§12. Тасымалдау құбылыстары
Жылу өткізгіштік құбылысы
жүктеу/скачать 1,34 Mb.
|
| 12.2.Жылу өткізгіштік құбылысы
Жылу үш түрлі әдіспен тарала алады: жылулық сәуле шығару, конвекция және жылу өткізгіштік. Жылулық сәуле шығару– жылулық энергия денеден шығатын электромагниттік толқындармен тасымалдану процесі. Мұндай тасымалдану вакуумде де жүре алады.Жылулық сәуле шығару кезінде энергияның екі түрленуі жүреді: сәуле шығаратын дененің ішкі энергиясы сәулелік энергияға және керісінше, сәулелік энергия денелерге жұтыла отырып ішкі энергияға айналады. Сәуле шығару энергиясы температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал. Конвекция деп сұйықтардың немесе газдардың қозғалысы кезінде кеңістіктің температурасы үлкен облыстарынан температурасы төмен облыстарына жылулық энергияның тасымалдану процесін айтады. Бұл кезде жылу тасымалдану ортаның қозғалысымен тікелей байланысты болады. Жылу өткізгіштік деп температуралары әр түрлі дененің жеке бөлшектері түйіскенде жылулық энергияның тасымалдану процесін айтады. Заттардың жылу өткізгіштігі олардың тегіне, физикалық күйіне тәуелді болады. Жылу өткізгіштік кезінде денені құрайтын бөлшектердің үздіксіз жылулық қозғаласы нәтижесінде кинетикалық энергия дененің қызған бөлігінен салқындау бөлігіне тасымалданады. Жылу өткізгіштік дененің әр түрлі нүктелерінде температура айырмасы болған жағдайда жүреді. Дененің жылулық күйі денені құрайтын бөлшектердің жылулық қозғалысының интенсивтілігіне тәуелді болады. Денелерді қыздырғанда денені құрайтын бөлшектердің кинетикалық энергиясы артады. Дененің қыздырылған бөлігінің бөлшектері тәртіпсіз қозғалыс нәтижесінде көршілес бөлшектермен соқтығыса отырып, оларға кинетикалық энергиның бір бөлігін береді. Бұл құбылыс дененің барлық бөлігіне таралады. Жылу өткізгіштік арқылы жылу тасымалдау денелердің физикалық қасиеттеріне, олардың геометриялық өлшемдеріне және дененің әр түрлі бөліктерінің арасындағы температура айырмашылығына тәуелді болады. Барлық қатты денелерде жылу берілу кристалл тордың тербелістері арқылы жүреді. Егер денені құрайтын бөлшектер (молекула, ион, атом) өзінің тепе – теңдік күйінің айналасында температурасымен анықталатын амплитудамен тербеледі және олар температурасытөмен және соған байланысты аз амплитудамен тербелетін көршілес бөлшектерге периодты күшпен әсер етіп, олардың тербеліс амплитудаларын арттырады. Егер қатты үлгінің шеттерінің температурасы әр түрлі болса, онда бұл жағдайда жылу ағыны пайда болады. Салқын бөлікте орналасқан әрбір бөлшек температурасы жоғары бөлікте орналасқан көршілес бөлшектерден қосымша энергия алады. Соның нәтижесінде үлгінің қызған бөлігінен салқын бөлігіне жылу тасымалданады. Жылудың ең жақсы өткізетін заттар – металдар болып табылады. Металдарда жылу тасымалдауға өткізгіштік электрондар (еркін электрондар) қатысады. Бұл электрондардың металдардың жылу өткізгіштігіне қосатын үлесі жылу өткізгіштікке кристалл тордың қосатын үлесіне қарағанда екі дәрежеде үлкен болады. Диэлектрлерде жылу кристалл тордың тербелістері арқылы беріледі. Жылулық энергияның кристалл тор арқылы берілуі келесі түрде жүреді. Егер атом өзінің тепе-теңдік күйінің айналасына теңдік күйінің айналасында Температурасымен анықталатын амплитудамен тербелсе, онда ол төменгі температурамен анықталатын және аз амплитудамен тербелетін көршілес атомдарға периодты күшпен әсер етіп, олардың тербеіс амплитудаларын арттырады. Егер диэлектриктің шеттерін әртүрлі температурада ұстасақ, онда бұл жағдайда жылу ағыны пайда болады. Салқын бөлігінде орналасқан әр бөлшек