Šiluminis laidumas

Šiluminis laidumas (šiluminis laidis) – medžiagos savybė praleisti šilumą, t. y. termoizoliacinė medžiagos savybė. Šią savybę apibūdina šilumos laidumo koeficientas λ. Kuo mažesnė λ vertė, tuo geresnėmis izoliacinėmis savybėmis pasižymi medžiaga. Šilumos perdavime, laidumas (ar karščio laidumas) yra perkėlimas šiluminės energijos tarp kaimyninių molekulių medžiagoje dėl temperatūrinio gradiento. Tai visada vyksta nuo aukštesnės temperatūros srities į žemesnės temperatūros sritį, ir veikia, kad sulygintų temperatūrinius skirtumus. Šiluminis laidumas yra savaiminis šiluminės energijos atidavimo procesas per medžiagą (kietaisiais kūnais, rečiau – skysčiais bei dujomis) iš aukštesnės temperatūros regiono į žemesnės. Procesas stengiasi išlyginti temperatūrinį skirtumą. Šiluminis laidumas gali būti apibūdintas ir kaip energijos perdavimas iš vienos medžiagos į kitą.

Geri šilumos laidininkai energiją perduoda greitai, daugiausia dalyvaujant laisviesiems elektronams. Tačiau ją perduoti gali ir svyruodami atomai. Medžiaga, kurioje šilumos laidumo vyksmas greitas, vadinama šilumos laidininku. Tokie laidininkai energiją perduoda daugiausia dalyvaujant laisviems elektronams (gebantiems laisvai judėti kietajame kūne). Jeigu energija perduodama atomų svyravimo dėka, medžiaga vadinama šilumos izoliatoriumi.

Šilumos atidavimo būdai

laidumas – šiluma perduodama kūnui tiesiogiai liečiantis prie kietų ar skystų medžiagų;
konvekcija – šiluma perduodama per oro srautą;
spinduliavimas – šiluma tarp kūnų perduodama elektromagnetinio spinduliavimo metu (pvz., saulė);
garinimas – prakaitas, šildomas odos, virsta vandens garais, kurie nunešami oro srauto.

Šilumos laidumo veiksniai

Šilumos apykaitos procesas priklauso nuo aplinkos sąlygų: oro temperatūros, oro santykinio drėgnumo, oro judėjimo greičio ir supančių paviršių temperatūros (sienų, lubų, langų). Šių sąlygų tarpusavio ryšys gali būti labai sudėtingas. Esant aukštai oro ir paviršių temperatūrai, šilumos nuostoliai dėl konvekcijos ir išspinduliavimo yra labai maži, todėl gali pakilti kūno temperatūra. Tokiomis sąlygomis vienintelis galimas šilumos atidavimo būdas – išgarinimas, tačiau, esant dideliam oro drėgnumui, šilumos atidavimas išgarinant taip pat yra mažas, todėl organizmas gali perkaisti ir žmogus gali patirti šilumos smūgį.

Šilumos laidumo būdu dalį vieno kūno vidinės energijos galima perduoti kitam kūnui (kai jie susiliečia ir yra nevienodos temperatūros) arba iš vienos kūno dalies į kitą (kai kuri nors kūno pusė yra šildoma).

Šilumos laidumą galima paaiškinti vidine medžiagų sandara. Gerą metalų šilumos laidumą lemia laisvųjų elektronų šiluminis judėjimas ir sąveika.

Šilumos laidumo būdu medžiaga neperduodama iš vienos kūno dalies į kitą arba iš vienų kūnų į kitus. Šilumos laidumą galima paaiškinti vidine medžiagų sandara. Gerą metalų šilumos laidumą lemia laisvųjų elektronų šiluminis judėjimas ir sąveika. Skysčuose ir dujose šiluma perduodama dėl molekulių smūgių ir difuzijos. Difuzijos įtaka šilumos laidumui yra ryškiausia dujose. Jų molekulės yra toli viena nuo kitos, todėl susiduria rečiau ir lėčiau perduoda energiją viena kitai. Todėl dujos ir skysčiai yra blogi šilumos laidininkai.

