«ПОВЕРХНОСТНЫЙ ВЗГЛЯД» НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Нефедов И. В., Дудкин А. В., Боготопов Ю. А., Кобелев
Д. И. при поддержке и с учетом замечаний кафедр химии СевКавГТУ в
Ставрополе и Невинномысске.
Теплопроводность осуществляется одним из трех способов:
теплопередачей, конвекцией или излучением. Это пишут в школьных
учебниках. На самом деле теплопроводность всегда осуществляется не без
помощи излучения: теплопередача и излучение – одно и тоже, но на разных
расстояниях, а конвекция начинается с излучения, и только потом нагретый
участок газа или жидкости, который ведет себя как отдельное тело,
поднимается вверх. Доказательством служит простой эксперимент: плавно
подносите руку к холодной железной трубе, при условии что ее температура
равна окружающему воздуху (долго лежит/стоит на улице) – вы
почувствуете более интенсивную теплопотерю еще не прикасаясь к
теплоприемнику. Если очень плавно подносить руку, то вы поймете, что
количество тепла, которое вы отдаете теплоприемнику, зависит только от
расстояния до последнего и не имеет качественного скачка в «точке
касания”. Этой точки вообще не существует – ведь если сильнее сжать
теплоприемник, то теплоотдача еще более усилится. Верна ли в связи с
этим современная теория излучения света фотонами? Ведь по этой теории
интенсивность излучения зависит только от температуры и вида излучающего
тела, а расстояние до теплоприемника вообще не должно иметь
значения. Правда расстояние имеет значение с точки зрения теплопередачи,
однако, теплопроводность должна падать/возрастать в этом случае
линейно, чего не наблюдается на опыте с рукой. Имея соответствующие
оборудование (два термоса с разной толщиной изоляции, на пример) можно
доказать это более точным экспериментом.
Давайте обратим внимание на
теплопроводность графита. Графит интересен тем, что у него разная тепло и
электропроводность в зависимости от направления ( и | | шестигранным кольцам кристаллической решетки). Для графита p = 1,58 г / см3:
                                                                                         Т – ра, °С          Теплопроводность, l * 10 3, кал / (см * с * гр)

                        50                                 105,5

| |           142                      42,6
                 555                               279

Данные из [1]. К сожалению, данных по теплопроводности при одной и
той же температуре у нас нет, поэтому воспользуемся интерполяцией.
Учитывая общую квадратичную зависимость теплопроводности от температуры
(см. данные для различных веществ из [1]), а так же то, что при 0 К
теплопроводность равна нулю (т. к. нечего проводить), заключаем, что
данный график — ветвь параболы вида у = ax 2 + bx (хотя бы на
определенном участке – изменения графика теплопроводности, наблюдаемые
там же для различных веществ (сложная зависимость) возникает ,на наш
взгляд, из – за перехода в новый тип структуры, чего для графита в этом
температурном интервале, будем думать, не наблюдается). По двум
имеющимся точкам для направления  | | -ного  плоскости шестигранных колец найдем уравнение этой параболы:

а * 415 2 + b * 415 = 42.6
             a * 828 2 + b * 828 = 279 =>
=> это парабола функции у = 0,000567х2 — 0,13279х, отсюда
теплопроводность при 50 °С, что равно 323 К, будет: у приблизительно
равно 16,26 * 103 кал / (см * с * гр) (см рис. 1).

Рисунок 1. Зависимость теплопроводности графита от температуры для
направления || — го плоскости шестигранных колец (интерполяция).
Таким образом, теплопроводность графита,
исходя из опытно — расчетных данных при 50 °С, уменьшается в зависимости
от направления теплопередачи ( и || плоскости шестигранных колец, соответственно) в 105,5 / 16,26 приблизительно равно 6,49 раз.
В чем причина этого явления? Современная
наука говорит примерно так: » пи — связи между плоскостями более
подвижны и по этому лучше проводят эл. ток и тепло». Поскольку все, что
мы знаем о пи — связях на сегодняшний день достоверно – это данные
рентген — структурного анализа (расстояния между атомами) и то, что
графит легче истирается поперек (никто не видел ни сами p — связи,
ни то, как они проводят тепло), поэтому разное количество атомов на
единицу поверхности с разных сторон графита может играть решающую роль.
Схема строения и межатомные расстояния для
кристаллической решетки графита представлены на рис. 2. Данные из [2].

