Determinarea Conductivității Termice

1. Căldura

În fizică, cantitatea de căldură, simbolizată prin Q, este energia transferată între un sistem termodinamic și mediul înconjurător, între două sisteme termodinamice sau între diferite părți ale aceluiași sistem termodinamic, în cursul unei transformări termodinamice în care parametrii externi rămân constanți. Transferul de căldură are loc sub influența unei diferențe de temperatură. Principiul al doilea al termodinamicii stipulează că acest transfer se face de la sine doar de la temperatura mai înaltă la temperatura mai joasă.

1.1. Istoric

Istoricul căldurii se pierde în negura vremurilor. O mare realizare a omului preistoric a fost utilizarea focului. Pentru explicarea fenomenelor termice în antichitate s-au dat explicații mitologice. Concepția despre natura căldurii a evoluat de la concepțiile mistice din antichitate până la teoria moleculară de astăzi.

În secolul al XVII-lea s-a încercat explicarea arderii. În 1667, Johann Joachim Becher în cartea sa Physica Subterranea a făcut prima mențiune asupra a ceea ce va deveni teoria flogistonului. Flogistonul era o substanță fără culoare, miros, gust și masă, și care este eliberată în timpul arderii, reziduul fiind „forma adevărată” a substanței.

În 1738, Daniel Bernoulli în lucrarea Hydrodynamica propune ideea că gazele sunt formate dintr-un mare număr de particule în mișcare în toate direcțiile. Această idee va duce la teoria cinetică a gazelor.

În 1761,Joseph Black descoperă că în timpul topirii gheața absoarbe căldură fără a-și schimba temperatura. El consideră că, căldura se combină cu particulele de gheață, devenind căldură latentă.

În 1770, Lavoisier explică arderea ca o combinare cu oxigenul. În lucrarea sa "Réflexions sur le phlogistique" (1783), Lavoisier arată că teoria flogistonului nu este consistentă cu experiențele și propune înlocuirea flogistonului cu un alt fluid, caloricul. Conform acestei teorii, cantitatea de caloric este constantă în univers și el trece de la corpurile mai calde la cele mai reci.

În 1780 se credea că frigul este dat de frigoric, un fluid similar caloricului. Pierre Prévost afirmă că frigul este urmarea lipsei de caloric. Totuși, teoria caloricului a continuat să fie folosită. În 1824 Sadi Carnot în caretea sa Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu s-a bazat pe ea în studiile sale privind ciclul Carnot. Din întâmplare (sau din fericire), concluziile sale n-au fost afectate de teoria caloricului.

Experiențele lui Joule (1824) și, independent, Mayer (1843) au arătat că din lucrul mecanic se poate produce căldură și invers. Asta duce în 1847 la afirmarea de către Helmholtz a principiului conservării enrgiei în loc de conservarea căldurii.

În 1860, Clausius arată că teoria cinetică a gazelor poate fi o explicație a căldurii, energia internă a unei substanțe fiind asociată cu energia cinetică a moleculelor. Molecule cu energie cinetică mai mare corespund unei energii interne (deci unei temperaturi) mai mari, teorie acceptată în zilele noastre.

În 1871 James Clerk Maxwell, în cartea sa Theory of Heat dă definiția modernă a căldurii, ca fiind energie în tranzit.

1.2. Energia termică și căldura

Căldura este adesea utilizată în sensul de energie termică. Când un sistem termodinamic primește căldură, temperatura și energia sa termică crește, iar când cedează căldură, temperatura și energia sa termică scade. În sensul strict al cuvântului, în timp ce energia termică este o funcție de potențial, căldura este o formă de schimb de energie. În termodinamică, pentru studiul căldurii, în locul noțiunii de energie termică, greu de definit, se preferă noțiuni ca energie internă, lucru mecanic, entalpie, entropie, noțiuni care pot fi definite exact fără a recurge la noțiunea de mișcare moleculară.

1.3. Mecanisme de transmitere a căldurii

Trecerea căldurii de la un corp cu o temperatură înaltă la o temperatură joasă se numește transmiterea căldurii (transfer termic) și se cunosc trei mecanisme de transfer:

1. Transmiterea prin conducție termică, caracterizată prin lipsa mișcărilor macroscopice. Este modul curent de transmitere al căldurii în corpurile solide și se bazează pe mișcările moleculare.

2. Transmiterea prin convecție termică, caracterizată prin existența mișcărilor macroscopice de curgere. Este modul curent de transmitere a căldurii în corpurile lichide și gazoase, inclusiv la limitele lor, la contactul cu alte faze. În funcție de natrura mișcărilor macroscopice convecția poate fi: convecție liberă, caracterizată prin faptul că mișcările se fac sub acțiunea forțelor arhimedice, determinate de diferențe de densitate, sau convecție forțată, caracterizată prin faptul că mișcările se fac sub acțiunea altor forțe.

3. Radiația termică, caracterizată prin transferul termic prin radiație electromagnetică din gama infraroșu,. Acest transfer se poate face în vid sau în medii optice transparente la radiația infraroșie.

1.4. Transferul de căldură

Multe operații din ingineria chimică și din alte domenii cum ar fi: încălzirea, răcirea, evaporarea, condensarea, uscarea, distilarea, rectificarea, cristalizarea și altele presupun asigurarea unui anumit regim termic în utilajele în care se realizează aceste operații și care necesită introducerea, evacuarea sau păstrarea caldurii in aceste utilaje.

Fenomenele legate de caldură pot fi prcesele de transformare a energiei – obiectul termodinamicii sau procesele de schimb de căldură – obiectul transfreului de căldură sau al termocineticii.

Transferul de caldură este un capitol al ingineriei proceselor care cuprinde ansamblul de considerații fizice (teoretice și experimentale) și tehnice care au ca obiectiv explicarea mecanismelor prin care se realizează transportul căldurii, cât și determinarea cantitativă a căldurii transportate.

Transferul de caldură în interiorul unui corp sau de la un corp la altul este condiționat de o diferență de temperatură care reprezintă forța motoare sau potențialul procesului. De asemenea, procesele de transfer termic conductiv se pot desfășura într-o mare diversitate de condiții:

- materialul este omogen sau neomogen;

- materialul este izotrop sau anizotrop;

- materialul conține sau nu conține surse interne de căldură;

- regimul termic este staționar sau nestaționar;

- transferul termic are loc uni-, bi- sau tridirecțional.

Conform principiului I al termodinamicii două corpuri pot schimba între ele căldură pana la atingerea echilibrului termic, adică până la egalarea temperaturilor corpurilor.

Principiul II al termodinamicii arată că transformările spontane în sisteme finite se desfășoară în sensul creșterii entropiei sistemului (dS>0), ceea ce înseamnă că în astfel de sisteme căldura trece spontan de la corpul mai cald la cel mai rece.

Există trei mecanisme prin care se realizează transferul de căldură: conductivitatea termică (conducția) convecția și radiația termică.

Pentru ușurarea studiului este convenabil să se analizeze individual mecanismele prin care se realizează transferul, deși se reamintește că în majoritatea cazurilor transmiterea căldurii se face simultan prin cel puțin două mecanisme.