Что такое теплопроводность металлов: Термин - Теплопроводность металла

Что такое теплопроводность металлов: Термин – Теплопроводность металла – глоссарий «Пресснастил»

alexxlab | 30.04.2023 | 0 | Разное

Содержание

Коэффициент теплопроводности металлов (Таблица)

Теплопроводность многих металлов следует соотношению k = 2,5·10^-8σT, где Т обозначает температуру в °К, а σ — электропроводность в единицах (ом·см)^-1. Это соотношение, которое лучше всего оправдывается для хороших проводников электричества и при высоких температурах, можно применять и для определения коэффициентов теплопроводности.

Соотношение kpc_p=const, где р обозначает плотность, а с_р — удельную теплоемкость при постоянном давлении, было предложено Стормом для того, чтобы объяснить температурные изменения этих величин для некоторых металлов и сплавов.

Таблица коэффициент теплопроводности металлов

Элементы с металлической электропроводностью (числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе)

Металл	Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
Металл	– 100	0	100	300	700
Алюминий	2,45	2,38	2,30	2,26	0,9
Бериллий	4,1	2,3	1,7	1,25	0,9
Ванадий	—	—	0,31	0,34	—
Висмут	0,11	0,08	0,07	0,11	0,15
Вольфрам	2,05	1,90	1,65	1,45	1,2
Гафний	—	—	0,22	0,21	—
Железо	0,94	0,76	0,69	0,55	0,34
Золото	3,3	3,1	3,1	—	—
Индий	—	0,25	—	—	—
Иридий	1,51	1,48	1,43	—	—
Кадмий	0,96	0,92	0,90	0,95	0,44 (400°)
Калий	—	0,99	—	0,42	0,34
Кальций	—	0,98	—	—	—
Кобальт	—	0,69	—	—	—
Литий	—	0,71	0,73	—	—
Магний	1,6	1,5	1,5	1,45	—
Медь	4,05	3,85	3,82	3,76	3,50
Молибден	1,4	1,43	—	—	1,04 (1000°)
Натрий	1,35	1,35	0,85	0,76	0,60
Никель	0,97	0,91	0,83	0,64	0,66
Ниобий	0,49	0,49	0,51	0,56	—
Олово	0,74	0,64	0,60	0,33	—
Палладий	0,69	0,67	0,74	—	—
Платина	0,68	0,69	0,72	0,76	0,84
Рений	—	0,71	—	—	—
Родий	1,54	1,52	1,47	—	—
Ртуть	0,33	0,09	0. 1	0,115	—
Свинец	0,37	0,35	0,335	0,315	0,19
Серебро	4,22	4,18	4,17	3,62	—
Сурьма	0,23	0,18	0,17	0,17	0,21
Таллий		0,41	0,43	0,49	0,25 (400 ⁰)
Тантал	0,54	0,54	—	—	—
Титан	—	—	0,16	0,15	—
Торий	—	0,41	0,39	0,40	0,45
Уран	—	0,24	0,26	0,31	0,40
Хром	—	0,86	0,85	0,80	0,63
Цинк	1,14	1,13	1,09	1,00	0,56
Цирконий	—	0,21	0,20	0,19	—

Таблица коэффициент теплопроводности полупроводники и изоляторы

Вещество	Коэффициент теплопроводности при температура, °С
Вещество	– 100	0	100	500	700
Германий	1,05	0,63	—	—	—
Графит	—	0,5—4,0	0,5—3,0	0,4-1,7	0,4-0,9
Йод	—	0,004	—	—	—
Углерод	—	0,016	0,017	0,019	0,023
Селен	—	0,0024	—	—	—
Кремний	—	0,84	—	—	—
Сера	—	0,0029	0,0023	—	—
Теллур	—	0,015	—	—	—

Теплопередача.

Теплопроводность металлов

Всем известно, что теплота может «путешествовать» с одного места на другое. Однако нам пока что неизвестно, каким же образом это происходит? Одинаково ли протекают теплообменные процессы в твёрдых телах, жидкостях и газах? И какова природа передачи теплоты? Чтобы ответить на эти вопросы, проведём эксперимент.

