Dẫn nhiệt

Trong lĩnh vực nhiệt học, dẫn nhiệt (còn gọi là tán xạ nhiệt hay khuếch tán nhiệt) là quá trình truyền năng lượng nhiệt giữa các phân tử gần nhau trong một chất do sự khác biệt về nhiệt độ. Quá trình này luôn xảy ra từ vùng có nhiệt độ cao hơn đến vùng có nhiệt độ thấp hơn, theo định luật thứ hai của nhiệt động học, nhằm cân bằng sự chênh lệch nhiệt độ. Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu không có sự chuyển đổi nhiệt năng thành dạng khác, thì nhiệt năng trong quá trình này sẽ được bảo toàn.

Độ dẫn nhiệt là đại lượng đo lường khả năng dẫn nhiệt của một vật chất cụ thể.

Khác với đối lưu, trong dẫn nhiệt, nhiệt năng không được truyền đi kèm với sự chuyển động hàng loạt của các phân tử vật chất.

Dẫn nhiệt xảy ra trong mọi dạng vật chất, bao gồm chất rắn, chất lỏng, khí và plasma. Đối với các chất rắn, dẫn nhiệt là kết quả của sự kết hợp giữa dao động của các phân tử trong cấu trúc tinh thể và sự vận chuyển năng lượng của các electron tự do. Trong chất khí và chất lỏng, dẫn nhiệt được thực hiện thông qua sự va chạm và khuếch tán của các phân tử trong chuyển động ngẫu nhiên của chúng.

Bên cạnh dẫn nhiệt và đối lưu, nhiệt năng còn có thể được truyền qua bức xạ. Thông thường, nhiều quá trình trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời trong một tình huống cụ thể.

Tổng quan

Ở quy mô vi mô, dẫn nhiệt xảy ra khi các phân tử, nguyên tử hoặc các hạt nhỏ hơn (như electron) từ vùng nóng (dao động nhanh) tương tác với các hạt lân cận (vùng lạnh hơn, dao động chậm hơn), truyền một phần động năng của dao động nhiệt từ hạt nhanh sang hạt chậm. Nói cách khác, sức nóng được trao đổi giữa các nguyên tử hoặc phân tử gần nhau khi chúng dao động và va chạm (trong nhiều vật chất, sự trao đổi này có thể coi là sự di chuyển của dòng proton), hoặc qua electron di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác (trong kim loại).

Dẫn nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt qua các vật liệu rắn hoặc giữa các vật thể rắn khi chúng tiếp xúc với nhau. Trong chất rắn, sự dẫn nhiệt diễn ra hiệu quả nhờ vào mạng lưới các nguyên tử ổn định và gần gũi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi năng lượng qua dao động của các nguyên tử.

Khi mật độ các hạt giảm, tức là khoảng cách giữa các hạt tăng lên, khả năng dẫn nhiệt cũng giảm theo. Lý do là khoảng cách lớn giữa các nguyên tử làm giảm số lượng va chạm và trao đổi nhiệt. Do đó, chất lỏng và đặc biệt là khí có khả năng dẫn nhiệt kém hơn. Tuy nhiên, trong chất khí, khi nhiệt độ hoặc áp suất tăng, tần suất va chạm giữa các nguyên tử cũng tăng, dẫn đến khả năng dẫn nhiệt cải thiện.

Tính dẫn nhiệt của một vật liệu có thể khác nhau giữa phần bên trong và bề mặt, đặc biệt khi bề mặt tiếp xúc với các vật liệu khác.

Các kim loại như đồng, bạch kim, vàng... thường có khả năng dẫn nhiệt tốt. Điều này nhờ vào các electron tự do trong kim loại có khả năng truyền nhiệt nhanh chóng. Hầu hết các dòng nhiệt trong kim loại rắn được dẫn qua các 'chất lỏng điện tử'. Proton chỉ mang dưới 1% năng lượng nhiệt. Các electron cũng dẫn điện trong các chất dẫn điện, do đó, khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện của nhiều kim loại có tỷ lệ tương đương. Một dây dẫn điện tốt như đồng cũng thường dẫn nhiệt tốt. Hiệu ứng Peltier-Seebeck (hiệu ứng nhiệt điện) liên quan đến khả năng dẫn nhiệt của electron trong các chất dẫn điện.

Dẫn nhiệt trong một vật rắn tương tự như sự khuếch tán của các hạt trong chất lỏng, đặc biệt là khi không có dòng chảy chất lỏng.

Định luật Fourier

Định luật Fourier là nguyên lý cơ bản mô tả hiện tượng dẫn nhiệt, phát biểu rằng:

Mật độ dòng nhiệt qua một vật liệu trong một khoảng thời gian nhất định tỷ lệ nghịch với gradient nhiệt độ theo hướng của dòng nhiệt và tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với dòng nhiệt.

Định luật này có thể được biểu diễn dưới dạng tích phân hoặc dạng vi phân trong toán học.

Dạng vi phân

Trong dạng vi phân, thông lượng nhiệt (nhiệt năng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt vuông góc với hướng dòng chảy, trong một đơn vị thời gian) tại một điểm cụ thể, $\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{q}$, được tính bằng tích của độ dẫn nhiệt, $k$, và gradient nhiệt độ trái dấu, $-<!--\; -\; -->\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}T$:

$\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{q}=-<!--\; -\; -->k\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}$

T {displaystyle {overrightarrow {q}}=-k{ abla }T}

với (theo hệ SI)

$\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{q}$ là thông lượng nhiệt tại điểm, đo bằng W·m

là độ dẫn nhiệt của vật liệu, đo bằng W·m·K,

là gradient nhiệt độ, đo bằng K·m

Độ dẫn nhiệt, $k$, thường được coi là hằng số, nhưng thực tế có thể thay đổi nhẹ theo nhiệt độ và các yếu tố khác. Trong các 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, $k$ cũng có thể thay đổi theo vị trí.

Dạng tích phân

Khi tích phân phương trình vi phân của định luật Fourier trên một diện tích bề mặt vật liệu $S$, ta thu được dạng tích phân của định luật này:

với (theo hệ đo lường SI)

là lượng nhiệt truyền trong một đơn vị thời gian (W) và

$\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{dA}$ là vectơ diện tích (đơn vị m²)

Định luật này là nền tảng để phát triển phương trình nhiệt. Định luật Ohm tương ứng với định luật Fourier trong lĩnh vực dẫn điện.

• Độ dẫn nhiệt
• Trao đổi nhiệt
• Dẫn điện
• Đối lưu
• Bức xạ nhiệt