Одним из первых понятий, с которым мы встречаемся при изучении физики является теплопроводность. Исходя из определения, теплопроводностью называется способность образца передавать тепло от менее нагретых участков менее нагретым.
Но в определении отсутствует описание механизма процесса, а большинство учителей физики и не настаивают на том, чтобы мы его знали. Однако, понятие это очень важное и вокруг него строится всё дальнейшее понимание тепловых процессов, поэтому давайте разберемся в вопросе.
Теплопроводность из учебника
Мы уже сформулировали стандартное определение из учебника чуть выше. Если посмотреть например на определение этого физического явления в википедии, то станет ясным, что тепло на самом деле - это энергия. Получается, что теплопроводность - это способность передачи энергии. Но от этого вопросов возникает ещё больше.
Ещё некоторые учебники сравнивают теплопроводность с электрической проводимостью, что, в общем-то, абсолютно правильно. Правда тепловые явления ученик изучает гораздо раньше, чем электрофизику.
В итоге на мой взгляд оптимально будет сформулировать интегрированное из нескольких книг определение таким образом:
Теплопроводность - это способность тела передавать тепловую энергию от более нагретых участков менее нагретым посредством взаимной передачи энергии от одних элементов структуры этого тела другим элементам.
Но это определение требует дополнить механизмом процесса, который мы и опишем ниже. А сперва-наперво вспомним, что у разных тел разная теплопроводность.
Почему у разных тел разная теплопроводность
Из практики известно, что металлы например имеют высокую теплопроводность, а кирпичи низкую. Если дотронуться до металлической печки, то можно сильно обжечься, а вот печка из кирпича будет просто теплой.
Главное различие кроется в разной структуре этих тел. Металлы имеют упорядоченную плотную структуру с большим количеством подвижных структурных элементов, расположенных близко друг к другу. Кирпичи имеют не менее упорядоченную структуру, но при этом они менее плотные, а порой имеют внутренние полости с воздухом. Воздух, как известно, имеют очень плохую теплопроводность. Значит, тело с воздушными порами будет иметь меньшую теплопроводность, чем сплошное тело.
Чем меньше плотность тем ниже способность проводить тепло. Потому что проводить тепло буквально нечему :)
Механизм теплопроводности
Однако, описание структуры тел не даёт полноценного ответа на поставленный вопрос без комментариев.
Допустим, мы нагреваем металлический стержень горелкой с одной стороны. Другая сторона нагревается. С кирпичом такой фокус уже не работает.
В структуре происходят очень интересные явления. Известно, что все материалы состоят из молекул и атомов, которые находятся в непрерывном движении. Только движение это упорядоченное, а атомы и молекулы перемещаются в твердых телах около характерных точек. Никакого хаотичного движения тут нет.
Когда тело имеет комнатную температуру, движение структурных элементов стандартное и тело не нагревается. Когда же мы нагреваем тело горелкой, мы передаем ему тепловую энергию. Эта энергия рассеивается по структурным элементам тела. Частицы в ответ на поступление новой тепловой энергии начинают двигаться более интенсивно.
Внутри структуры частицы сталкиваются друг с другом и передают эти движения от одной частички другой. Всё по лучшим традициям классической механики. Следствием такого движения является повышение температуры тела. Вот и получается, что тело постепенно прогревается в некотором направлении согласно градиенту роста температуры. А происходит это из-за роста внутренней энергии.
Эта же внутренняя энергия уничтожит тело, когда оно дойдет до температуры плавления.
П.с.: Кстати говоря, интересно отметить, что в отличие от электрического тока, где всё является эмпирическим, в вопросе передачи тепловой энергии существуют реальные наблюдения процессов, которые зафиксированы. Иными словам механизмы эти работают как и простая механика.
------------
Обязательно оцените статью лайком и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала. Виноваты странные алгоритмы Дзена!
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----