Возьмём железный гвоздь и стеклянную палочку и будем нагревать их концы в пламени спиртовки.

Через некоторое время мы почувствуем тепло. К пальцам, которые держат железный гвоздь, оно дойдёт гораздо быстрее, и вскоре мы не сможем удержать гвоздь, поскольку его температура значительно повысится. Стеклянную же палочку мы ещё долго сможем держать, хотя со временем и её температура повысится до такой степени, что будет печь пальцы.

В рассмотренном нами эксперименте происходит перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым. Вы сами можете привести множество примеров такого переноса теплоты.

Такая передача энергии происходит в результате столкновения частиц. Она передаётся как бы по цепочке, последовательно слой за слоем, и со временем температура всех частей тела выравнивается.

Проведём ещё один опыт. К металлическому стержню, закрепленному в штативе, с помощью воска или пластилина прикрепим несколько кнопок. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки.

Через некоторое время мы увидим, что кнопки начнут отпадать от стержня: сначала отпадёт та кнопка, которая находится ближе к пламени, а затем поочерёдно все остальные.

Поскольку кнопки отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно.

Почему это происходит? Попробуем разобраться, используя знания, полученные нами на предыдущих уроках.

Мы знаем, что в твёрдом теле (например, в металле) частицы взаимодействуют между собой, потенциальная энергия их велика, и они могут совершать колебательные движения около определенных положений. Модель структуры твердого тела (металла) можно представить в виде кристаллической решётки.

Модель кристаллической решётки

Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню.

Это можно уподобить передаче энергии колебательного движения от одного человека к другому в цепочке стоящих рядом, взявшихся за руки людей. Если один человек будет смещаться, то в одну, то в другую сторону, то он вызовет смещение по очереди и всех остальных.

Обращаем внимание на то, что перемещение вещества от одного тела к другому или от одной части тела к другой, не происходит, но при этом передаётся энергия.

Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.

Так как взаимодействие молекул и тепловое движение у разных веществ неодинаковы, то и теплопроводность веществ разная.

Чтобы в этом убедиться, проделаем следующий опыт. Возьмём сосуд с горячей водой и стержни одинакового размера из различных материалов, например, из серебра, латуни, стали, стекла и дерева. Верхние концы стержней погрузим в сосуд так, чтобы они прогревались водой. А к свободным нижним концам этих стержней прикрепим воском или пластилином кнопки.

Через некоторое время мы заметим, что первым отпадает кнопка от серебряного стержня. Значит серебро — это очень хороший проводник тепла. Затем отпадает гвоздик от стержня из латуни, а потом и от стального.

Ждать же, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, приходится очень долго. Значит, дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность.

Так теплопроводность дерева примерно в три тысячи раз меньше теплопроводности серебра. Убедиться в этом можно на опыте. Деревянную или стеклянную палочку можно безопасно держать рукой, в то время как другой ее конец, находящийся в пламени спиртовки, уже горит или плавится.

Становится понятным, почему деревянные дома лучше сохраняют тепло, чем кирпичные, почему ручки паяльников, кастрюль и сковородок делают из пластмассы или дерева.

Материалы, которые очень плохо проводят тепло, называют теплоизоляторами.

Теперь зададимся вопросом, а могут ли проводить теплоту газы? Что бы на него ответить, проделаем такой опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Можно заметить, что нагревание воздуха идёт, но очень медленно, что подтверждается незначительным повышением показания термометра.

Приведём ещё несколько примеров. И так, все вы знаете, что фен выдувает горячий воздух за счёт электрической энергии, которую он потребляет из сети.

Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить.

Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счёт небольшого слоя воздуха между ними.

Двойные стёкла в оконной раме

Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом. Поэтому, например, сильно разреженные газы практически не проводят теплоту. Это их свойство применяют, в частности, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре.

Такими образом, теплопроводность газов очень малая, особенно по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел. Так, например, теплопроводность обычного воздуха, которым мы с вами дышим, почти в 10 000 раз меньше, чем теплопроводность меди.

