 |
|
Закон Фурье, коэффициент теплопроводности
Исследуя процесс теплопроводности в твердых телах, Фурье экспери-
ментально установил (1822 г.), что количество переданного тепла пропор-
ционально времени, площади сечения, перпендикулярного направлению рас-
пространения тепла, и градиенту температуры:
(1.1)
где (лямбда) – множитель пропорциональности, называемый коэффициентом тепло-
проводности, который является физическим параметром, характеризует спо-
собность данного вещества проводить тепло и численно равен количеству
теплоты, переданному в единицу времени через единицу поверхности при
градиенте температуры, равном единице.
Разделив правую и левую части уравнения (1.1) на время и площадь по-
верхности, получим наиболее распространенную формулировку закона Фурье:
плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры.
Коэффициент теплопроводности, в общем случае зависит от структуры, плот-
ности, влажности, давления и температуры.
Перенос тепла теплопроводностью в газах при обычных давлениях и
температурах определяется переносом кинетической энергии теплового дви-
жения в результате хаотического движения и столкновения отдельных моле-
кул газа.
В металлах переносчиками тепла являются электроны, которые можно
уподобить идеальному одноатомному газу. Вследствие движения электронов
происходит выравнивание температуры во всех точках нагревающегося или
охлаждающегося металла. Свободные электроны движутся во всех направле-
ниях – как из более нагретых областей в холодные, так и в обратном направ-
лении. В первом случае они отдают энергию атомам, а во втором – отбирают.
Так как в металлах носителями тепловой и электрической энергии являются
электроны, то коэффициент теплопроводности и электропроводность про-
порциональны друг другу. При повышении температуры вследствие усиле-
ния тепловых неоднородностей рассеивание электронов усиливается. Это
влечет за собой уменьшение коэффициентов теплопроводности и электро-
проводности чистых металлов. Примеси значительно снижают коэффициент
теплопроводности, так как структурные неоднородности сильно рассеивают
электроны.