Sự dẫn nhiệt là gì?
Sự dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ phần này sang phần khác của một vật hay từ vật này sang vật khác.
Trong nhiệt học, dẫn nhiệt (hay tán xạ nhiệt, khuếch tán nhiệt) là việc truyền năng lượng nhiệt giữa các phân tử lân cận trong một chất, do một chênh lệch nhiệt độ. Nó luôn luôn diễn ra từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng nhiệt độ thấp hơn (theo định luật hai của nhiệt động học) và giúp cân bằng lại sự khác biệt nhiệt độ. Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu nhiệt năng không bị chuyển thành dạng khác, thì trong suốt quá trình này, nhiệt năng sẽ không bị mất đi.
Dẫn nhiệt diễn ra trong tất cả các dạng của vật chất, tức chất rắn, chất lỏng, khí và plasma.
Bản chất của sự dẫn nhiệt
Sự dẫn nhiệt xảy ra do sự va chạm giữa các phân tử, nguyên tử có nhiệt độ cao và các phân tử, nguyên tử có nhiệt độ thấp. Khi các phân tử, nguyên tử có nhiệt độ cao va chạm với các phân tử, nguyên tử có nhiệt độ thấp, chúng sẽ truyền một phần năng lượng nhiệt của mình cho các phân tử, nguyên tử có nhiệt độ thấp.
Trong các chất rắn, sự dẫn nhiệt là do sự kết hợp của dao động của các phân tử trong cấu trúc tinh thể và vận chuyển năng lượng của điện tử tự do. Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt xảy ra mạnh vì mạng lưới các nguyên tử nằm ở vị trí tương đối cố định và gần nhau, giúp việc trao đổi năng lượng giữa chúng thông qua dao động được dễ dàng.
Trong các chất khí và chất lỏng, dẫn nhiệt là do sự va chạm và khuếch tán của các phân tử trong chuyển động ngẫu nhiên của chúng. Chất lỏng và khí ít dẫn nhiệt nguyên nhân là do khoảng cách lớn giữa các nguyên tử gây ra việc có ít va chạm giữa các nguyên tử có nghĩa là chúng ít trao đổi nhiệt hơn, khi đó mật độ các hạt giảm, khoảng cách giữa các hạt trở nên xa hơn, dẫn nhiệt vì vậy cũng giảm theo. Với các chất khí, khi nhiệt độ hay áp suất tăng, các nguyên tử có xác suất va chạm nhau nhiều hơn, và do đó độ dẫn nhiệt cũng tăng theo.
Sự dẫn nhiệt xảy ra trên vật liệu khi có chênh lệch nhiệt độ
Độ dẫn nhiệt
Đại lượng đo lường sự dẫn nhiệt trong một vật chất nhất định nào đó là độ dẫn nhiệt. Hay nói cách khác, độ dẫn nhiệt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Độ dẫn nhiệt được xác định bằng nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích vật liệu trong một đơn vị thời gian, dưới gradient của nhiệt độ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự dẫn nhiệt
Vật liệu: Các vật liệu khác nhau có khả năng dẫn nhiệt khác nhau. Vật liệu dẫn nhiệt tốt sẽ truyền nhiệt nhanh hơn vật liệu dẫn nhiệt kém. Vật liệu dẫn nhiệt tốt là những vật liệu có cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ, các phân tử liên kết chặt chẽ với nhau như kim loại, đồng, nhôm,...
Nhiệt độ: Nhiệt độ của vật càng cao thì khả năng dẫn nhiệt càng lớn.
Kích thước vật: Vật có kích thước càng lớn thì khả năng dẫn nhiệt càng kém.
Diện tích tiếp xúc: Diện tích tiếp xúc càng lớn thì sự dẫn nhiệt càng nhanh.
Độ dày vật liệu: Độ dày vật liệu càng lớn thì sự dẫn nhiệt càng chậm.
Khoảng cách giữa các phân tử vật chất: Khoảng cách giữa các phân tử vật chất càng nhỏ thì khả năng dẫn nhiệt càng lớn.
Tính dẫn nhiệt của các chất
Tính dẫn nhiệt của các chất rắn, lỏng, khí
- Chất rắn dẫn nhiệt tốt
+ Trong chất rắn, các phân tử vật chất liên kết chặt chẽ với nhau, do đó các phân tử có thể truyền nhiệt cho nhau một cách dễ dàng.
+ Các chất rắn dẫn nhiệt kém là chất cách điện. Chất cách điện có cấu trúc mạng tinh thể lỏng lẻo, trong đó các nguyên tử vật chất liên kết với nhau bằng liên kết yếu. Các phân tử vật chất trong chất cách điện khó truyền nhiệt cho nhau hơn.
- Chất lỏng dẫn nhiệt kém.
+ Trong chất lỏng, các phân tử vật chất vẫn có thể chuyển động và va chạm với nhau, nhưng không chặt chẽ như trong chất rắn. Do đó, các phân tử vật chất trong chất lỏng khó truyền nhiệt cho nhau hơn.