А теперь давайте выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Так как взаимодействие молекул у жидкостей значительное, то перенос энергии молекулами у них лучше, чем у газов, но хуже, чем у твёрдых тел. Чтобы в этом убедиться, проведём такой опыт. Возьмём пробирку с водой, на дно которой поместим кусочек льда. Чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему какой-либо металлический предмет. Будем нагревать верхнюю часть пробирки в спиртовке.

Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, но лёд на дне при этом не растает. Это говорит о том, что теплопроводность воды малая, хотя и больше чем у воздуха. Следует помнить, что металлы, находящиеся в жидком состоянии (это, например, медь, олово и так далее) обладают хорошей теплопроводностью.

Таким образом, теплопроводность жидкости действительно занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

И так, из всех рассмотренных нами примеров мы можем сделать вывод о том, что теплопроводность — это свойство тел, и у каждого тела она разная. Например, шерсть, перья и волосы имеют плохую теплопроводность. Это объясняется тем, что между их волокнами содержатся частички воздуха.

Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду из которой едят, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии молекул или других частиц, которых в вакууме попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе.

Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения. Но нём мы поговорим с вами в следующий раз.

Что такое теплопроводность? Как это измеряется? – TAL

Автор: Джон Клиффорд, стажер-химик

Что такое теплопроводность?

Рисунок 1: Теплопередача за счет теплопроводности плоской стенки, показывающая важность теплопроводности в теплопередаче

Теплопроводность — это свойство, описывающее способность материала проводить тепло. Он часто обозначается как k и имеет единицы СИ W/m·K (Ватт на метр по Кельвину). Теплопроводность является ключевым параметром при измерении кондуктивной теплопередачи.

Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Весь теплообмен происходит, когда между двумя областями существует разница температур; проводимость отличается тем, что теплота «проходит через тело самого вещества» [1]. Внутри твердых тел конвекция отсутствует, а излучение обычно незначительно, а это означает, что проводимость чрезвычайно важна для описания теплового поведения.

Поскольку проводимость происходит через вещество, она может происходить либо внутри объекта, либо через два контактирующих материала. Определяющая формула кондуктивной теплопередачи описывается законом теплопроводности Фурье:

q = -k ∇T

Где q — тепловой поток (Вт/м ² ), ∇T — градиент температуры (К/м), а k 90 005 это термальный проводимость [2]. Это математически демонстрирует, что теплопередача линейно пропорциональна градиенту температуры, а теплопроводность материала представляет собой константу пропорциональности. Это означает, что он может иметь большое влияние на скорость теплопередачи.

Поскольку теплопроводность является физическим свойством, она будет меняться в зависимости от типа, структуры и состояния материала. Точно так же это также функция температуры, которую важно учитывать в приложениях, где температура может сильно варьироваться, например, в электронном управлении температурой [3]. Точно так же обратной величиной теплопроводности является тепловое удельное сопротивление, которое является внутренним свойством, указывающим на эффективность материала в качестве изолятора [1].

Электропроводность твердых тел может сильно различаться. Например, металлы обычно очень теплопроводны из-за делокализованного движения электронов в металлической связи. Это способствует более быстрому нагреву металлов, чем другие материалы, такие как пластик или стекло.

Рис. 2. Медные листы, металл с высокой теплопроводностью, часто используемый в промышленности

Однако все твердые тела, включая металлы, проводят тепло за счет вибрации между соседними атомами. Некоторые твердые материалы, такие как пенополистирол, имеют низкую k и действуют как изоляторы. Частично это связано с низким значением k для воздуха, содержащегося в пустотах этих материалов [4]. Для получения дополнительной информации о теории теплопроводности см. видео ниже:

Одним из примеров важности теплопроводности является область полимерных композитов и добавок. Полимеры все чаще используются в радиаторах от электроники до биомедицинских устройств и автомобильных деталей.

