Le phénomène de conductivité thermique est le transfert d'énergie sous forme de chaleur au contact direct de deux corps sans aucun échange de matière ou avec son échange. Dans ce cas, l'énergie passe d'un corps ou d'une zone du corps avec une température plus élevée à un corps ou une zone avec une température plus basse. La caractéristique physique qui détermine les paramètres de transfert de chaleur est la conductivité thermique. Qu'est-ce que la conductivité thermique et comment est-elle décrite en physique ? Cet article répondra à ces questions.
Concept général de la conductivité thermique et sa nature
Si vous répondez en termes simples à la question de savoir ce qu'est la conductivité thermique en physique, alors il faut dire que le transfert de chaleur entre deux corps ou différentes zones du même corps est un processus d'échange d'énergie interne entre les particules qui composent le corps (molécules, atomes, électrons et ions). L'énergie interne elle-même se compose de deux parties importantes: l'énergie cinétique et l'énergie potentielle.
Qu'est-ce que la conductivité thermique en physique du point de vue de la nature de cettevaleurs? Au niveau microscopique, la capacité des matériaux à conduire la chaleur dépend de leur microstructure. Par exemple, pour les liquides et les gaz, ce processus physique se produit en raison de collisions chaotiques entre molécules; dans les solides, la majeure partie de la chaleur transférée tombe sur l'échange d'énergie entre les électrons libres (dans les systèmes métalliques) ou les phonons (substances non métalliques), qui sont des vibrations mécaniques du réseau cristallin.
Représentation mathématique de la conductivité thermique
Répondons à la question de savoir ce qu'est la conductivité thermique, d'un point de vue mathématique. Si nous prenons un corps homogène, la quantité de chaleur transférée à travers lui dans une direction donnée sera proportionnelle à la surface perpendiculaire à la direction du transfert de chaleur, à la conductivité thermique du matériau lui-même et à la différence de température aux extrémités du corps, et sera également inversement proportionnel à l'épaisseur du corps.
Le résultat est la formule: Q/t=kA(T2-T1)/x, ici Q/t - chaleur (énergie) transférée à travers le corps dans le temps t, k - coefficient de conductivité thermique du matériau à partir duquel le corps considéré est fabriqué, A - section transversale du corps, T2 -T 1 - différence de température aux extrémités du corps, avec T2>T1, x - épaisseur du corps à travers lequel la chaleur Q est transférée.
Méthodes de transfert d'énergie thermique
Considérant la question de savoir quelle est la conductivité thermique des matériaux, il convient de mentionner les méthodes possibles de transfert de chaleur. L'énergie thermique peut être transférée entre différents corps en utilisantprocessus suivants:
- conductivité - ce processus se déroule sans transfert de matière;
- convection - le transfert de chaleur est directement lié au mouvement de la matière elle-même;
- rayonnement - le transfert de chaleur est effectué grâce au rayonnement électromagnétique, c'est-à-dire à l'aide de photons.
Pour que la chaleur soit transférée à l'aide des processus de conduction ou de convection, un contact direct entre différents corps est nécessaire, à la différence que dans le processus de conduction, il n'y a pas de mouvement macroscopique de la matière, mais dans le processus de convection ce mouvement est présent. Notez que le mouvement microscopique a lieu dans tous les processus de transfert de chaleur.
Pour des températures normales de plusieurs dizaines de degrés Celsius, on peut dire que la convection et la conduction représentent l'essentiel de la chaleur transférée, et la quantité d'énergie transférée dans le processus de rayonnement est négligeable. Cependant, le rayonnement commence à jouer un rôle majeur dans le processus de transfert de chaleur à des températures de plusieurs centaines de milliers de Kelvin, car la quantité d'énergie Q ainsi transférée augmente proportionnellement à la puissance 4 de la température absolue, soit ∼ T 4. Par exemple, notre soleil perd la majeure partie de son énergie à cause des radiations.
Conduction thermique des solides
Puisque dans les solides chaque molécule ou atome est dans une certaine position et ne peut pas la quitter, le transfert de chaleur par convection est impossible, et le seul processus possible estconductivité. Avec une augmentation de la température corporelle, l'énergie cinétique de ses particules constitutives augmente et chaque molécule ou atome commence à osciller plus intensément. Ce processus conduit à leur collision avec des molécules ou des atomes voisins, à la suite de telles collisions, l'énergie cinétique est transférée d'une particule à l'autre jusqu'à ce que toutes les particules du corps soient couvertes par ce processus.
Grâce au mécanisme microscopique décrit, lorsqu'une extrémité d'une tige métallique est chauffée, la température s'égalise sur toute la tige après un certain temps.
La chaleur ne se transmet pas de la même manière dans différents matériaux solides. Ainsi, il existe des matériaux qui ont une bonne conductivité thermique. Ils conduisent facilement et rapidement la chaleur à travers eux. Mais il existe également de mauvais conducteurs de chaleur ou isolants à travers lesquels peu ou pas de chaleur peut passer.
