microscópico descrito, cuando se calienta un extremo de una barra de metal, la temperatura se iguala en toda la barra después de un rato.
El calor no se transfiere por igual en diferentes materiales sólidos. Entonces, hay materiales que tienen buena conductividad térmica. Conducen el calor fácil y rápidamente a través de sí mismos. Pero también hay malos conductores del calor o aislantes a través de los cuales puede pasar poco o nada de calor.
Coeficiente de conductividad térmica para sólidos
El coeficiente de conductividad térmica para sólidos k tiene el siguiente significado físico: indica la cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie en cualquier cuerpo de unidad de espesor y longitud y anchura infinitas con una diferencia de temperatura en sus extremos iguales a un grado. En el sistema internacional de unidades SI, el coeficiente k se mide en J/(smK).
Este coeficiente en sólidos depende de la temperatura, por lo que se acostumbra determinarlo a una temperatura de 300 K para comparar la capacidad de conducir el calorvarios materiales.
Coeficiente de conductividad térmica para metales y materiales duros no metálicos
Todos los metales, sin excepción, son buenos conductores del calor, de cuya transferencia son responsables el gas de electrones. A su vez, los materiales iónicos y covalentes, así como los materiales con estructura fibrosa, son buenos aislantes térmicos, es decir, conducen mal el calor. Para completar la exposición de la cuestión de qué es la conductividad térmica, cabe señalar que este proceso requiere de la presencia obligatoria de materia si se realiza por convección o por conducción, por lo que en el vacío sólo se puede transferir calor por radiación electromagnética.
La siguiente lista muestra los valores de los coeficientes de conductividad térmica para algunos metales y no metales en J/(smK):
- acero - 47-58 dependiendo del grado de acero;
- aluminio - 209, 3;
- bronce - 116-186;
- zinc - 106-140 dependiendo de la pureza;
- cobre - 372, 1-385, 2;
- latón - 81-116;
- oro - 308, 2;
- plata - 406, 1-418, 7;
- goma - 0, 04-0, 30;
- fibra de vidrio - 0,03-0,07;
- ladrillo - 0, 80;
- árbol - 0, 13;
- vidrio - 0, 6-1, 0.
Por lo tanto, la conductividad térmica de los metales es de 2 a 3 órdenes de magnitud más alta que los valores de conductividad térmica de los aisladores, que son un excelente ejemplo de la respuesta a la pregunta de qué es la baja conductividad térmica.
El valor de la conductividad térmica juega un papel importante en muchosprocesos industriales. En algunos procesos buscan aumentarla utilizando buenos conductores de calor y aumentando el área de contacto, mientras que en otros tratan de reducir la conductividad térmica reduciendo el área de contacto y utilizando materiales termoaislantes.
Convección en líquidos y gases
La transferencia de calor en los fluidos se realiza mediante el proceso de convección. Este proceso implica el movimiento de moléculas de una sustancia entre zonas con diferentes temperaturas, es decir, durante la convección se mezcla un líquido o gas. Cuando la materia fluida libera calor, sus moléculas pierden parte de su energía cinética y la materia se vuelve más densa. Por el contrario, cuando la materia fluida se calienta, sus moléculas aumentan su energía cinética, su movimiento se vuelve más intenso, respectivamente, el volumen de la materia aumenta y la densidad disminuye. Por eso, las capas frías de materia tienden a caer bajo la influencia de la gravedad, y las capas calientes tratan de levantarse. Este proceso da como resultado la mezcla de materia, facilitando la transferencia de calor entre sus capas.
La conductividad térmica de algunos líquidos
Si respondes a la pregunta de cuál es la conductividad térmica del agua, se debe entender que se debe al proceso de convección. El coeficiente de conductividad térmica es 0,58 J/(smK).
Para otros líquidos, este valor se indica a continuación:
- alcohol etílico - 0.17;
- acetona - 0, 16;
- glicerol - 0, 28.
Es decir, los valoresLas conductividades térmicas de los líquidos son comparables a las de los aislantes térmicos sólidos.
Convección en la atmósfera
La convección atmosférica es importante porque provoca fenómenos como vientos, ciclones, formación de nubes, lluvia y otros. Todos estos procesos obedecen a las leyes físicas de la termodinámica.
Entre los procesos de convección en la atmósfera, el más importante es el ciclo del agua. Aquí debemos considerar las preguntas de cuál es la conductividad térmica y la capacidad calorífica del agua. La capacidad calorífica del agua se entiende como una cantidad física que indica cuánto calor debe transferirse a 1 kg de agua para que su temperatura aumente en un grado. Es igual a 4220 J.
El ciclo del agua se lleva a cabo de la siguiente manera: el sol calienta las aguas de los océanos, y parte del agua se evapora a la atmósfera. Debido al proceso de convección, el vapor de agua sube a gran altura, se enfría, se forman nubes y nubes, que dan lugar a precipitaciones en forma de granizo o lluvia.
