Soojusjuhtivus – definitsioon ja näited igapäevaelus

Soojusjuhtivus — lihtne selgitus ja praktilised näited igapäevaelust: kuidas soojus liigub, miks mõned materjalid soojendavad kiiremini ja kuidas efektiivselt isoleerida.

Soojusjuhtivus (või soojusjuhtivus) on soojuse liikumine ühelt objektilt teisele siis, kui nende temperatuur on erinev ja objektid on omavahel kontaktis. Näiteks kuumeneb meie käsi, kui puudutame kuuma vee pudelit: soojus liigub kuumemast objektist (kuuma vee pudel) külmemasse (käsi). Inimesed valmistavad erineva soojusjuhtivusega esemeid — näiteks panni, mis juhib soojust hästi, või termosmahuti, mis püüab soojust juhtida võimalikult vähe — sõltuvalt sellest, kas eesmärgiks on kuumuse levitamine või hoidmine.

Kuidas soojusjuhtivus töötab

Soojusjuhtivus põhineb aineosakeste liikumisel ja energia edastusel: tahkistes kandub energia edasi peamiselt kiirginete (hõõrdumiste) ja aatomi võnkumiste kaudu (nn fononid). Metallides osaleb olulisel määral ka vabad elektronid, mis kannavad soojust väga efektiivselt. Kergemate ja poorsete materjalide (näiteks õhk, vahtplast, puit) soojusjuhtivus on madal, kuna osakesed ja õhumullid takistavad soojuse edasikandumist.

Olulisemad mõisted

• Soojusjuhtivuse koefitsient (k) — aine omadus, mis näitab, kui hästi materjal soojust juhib. Ühikuks on vatt m-1 K-1 (W/(m·K)).
• Fourier’ seadus (lihtsõnastus) — soojusvoog ühes mõõtmes on proportsionaalne temperatuurierinevusega ja materjali juhtivusega: q = -k · A · dT/dx (kus q on soojusvoog, A pindala, dT/dx temperatuurigradient).
• Soojusresistentsus (R) — materjali takistus soojuse liikumisele; R on võrdeline paksusega ja pöördvõrdeline k-ga (R = paksus / k).

Igapäevased näited ja rakendused

• Pliit ja praepannid — metallid nagu vask ja alumiinium juhivad soojust hästi, mistõttu sobivad nad toidu kiireks ja ühtlaseks kuumutamiseks.
• Termosed ja isoleeritud toidupurgid — kasutavad materjale, millel on madal soojusjuhtivus (vahtplast, vaakumvahe), et hoida joogid kuumana või külmana.
• Riietus ja tekid — looduslikud ja sünteetilised isolatsioonimaterjalid (vill, suled, fleece) hoiavad soojust, sest õhumullid takistavad juhtimist.
• Aknaklaasid ja topeltklaasid — pakuvad paremat soojustakistust kui ühekihilised aknad; vahel kasutatakse gaasitäidist (argoon) soojuskadu vähendamiseks.
• Jahutussüsteemid ja jahutusplaadid (heat sinks) — elektroonikas kasutatakse suure juhtivusega materjale (alumiinium, vask) soojuse kiireks eemaldamiseks ja hajutamiseks.
• Küttekehad ja radiaatorid — disainitud nii, et juhivad soojust ruumi efektiivselt ja levitavad seda konvektsiooni abil.
• Külmakotid ja kuumaveepudelid — näited, kus kontrollitakse soojuse liikumist kas tahtlikult soojendades või jahutades.

Millest sõltub soojusjuhtivus?

• Materjali tüüp: metallid > keraamika > vesi > puit > õhk (ligikaudne järjestus juhtivusest madalamaks).
• Temperatuur — paljudel materjalidel muutub k temperatuuriga (eriti pooljuhid ja vedelikud).
• Paksus ja tihedus — õhukesed kihid ja poorne struktuur vähendavad juhtivust.
• Niiskus — näiteks puit või ehitusmaterjalid juhivad märjalt soojust paremini kui kuivad.
• Struktuur ja anistroopia — mõnes materjalis juhitakse soojust ühes suunas paremini kui teises (nt komposiidid).

Kuidas soojusjuhtivust mõõdetakse?

Laboris kasutatakse erinevaid meetodeid: staatilisi meetodeid (nt guard‑hot‑plate) ning dünaamilisi meetodeid (nt hot‑wire). Mõõtmised annavad soojusjuhtivuse koefitsiendi k, mida kasutatakse ehituses, toiduainetetööstuses ja inseneriarvutustes.

Lisaks soojusjuhtivusele on soojuse ülekandmisel olulised ka soojuskiirgus ja/või konvektsioon. Tegelikus maailmas toimivad need protsessid sageli samaaegselt — näiteks ahjus kuumeneb toit samaaegselt soojusjuhtivuse, konvektsiooni ja kiirguse mõjul.

Soojusjuhtivuse seadus

Soojusjuhtivuse seadus, mida tuntakse ka Fourier' seadusena, tähendab, et soojusülekande kiirus läbi materjali on ajas võrdeline temperatuuri negatiivse gradienti ja selle gradienti suhtes täisnurga all oleva pindalaga, mida soojus läbib:

∂ Q ∂ t = - k ∮ S ∇ T ⋅ d S {\displaystyle {\frac {\partial Q}{\partial t}=-k\oint _{S}{\nabla T\cdot \,dS}}

kus:

Q on ülekantud soojuse kogus ja

t on kulunud aeg ja

k on materjali soojusjuhtivus" ja

S on pindala, mida soojus läbib, ja

T on temperatuur.

Soojusjuhtivus varieerub tavaliselt koos temperatuuriga, kuid mõnede tavaliste materjalide puhul võib see varieerumine olla väike, kuigi temperatuurivahemik on märkimisväärne.

Lineaarne soojusvoog

Küsimused ja vastused

K: Mis on soojusjuhtimine?

K: Kas soojusjuhtimine võib toimuda sama temperatuuriga objektide vahel?

K: Mis on näide soojusjuhtivuse kohta?

K: Millised materjalid on erineva soojusjuhtivusega?

K: Kas lisaks soojusjuhtivusele on ka teisi viise soojuse ülekandmiseks?

K: Kas kõik soojusülekandeprotsessid toimuvad eraldi?

K: Kas soojusülekanne võib toimuda vaakumis?

Otsing