भौतिकी में तापीय चालकता क्या है?

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

ऊष्मीय चालकता की घटना दो निकायों के सीधे संपर्क में बिना किसी पदार्थ के आदान-प्रदान के या इसके आदान-प्रदान के साथ गर्मी के रूप में ऊर्जा का हस्तांतरण है। इस मामले में, ऊर्जा एक शरीर या शरीर के एक उच्च तापमान वाले क्षेत्र से कम तापमान वाले शरीर या क्षेत्र में जाती है। गर्मी हस्तांतरण के मापदंडों को निर्धारित करने वाली भौतिक विशेषता तापीय चालकता है। तापीय चालकता क्या है, और इसे भौतिकी में कैसे वर्णित किया जाता है? यह लेख इन सवालों के जवाब देगा।

तापीय चालकता और इसकी प्रकृति की सामान्य अवधारणा

यदि आप सरल शब्दों में इस प्रश्न का उत्तर दें कि भौतिकी में तापीय चालकता क्या है, तो यह कहा जाना चाहिए कि दो निकायों या एक ही शरीर के विभिन्न क्षेत्रों के बीच गर्मी हस्तांतरण कणों के बीच आंतरिक ऊर्जा विनिमय की एक प्रक्रिया है जो शरीर (अणु, परमाणु, इलेक्ट्रॉन और आयन) बनाते हैं। आंतरिक ऊर्जा में ही दो महत्वपूर्ण भाग होते हैं: गतिज ऊर्जा और स्थितिज ऊर्जा।

इसकी प्रकृति की दृष्टि से भौतिकी में तापीय चालकता क्या हैमूल्य? सूक्ष्म स्तर पर, सामग्री की गर्मी का संचालन करने की क्षमता उनके सूक्ष्म संरचना पर निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, तरल पदार्थ और गैसों के लिए, यह भौतिक प्रक्रिया अणुओं के बीच अराजक टकराव के कारण होती है; ठोस पदार्थों में, स्थानांतरित गर्मी का मुख्य हिस्सा मुक्त इलेक्ट्रॉनों (धातु प्रणालियों में) या फोनोन (गैर-धातु पदार्थ) के बीच ऊर्जा के आदान-प्रदान पर पड़ता है।), जो क्रिस्टल जाली के यांत्रिक कंपन हैं।

तापीय चालकता का गणितीय निरूपण

आइए इस सवाल का जवाब देते हैं कि गणितीय दृष्टिकोण से तापीय चालकता क्या है। यदि हम एक सजातीय पिंड लेते हैं, तो किसी दिए गए दिशा में इसके माध्यम से स्थानांतरित गर्मी की मात्रा, गर्मी हस्तांतरण की दिशा के लंबवत सतह क्षेत्र, सामग्री की तापीय चालकता और सिरों पर तापमान अंतर के समानुपाती होगी। शरीर, और शरीर की मोटाई के व्युत्क्रमानुपाती भी होगा।

परिणाम सूत्र है: Q/t=kA(T₂-T₁)/x, यहां Q/t - समय में शरीर के माध्यम से स्थानांतरित गर्मी (ऊर्जा) t, k - उस सामग्री की तापीय चालकता का गुणांक जिससे माना गया शरीर बनाया जाता है, A - शरीर का पार-अनुभागीय क्षेत्र, T₂ -T ₁ - शरीर के सिरों पर तापमान का अंतर, साथ में T₂>T_{1, x - शरीर की मोटाई जिसके माध्यम से ऊष्मा Q स्थानांतरित होती है।}

ऊष्मीय ऊर्जा को स्थानांतरित करने के तरीके

सामग्री की तापीय चालकता क्या है, इस सवाल पर विचार करते हुए, हमें गर्मी हस्तांतरण के संभावित तरीकों का उल्लेख करना चाहिए। थर्मल ऊर्जा का उपयोग विभिन्न निकायों के बीच स्थानांतरित किया जा सकता हैनिम्नलिखित प्रक्रियाएं:

चालकता - यह प्रक्रिया बिना किसी पदार्थ के स्थानांतरण के चलती है;
संवहन - गर्मी हस्तांतरण सीधे पदार्थ की गति से ही संबंधित है;
विकिरण - विद्युतचुंबकीय विकिरण के कारण, यानी फोटॉन की मदद से गर्मी हस्तांतरण किया जाता है।

चालन या संवहन की प्रक्रियाओं का उपयोग करके गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए, विभिन्न निकायों के बीच सीधा संपर्क आवश्यक है, इस अंतर के साथ कि चालन की प्रक्रिया में पदार्थ की मैक्रोस्कोपिक गति नहीं होती है, लेकिन प्रक्रिया में संवहन यह आंदोलन मौजूद है। ध्यान दें कि सूक्ष्म गति सभी ऊष्मा अंतरण प्रक्रियाओं में होती है।

