ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

Количественно перенос тепла в любом веществе описывается уравнением теплопроводности. Если вдоль оси х существует градиент температуры dT/dx, то в направлении убывания температуры возникает поток тепла, величина которого определяется уравнением

q = - λ ,

16.1.

Здесь q – поток тепла через поверхность S, расположенную перпендикулярно оси x. Под потоком тепла подразумевается количество теплоты, проходящее через некоторую поверхность за единицу времени, т.е. q = dQ/dt; λ – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества, и называемый коэффициентом теплопроводности. Знак минус в уравнении отражает то обстоятельство, что тепло течет в направлении убывания температуры.

Из уравнения (16.1) видно, что коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, перенесенному в единицу времени через единицу площади при градиенте температуры, равном единице. В системе СИ коэффициент λ измеряется в ваттах на метр-кельвин [λ] = Вт/(м·К). Величина этого коэффициента для твердого тела не может быть вычислена так, как это делается для газов – достаточно простой системы, состоящей из невзаимодействующих частиц.

Приближенно коэффициент теплопроводности твердого тела можно вычислить с помощью квантовых представлений.

Механизм переноса тепла в твердом теле вытекает из характера тепловых движений в нем. Твердое тело представляет собой совокупность атомов, совершающих тепловые колебания. Но эти колебания не независимы друг от друга. Колебания могут передаваться (со скоростью звука) от одних атомов к другим. При этом образуется волна, которая переносит энергию колебаний. Таким распространением колебаний и осуществляется перенос тепла. Квантовая теория позволяет сопоставить распространяющимся колебаниям некоторые фиктивные частицы – фононы. Каждая частица характеризуется энергией hν, где h – постоянная Планка, а ν – частота колебаний узла решетки.

Теперь твердое тело мы можем рассматривать как сосуд, содержащий газ из фононов, газ, который при не очень высоких температурах может считаться идеальным газом. Как и в случае обычного газа, перенос тепла в фононном газе осуществляется столкновениями фононов с атомами решетки, и все рассуждения, которые приводились для вычисления теплопроводности идеальных газов, будут справедливы и здесь. Поэтому коэффициент теплопроводности твердого тела может быть выражен формулой, аналогичной формуле коэффициента теплопроводности для газов.

λ = ,

16.2.

где ρ – плотность твердого тела, C_v – его удельная теплоемкость, с - скорость звука в нем, l – длина свободного пробега фононов. Вычислить последнюю величину, оказывается, достаточно сложно. Оценка показывает, что эта величина обратно пропорциональная абсолютной температуре тела.

В металлах, помимо колебаний решетки, в переносе тепла участвуют и заряженные частицы – электроны, которые вместе в тем являются и носителями электрического тока в металлах. При высоких температурах электронная часть теплопроводности много больше решеточной. Этим объясняется высокая теплопроводность металлов по сравнению с неметаллами, в которых фононы – единственные переносчик тепла.

При более низких температурах (но не самых низких) в металлах начинает преобладать решеточная теплопроводность, так как она растет с понижением температуры, а электронная от температуры не зависит. При самых низких температурах электронная часть теплопроводности вновь начинает преобладать.