Теплопроводность и перенос энергии. Закон Фурье для теплопроводности.

 

Теплопрово́ дность — это перенос тепловой энергии структурными частицами вещества (молекулами, атомами, ионами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1 м и площадью 1 кв.м за единицу времени (секунду) при разности температур на двух противоположных поверхностях в 1 К. Данная численная характеристика используется для расчета теплопроводности для калибрования и охлаждения профильных изделий.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое ктермодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ -совокупность безызлучат. процессов в в-ве, при которых энергия электронного возбуждения передаётся от возбуждённой ч-цы (молекулы, атома, иона) к невозбуждённой, находящейся от первой на расстоянии, меньшем длины волны возбуждающего излучения. П. э. обусловлен эл.-магн. вз-ствием между возбуждённой и невозбуждённой ч-цами — донором и акцептором энергии, соответственно, и осуществляется при выполнении условия резонанса для них, к-рое выражается в необходимости перекрывания спектров люминесценции донора и поглощения акцептора. Процессы П. э. отличаются от процессов переноса излучения, при к-рых акцептор поглощает фотон, испущенный возбуждённой молекулой-донором, находящейся от акцептора на расстоянии, большем длины волны излучения. В частности, при П. э. благодаря вз-ствию ч-ц время жизни донора на возбуждённом уровне энергии уменьшается, а при переносе излучения, напротив, увеличивается.

По механизму вз-ствия ч-ц различают мультипольный (индуктивно-резонансный) и обменный (см. ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) П. э. Если электронные переходы в молекулах донора и акцептора разрешены отбора правилами, то осн. роль играет диполь-дипольный П. э., для к-рого характерны расстояния переноса =2—8 нм. Обменный П. э. имеет место при перекрывании электронных оболочек донора и акцептора и происходит на расстоянии =1—2 нм. При обменном П. э. суммарный спин системы донор — акцептор должен сохраняться.

Вероятность W (или скорость) диполь- дипольного П. э. (число актов переноса в единицу времени) может быть выражена через оптические характеристики взаимодействующих молекул:

где v — частота (волн.число), F(v) — нормированный спектр люминесценции донора, т. < е.? F(v)dv=l, s(v)— эффективное сечение поглощения акцептора, h0 и t0 — соответственно квант. выход люминесценции и время жизни молекул донора на возбуждённом уровне энергии в отсутствии П. э., c — фактор, зависящий от взаимной ориентации молекул (в случае хаотичной ориентации c2=2/3), n — показатель преломления среды, Л — расстояние между молекулами донора и акцептора.

Влияние П. э. на макроскопич. хар-ки люминесценции можно определить, проведя усреднение по разл. R. Результат усреднения зависит от взаимного расположения совокупности молекул доноров и акцепторов и от его изменения в течение времени t0. Если в течение этого времени молекулы можно считать неподвижными, то уменьшение числа доноров N(t) происходит по закону:

где R0 — расстояние, на к-ром W=1/t0, N0—число молекул донора, NА — число молекул акцептора в 1 см3 в нач. момент времени t=0.

Ф-ла (2) справедлива для случая, когда концентрации молекул донора и акцептора сравнительно невелики, а среда оптически прозрачна. Если молекулы донора и акцептора находятся в кристалле, имеющем собств. поглощение в рассматриваемой спектр.области, то П. э. осуществляется вкситонами. Этот процесс можно обычно рассматривать как диффузию экситонов. Коэфф. диффузии D экситонов и, следовательно, эффективность П. э. в кристаллах зависят от того, являются ли экситоны «локализованными» (некогерентными) или свободными (когерентными). В последнем случае D в достаточно совершенных кристаллах характерным образом зависит от темп-ры Т (D = T-1/2), т. к. определяется рассеянием экситонов на фононах, число к-рых растёт с темп-рой.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: