Теплопроводность

Теплопрово́дность, перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, при котором происходит прямая передача энергии от частиц тела (молекул и др.), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Один из видов явлений переноса. Теплопроводность приводит к выравниванию температуры разных частей тела. Если относительное изменение температуры на расстоянии средней длины свободного пробега ${\displaystyle {l}}$ частиц мало́, то выполняется основной закон теплопроводности (закон Фурье), согласно которому плотность теплового потока q пропорциональна градиенту температуры ${\displaystyle {\text{Т}}}$: ${\displaystyle q=-\varkappa \operatorname {grad} T}$, где ${\displaystyle \varkappa }$ – коэффициент теплопроводности, зависящий от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строения, химического состава, давления, температуры и др. Процесс теплопроводности в сплошной среде (в газах, жидкостях, твёрдых телах) описывается уравнением теплопроводности.

Для газов ${\displaystyle \varkappa ={\frac {1}{3}}(\rho C_{V}v{\text{l}})}$, где ${\displaystyle \rho }$ – плотность газа, ${\displaystyle C_{V}}$ – удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме, ${\displaystyle {v}}$ – среднее значение скорости молекул. Отклонения от закона Фурье возникают при очень больших градиентах температур (например, в ударных волнах), а также при сверхвысоких температурах, порядка 10⁴ –10⁵ К, когда перенос энергии в газах происходит в основном за счёт теплового излучения (лучистый теплообмен).

В жидкостях среднее расстояние между частицами сравнимо с размерами частиц и их средняя кинетическая энергия сравнима со средней потенциальной энергией межатомного (межмолекулярного) взаимодействия, что резко ускоряет процесс теплопроводности. Коэффициент теплопроводности жидкостей убывает с ростом ${\displaystyle {\text{Т}}}$ и слабо возрастает с ростом давления ${\displaystyle {\text{р}}}$ (в окрестности критической точки жидкости коэффициент теплопроводности резко возрастает).

Для твёрдых тел зависимость ${\displaystyle \varkappa }$ от ${\displaystyle {\text{р}}}$ практически линейна, а от ${\displaystyle {\text{Т}}}$ – определяется конкретной физической природой этих тел. В диэлектриках теплопроводность осуществляют фононы. В металлах теплопроводность определяется не только фононами, но и электронами проводимости, причём при комнатной температуре величина ${\displaystyle \varkappa }$ для электронов значительно превосходит величину ${\displaystyle \varkappa }$ для фононов. Полное значение ${\displaystyle \varkappa }$ в металлах пропорционально удельной электропроводности (закон Видемана – Франца). В полупроводниках вклады в теплопроводность фононов и электронов имеют сравнимые значения; кроме того, на теплопроводность влияет наличие примесей, экситонов и процессов биполярной диффузии.

В плазме перенос теплоты связан с хаотическим движением частиц (электронов, ионов, нейтральных атомов). Большая разница в массах частиц приводит к медленной релаксации энергии между ними, поэтому при теплопроводности в частично ионизованной плазме происходит выравнивание температуры не плазмы в целом, а температур её электронной и ионной компонент (электронная температура, ионная температура). При равенстве температур компонент в полностью ионизованной плазме теплопроводность обусловлена в основном электронной компонентой. Существенное влияние на теплопроводность в плазме оказывает магнитное поле; при его отсутствии коэффициент теплопроводности для каждой компоненты можно найти посредством кинетической теории газов. Наложение магнитного поля сдерживает движение заряженных частиц поперёк поля и снижает теплопроводность плазмы (эффект лежит в основе магнитной термоизоляции плазмы).