Коэффициент теплопроводности от чего зависит: Коэффициент теплопроводности

alexxlab | 16.11.1988 | 0 | Разное

Содержание

Коэффициент теплопроводности – Технарь

Множитель пропорциональности l в уравнениях (12.3) и (12.4) называется коэффициентом теплопроводности. Теплопроводность является физическим свойством вещества, характеризующим способность вещества проводить тепло. Из выражения (12.3) следует:

Коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при разности температур в один градус на пути в один метр.

Значения коэффициентов теплопроводности для различных веществ резко отличаются и зависят от структуры, плотности, влажности, давления и температуры материала. Поэтому в ответственных конструкциях, таких как изоляция подводных лодок или космических аппаратов, значения коэффициента теплопроводности конструкции определяется экспериментально для каждой конструкции. При обычных теплотехнических расчётах значения коэффициента теплопроводности принимаются из справочника. Необходимо только, чтобы физические характеристики материала (влажность, плотность…), определяемые условиями эксплуатации, соответствовали табличным данным, приведенным в справочнике.

Зависимость теплопроводности от температуры имеет характер:

li = l0(1 + bti) (12.6)

где l0 — известный коэффициент теплопроводности при известной температуре t0;

b — константа, определяемая для данного материала экспериментально.

Наибольшие значение теплопроводности имеют металлы: у серебра l = 410 Вт/(м·град), у золота l = 300 Вт/(м·град), у чистой меди l = 395 Вт/(м·град), у алюминия l = 210 Вт/(м·град). Для большинства металлов повышение температуры приводит к уменьшению теплопроводности. К резкому снижению теплопроводности приводит наличие даже ничтожного количества примесей в металлах. Например, следы мышьяка в меди снижают коэффициент ее теплопроводности до l = 142 Вт/(м·град).

Железо с содержанием углерода 0,1% имеет l = 52 Вт/(м·град), при наличии углерода 1% — l = 40 Вт/(м·град). Для чистых металлов теплопроводность и электропроводность пропорциональны друг другу.

Значения коэффициентов теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов лежат в пределах l = 0,02 — 3 Вт/(м·град). Рост температуры приводит к росту коэффициента теплопроводности в соответствии с зависимостью (12.6). Как правило, чем выше плотность материала, тем больше величина его теплопроводности. При выборе строительных и изоляционных материалов следует учесть высокую зависимость коэффициента теплопроводности от влажности материала. Причем нужно помнить, что теплопроводность влажного материала выше, чем теплопроводность отдельно сухого материала и теплопроводность воды. Например, сухой кирпич имеет коэффициент теплопроводности l = 0,3 Вт/(м·град), теплопроводность воды l = 0,6 Вт/(м·град), а теплопроводность влажного кирпича l = 0,9 Вт/(м·град).

В качестве теплоизоляционных обычно используют материалы с теплопроводностью менее l = 0,2 Вт/(м·град).

Теплопроводность капельных жидкостей, как и теплопроводность металлов, понижается при увеличении температуры. Исключением является вода и глицерин. Значения коэффициентов теплопроводности капельных жидкостей находится в интервале l = 0,7 – 0,1 Вт/(м·град).

Величины коэффициентов теплопроводности газов на порядок меньше, чем капельных жидкостей l = 0,1 – 0,005 Вт/(м·град). В отличие от жидкостей и металлов, у газов повышение температуры приводит к росту теплопроводности, как и у строительных и изоляционных материалов.

От давления (кроме очень маленького и очень большого) теплопроводность практически не зависит.

Зависимость коэффициента теплопроводности газов от температуры и давления

    Значения В н пг для некоторых газов даны в табл. 1.39. Зависимость коэффициента теплопроводности газов от давления при постоянной температуре можно определять по уравнению Франка [c.106]

    Зависимость коэффициента теплопроводности газов от давления при постоянной температуре можно определять по уравнению Франка [c.106]

    Исследование коэффициентов теплопроводности газов и жидкостей, определение их зависимости от температуры и давления, определение теплопроводности газовых смесей и жидких растворов являются задачей настоящей монографии. [c.8]


