Ջերմահաղորդականություն

Ջերմահաղորդականություն, մարմնի տաք մասերից դեպի պակաս տաք մասերը ջերմության փոխանցում, որը հանգեցնում է ջերմաստիճանների հավասարեցման։ Ջերմահաղորդականությունյանը հատուկ է ջերմության փոխանցման ատոմամոլեկուլային բնույթը՝ մեծ Էներգիա ունեցող մասնիկների (մոլեկուլներ, ատոմներ, Էլեկտրոններ) էներգիայի անմիջական հաղորդումը փոքր էներգիայով մասնիկներին։

Ֆուրիեի օրենք

Իզոտրոպ միջավայրում ջերմության տարածումը ենթարկվում է Ֆուրիեի օրենքին․

${\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}$,

որտեղ ${\displaystyle {\vec {q}}}$-ն՝ ջերմային հոսքի խտության վեկտորն Է, ${\displaystyle T}$-ն՝ բացարձակ ջերմաստիճանը, ${\displaystyle \varkappa }$-ն՝ ջերմահաղորդականության գործակիցը, որը կախված չէ ջերմաստիճանի գրադիենտից։ Ըստ մոլեկուլային-կինետիկ տեսության, Ֆուրիեի օրենքը տեղի ունի, եթե ջերմաստիճանի հարաբերական փոփոխությունը ազատ վազքի ${\displaystyle I}$ միջին երկարության վրա անհամեմատ փոքր է մեկից։

Խորանարդային սիմետրիայից զուրկ բյուրեղներում ${\displaystyle {\vec {q}}}$ վեկտորը զուգահեռ չէ ${\displaystyle gradT}$-ին և որոշվում է։

${\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},}$

առնչությամբ, որտեղ ${\displaystyle P}$ երկրորդ սեռի տենզոր է։ Միավորների միջազգային համակարգում ${\displaystyle \lambda }$-ն չափվում է վտ/(մ*K)-ով։

Իդեալական գազ

Իդեալական գազի համար, որի մոլեկուլներն ունեն միայն համընթաց շարժման էներգիա, ${\displaystyle \lambda }$-ն տրվում է։

${\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}}}$

արտահայտությամբ, որտեղ ${\displaystyle \rho }$-ն գազի խտությունն է, ${\displaystyle c_{v}}$-ն՝ միավոր զանգվածի ջերմունակությունը հաստատուն ծավալի դեպքում, ${\displaystyle {\bar {v}}}$-ն՝ մոլեկուլների շարժման միջին արագությունը։ Քանի որ ${\displaystyle l\sim l/p}$, իսկ ${\displaystyle p\sim p}$ (${\displaystyle p}$-ն գազի ճնշումն է), ուստի իդեալական գազի ${\displaystyle \lambda }$-ն կախված չէ ճնշումից։ Բազմատոմ մոլեկուլներից կազմված գազի ${\displaystyle \lambda }$-ն հաշվելիս անհրաժեշտ է հաշվի առնել նաև մոլեկուլների ներքին ազատության աստիճանները։ Խիտ գազերում և հեղուկներում, որտեղ միջմոլեկուլային միջին հեռավորությունը մոլեկուլի չափերի կարգի մեծություն է, միջմոլեկուլային ուժեղ փոխազդեցության առկայությունը նպաստում է ջերմության ավելի արագ փոխանցմանը (հեղուկում այն տարածվում է ձայնի արագությամբ)։ Պինդ մարմինների ջերմահաղորդականության բնույթը, մարմնի տեսակից կախված, տարբեր է։ Մետաղներն ունեն բարձր ջերմահաղորդականություն, որը կապված է դրանց բարձր էլեկտրահաղորդականության հետ, այսինքն՝ պայմանավորված է հիմնականում հաղորդականության էլեկտրոնների շարժմամբ և փոխազդեցությամբ։

Վիդեման-Ֆրանցի օրենք

Մետաղների ${\displaystyle \lambda }$-ի ջերմաստիճանային կախումը կարելի է հետազոտել, օգտվելով Վիդեման-Ֆրանցի օրենքից․