Coefficient de conductivité thermique pour les solides
Le coefficient de conductivité thermique pour les solides k a la signification physique suivante: il indique la quantité de chaleur qui passe par unité de temps à travers une unité de surface dans tout corps d'épaisseur unitaire et de longueur et de largeur infinies avec une différence de température à ses extrémités égales à un degré. Dans le système international d'unités SI, le coefficient k est mesuré en J/(smK).
Ce coefficient dans les solides dépend de la température, il est donc d'usage de le déterminer à une température de 300 K afin de comparer la capacité à conduire la chaleurdivers matériaux.
Coefficient de conductivité thermique pour les métaux et les matériaux durs non métalliques
Tous les métaux, sans exception, sont de bons conducteurs de chaleur, dont ils sont responsables pour le transfert du gaz d'électrons. À leur tour, les matériaux ioniques et covalents, ainsi que les matériaux à structure fibreuse, sont de bons isolants thermiques, c'est-à-dire qu'ils conduisent mal la chaleur. Pour compléter la divulgation de la question de savoir ce qu'est la conductivité thermique, il convient de noter que ce processus nécessite la présence obligatoire de matière s'il est effectué en raison de la convection ou de la conduction, par conséquent, dans le vide, la chaleur ne peut être transférée qu'en raison de rayonnement électromagnétique.
La liste ci-dessous indique les valeurs des coefficients de conductivité thermique pour certains métaux et non-métaux en J/(smK):
- acier - 47-58 selon la nuance d'acier;
- aluminium - 209, 3;
- bronze - 116-186;
- zinc - 106-140 selon la pureté;
- cuivre - 372, 1-385, 2;
- laiton - 81-116;
- or - 308, 2;
- argent - 406, 1-418, 7;
- caoutchouc - 0, 04-0, 30;
- fibre de verre - 0,03-0,07;
- brique - 0, 80;
- arbre - 0, 13;
- verre - 0, 6-1, 0.
Ainsi, la conductivité thermique des métaux est supérieure de 2 à 3 ordres de grandeur aux valeurs de conductivité thermique des isolants, qui sont un excellent exemple de la réponse à la question de savoir ce qu'est une faible conductivité thermique.
La valeur de la conductivité thermique joue un rôle important dans de nombreuxprocessus industriels. Dans certains procédés, ils cherchent à l'augmenter en utilisant de bons conducteurs thermiques et en augmentant la surface de contact, tandis que dans d'autres, ils essaient de réduire la conductivité thermique en réduisant la surface de contact et en utilisant des matériaux calorifuges.
Convection dans les liquides et les gaz
Le transfert de chaleur dans les fluides s'effectue par le processus de convection. Ce processus implique le mouvement des molécules d'une substance entre des zones à des températures différentes, c'est-à-dire que lors de la convection, un liquide ou un gaz est mélangé. Lorsque la matière fluide libère de la chaleur, ses molécules perdent une partie de leur énergie cinétique et la matière devient plus dense. Au contraire, lorsque la matière fluide est chauffée, ses molécules augmentent leur énergie cinétique, leur mouvement devient plus intense, respectivement, le volume de matière augmente et la densité diminue. C'est pourquoi les couches froides de matière tendent à tomber sous l'influence de la gravité, et les couches chaudes tentent de se soulever. Ce processus entraîne le mélange de la matière, facilitant le transfert de chaleur entre ses couches.
La conductivité thermique de certains liquides
Si vous répondez à la question de savoir quelle est la conductivité thermique de l'eau, il faut comprendre qu'elle est due au processus de convection. Son coefficient de conductivité thermique est de 0,58 J/(smK).
Pour les autres liquides, cette valeur est indiquée ci-dessous:
- alcool éthylique - 0,17;
- acétone - 0, 16;
- glycérol - 0, 28.
C'est-à-dire que les valeursles conductivités thermiques des liquides sont comparables à celles des isolants thermiques solides.
Convection dans l'atmosphère
La convection atmosphérique est importante car elle provoque des phénomènes tels que les vents, les cyclones, la formation de nuages, la pluie et autres. Tous ces processus obéissent aux lois physiques de la thermodynamique.
Parmi les processus de convection dans l'atmosphère, le plus important est le cycle de l'eau. Ici, nous devrions examiner les questions de savoir quelle est la conductivité thermique et la capacité thermique de l'eau. La capacité calorifique de l'eau est comprise comme une grandeur physique indiquant la quantité de chaleur qui doit être transférée à 1 kg d'eau pour que sa température augmente d'un degré. Il est égal à 4220 J.
Le cycle de l'eau s'effectue de la manière suivante: le soleil chauffe les eaux des océans, et une partie de l'eau s'évapore dans l'atmosphère. En raison du processus de convection, la vapeur d'eau monte à une grande hauteur, se refroidit, des nuages et des nuages se forment, ce qui entraîne des précipitations sous forme de grêle ou de pluie.
