Как тела проводят тепло?

Если уже затронули тему электропроводности, то давайте поговорим и о теплопроводности, ведь бывает так, что эти две величины связаны.

Как я уже говорил, и многим это давно известно, кинетическая энергия атомов пропорциональна температуре. При нагревании твердых тел атомы не могут свободно двигаться, поэтому им остается только колебаться вокруг своего положения, и, чем больше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Такие колебания для упрощения можно считать условными частицами под названием фононы. Они являются одними из переносчиков тепла в твердых телах.

Так как атомы в кристаллической решетке расположены довольно близко друг к другу, во время колебаний каждый атом оказывает влияние на соседние, тоже приводя их в движение (см. анимацию). Таким образом, возникает волна тепловых колебаний атомов, которая может распространяться по всему кристаллу, перенося, тем самым, тепло.

Но все бы хорошо, но при таких условиях, если бы все атомы совершали синхронные колебания и такие тепловые волны не встречали бы никаких препятствий, то тепло распространялось бы со скоростью звука и теплопроводность была бы бесконечно большой.

Однако, как мы знаем, в реальных кристаллах этого не происходит, как раз из-за того, что никакой синхронности колебаний атомов в них нет. Это значит, что колебания атомов взаимодействуют друг с другом, где-то усиливая, а где-то ослабляя самих себя. Вообще этот процесс можно описать, представив, что кристалл – это ящик с фононами, которые беспорядочно двигаются, сталкиваясь друг с другом, изменяя свою скорость и направление, или вообще могут размножиться при столкновении. Такое явление носит название ангармонизм колебаний атомов или фонон-фононное рассеяние. Из-за таких вот непростых взаимодействий между фононами происходит замедление передачи тепла из одной части кристалла в другую, и мы наблюдаем реальную теплопроводность.

Фононная или решеточная теплопроводность присутствует во всех кристаллах, но металлы, как всегда, снова отличились. В них же есть свободные электроны, а чем они не переносчики тепла? При нагреве дополнительная энергия переходит в колебания атомов решетки, а те, в свою очередь, могут передавать энергию свободным электронам или забирать ее. Свободные электроны дают дополнительный вклад в перенос тепла, и именно поэтому металлы обладают высокой теплопроводностью.

Я думаю, вы уже догадались, что физика процесса здесь схожа с электрическим сопротивлением. Мы уже знаем, что свободным электронам в металле мешают двигаться примеси, дефекты или сами колебания атомов (фононы). Поэтому теплопроводность в металлах прямо пропорциональна электрической проводимости. Это называется законом Видемана-Франца.

Удивительно, фононы проводят тепло и одновременно мешают ему распространяться. Здесь все зависит от амплитуды тепловых колебаний. При низких температурах колебания слабые, и фононы практически не мешают электронам проводить тепло, а при высоких их амплитуда такая большая, что электроны на них тормозятся.

Такие вот привычные нам свойства веществ скрывают в себе много интересного. Ну и, если вы читали предыдущие посты, наверное догадались, у какого металла самая высокая теплопроводность.