температурасы жоғары бөлікте орналасқан көршілес бөлшектерден қосымша энергия алады. Соның нәтижесінде үлгінің қызған бөлігінен салқын бөлігіне жылу тасымалданады. Кристалл диэлектриктерде энергия тасымалдану кристалл тордың түйіндерінің тербелістеріне байланысты. Бірінші жуықтауда бұл процесті кристалда таралатын әртүрлі жиілігі бар гармониялық тербелістердің жиынтығы деп қарастыруға болады. Кристалдан өтетін жылуды осы тербелістердің таралуы, яғни белгілі бір толқынның таралуы арқылы қарастыруға болады. Кванттық физикада осы толқындарға белгілі бір квазибөлшектерді сәйкестендіреді. Энергиясы -ге ге тең және импульсі -ге теңбұл квазибөлшектерді фонондар деп атайды. Тордың жылу өткізгіштік процесін фонондардың кристалда орын ауыстыруы деп қарастыруға болады. Фонондардың еркін жолының орташа ұзындығы молекулалардың еркін жолының орташа ұзындығы сияқты кинетикалық сипаттама болып табылады. Кристалдардың торлық жылу өткізгіштік коэффициенті: , мұндағы: -бірлік көлемдегі жылу сыйымдылығы, - дыбыс жылдамдығы, - фонондардың еркін жолының орташа ұзындығы. Біртекті және изотропты дененің қыздырылуын қарастырайық. Барлық бағыттарда физикалық қасиеттері бірдей денелерді изотропты деп атайды. Бұл денелердің температурасы уақыт бойынша өзгереді және жылу температурасы үлкен нүктелерден температурасы төмен нүктелерге беріледі. Дененiң кез келген жылулық күйi кезiнде әр түрлi нүктелерiндегi температура осы нүктелердiң координаттары мен уақыттың функциясы болып табылады. мұндағы : нүкте координаталары, - уақыт. Бұл функция қарастырылатын дененің температуралық өрісін анықтайды. Температуралық өріс деп берілген уақыт мезетіндегі зерттелетін кеңістіктің барлық нүктелерінің температураларының мәндерінің жиынтығын айтады. Жылулық сәуле шығару аз, конвенция болмайды деп есептейiк. Бiр бетi екiншi бетiне қарағанда температурасы жоғары жазық бiртектi пластина арқылы жылу берiлуiн қарастырайық (сурет). Жылу берiлуiнiң бастапқы мезетiнде бiртектi пластинаның iшiндегi температураның таралуы дененiң бастапқы күйiне тәуелдi болады. Пластинаның әр нүктесiне уақыт өтуiмен өзгеретiн белгiлi бiр температура сәйкес келедi. Мұндай жылулық режим стационар емес жылулық режим депаталады (суреттегi 1-қисық). сурет Бiраз уақыттан кейiн температураның таралуының бiрқалыпсыздығы түзеледi және бiртектi пластинадағы температураның таралуы 2-қисықпен көрсетiледi (пiшiнi басқа денелер үшiн ол сызықтар болмайды). Дененiң мұндай күйiнде дененiң әртүрлi нүктелерiндегi температура әртүрлi, бiрақ уақыт бойынша тұрақты және дененiң кезкелген нүктесiнде температура координатасының функциясымен сипатталады. Бұл жағдайда пластинаның екi бетiндегi температура тұрақты болып қалады және пластина арқылы тұрақтанған жылу ағыны өтедi. Мұндай жылулық температурасы тек координатаның функциясы болады. . Температурасы бірдей нүктелерді қосқанда алынатын температуралық бет изотермиялық бет деп аталады. Изотермиялық беттер бір-бірімен қиылыспайды. Температура бір, координаттардың функциясы болуы мүмкін, сәйкесінше температуралық өріс бір, екі және үш өлшемді болады. Бір өлшемді стационар температуралық өрістің теңдеуі келесі түрде беріледі: Жылу өткізгіштік кезінде заттың бір көлемінен екінші көлеміне энергия тасымалданады.
Сондықтан бұл заң Фурье заңы деп аталады: Жылу өткізгіштік құбылысы кезінде аудан арқылы t уақытта тасымалданатын жылу мөлшері температура градиентіне тура пропорционал болады. , мұндағы: - жылу өткізгіштік коэффициенті, өлшем бірлігі . жүктеу/скачать 1,34 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|