Рисунок 2. Схема строения и межатомные расстояния кристаллической
решетки гра­фита, а так же направления теплопроводности, используемые
для расчета.
Рассчитаем количество атомов на один
сантиметр квадратный поверхности графита для соответствующих направлений
теплопроводности (см. рис. 2), при условии, что в теплоприеме
участвует только атомы «первой линии фронта» – т. е. атомы,
принадлежащие ближайшей к источнику излучения плоскости, кроме
того, эта плоскость перпендикулярна направлению этого излучения. Для
направления теплопередачи перпендикулярного плоскости шестигранных
колец: площадь
= 0,052 нм2 => 1*10 14 / 0,052 = 1923076923076923,077 (количество
шестигранных колец на 1 см2 поверхности графита) =>
1923076923076923,077 * 3 шт. = 3846153846153846,154 шт./ см2
количество атомов «первого фронта» на 1 см2 поверхности графита. Для
направления теплопередачи || — ного плоскости шестигранных колец:
площадь =
0,082 нм2 => 1 * 10¹4; / 0,082 = 1219512195121951,22
(количество прямоугольников на 1 см2 поверхности графита) =>
1219512195121951,22 * 1 шт. = 1219512195121951,22 шт./см2.
Чтобы обосновать то, что мы в расчете будем
использовать только количество атомов из «первой линии
фронта”, а так же то, что мы не учитываем разное количество атомов на
единицу длины для различных направлений теплопроводности, сделаем два
допущения: первое – что тепло распространяется продольными волнами и
второе — что скорость распространения этой волны не зависит от
количества «препятствий” на пути этой волны, а зависит только от
«материала” самой волны. Основанием для таких допущений послужило
следующее: в природе (макромире) поперечных волн вообще не
существует (каждая кажущаяся поперечная волна, будь то волна на воде или
колебание нити, на самом деле вызвана продольной волной); скорость
распространения волн на воде не зависит от количества волнорезов
(меняется угол, но не скорость). Исходя из этих допущений атомы «первой
линии фронта” поверхности графита будут воспринимать гораздо больше
энергии от нагревающего тела, чем атомы «второй линии фронта”, т. к.
амплитуда продольной волны обратно пропорциональна кубу расстояния от
источника (из V шара = (4/3) * пи * r 3 — объем (амплитуда для
продольной волны) одного шара относится к объему другого как кубы
радиусов соответствующих шаров).
В связи с этим, ряд атомов, начиная с первого
атома «второго фронта”, мало того, что «не участвует” в теплоприеме (для
направления теплопроводности || — ного плоскости шестигранных колец
(для направления  - ного все атомы поверхности являются 
 атомами «первой линии фронта”)),
еще и является «избыточным весом”, снижающим общую интенсивность
процесса теплоотдачи на выходе из графита. А т. к. этого «веса” в два
раза больше, то разделим на два количество атомов на единицу поверхности
для рассматриваемого направления теплопроводности: 1219512195121951,22 /
2 = 609756097560975,61 шт./см2.
Теплоотдача (так же как и теплоприем)
происходят, на наш взгляд, примерно так: все атомы в пределах тела
крутятся во круг своей оси с частотой соответствующей имеющемуся
градиенту температур, как только к внешним атомам («последняя линия
фронта”) подносят теплоприемник, эти атомы начинают цепляться
(тормозиться) об соответствующие (не будем говорить какой линии) атомы
теплоприемника – теплоотдача усиливается. Доказательством того, что
теплопроводность осуществляется вращением атомов, а не их соударениями,
по – видимому, является тот факт, что теплоотдача в вакуум существует,
хотя и меньше, чем не в вакуум (вспомните, как остывает Земля под утро, а
она в вакууме). В самом деле, современный вакуум – это пустота, а в
пустоте соударяться не обо что (или существует ситуация, когда внутри
тела теплопроводность осуществляется соударениями, а снаружи
излучением фотонов?). Если представить вакуум в виде материи, то
колебательные движения атомов, вызывающие продольные волны, так же вряд
ли могут быть причиной теплового излучения: в самом деле, если
соударения хаотические, то существует ситуация, когда часть атомов
движется наружу тела, а часть во внутрь (одни нагнетают вакуум, а другие
в этот же момент создают разряжение), что привело бы к отсутствию
излучения. Исходя из выше приведенных соображений, теплопроводность (в
установившемся режиме, т. к. в начале имеет место перегрев поверхности,
вероятно из – за проскальзывания слоев вакуума относительно друг
друга) определяется (если тело не пористое) только количеством и
видом атомов на теплопринимающей и теплопередающей поверхностях тела.
Теперь разделим количество атомов на
поверхности для направления || -го плоско­сти, на количество атомов для
направления  - го ей:
 3846153846153846,154 / 609756097560975,61 = 6,31 раза.

По опытно — расчетным данным падение теплопроводности в зависимости от
направления составляет 6,49 раза (см. выше). Относительная погрешность:
((6,49 — 6,31) / 6,31) * 100 = 2,9 % . Третье возможное направление
теплопроводности не рассчитывали.
Хочется привести еще несколько наблюдений:
разлитая на полу вода в жаркий день дает прохладу (если температура
воздуха ниже, чем температура тела) не из – за испарения, а из
за увеличения средней плотности воздуха (за счет микро капель).
Доказательство – в бане льют воду на камни не для прохлады; в горах при
заходе Солнца становится быстро прохладно из – за высокой средней
плотности воздуха (если брать вместе с горами), а в пустыне из – за
отсутствия деревьев (нет отражения – модель гетерогенного катализа);
отсутствие холодных погребов на экваторе и присутствие их в средних
широтах объясняется тем, что на некотором расстоянии от поверхности
Земли тепло «оттягивается» хорошими теплоотводчиками – полюсами
планеты; когда мы гладим кошку наша рука и шерсть кошки
нагреваются на разную температуру, поэтому если «взять” две руки и
две кошки, получится ни что иное как термопара (при условии не
«натирать” другую кошку). В связи с этим ПРАВИЛЬНОЕ соединение
материалов сильно разнящихся по теплопроводности (металлы и
полупроводники) в термопарах должно давать не плохую ЭДС.
Поставленный нами простой эксперимент подтверждает главную роль тепла
при термо ЭДС: мы нагревали «плечи» старого («стеклянного») диода — от него
возникала термо ЭДС с соответствующими направлениями (смотря какое плечо
ДИОДА (?) грели), когда же целостность стеклянной капсулы была
нарушена, ЭДС резко упала. Механизм, вероятно, следующий: чем больше
 разница в температурах спаенных материалов – тем выше термо ЭДС;
 у кого выше температура (частота вращения атомов вокруг собственной оси), тот 
и может удержать на своих атомах больше электронов – туда течет ток.

Список используемых источников:
1. Справочник химика, том 3. Л.: Химия, 1964. 1008 с.
2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. Учеб. Для вузов. – 3 – е
изд.; перераб. – М.: Высш. шк., 1998. 743 с.