物体内各部分温度不均匀时,将有内能从温度较高处传递到温度较低处,这种现象叫热传导.这种过程所传递的内能的多少叫热量.
假设气体在z0 处的温度为T,在z0+dz 处的温度为T+dT,即在z 方向上存在温度梯度实验表明,在dt 时间内通过面元dS,沿z 轴方向传递的热量正比于温度梯度和面元的面积dS,即
式(7.32)称为傅立叶热传导定律.式中,负号表示热量沿温度下降的方向传递;比例系数κ 称为热导率,单位为瓦特每米开尔文[W/(m·k)],其数值取决于物质的性质和状态,其表达式为
式中,ρ 为气体的密度;为气体热分子的平均速率;为气体分子的平均自由程;cV 为分子的定体比热容.一般金属的热导率为几十到几百,由此可见,气体是一个不良导热体.(www.xing528.com)
热传导现象的微观机制在固体、液体中和气体中不同.就气体来说,当气体内各部分温度不均匀时,在微观上体现为各部分分子热运动的能量不同.分子在热运动的过程中,借助于分子间的相互碰撞而交换热运动的能量,交换的结果导致能量大的部分向能量小的部分进行能量的输运,即分子在热运动过程输运能量的过程,在宏观上体现为热传导现象.
根据热导率公式可以解释保温瓶为何能够保温.如图7.12 所示,通常将保温瓶的内胆做成间隔很小的双层结构,并把中间的空气抽出去,形成真空层.由于真空层内空气非常稀薄,以致分子的平均自由程大于真空层的间隙厚度l,因此分子将彼此无碰撞地往返于两壁之间,这时式(7.33)中的将由l 取代,将=和ρ=nm 代入式(7.33)可知,在一定温度下,κ 与n 成正比,即空气越稀薄(n 越小),热传导系数κ 越小,保温性能越好.
图7.12 保温瓶
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