Fenomena konduktivitas termal adalah perpindahan energi dalam bentuk panas melalui kontak langsung antara dua benda tanpa adanya pertukaran materi atau pertukarannya. Dalam hal ini, energi berpindah dari satu tubuh atau area tubuh dengan suhu lebih tinggi ke tubuh atau area dengan suhu lebih rendah. Sifat fisik yang menentukan parameter perpindahan panas adalah konduktivitas termal. Apa itu konduktivitas termal, dan bagaimana hal itu dijelaskan dalam fisika? Artikel ini akan menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut.
Konsep umum konduktivitas termal dan sifatnya
Jika Anda menjawab secara sederhana pertanyaan tentang apa itu konduktivitas termal dalam fisika, maka harus dikatakan bahwa perpindahan panas antara dua benda atau area yang berbeda dari benda yang sama adalah proses pertukaran energi internal antara partikel yang penyusun tubuh (molekul, atom, elektron, dan ion). Energi dalam sendiri terdiri dari dua bagian penting yaitu energi kinetik dan energi potensial.
Apa konduktivitas termal dalam fisika dari sudut pandang sifat ininilai-nilai? Pada tingkat mikroskopis, kemampuan bahan untuk menghantarkan panas tergantung pada struktur mikronya. Misalnya, untuk cairan dan gas, proses fisik ini terjadi karena tumbukan kacau antara molekul; dalam padatan, bagian utama dari panas yang ditransfer jatuh pada pertukaran energi antara elektron bebas (dalam sistem logam) atau fonon (zat non-logam).), yang merupakan getaran mekanis kisi kristal.
Representasi matematis konduktivitas termal
Mari kita jawab pertanyaan tentang apa itu konduktivitas termal, dari sudut pandang matematis. Jika kita mengambil benda homogen, maka jumlah panas yang ditransfer melaluinya dalam arah tertentu akan sebanding dengan luas permukaan yang tegak lurus dengan arah perpindahan panas, konduktivitas termal bahan itu sendiri dan perbedaan suhu di ujung-ujungnya. tubuh, dan juga akan berbanding terbalik dengan ketebalan tubuh.
Hasilnya rumusnya: Q/t=kA(T2-T1)/x, disini Q/t - panas (energi) yang ditransfer melalui tubuh dalam waktu t, k - koefisien konduktivitas termal bahan dari mana tubuh yang dipertimbangkan dibuat, A - luas penampang tubuh, T2 -T 1 - perbedaan suhu di ujung tubuh, dengan T2>T1, x - ketebalan benda melalui perpindahan panas Q.
Metode perpindahan energi panas
Mempertimbangkan pertanyaan tentang apa konduktivitas termal bahan, kita harus menyebutkan kemungkinan metode perpindahan panas. Energi panas dapat ditransfer antara benda yang berbeda menggunakanproses berikut:
- konduktivitas - proses ini berjalan tanpa transfer materi;
- konveksi - perpindahan panas berhubungan langsung dengan pergerakan materi itu sendiri;
- radiasi - perpindahan panas dilakukan karena radiasi elektromagnetik, yaitu dengan bantuan foton.
Agar panas dapat ditransfer menggunakan proses konduksi atau konveksi, kontak langsung antara benda yang berbeda diperlukan, dengan perbedaan bahwa dalam proses konduksi tidak ada gerakan makroskopik materi, tetapi dalam proses konveksi gerakan ini hadir. Perhatikan bahwa gerakan mikroskopis terjadi di semua proses perpindahan panas.
Untuk suhu normal beberapa puluh derajat Celcius, dapat dikatakan bahwa konveksi dan konduksi merupakan bagian terbesar dari panas yang dipindahkan, dan jumlah energi yang ditransfer dalam proses radiasi dapat diabaikan. Namun, radiasi mulai memainkan peran utama dalam proses perpindahan panas pada suhu beberapa ratus ribu Kelvin, karena jumlah energi Q yang ditransfer dengan cara ini meningkat sebanding dengan pangkat 4 suhu mutlak, yaitu, T 4. Misalnya, matahari kita kehilangan sebagian besar energinya melalui radiasi.
Konduktivitas termal padatan
Karena dalam zat padat setiap molekul atau atom berada pada posisi tertentu dan tidak dapat meninggalkannya, perpindahan panas secara konveksi tidak mungkin dilakukan, dan satu-satunya proses yang mungkin adalahdaya konduksi. Dengan peningkatan suhu tubuh, energi kinetik partikel penyusunnya meningkat, dan setiap molekul atau atom mulai berosilasi lebih kuat. Proses ini menyebabkan tumbukan mereka dengan molekul atau atom tetangga, sebagai akibat dari tumbukan tersebut energi kinetik dipindahkan dari partikel ke partikel sampai semua partikel benda ditutupi oleh proses ini.
Sebagai hasil dari mekanisme mikroskopis yang dijelaskan, ketika salah satu ujung batang logam dipanaskan, suhu akan merata di seluruh batang setelah beberapa saat.
Panas tidak berpindah secara merata dalam bahan padat yang berbeda. Jadi, ada bahan yang memiliki konduktivitas termal yang baik. Mereka dengan mudah dan cepat menghantarkan panas melalui diri mereka sendiri. Tetapi ada juga konduktor atau isolator panas yang buruk sehingga sedikit atau tidak ada panas yang bisa lewat.