कई दसियों डिग्री सेल्सियस के सामान्य तापमान के लिए, यह कहा जा सकता है कि संवहन और चालन स्थानांतरित गर्मी के थोक के लिए खाता है, और विकिरण प्रक्रिया में स्थानांतरित ऊर्जा की मात्रा नगण्य है। हालांकि, कई सौ और हजारों केल्विन के तापमान पर गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया में विकिरण एक प्रमुख भूमिका निभाना शुरू कर देता है, क्योंकि इस तरह से स्थानांतरित ऊर्जा क्यू की मात्रा पूर्ण तापमान की चौथी शक्ति के अनुपात में बढ़ जाती है, यानी ∼ टी ⁴. उदाहरण के लिए, हमारा सूर्य अपनी अधिकांश ऊर्जा विकिरण के माध्यम से खो देता है।

ठोसों की तापीय चालकता

चूंकि ठोस में प्रत्येक अणु या परमाणु एक निश्चित स्थिति में होता है और इसे छोड़ नहीं सकता, संवहन द्वारा गर्मी का हस्तांतरण असंभव है, और एकमात्र संभव प्रक्रिया हैचालकता। शरीर के तापमान में वृद्धि के साथ, इसके घटक कणों की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है, और प्रत्येक अणु या परमाणु अधिक तीव्रता से दोलन करने लगता है। यह प्रक्रिया उनके पड़ोसी अणुओं या परमाणुओं के साथ टकराव की ओर ले जाती है, इस तरह के टकराव के परिणामस्वरूप गतिज ऊर्जा कण से कण में स्थानांतरित हो जाती है जब तक कि शरीर के सभी कण इस प्रक्रिया द्वारा कवर नहीं हो जाते।

वर्णित सूक्ष्म तंत्र के परिणामस्वरूप, जब धातु की छड़ के एक सिरे को गर्म किया जाता है, तो थोड़ी देर बाद पूरी छड़ पर तापमान समान हो जाता है।

विभिन्न ठोस पदार्थों में ऊष्मा समान रूप से स्थानांतरित नहीं होती है। तो, ऐसी सामग्रियां हैं जिनमें अच्छी तापीय चालकता है। वे आसानी से और जल्दी से अपने माध्यम से गर्मी का संचालन करते हैं। लेकिन खराब गर्मी के कंडक्टर या इन्सुलेटर भी होते हैं जिनके माध्यम से बहुत कम या कोई गर्मी नहीं हो सकती है।

ठोसों के लिए तापीय चालकता का गुणांक

ठोस k के लिए तापीय चालकता गुणांक का निम्नलिखित भौतिक अर्थ है: यह ऊष्मा की मात्रा को इंगित करता है जो इकाई मोटाई और अनंत लंबाई और चौड़ाई के किसी भी शरीर में एक इकाई सतह क्षेत्र के माध्यम से प्रति इकाई समय में तापमान अंतर के साथ गुजरता है। इसके सिरे एक डिग्री के बराबर होते हैं। इकाइयों SI की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में, गुणांक k को J/(smK) में मापा जाता है।

ठोस में यह गुणांक तापमान पर निर्भर करता है, इसलिए गर्मी के संचालन की क्षमता की तुलना करने के लिए इसे 300 K के तापमान पर निर्धारित करने की प्रथा हैविभिन्न सामग्री।

धातु और गैर-धातु कठोर सामग्री के लिए तापीय चालकता गुणांक

बिना किसी अपवाद के सभी धातुएं ऊष्मा की सुचालक होती हैं, जिसके हस्तांतरण के लिए वे इलेक्ट्रॉन गैस के लिए जिम्मेदार होती हैं। बदले में, आयनिक और सहसंयोजक सामग्री, साथ ही एक रेशेदार संरचना वाली सामग्री, अच्छे गर्मी इन्सुलेटर हैं, यानी वे खराब गर्मी का संचालन करते हैं। तापीय चालकता क्या है, इस प्रश्न के प्रकटीकरण को पूरा करने के लिए, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस प्रक्रिया के लिए पदार्थ की अनिवार्य उपस्थिति की आवश्यकता होती है यदि यह संवहन या चालन के कारण किया जाता है, इसलिए, निर्वात में, गर्मी को केवल किसके कारण स्थानांतरित किया जा सकता है विद्युत चुम्बकीय विकिरण।

नीचे दी गई सूची J/(smK) में कुछ धातुओं और गैर-धातुओं के लिए तापीय चालकता गुणांक के मान दिखाती है:

स्टील - 47-58 स्टील ग्रेड के आधार पर;
एल्यूमीनियम - 209, 3;
कांस्य - 116-186;
जिंक - 106-140 शुद्धता के आधार पर;
तांबा - 372, 1-385, 2;
पीतल - 81-116;
सोना - 308, 2;
चांदी - 406, 1-418, 7;
रबर - 0, 04-0, 30;
फाइबरग्लास - 0.03-0.07;
ईंट - 0, 80;
पेड़ - 0, 13;
ग्लास - 0, 6-1, 0.