Šilumos laidumo mechanizmas. Furjė dėsnis

Šilumos laidumas yra pernašos reiškinys. Kadangi yra temperatūros gradientas, molekulės perduoda kinetinę energiją. Matematiškai šį procesą aprašo Furjė dėsnis: šilumos srauto tankis proporcingas temperatūros gradientui:

q=-\lambda \cdot \nabla T

q yra šilumos srauto tankis (šilumos kiekis perneštas per laiko vienetą vieno kvadratinio metro plotu, ${\frac {J}{m^{2}\cdot s}}$ )
$\lambda$ yra šiluminio laidumo koeficientas ( ${\frac {W}{m\cdot K}}$ ),
T – absoliutinė temperatūra

Jei šilumos laidumas vyksta viena kryptimi x,

q=\lambda \cdot {\frac {dT}{dx}}

Šilumos perdavimo koeficientas

Užrašomas:

{\big .}U={\frac {k}{\Delta x}},\quad

kur U yra perdavimas.

Furje dėsnis taip pat gali būti užrašytas kaip:

{\big .}{\frac {\Delta Q}{\Delta t}}=UA\,(-\Delta T).

Laidumo analogas yra pasipriešinimas, R, duotas kaip:

{\big .}R={\frac {1}{U}}={\frac {\Delta x}{k}}={\frac {A\,(-\Delta T)}{\frac {\Delta Q}{\Delta t}}},\quad

ir tai yra pasipriešinimas, kuris yra adityvus, kai keli praleidimo sluoksniai guli tarp karštų ir vėsių sričių, todėl, kad A ir Q yra tas pats visiems sluoksniams. Multisluoksnio padalijime, visas laidumas yra susietas su laidumu prie jo sluoksnių :

{\big .}{\frac {1}{U}}={\frac {1}{U_{1}}}+{\frac {1}{U_{2}}}+{\frac {1}{U_{3}}}+\cdots

Taigi kai turi reikalų su multisluoksniu padalijimu, kita formule dažniausiai naudojama yra ši:

{\big .}{\frac {\Delta Q}{\Delta t}}={\frac {A\,(-\Delta T)}{{\frac {\Delta x_{1}}{k_{1}}}+{\frac {\Delta x_{2}}{k_{2}}}+{\frac {\Delta x_{3}}{k_{3}}}+\cdots }}.

Praktiniams, inžineriniams skaičiavimams naudojama šiluminių nuostolių per sienelę formulė:

Q=\lambda \cdot S\cdot \tau \ {\frac {T_{2}-T_{1}}{D}}

Q – šiluminiai nuostoliai (J)
S – sienelės plotas (m²)
$\tau \$ – laikas (s)
$T_{2}-T_{1}$ – abiejų sienelių pusių temperatūrų skirtumas (K)
D – sienelės storis (m)

Šilumos laidumo reikšmė

Šilumos laidumo būdu medžiaga neperduodama. Šilumos laidumas labai svarbus žmonių gyvenime. Kūnams apsaugoti nuo atšalimo ir perkaitimo naudojamos įvairios izoliacinės medžiagos trukdančios perduoti šilumą laidumo būdu. Pavyzdžiui, kad butuose oras neatvėstų, įstiklinami balkonai, dedami dvigubi ar trigubi langų stiklai. Tarp jų esantis oras yra labai geras šilumos izoliatorius. Šiltiems drabužiams naudojami geri šilumos izoliatoriai – vilna, pūkai. Iš gerų šilumos izoliatorų pagamintos keptuvių, puodų rankenos neįkaista. Geri šilumos laidininkai yra namų šildymo sistemos vamzdžiai, radiatoriai. sausio 2010 (EET)

Taip pat skaitykite

Nuorodos

Dehghani, F 2007, CHNG2801 – Conservation and Transport Processes: Course Notes, University of Sydney, Sydney
John H Lienhard IV and John H Lienhard V, 'A Heat Transfer Textbook', Third Edition, Phlogyston Press, Cambridge Massachusetts [1]
Newton’s Law of Cooling by Jeff Bryant based on a program by Stephen Wolfram, Wolfram Demonstrations Project
When Will My Turkey Be Done? Archyvuota kopija 2013-03-31 iš Wayback Machine projekto.