Koefisien konduktivitas termal untuk padatan
Koefisien konduktivitas termal untuk padatan k memiliki arti fisis sebagai berikut: ini menunjukkan jumlah panas yang melewati per satuan waktu melalui luas permukaan satuan dalam setiap benda dengan ketebalan satuan dan panjang dan lebar tak terbatas dengan perbedaan suhu pada ujungnya sama dengan satu derajat. Dalam sistem internasional satuan SI, koefisien k diukur dalam J/(smK).
Koefisien dalam padatan ini bergantung pada suhu, jadi biasanya ditentukan pada suhu 300 K untuk membandingkan kemampuan menghantarkan panasberbagai bahan.
Koefisien konduktivitas termal untuk logam dan bahan keras non-logam
Semua logam, tanpa kecuali, adalah konduktor panas yang baik, karena transfernya bertanggung jawab atas gas elektron. Pada gilirannya, bahan ionik dan kovalen, serta bahan dengan struktur berserat, adalah isolator panas yang baik, yaitu, mereka menghantarkan panas dengan buruk. Untuk melengkapi pengungkapan pertanyaan tentang apa itu konduktivitas termal, perlu dicatat bahwa proses ini memerlukan keberadaan materi yang wajib jika dilakukan karena konveksi atau konduksi, oleh karena itu, dalam ruang hampa, panas hanya dapat ditransfer karena radiasi elektromagnetik.
Daftar di bawah ini menunjukkan nilai koefisien konduktivitas termal untuk beberapa logam dan non-logam dalam J/(smK):
- baja - 47-58 tergantung pada kelas baja;
- aluminium - 209, 3;
- perunggu - 116-186;
- seng - 106-140 tergantung kemurnian;
- tembaga - 372, 1-385, 2;
- kuningan - 81-116;
- emas - 308, 2;
- perak - 406, 1-418, 7;
- karet - 0, 04-0, 30;
- fiberglass - 0,03-0,07;
- bata - 0, 80;
- pohon - 0, 13;
- kaca - 0, 6-1, 0.
Dengan demikian, konduktivitas termal logam adalah 2-3 kali lipat lebih tinggi daripada nilai konduktivitas termal untuk isolator, yang merupakan contoh utama jawaban atas pertanyaan tentang apa itu konduktivitas termal rendah.
Nilai konduktivitas termal memainkan peran penting dalam banyak halproses industri. Dalam beberapa proses, mereka berusaha untuk meningkatkannya dengan menggunakan konduktor panas yang baik dan meningkatkan area kontak, sementara di proses lain mereka mencoba mengurangi konduktivitas termal dengan mengurangi area kontak dan menggunakan bahan isolasi panas.
Konveksi pada zat cair dan gas
Perpindahan panas dalam fluida dilakukan dengan proses konveksi. Proses ini melibatkan pergerakan molekul suatu zat antara zona dengan suhu yang berbeda, yaitu selama konveksi, cairan atau gas bercampur. Ketika materi fluida melepaskan panas, molekulnya kehilangan sebagian energi kinetiknya dan materi menjadi lebih padat. Sebaliknya, ketika zat cair dipanaskan, molekulnya meningkatkan energi kinetiknya, gerakannya menjadi lebih intens, masing-masing, volume materi meningkat, dan kepadatan berkurang. Itulah sebabnya lapisan materi yang dingin cenderung jatuh di bawah pengaruh gravitasi, dan lapisan panas mencoba untuk naik. Proses ini menghasilkan pencampuran materi, memfasilitasi perpindahan panas antara lapisannya.
Konduktivitas termal beberapa cairan
Jika Anda menjawab pertanyaan tentang apa itu konduktivitas termal air, harus dipahami bahwa itu disebabkan oleh proses konveksi. Koefisien konduktivitas termal untuk itu adalah 0,58 J/(smK).
Untuk cairan lain, nilai ini tercantum di bawah ini:
- etil alkohol - 0,17;
- aseton - 0, 16;
- gliserol - 0, 28.
Artinya, nilai-nilainyakonduktivitas termal untuk cairan sebanding dengan untuk isolator panas padat.
Konveksi di atmosfer
Konveksi atmosfer penting karena menyebabkan fenomena seperti angin, siklon, pembentukan awan, hujan dan lain-lain. Semua proses ini mematuhi hukum fisika termodinamika.
Di antara proses konveksi di atmosfer, yang terpenting adalah siklus air. Di sini kita harus mempertimbangkan pertanyaan tentang apa itu konduktivitas termal dan kapasitas panas air. Kapasitas kalor air dipahami sebagai besaran fisika yang menunjukkan berapa banyak kalor yang harus dipindahkan ke 1 kg air agar suhunya naik satu derajat. Sama dengan 4220 J.
Siklus air dilakukan sebagai berikut: matahari memanaskan air lautan, dan sebagian air menguap ke atmosfer. Karena proses konveksi, uap air naik ke ketinggian yang sangat tinggi, mendingin, membentuk awan dan awan, yang menyebabkan pengendapan dalam bentuk hujan es atau hujan.
