Dẫn nhiệt xảy ra trên vật tư khi có chênh lệch nhiệt độ
Trong nhiệt học, dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt, khuếch tán nhiệt) là việc truyền năng lượng nhiệt giữa các phân tử lân cận trong một chất, do một chênh lệch nhiệt độ. Nó luôn luôn diễn ra từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng nhiệt độ thấp hơn, theo định luật hai của nhiệt động học, và giúp cân bằng lại sự khác biệt nhiệt độ. Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu nhiệt năng không bị chuyển thành dạng khác, thì trong suốt quá trình này, nhiệt năng sẽ không bị mất đi.
Đại lượng thống kê giám sát sự dẫn nhiệt trong một vật chất nhất định nào đó là độ dẫn nhiệt .
Khác với đối lưu, trong dẫn nhiệt, sự trao đổi nhiệt năng không kèm theo bất kỳ sự chuyển động với số lượng lớn các phân tử vật chất.
Dẫn nhiệt diễn ra trong toàn bộ những dạng của vật chất, tức chất rắn, chất lỏng, khí và plasma. Trong những chất rắn, đó là do sự phối hợp của giao động của những phân tử trong cấu trúc tinh thể và luân chuyển nguồn năng lượng của điện tử tự do. Trong những chất khí và chất lỏng, dẫn nhiệt là do sự va chạm và khuếch tán của những phân tử trong hoạt động ngẫu nhiên của chúng .Ngoài dẫn nhiêt và đối lưu, nhiệt năng cũng hoàn toàn có thể được trao đổi bởi bức xạ, và thường là nhiều hơn một trong những quy trình này xảy ra trong một trường hợp trao đổi nhiệt nhất định .
Trên một quy mô nhỏ, dẫn nhiệt xảy ra khi những phân tử, nguyên tử hay những hạt nhỏ hơn ( như electron ) ở vùng nóng ( xê dịch nhanh ) tương tác với những hạt lân cận ( ở vùng lạnh hơn, dao đông chậm hơn ), chuyển giao 1 số ít động năng của giao động nhiệt từ hạt xê dịch nhanh sang những hạt giao động chậm. Nói cách khác, sức nóng được trao đổi giữa những nguyên tử hay phân tử lân cận khi chúng xê dịch và va chạm với nhau ( trong hầu hết vật chất, trao đổi này còn được coi như sự di dời của dòng proton ), hoặc là bởi electron xê dịch nhanh vận động và di chuyển từ một nguyên tử khác ( trong sắt kẽm kim loại ) .Dẫn nhiệt góp phần lớn vào truyền nhiệt trong một chất rắn hoặc giữa những vật thể rắn khi chúng tiếp xúc nhau. Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì mạng lưới những nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và thắt chặt và gần nhau, giúp việc trao đổi nguồn năng lượng giữa chúng trải qua giao động được thuận tiện .Khi tỷ lệ những hạt giảm, tức là khoảng cách giữa những hạt trở nên xa hơn, dẫn nhiệt giảm theo. Điều này là do khoảng cách lớn giữa những nguyên tử gây ra việc có ít va chạm giữa những nguyên tử có nghĩa là chúng ít trao đổi nhiệt hơn. Do đó, chất lỏng và đặc biệt quan trọng là những loại khí ít dẫn nhiệt. Với những chất khí, khi nhiệt độ hay áp suất tăng, những nguyên tử có Xác Suất va chạm nhau nhiều hơn, và do đó độ dẫn nhiệt cũng tăng theo .Tính chất dẫn nhiệt trong lòng vật tư hoàn toàn có thể khác với tính dẫn nhiệt ở mặt phẳng, nơi hoàn toàn có thể tiếp xúc với vật tư khác .Kim loại ( ví dụ như đồng, platinum, vàng, … ) thường là những vật tư dẫn nhiệt tốt. Điều này là do những điện tử tự do hoàn toàn có thể chuyển nhiệt năng nhanh gọn trong lòng sắt kẽm kim loại. Các ” chất lỏng điện tử ” của một vật sắt kẽm kim loại rắn triển khai gần như tổng thể những dòng nhiệt qua vật rắn này. Proton mang ít hơn 1 % nguồn năng lượng nhiệt. Điện tử cũng chuyên chở dòng điện chạy qua những chất rắn dẫn điện, dẫn đến độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của hầu hết những sắt kẽm kim loại có cùng một tỷ suất. Một dây dẫn điện tốt, ví dụ điển hình như đồng, thường thì cũng dẫn nhiệt tốt. Các hiệu ứng Peltier-Seebeck ( hiệu ứng nhiệt điện ) có nguồn gốc từ sự dẫn nhiệt của điện tử trong những chất dẫn điện .Dẫn nhiệt trong một vật rắn tựa như như khuếch tán của những hạt trong chất lỏng, khi không có dòng chảy chất lỏng .
Định luật Fourier[sửa|sửa mã nguồn]
Định luật Fourier là định luật cơ bản cho hiện tượng dẫn nhiệt, nói rằng:
- Mật độ dòng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với trái dấu của gradien nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt
Có thể màn biểu diễn toán học cho định luật này ở dạng tích phân hoặc dạng vi phân .
Dạng vi phân[sửa|sửa mã nguồn]
Trong biểu diễn ở dạng vi phân, thông lượng nhiệt (nhiệt năng chảy qua một đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với dòng chảy, trong một đơn vị thời gian) địa phương,
q
→
{displaystyle {overrightarrow {q}}}
k
{displaystyle k}
−
∇
T
{displaystyle -nabla T}
- q → = − k ∇ T { displaystyle { overrightarrow { q } } = – k { nabla } T }
với ( trong hệ đo lường và thống kê SI )
Độ dẫn nhiệt, k { displaystyle k }, thường được coi là hằng số, nhưng trong thực tiễn nó hoàn toàn có thể biến hóa nhỏ theo nhiệt độ và những yếu tố khác. Trong vật tư không đẳng hướng, độ dẫn nhiệt hoàn toàn có thể biến hóa theo hướng ; và k { displaystyle k } hoàn toàn có thể được màn biểu diễn bằng tensor bậc hai. Trong vật tư không giống hệt, k { displaystyle k } biến hóa theo vị trí .
Dạng tích phân[sửa|sửa mã nguồn]
Tích phân phương trình ứng với dạng vi phân của định luật Fourier, trên diện tích bề mặt của vật liệu
S
{displaystyle S}
- ∂ Q ∂ t = − k ∮ S ∇ → T ⋅ d A → { displaystyle { frac { partial Q } { partial t } } = – k oint _ { S } { { overrightarrow { nabla } } T cdot , { overrightarrow { dA } } } }
với ( trong hệ thống kê giám sát SI )
-
∂
Q∂
t{displaystyle {big .}{frac {partial Q}{partial t}}{big .}}
- d A → { displaystyle { overrightarrow { dA } } }
2)
Định luật này là cơ sở để thiết kế xây dựng phương trình nhiệt. Định luật Ohm là dạng tương ứng của định luật Fourier cho trường hơp dẫn điện .
