ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Теплопроводность — это передача тепла в телах, не сопровождаемая перемещением составляющих их частиц. Этим обычная теплопроводность отличается от так называемой конвективной, при которой перенос тепла осуществляется благодаря перемешиванию достаточно больших объемов вещества. Типичный пример конвективной теплопроводности — перемещение массы теплого воздуха от костра или от печки. Перенос тепловой энергии путем теплопроводности совершается под влиянием разности температур.

Математическая теория теплопроводности была создана французским физиком и математиком Ж. Фурье. Теория Фурье рассматривает вещество как сплошную среду, не интересуясь его молекулярным строением. Это значит, что она описывает передачу тепла на расстояниях, больших по сравнению с длиной свободного пробега молекул (и тем более с расстоянием между ними). Работа Фурье «Аналитическая теория тепла» (1822) основана на следующем опытном факте. Если имеется однородная плоская стена толщиной x₂-x₁ и температуры поверхностей стены составляют T₂ и T₁, соответственно, то количество тепла Q, передаваемое за время т через площадку S поверхности стены, равно:

Q = λ•S•t•(T₂-T₁)/(x₂-x₁),

где λ — коэффициент теплопроводности, или просто теплопроводность. Далее Фурье предложил уравнения, которые позволяют рассчитать распределение температур в стене для различных моментов времени.

Теплопроводность является мерой быстроты выравнивания температур различных точек тела, или мерой количества переносимого тепла при заданной разности температур и толщине стены. Чем больше теплопроводность, тем скорее тело приближается к состоянию теплового равновесия.

Теплопроводность характеризует данное вещество, его природу и физическое состояние. В анизотропных телах она зависит от направления распространения тепла. Наилучшие проводники тепла — металлы, в которых перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется главным образом свободными электронами. Именно поэтому для всех металлов отношение теплопроводности к электропроводности при данной температуре есть величина постоянная (закон Видемана — Франца).

При плавлении металлов теплопроводность, как правило, падает скачком при температуре плавления. Газы обладают наименьшей теплопроводностью по сравнению с твердыми телами и жидкостями. Жидкости обычно проводят тепло намного хуже твердых тел. Так, теплопроводность воды составляет 0,63, а твердой меди (правда, одного из самых лучших проводников тепла) — 385 Дж/м•с•К, в 600 раз больше. Исключение представляет жидкий гелий — ниже 2,19 К, так называемый гелий II. При охлаждении ниже этой температуры теплопроводность жидкого гелия возрастает примерно в 3 млн. раз: он начинает передавать тепло несравненно лучше меди. Этот эффект был обнаружен нидерландским физиком В. Кеезомом и объяснен советским ученым Л. Д. Ландау. Это особый вид теплопроводности, не связанной ни с движением жидкости как целого, ни с конвекцией (перемешиванием). Высокая теплопроводность объясняется особенностями гелия II как квантовой жидкости, состоящей из двух компонент — сверхтекучей и нормальной (см. Сверхтекучесть).