+ Các chất lỏng dẫn nhiệt tốt nhất là các chất lỏng có cấu trúc phân tử phân cực. Các chất lỏng phân cực có các phân tử mang điện tích khác nhau. Sự tương tác điện giữa các phân tử phân cực có thể giúp truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.
+ Các chất lỏng dẫn nhiệt kém là các chất lỏng có cấu trúc phân tử không phân cực. Các chất lỏng không phân cực có các phân tử không mang điện tích. Sự tương tác giữa các phân tử không phân cực rất yếu, do đó các phân tử không phân cực khó truyền nhiệt cho nhau hơn.
- Chất khí dẫn nhiệt kém nhất
+ Trong chất khí, các phân tử vật chất chuyển động rất nhanh và không liên kết chặt chẽ với nhau. Do đó, các phân tử vật chất trong chất khí khó truyền nhiệt cho nhau hơn.
+ Các chất khí dẫn nhiệt tốt nhất là các chất khí có khối lượng phân tử lớn. Các chất khí có khối lượng phân tử lớn có các phân tử chuyển động chậm hơn, do đó các phân tử có thể truyền nhiệt cho nhau một cách dễ dàng hơn.
+ Các chất khí dẫn nhiệt kém là các chất khí có khối lượng phân tử nhỏ. Các chất khí có khối lượng phân tử nhỏ có các phân tử chuyển động nhanh hơn, do đó các phân tử khó truyền nhiệt cho nhau hơn.
Kết luận: Tính dẫn nhiệt của các chất rắn, lỏng, khí được sắp xếp theo thứ tự từ cao đến thấp như sau: Kim loại › chất lỏng › chất khí
Tính dẫn nhiệt của kim loại
Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt, do cấu trúc mạng tinh thể của chúng. Trong mạng tinh thể kim loại, các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết kim loại, tạo thành một mạng tinh thể chặt chẽ. Các electron tự do trong mạng tinh thể có thể di chuyển tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, từ đó giúp truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Kim loại có độ dẫn nhiệt cao nhất là kim cương, với độ dẫn nhiệt là 2200 W/mK. Các kim loại có độ dẫn nhiệt tốt khác bao gồm bạc (420 W/mK), đồng (385 W/mK), vàng (315 W/mK), nhôm (205 W/mK),...
Tính dẫn nhiệt của kim loại phụ thuộc vào các yếu tố:
- Loại kim loại: Các kim loại khác nhau có tính dẫn nhiệt khác nhau. Kim loại dẫn nhiệt tốt nhất là kim cương, sau đó là bạc, đồng, vàng, nhôm, sắt,...
- Nhiệt độ: Nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn nhiệt càng lớn.
- Kích thước vật liệu kim loại: Vật liệu kim loại có kích thước càng lớn thì tính dẫn nhiệt càng kém.
- Độ tinh khiết của kim loại: Kim loại tinh khiết có tính dẫn nhiệt tốt hơn kim loại tạp chất.
Định luật Fourier về dẫn nhiệt
Nội dung của định luật: "Mật độ dòng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với trái dấu của gradien nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt".
Các biểu diễn toán học của định luật Fourier:
Dạng vi phân
$\overrightarrow{q} = -k.∇T$
Trong đó:
$\overrightarrow{q}$ là thông lượng nhiệt địa phương, đo bằng $W.m^{-2}$
k là độ dẫn nhiệt của vật liệu, đo bằng $W.m^{-1}.K^{-1}$
∇T là gradien nhiệt độ, đo bằng $K.m^{-1}$
Độ dẫn nhiệt k thường được coi là hằng số nhưng thực tế nó có thể thay đổi nhỏ theo nhiệt độ và các yếu tố khác. Trong vật liệu không đẳng hướng, độ dẫn nhiệt có thể thay đổi theo hướng và k có thể được biểu diễn bằng tensor bậc hai. Trong vật liệu không đồng nhất, giá trị của k thay đổi theo vị trí.
Dạng tích phân
$\frac{\partial Q}{\partial t} = -k\oint_{S}^{}\overrightarrow{\bigtriangledown T}.\overrightarrow{dA}$
Trong đó:
$\frac{\partial Q}{\partial t}$ là nhiệt năng được truyền tải trong một đơn vị thời gian (W)
$\overrightarrow{dA}$ là vectơ đơn vị diện tích (m2)
Ứng dụng của sự dẫn nhiệt trong đời sống
- Đun nấu: Kim loại được sử dụng để làm các dụng cụ nấu ăn, như nồi, chảo,... Khi đun nấu, nhiệt từ bếp truyền đến các dụng cụ nấu ăn thông qua sự dẫn nhiệt.
- Làm mát: Kim loại được sử dụng để làm các thiết bị làm mát, như quạt, tủ lạnh,... Khi sử dụng các thiết bị làm mát này, nhiệt từ cơ thể truyền đến thiết bị thông qua sự dẫn nhiệt.
- Vận chuyển nhiệt: Dây dẫn điện, dây dẫn nhiệt là những vật liệu được làm từ kim loại, được sử dụng trong truyền tải điện, nhiệt.
- Bảo quản thực phẩm: Sử dụng hộp cách nhiệt được làm từ kim loại giúp bảo quản thực phẩm được lâu hơn.