Рисунок 3: Термопаста, теплопроводящий материал, изготовленный с использованием проводящих добавок для эффективного отвода тепла

Однако для того, чтобы заменить металлы и керамику в этих термочувствительных устройствах, теплопроводность должна быть улучшена. Это достигается за счет использования добавок, повышающих проводимость, таких как медь, серебро, углеродные нанотрубки и графен. Затем эти композиты можно использовать для управления температурным режимом, поскольку повышенная проводимость будет более эффективно отводить тепло от чувствительных материалов. Однако проблемы с распределением наполнителя в полимерной матрице могут изменить ее термические свойства. Следовательно, необходимо протестировать и количественно оценить тепловые характеристики, чтобы убедиться, что композит функционирует так, как задумано [5].

Как это измеряется?

Рис. 4. Датчик C-Therm с модифицированным плоскостным источником переходных процессов (MTPS) — быстрый и точный способ измерения теплопроводности время от 1 до 3 секунд. Теплопроводность и эффузивность измеряются напрямую и работают в диапазоне от -50 до 200°C. Он соответствует ASTM D7984 и рекомендуется для твердых тел, жидкостей, порошков и паст [6]. Это широко используется из-за быстрого времени тестирования и простоты подготовки образцов.

Рис. 5. Датчик плоскостного источника переходного процесса (TPS), двусторонний датчик для более опытных пользователей

Датчик плоского источника переходного процесса представляет собой двусторонний датчик горячего диска. Он может одновременно определять теплопроводность, температуропроводность и рассчитывать удельную теплоемкость по одному измерению. Он работает при температуре от -50 до 300°C, соответствует стандарту ISO 22007-2 и рекомендуется для твердых веществ [6].

Рис. 6. Датчик линейного источника переходных процессов (TLS), рекомендуется для расплавов полимеров и геологических применений

Наконец, в методе переходного линейного источника используется датчик типа игольчатого зонда, который полностью погружается в материал, нагревая его в радиальном направлении. Это измерение обычно занимает от 2 до 10 минут и лучше всего подходит для таких вещей, как расплавы полимеров, почва, гравий или вязкие жидкости. Соответствует ASTM D5334, D5930 и IEEE 442-1981 [6].

Дополнительная информация:

Дополнительная информация об испытаниях на теплопроводность

Услуги по проведению испытаний по контракту

______________________________________________________________________

Ссылки:

[1] Карслоу, Х.С. и Джагер, Дж. К. (1959). Теплопроводность в твердых телах . Оксфорд. https://books.google.ca/books/about/Conduction_of_Heat_in_Solids.html?id=y20sAAAAYAAJ&redir_esc=y

[2] Бергман, Т.Л. и Лавин, А.С. (2017). Основы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья. https://www.wiley.com/en-us/Fundamentals+of+Heat+and+Mass+Transfer%2C+8th+Edition-p-9781119353881

[3] C-Therm Technologies. (2022). Терморегулирование в электромобилях . https://ctherm.com/resources/tech-library/thermal-management-in-electric-vehicles/

[4] Geankoplis, CJ, Hersel, AA, & Lepek, DH (2018). Принципы процессов транспортировки и разделения . \circ$C, а остальные тест Объект всегда имеет одинаковую площадь контакта. Отсюда можно сделать вывод, что тепловой поток зависит от теплопроводности объекта, которая является свойством материала, из которого он сделан, и его температуры.

$$\dot{q}\sim k~(T – 37)$$

Давайте немного поиграем с этим.

Случай 1: Прикосновение к одному и тому же объекту при разных температурах
В этом случае $T$ меняется. $k$ остается постоянным. Это дает нам $\dot{q}\sim(T – 37)$, поэтому десятицентовик при 0°C кажется холоднее, чем при 30°C

Случай 2: Касание десятицентовика и глиняной монеты при одинаковой температуре
В этом случае $T$ то же самое, и уравнение сводится к $\dot{q} \sim k$. Мы знаем, что проводимость глиняной монеты меньше, чем проводимость металлической монеты. Вот почему мы чувствуем, что металлическая монета быстрее отводит тепло от нашего пальца, и, следовательно, она кажется более холодной.