Теплопроводность и диффузия

В отличие от газов и жидкостей, конвекция в твердых телах невозможна, поэтому единственным механизмом переноса тепла в твердом теле является теплопроводность. Процесс переноса тепла фактически является процессом распространения тепловых колебаний в решетке, то есть распространения со скоростью звука волн, которые и переносят энергию колебаний. Как и в жидкостях и газах, перенос тепла в твердом теле описывается уравнением теплопроводности (7.15). Приближенная теоретическая формула для коэффициента теплопроводности твердого тела выводится на основе квантовых представлений. При этом распространяющимся в теле со скоростью звука колебаниям сопоставляются фиктивные частицы - фононы. Каждый фонон обладает энергией, которую и переносит от одной части тела к другой.

В металлах, наряду с колебаниями решетки, перенос тепла осуществляют и свободные электроны, причем в широком интервале температур перенос тепла электронами во много раз больше, чем фононами. Этим объясняется высокая теплопроводность металлов по сравнению с непроводящими телами, в которых фононный (решеточный) механизм теплопроводности является практически единственным. Например, при нормальной температуре коэффициент теплопроводности алюминия равен , тогда как у кварца он равен . Для сравнения заметим, что у газов при нормальных условиях коэффициент теплопроводности по порядку величины равен .

Так же, как и в газах, атомы в твердом теле имеют различные энергии теплового движения. При любой температуре имеется некоторая часть атомов, энергия которых достаточно велика для того, чтобы эти атомы могли покинуть свои узлы и занять новые положения. С ростом температуры число таких атомов возрастает, соответственно, возрастает коэффициент диффузии в твердом теле. По величине он на много порядков меньше, чем у жидкостей и тем более у газов.