Siltuma vadītspēja (siltumvadība) — definīcija un piemēri
Kas ir siltuma vadītspēja (siltumvadība)?
Siltuma vadītspēja (jeb siltumvadība) ir siltuma pārnese no viena ķermeņa vai vietas uz citu, kamēr to temperatūra atšķiras un tie atrodas ciešā kontaktā vai caur materiālu. Vienkāršs ikdienas piemērs: ja pieskaras karstas ūdens pudelei, siltums plūst no karstākā objekta (karstās pudeles) uz aukstāko (roku), līdz temperatūras starpība samazinās.
Kā tas darbojas — skaidrojums vienkāršiem vārdiem
Siltuma vadīšanās notiek, kad siltuma enerģija tiek pārnesta caur materiālu no siltākas vietas uz aukstāku. Šajā procesā enerģiju pārnes atsevišķi daļiņu sadursmes vai kustības (piemēram, brīvie elektroni metālos). Metāli parasti vada siltumu labi, jo tajos brīvie elektroni pārvadā enerģiju ātri. Materiāli ar vāju siltuma vadītspēju (piemēram, putuplasts, koks, vilna) darbojas kā izolatori.
Fizikālais apraksts un vienības
Siltuma vadītspēju raksturo materiāla konstante — siltuma vadītspējas koeficients, parasti apzīmēts kā k vai λ (lambda). Fizikā bieži izmanto Furje likumu viendimensiju gadījumā:
q = -k · A · dT/dx
kur q ir siltuma plūsma (W), k (vai λ) ir siltuma vadītspēja (W·m⁻¹·K⁻¹), A ir šķērsgriezuma laukums (m²) un dT/dx ir temperatūras gradients (K/m). Bieži lieto arī siltumizturību (R = d/λ), kas noder aprēķinos būvniecībā un izolācijā.
Piemēri un praktiskie pielietojumi
- Virtuves trauki: metāla pannas labi vada siltumu, lai pārtika ātri un vienmērīgi siltotos; rokturi bieži ir veidoti no materiāliem ar zemu vadītspēju vai ar izolāciju, lai tie nebūtu karsti.
- Termosi un izolēti konteineri: izmanto materiālus ar zemu siltuma vadītspēju un bieži vakuumu, lai saglabātu karstumu vai aukstumu.
- Būvniecība: sienu un logu siltumizolācija ir balstīta uz materiāliem ar zemu λ, lai samazinātu siltuma zudumus ziemā un uzkaršanos vasarā.
- Elektronika: komponentu dzesēšana izmanto labus siltuma vadītājus (siltuma plāksnes, radiatori) lai novadītu siltumu prom no mikroshēmām.
Atšķirība no citiem siltuma pārneses veidiem
Paralēli siltumvadībai vienlaikus var notikt arī citi siltuma pārneses mehānismi, piemēram siltuma starojums un/vai konvekcija. Starojums nozīmē enerģijas izstarošanu elektromagnētiskos viļņos (piem., saule silda Zemi), bet konvekcija nozīmē siltuma pārnesi ar kustīgu šķidrumu vai gāzi (piem., siltais gaiss cepeškrāsnī). Bieži praksē notiek vairāku veidu kombinācija — piemēram, vārīšanās katlā ietver gan konvekciju, gan vadīšanos caur trauka materiālu, reizēm arī nelielu starojuma ietekmi.
Kā izvēlas materiālu — praktiski padomi
- Ja nepieciešama ātra siltuma pārvade (piem., radiatoros, siltummaini), izvēlas materiālus ar augstu k/λ (metāli — varš, alumīnijs).
- Ja nepieciešama izolācija (siltumizolācija mājās, termosu rokturi), izvēlas materiālus ar zemu k/λ (putuplasts, vilna, gaisa slāņi vai vakuums).
- Aprēķinos lieto siltumvadītspējas tabulas un ņem vērā arī slāņu biezumu, virsmas stāvokli un kontaktu kvalitāti, jo tie ietekmē reālo siltuma plūsmu.