${\displaystyle {{\frac {\lambda }{\sigma T}}=const}}$

(${\displaystyle \sigma }$-ն էլեկտրահաղորդականության գործակիցն է)։ Բարձր ջերմաստիճաններում ${\displaystyle t}$ ջերմաստիճանի նվազման հետ այն սկսում է ավելի արագ աճել և շատ ցածր ջերմաստիճաններում ձգտում է ${\displaystyle \sigma _{0}}$ հաստատուն մեծության։ Ուստի ${\displaystyle \lambda }$-ն բարձր ջերմաստիճաններում հաստատուն է, իսկ ցածր ջերմաստիճաններում՝ ուղիղ համեմատական ${\displaystyle T}$-ին։ Ոչ մետաղական բյուրեղներում (դիէլեկտրիկ, մաքուր կիսահաղորդիչ՝ ցածր ջերմաստիճաններում) ջերմության փոխանցումը կատարվում է ֆոտոններով։ ${\displaystyle \lambda }$-ի որոշման համար կարելի է օգտվել

${\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto {\frac {1}{P}}}$,

բանաձևից, որտեղ v-ը ֆոնոնի միջին արագությունն է, c-ն՝ ցանցային ջերմունակությունը։ Միջին և բարձր ջերմաստիճաններում։ ${\displaystyle {\sigma \sim {\frac {1}{T}}}}$-ը սահմանափակվում է ֆոնոն-ֆոնոն փոխազդեցությամբ և բավական բարձր ջերմաստիճաններում հակադարձ համեմատական է դառնում ${\displaystyle T}$-ին։ ${\displaystyle l}$-ի ջերմաստիճանային կախումը ${\displaystyle T}$-ի նվազման դեպքում կարելի է ներկայացնել ${\displaystyle l\sim exp(T^{*}/T)}$ տեսքով, որտեղ ${\displaystyle T^{*}}$-ն յուրաքանչյուր բյուրեղի համար բնութագրական ջերմաստիճանն է։ Ցածր ջերմաստիճաններում ${\displaystyle l}$-ը խիստ մեծանալով, ձգտում է մի հաստատունի, որը որոշվում է բյուրեղի չափերով։ Հաշվի առնելով ցանցային ջերմունակության ջերմաստիճանային կախումը, ${\displaystyle \lambda }$-ի կախումը ${\displaystyle T}$-ից տարբեր տիրույթներում կարելի է ներկայացնել կորով։

Տարբեր նյութերի ջեմահաղորդականության տարաձևություններ

Նյութեր	Ջերմահաղորդականություն, Վտ/(Մ·Կ)
Գրաֆեն	4840±440 — 5300±480
Ալմաստ	1001—2600
Գրաֆիտ	278,4—2435
Սիլիցիումի կարբիդ	490
Արծաթ	430
Պղինձ	401
Բերիլիումի օքսիդ	370
Ոսկի	320
Ալյումին	202—236
Ալյումինի նիտրիդ	200
Բորի նիտրիդ	180
Սիլիցիում	150
Արույր	97—111
Քրոմ	93,7
Երկաթ	92
Պլատին	70
Անագ	67
Ցինկի օքսիդ	54
Պողպատ	47
Կապար	35,3
Քվարց	8
Գրանիտ	2,4
Բազալտ	1,3
Ապակի	1-1,15
Սիլիցիումօրգանական ջերմահաղորդական մածուկ	0,7
Ջուրը նորմալ պայմաններում	0,6
Աղյուս	0,2—0,7
Սիլիկոնի յուղ	0,16
Փրփուր	0,05—0,3
Փայտ	0,15
Նավթային յուղեր	0,12
Թարմ ձյուն	0,10—0,15
Պոլիպրոպիլեն	0,038-0,052
Էքստրուդացված Պենոպլաստ (горючесть Г1 и Г4	0,032-0,034
Ապակի	0,032-0,041
Քարե բամբակ	0,034-0,039
Օդ (300 K, 100 կՊաս)	0,022
Վակուում (բացարձակ)	0 (խիստ)

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 9, էջ 493)։