इस प्रकार, धातुओं की तापीय चालकता इंसुलेटर के लिए तापीय चालकता मूल्यों की तुलना में परिमाण के 2-3 क्रम अधिक है, जो कि निम्न तापीय चालकता के प्रश्न के उत्तर का एक प्रमुख उदाहरण है।

तापीय चालकता का मूल्य कई में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता हैऔद्योगिक प्रक्रियाएं। कुछ प्रक्रियाओं में, वे अच्छे गर्मी कंडक्टरों का उपयोग करके और संपर्क क्षेत्र को बढ़ाकर इसे बढ़ाने की कोशिश करते हैं, जबकि अन्य में वे संपर्क क्षेत्र को कम करके और गर्मी-इन्सुलेट सामग्री का उपयोग करके थर्मल चालकता को कम करने का प्रयास करते हैं।

तरल और गैसों में संवहन

तरल पदार्थों में ऊष्मा का स्थानांतरण संवहन प्रक्रिया द्वारा किया जाता है। इस प्रक्रिया में विभिन्न तापमान वाले क्षेत्रों के बीच किसी पदार्थ के अणुओं की गति शामिल होती है, अर्थात संवहन के दौरान, एक तरल या गैस मिश्रित होती है। जब द्रव पदार्थ ऊष्मा छोड़ता है, तो उसके अणु अपनी कुछ गतिज ऊर्जा खो देते हैं और पदार्थ सघन हो जाता है। इसके विपरीत, जब द्रव पदार्थ को गर्म किया जाता है, तो उसके अणु अपनी गतिज ऊर्जा बढ़ाते हैं, उनकी गति क्रमशः अधिक तीव्र हो जाती है, पदार्थ का आयतन बढ़ जाता है और घनत्व कम हो जाता है। इसीलिए गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में पदार्थ की ठंडी परतें नीचे गिरती हैं और गर्म परतें ऊपर उठने की कोशिश करती हैं। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप पदार्थ का मिश्रण होता है, जिससे इसकी परतों के बीच गर्मी के हस्तांतरण की सुविधा होती है।

कुछ तरल पदार्थों की तापीय चालकता

यदि आप इस प्रश्न का उत्तर देते हैं कि पानी की तापीय चालकता क्या है, तो यह समझना चाहिए कि यह संवहन प्रक्रिया के कारण है। इसके लिए तापीय चालकता गुणांक 0.58 J/(smK) है।

अन्य तरल पदार्थों के लिए, यह मान नीचे सूचीबद्ध है:

एथिल अल्कोहल - 0.17;
एसीटोन - 0, 16;
ग्लिसरॉल - 0, 28.

अर्थात मानतरल पदार्थों के लिए तापीय चालकता ठोस गर्मी इन्सुलेटर के लिए तुलनीय है।

वायुमंडल में संवहन

वायुमंडलीय संवहन महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हवाओं, चक्रवात, बादल बनने, बारिश और अन्य जैसी घटनाओं का कारण बनता है। ये सभी प्रक्रियाएं ऊष्मागतिकी के भौतिक नियमों का पालन करती हैं।

वायुमंडल में संवहन की प्रक्रियाओं में सबसे महत्वपूर्ण जल चक्र है। यहां हमें पानी की तापीय चालकता और गर्मी क्षमता के सवालों पर विचार करना चाहिए। पानी की गर्मी क्षमता को एक भौतिक मात्रा के रूप में समझा जाता है जो दर्शाता है कि 1 किलो पानी में कितनी गर्मी स्थानांतरित की जानी चाहिए ताकि इसका तापमान एक डिग्री बढ़ जाए। यह 4220 जे के बराबर है।

जल चक्र निम्नानुसार किया जाता है: सूर्य महासागरों के पानी को गर्म करता है, और पानी का कुछ हिस्सा वायुमंडल में वाष्पित हो जाता है। संवहन की प्रक्रिया के कारण जलवाष्प काफी ऊंचाई तक बढ़ जाता है, ठंडा, बादल और बादल बन जाते हैं, जिससे ओलावृष्टि या वर्षा के रूप में वर्षा होती है।