1.2 Закон Фур’є

Відомий французький вчений фізик Фур’є ще в 18 ст вивчав явище теплопровідності і встановив основний закон теплопровідності. Слід зауважити що Фур’є вивчав явище теплопровідності в твердих тілах. Теплопровідність є і в рідинах і в газах .....

В загальному випадку закон Фур’є виглядає так - закон записаний для стаціонарного температурного поля (я підкреслив що ми будемо в першу чергу розглядати стаціонарні температурні поля). Отже за Фур’є тепловий потік який передається теплопровідністю пропорційний ( коефіцієнт пропорційності) до площі поверхні через яку від передається та до температурного градієнту. Знак – що стоїть в правій частині рівняння показує що вектори мають протилежну напрямленість. Коефіцієнт пропорційності - коефіцієнт теплопровідності. Фізичний зміст його – тепловий потік, який передається через ізотермічну поверхню в 1 м² при градієнті температури і 1 К/м. Він характеризує інтенсивність процесу теплопровідності – чим більше його значення тим більша кількість теплового потоку передається в одиницю часу. Слід зауважити що коефіцієнт теплопровідності має велике значення в теорії теплообміну а знання його величини дозволяє розкрити механізм передачі теплоти. Виділимо три групи тіл: газоподібні, рідкі та тверді.

Гази - = 0,005 ÷0,5 Вт/(м∙К). Найбільше значення 0,5 має один газ – водень що більше як у більшості рідин. Для газів істотно залежить від температури – із збільшенням температури інтенсивність хаотичного руху молекул збільшується передача теплоти покращується і збільшується . Також залежить від тиску особливо при великих тисках. Для газової суміші нажаль правилу адитивності як теплоємність не підкоряється (ніякої залежності від кількості газів не простежується) тому визначається тільки дослідним шляхом.

Р ідини - = 0,08÷0,7 Вт/(м∙К) і це значення 0,7 має вода. Бачите що водень не значно поступається кращій з рідин воді, тому його часто використовують в якості теплоносія при охолодженні потужних машин. Наприклад на електростанціях обмотки генератора охолоджуються саме воднем оскільки застосувати для цього воду через її електропровідність неможливо, а інші теплоносії не настільки ефективні. Від чого залежить рідин. Залежність від температури.

При збільшенні температури тільки для двох рідин – води і гліцерину збільшується, а для всіх інших рідин він зменшується. І цей феномен досі не розгаданий що говорить про те що теорія теплообміну як наука ще дуже молода і вона розвивається і потребує ще розв’язання багатьох питань.

Теплопровідність в твердих тілах здійснюється за рахунок коливання атомів біля якогось стаціонарного положення. І за рахунок цих коливань теплота від одних шарів твердого тіла передається до інших шарів. Тверді тіла слід розділити на метали і неметали. І в металах якраз найбільший коефіцієнт теплопровідності = 20÷420 Вт/(м∙К). Найбільший коефіцієнт є у срібла, потім іде чиста мідь, а потім золото. Як і у випадку з сумішами рідин для сплавів не виконується правило адитивності. Для неметалів мають менший коефіцієнт теплопровідності Вт/(м∙К), серед неметалів виділяють групу для яких Вт/(м∙К) і їх називають ізоляторами. Із збільшенням температури коефіцієнт теплопровідності зменшується, а для неметалів збільшується. А в чому причина цього. Виявляється що тепло в металах передається за рахунок дифузії вільних електронів. Тіло нагрівається з одного боку і електрони дифундують в напрямку менш нагрітої сторони. А це є електричний струм. А при зростанні температури електричний опір металів зростає тому зростає і термічний опір тіла а отже коефіцієнт теплопровідності зменшується.