Теплопровідність газів

ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 5 ЯВИЩА ПЕРЕНЕСЕННЯ

5.8. Теплопровідність газів

Якщо газ нерівномірно нагрітий, тобто коли температура в одній його частині вища або нижча, ніж у другій, то відбувається вирівнювання температури: більш нагріта частина охолоджується, водночас більш холодна нагрівається.

Це пов’язано, напевне, з потоком теплоти від більш нагрітої частини газу до більш холодної. Це явище виникнення потоку теплоти в газі (або рідині) називають теплопровідністю. В будь-якому тілі, зокрема

в газі, на який не чиняться зовнішні впливи, теплопровідність приводить до вирівнювання температур. Цей процес, як правило, нестаціонарний. Однак трапляються випадки, коли різниця температур штучно підтримується сталою.

Щоб визначити кількісні закономірності, які характеризують процес теплопровідності, розглянемо відносно просту задачу, за своїм характером аналогічну тій, яка розглядалася при вивченні дифузії.

Припустімо, що температура газу змінюється від точки до точки вздовж якого-небудь

напряму в газі, наприклад уздовж осі х, тобто є функцією координати х, тоді як у площині, перпендикулярній до цієї осі, температура скрізь однакова (рис. 5.8).

 Теплопровідність газів

Рис. 5.8

Зміна температури вздовж осі х характеризується градієнтом  Теплопровідність газів. Суть градієнта полягає в тому, що він дорівнює зміні температури від одної точки до другої, віднесеній до одиниці відстані між ними. Існування градієнта температури є важливою умовою для виникнення теплопровідності.

Напрям потоку теплоти збігається з напрямом падіння температури. Якщо зростанню координати х (тобто dх > 0) відповідає зменшення температури (dТ < 0), то теплота тече в напрямі зростання х: потік теплоти спрямований так, щоб зменшити існуючий градієнт температури, який його викликав. Досвід показує, що потік теплоти Q пропорційний градієнту температури, площі поверхні, яку перетинає, часу протікання (закон Фур’є):

 Теплопровідність газів

Потік теплоти передбачає ту кількість теплоти, яка протікає через одиничну площадку за одиницю часу:

 Теплопровідність газів

Коефіцієнт k у виразах (5.23) і (5.24) називають коефіцієнтом теплопровідності. Як бачимо з цих рівнянь, він чисельно дорівнює потоку теплоти при градієнті температури  Теплопровідність газів, що дорівнює одиниці. Одиниці дорівнюють також площа поверхні s і час t, за який відбувається потік теплоти. Із рівняння (5.23) видно, що коефіцієнт теплопровідності в СІ виражається в джоулях на метр-секунду-кельвін, у системі СГС в ергах на сантиметр-секунду-кельвін. У техніці його часто виражають у кілоджоулях на метр-секунду-кельвін.

Коли на газ, в якому існує градієнт температури, не діють сторонні сили, тобто до нього ззовні не підводиться енергія, теплопровідність приводить до вирівнювання температури. Спочатку розглянемо нестаціонарну теплопровідність.




Теплопровідність газів