Độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt trả lời hai câu hỏi khác nhau thế nào?
Khám phá mở rộng – Vật lý 12
Độ dẫn nhiệt mô tả khả năng truyền năng lượng khi có gradient nhiệt độ; độ khuếch tán nhiệt còn so khả năng truyền ấy với lượng năng lượng cần để làm nhiệt độ vật liệu thay đổi. Vì vậy hai vật liệu có độ dẫn nhiệt giống nhau vẫn có thể đáp ứng nhiệt độ theo thời gian khác nhau.
Truyền được nhiều và cần làm nóng nhiều là hai việc
Khi một vùng nhận năng lượng, một phần làm nội năng vùng ấy tăng, một phần truyền tiếp sang vùng bên cạnh. Mật độ và nhiệt dung riêng quyết định mức năng lượng cần cho một biến thiên nhiệt độ của một thể tích vật liệu.
Trong mô hình vật liệu đồng nhất, các tính chất lấy phù hợp với điều kiện, hệ số khuếch tán nhiệt có dạng α = k/(ρcₚ). Ở đây k là độ dẫn nhiệt, ρ là khối lượng riêng và cₚ là nhiệt dung riêng dùng trong mô hình.
Đơn vị giúp thấy sự khác nhau
k thường dùng W/(m·K), còn α dùng m²/s. Đại lượng sau xuất hiện trong mô tả sự lan của phân bố nhiệt độ, không phải vận tốc một mặt trước nhiệt tính bằng m/s.
Do đó không nên nói nhiệt chạy trong vật liệu với một tốc độ duy nhất bằng α. Trong quá trình khuếch tán, thời gian đặc trưng còn liên quan bình phương kích thước khoảng cần truyền.
Ví dụ: hai tấm cùng nhận một xung nhiệt
Nếu hai mẫu có cùng hình học và điều kiện biên, khác biệt α có thể làm diễn biến nhiệt độ ở mặt sau khác nhau. Đây là ý tưởng được khai thác trong phép đo flash nhiệt, nhưng kết quả thật còn cần xử lý tổn hao và thời gian xung.
Cùng một vật liệu, tấm dày và tấm mỏng cũng không đáp ứng giống nhau chỉ vì α là cùng loại thông số. Tính chất vật liệu không thay thế kích thước và cách tiếp xúc với môi trường.
Hiểu lầm: vật nóng lên nhanh nhất chắc chắn có độ dẫn nhiệt lớn nhất. Nó còn có thể cần ít năng lượng để thay đổi nhiệt độ hoặc có hình học khác.
Ghi nhớ: k nói về đường truyền, ρcₚ nói về khả năng tích trữ theo thể tích, α kết hợp hai vai trò khi xét nhiệt độ biến thiên.
Đọc thêm
- Tấm cảm biến dòng nhiệt đo được gì mà nhiệt kế một điểm chưa cho biết?
- Đo nhiệt dung riêng bằng hai khối lượng: tách phần bình cùng nóng