Теплопроводность

Теплопроводность, способность тел проводить тепло от более теплых точек к более холодным. Различают внутреннюю теплопроводность и внешнюю теплопроводность; изучение последней относится собственно к области изучения законов охлаждения тел. Передача тепла путем внутренней теплопроводности, или просто теплопроводности, происходит всякий раз, когда соприкасаются между собой два различно нагретых тела или когда различные части одного и того же тела бывают нагреты различно. Если энергия извне не поступает и тело предоставлено само себе, то постепенно эта разность температур будет выравниваться, пока, наконец, не сгладится совершенно и тело не примет температуру, постоянную во всех его точках. Но если некоторый источник тепловой  энергии непрерывно сообщает тепло телу в одной его точке или на одном участке его поверхности, то тепло будет как бы непрерывно течь в массе тела, и, при постоянстве энергии, сообщаемой в единицу времени, все точки тела примут совершенно определенные температуры, отличные друг от друга. Математическая теория теплопроводности, разработанная Фурье, Пуассоном и др., позволяет найти это распределение температур для целого ряда частных случаев. Пусть требуется, например, проследить за падением температуры внутри стены дома, толщиной d см, отделяющей комнату от наружного пространства. Пусть температура воздуха в комнате, в которой топится печь, будет t₁, а температура наружного воздуха t₂. Чему равна температура внутри толщи стены, на расстоянии х от внутренней поверхности стены? Теория показывает, что искомая температура t_х определяется из соотношения:

т. е. температура падает равномерно внутри стены, — падает по закону прямой линии. Для поддержания данной разности температур t₁ — t₂ на границах тела, необходимо создать непрерывный поток тепловой энергии через его толщу. Количество тепла, которое будет при этом проходить через единицу внешней поверхности тела, зависит от разности температур t₁ — t₂ от расстояния между пограничными поверхностями (в рассмотренном примере — d) и будет еще зависеть от вещества тела, от его коэффициента теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности (k) равняется количеству тепла (в калориях), проникающего в 1 сек. через кубик, сделанный из данного вещества, если ребра этого кубика равны 1 см, а разность температур на его двух противоположных гранях поддерживается равной 1°С. Лучшими проводниками тепла являются металлы, худшими — газы, жидкости (кроме ртути) и некоторые твердые тела, непроводящие электричество (например, асбест). Вот некоторые числовые значения k.

Для серебра – 1,00, для свинца – 0,084, для стекла – 0,0016, для воды – 0,0014, для водорода - 0,0004, для воздуха - 0,00006.

Такая разница объясняется механизмом передачи тепла внутри тела. Проще всего процесс происходит в газах; здесь в области высокой температуры молекулы движутся с наибольшей скоростью и, залетая в области медленно движущихся молекул, ускоряют движение последних путем столкновений. Так постепенно, от слоя к слою, идет процесс ускорения движения молекул слоев, все более и более удаленных, от горячей стенки по направлению к стенке холодной. Аналогично происходит передача тепла и внутри жидкостей и твердых тел, не проводящих или очень плохо проводящих электричество. Но в хороших проводниках электричества, каковыми являются металлы (и некоторые другие вещества, например, уголь), явление протекает иначе: здесь главными агентами, переносящими тепло от слоя к слою, являются легкие, легкоподвижные электроны, движущиеся с большими скоростями по всем направлениям внутри проводников. Электронная теория строения материи находит связь между теплопроводностью и электропроводностью: так, согласно этой теории, теплопроводность и электропроводность должны быть пропорциональны друг другу, и это, действительно, уже давно установлено было опытами Видемана и Франца (ср. металлы, XXVIII, 534/36).

Дурной теплопроводностью газов пользуются для защиты от охлаждения: дурным проводником тепла является воздух, заключенный между двойными рамами окон, и воздух, находящийся в бесчисленном множестве пор и канальцев, внутри теплых тканей, меховых и ватных прослоек зимней одежды. В последнем случае особенно хорошо используется дурная теплопроводность воздуха, благодаря устранению течений нагретых частиц (конвекции).

Теплопроводность  внешняя характеризуется приближенными эмпирическими законами, из которых укажем на закон Ньютона, согласно которому количество тепла Q, теряемое за время τ телом с поверхностью S и температурой Т во внешнее пространство с температурой T’ будет:

где h можно назвать коэффициентом внешней теплопроводности.

В. Шулейкин.