    Значение коэффициента теплопроводности Я, зависит от природы вещества и меняется с температурой, плотностью, влажностью, давлением и структурой. Так, коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры. То же наблюдается и у теплоизоляционных твердых материалов. У чистых металлов коэффициент теплопроводности уменьшается с ростом температуры, а у жидкостей эта зависимость имеет весьма сложный характер. При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками теплоты являются металлы и худшими—газы. Например, для стали Я= 17,5 Бт/(М К), для меди Я = 384 Вт/(м-К), для капельных жидкостей Я = 0,1-г->7- 0,7 Вт/ (м К), а для газов К = 0,006 Ч- 0,6 Вт/ (м К). 
[c.186]

    Зависимость теплопроводности газов от давления пока не представляется возможным рассчитать с высокой степенью точности. Однако влияние давления в этом случае удается учесть графическим путем. Так, по рис. 1-10 [84] можно определить (с погрешностью 20%) отношение коэффициентов Х/Хо, где X —коэффициент теплопроводности газа при высоком давлении Р и некоторой температуре Т, а Яо — коэффициент теп- [c.24]

    По сравнению с системой пограничного слоя для несжимаемой жидкости в этом случае к уравнениям движения (5.1.32) и неразрывности (5.1.33) добавляется еще уравнение энергии (5.1.34) и уравненне состояния (5.1.35), а также задается зависимость коэффициента вязкости ц. от энтальпии (температуры). В уравнениях (5.1.32) — (5.1.34) введены следующие обозначения к = ср/с — отношение коэффициентов теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме = 11 1 — число Маха, характеризующее отношение скорости набегающего потока к скорости звука в нем а Рг = = 1Ср/Х — число Прандтля О. — коэффициент теплопроводности). 
[c.115]

    Теплопроводность газов колеблется в пределах шриблизительно между К = 0,005 и Я = 0,5 ккал1м час ° С. С повышением температуры Л возрастает, а зависимость коэффициента теплопроводности от давления становится заметной лишь при весьма высоких (свыше 2000 ат) и весьма низких (ниже 0,03 ата) давлениях. [c.23]

    ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДВУХ- И МНОГОАТОМНЫХ ГАЗОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ 

[c.147]

    Для определения- коэффициента теплопроводности жидкости под давлением и при высокой температуре применима также графическая зависимость для газов (см. рис. XV. 10). [c.325]

    Коэффициент теплопроводности паров нефтяных фракций, содержащих ароматические углеводороды, водород и некоторые неуглеводородные газы, в области давлений не выше 0,45 МПа можно определить в зависимости от температуры и мольной массы (М=15—150) (см. Приложение рис. П-24). [c.111]

    Зависимость величины X от давления и температуры, определяемая формулой (41), совпадает с зависимостью, определяемой формулой (40), с точностью до множителя 2,5, наличие которого подчеркивает приближенный характер изложения в 4. Для однокомпонентных многоатомных газов выражение для X, полученное из строгой кинетической теории, пока не дало полезных численных результатов. Поэтому расчет по формуле Эйкена, основанный на сформулированных ниже физических соображениях, пока что представляет собой наиболее удовлетворительный способ расчета коэффициентов теплопроводности многоатомных газов. 

[c.570]

    Размерность а такая же, как у коэффициента диффузии и кинематической вязкости, поэтому процесс переноса тепла за счет теплопроводности можно трактовать как диффузию тепла с коэффициентом диффузии а, имея в виду, что механизмы переноса при диффузии и теплопроводности идентичны. Коэффициент теплопроводности газов увеличивается с ростом температуры. Для большинства жидкостей к уменьшается с увеличением Т. Полярные жидкости, например вода, являются исключением. Для них зависимость к Т) имеет максимум. Как и коэффициент вязкости, коэффициент теплопроводности слабо зависит от давления. [c.50]

    Коэффициенты теплопроводности паров и газов даны при давлении 1 атм. В тех случаях, когда значения коэффициента теплопроводности приведены для температуры фазового перехода, агрегатное состояние вещества указано буквой, стоящей рядом со значением температуры, например (182 ж.). При этом к. означает кристаллическое состояние ж. — жидкость г — газ т. — твердое вещество ам. — вещество в аморфном состоянии, мк.— монокристалл. Если коэффициент теплопроводности проявляет сильную зависимость от агрегатного состояния вещества при данной температуре, то буква указывает на состояние, для которого приведено значение %. 