Ja nepieciešams, varam pievienot formulas piemērus ar konkrētiem skaitļiem vai aplēst siltuma zudumu caur sienu, izmantojot materiālu λ vērtības un biezumu.
Pieskaroties karstā ūdens pudelei, mēs iegūstam siltumu caur vadītspēju.
Mikroskopiskais skaidrojums
Saskaņā ar atomu teoriju cietvielas, šķidrumi un gāzes sastāv no sīkām daļiņām, ko sauc par atomiem. Ar materiāla temperatūru mēra, cik ātri pārvietojas atomi, un ar siltumu mēra kopējo enerģijas daudzumu, ko rada atomu vibrācijas.
Caurvade var notikt, kad viena materiāla daļa tiek uzkarsēta. Šīs daļas atomi vibrē straujāk un ir lielāka iespēja, ka tie trāpīs saviem kaimiņiem. Sadursmes izraisa arī šo atomu ātrāku kustību, nododot tiem siltuma enerģiju. Šādā veidā enerģija pārvietojas pa cietvielu (līdzīgi kā enerģija pārvietojas pa krītošu domino komplektu).
Atomu aina palīdz izskaidrot arī to, kāpēc vadītspējai ir lielāka nozīme cietajās vielās: cietajās vielās atomi ir cieši viens pie otra un nevar pārvietoties. Šķidrumos un gāzēs daļiņas var pārvietoties cita gar citu, tāpēc sadursmes ir retākas.
Siltuma vadītspējas likums
Siltuma vadītspējas likums, kas pazīstams arī kā Furjē likums, nozīmē, ka siltuma pārneses ātrums laikā caur materiālu ir proporcionāls negatīvajam temperatūras gradientam un laukumam, kas atrodas taisnā leņķī pret šo gradientu, caur kuru plūst siltums:
∂ Q ∂ t = - k ∮ S ∇ T ⋅ d S {\displaystyle {\frac {\partial Q}{\partial t}}}=-k\oint _{S}{\nabla T\cdot \,dS}} 
kur:
Q ir nodotā siltuma daudzums, un
t ir laiks, kas vajadzīgs, un
k ir materiāla siltumvadītspēja' un
S ir laukums, caur kuru plūst siltums, un
T ir temperatūra.
Siltumvadītspēja parasti mainās atkarībā no temperatūras, taču dažos izplatītākajos materiālos tās var būt nelielas, bet ievērojamā temperatūru diapazonā.
Lineāra siltuma plūsma
Saistītās lapas
- Siltuma pārnese
- Konvekcija
- Siltuma starojums
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir siltuma vadītspēja?
A: Siltuma vadītspēja ir siltuma pārnese starp diviem dažādu temperatūru objektiem, kad tie saskaras viens ar otru.
J: Vai siltuma vadītspēja var notikt starp vienādas temperatūras objektiem?
A: Nē, siltuma vadītspēja notiek tikai starp objektiem, kuru temperatūra ir atšķirīga.
J: Kāds ir siltuma vadīšanas piemērs?
A: Siltuma vadītspējas piemērs ir roku sasilšana, pieskaroties karsta ūdens pudelei. Kad aukstākās rokas saskaras ar karstākā ūdens pudeli, siltums plūst no karstākā objekta uz aukstāko.
J: Kādi ir daži materiāli ar atšķirīgu siltuma vadītspēju?
A: Virtuves piederumi var būt izgatavoti no materiāliem ar atšķirīgu siltuma vadītspēju, kā arī no izolētiem traukiem karstiem vai aukstiem priekšmetiem.
J: Vai ir vēl citi siltuma pārneses veidi bez vadītspējas?
A: Jā, siltumu var pārnest arī ar starojumu un konvekciju.
J: Vai visi siltuma pārneses procesi notiek atsevišķi?
A: Nē, parasti vairāki no šiem siltuma pārneses procesiem (vadītspēja, starojums un konvekcija) notiek vienlaicīgi.
J: Vai siltuma pārnese var notikt vakuumā?
A: Jā, siltuma pārnese, izmantojot starojumu, var notikt vakuumā. Šādā veidā Saules siltums sasniedz Zemi.