[c.256]

    Сопоставление приведенных коэффициентов теплопроводности Япр для часто встречающихся двухатомных газов на основе теории соответственных состояний дано Шефером и Тодосом [19]. На рис. 1-11 показана зависимость Япр от приведенных давления Рпр и температуры Гпр. Средняя погрешность- определения коэффициентов теплопроводности при высоком давлении по рис. 1-1 составляет 1,4% для N и, 1—3,2% для других двухатомных газов. [c.25]

    Явления диффузии, вязкости и теплопроводности физически подобны, так как все они представляют собой перенос некоторых физических величин через газ или жидкость. Концентрационная диффузия есть перенос массы из одной области в другую вследствие наличия градиента концентрации, вязкость есть перенос импульса вследствие наличия градиента скорости теплопроводность есть перенос тепловой энергии Б результате наличия градиента температуры. Простейшая кинетическая теория, используя ряд допущений, дает выражения для определения основной зависимости коэффициентов переноса от температуры и давления, а также от массы и размеров молекул газа. Коэффициент обычной диффузии численно равен плотности потока молекул вида I вследствие единичного градиента плотности частиц коэффициент вязкости численно равен плотности потока г/-компоненты импульса, создаваемого единичным градиентом 1/-компоненты скорости коэффициент теплопроводности численно равен плотности потока энергии, вызванного единичным градиентом температуры. 

[c.23]

    Методы монотонного нагрева для исследования теплофизических свойств жидкостей и газов получили более глубокое развитие в работах автора настоящей монографии [133—140]. Им разработаны общие теоретические основы методов измерения коэффициента теплопроводности жидкостей и газов, а также изобарной теплоемкости жидкостей в режиме монотонного нагрева при высоких температурах и давлениях. Расчетные формулы получены с учетом температурной зависимости теплофизических свойств и переменной скорости нагрева в рамках нелинейной теории теплопроводности. На основе разработанных методов сконструирована экспериментальная аппаратура, позволивщая исследовать теплопроводность и изобарную теплоемкость различных классов жидкостей в широком диапазоне температур и давлений. [c.41]


    Коэффициенты К и а изменяются в широких пределах в зависимости от строения тела, температуры и особенно от его влажности. Коэффициент теплопроводности газов с, повышением температуры увеличивается такая же закономерность наблюдается и для жидкостей (за исключением воды и глицерина). Для кристаллических и аморфных тел с повышением температуры этот коэффициент, наоборот, уменьшается. С повышением давления воздуха значительно увеличивается коэффициент теплопровод- 
[c.56]

    Из приведенного рассмотрения экспериментальных данных по теплопроводности для шести одноатомных газов и водяного пара следует, чго из-за невозможности надежно определять значения коэффициента / и его зависимость от температуры и давления пользоваться формулой (2-11) для получения надежных значений коэффициента теплопроводности не следует. [c.137]

    Коэффициент теплопроводности X 10 [Вт/(м К)] сжиженного природного газа в зависимости от температуры и давления [15] [c.239]

    На фиг. 5 (стр. 353) показана зависимость среднего эффективного коэффициента теплопроводности некоторых порошков от давления. Граничные температуры и остаточный газ указаны на соответствующих кривых. Следует отметить, что при давлениях ниже мм рт. ст. коэффициент теплопроводности изменяется мало. 

[c.328]

    Для выяснения зависимости значений коэффициента / от температуры Одноатомных газов Зайцевой, [Л.2-26] было проведено экспериментальное исследование теплопроводности шести одноатомных газов. Ею экспериментально была определена теплопроводность гелия, неона, аргона, криптона, сенона и паров ртути при давлениях от 50 до 500 мм рт. ст. и температурах от О до 500° С. Установка Зайцевой исключала необходимость больших поправок к экспериментальным значениям в отличие от данных Каннулика и Кармана [Л. 2-27], уже при 300 С вводивших по правки до 20% к экспериментальным значениям. Обработка экспериментальных данных теплопроводности Зайцевой показала, что зависимость теплопроводности указанных шести одноатомных газов от температуры описывается уравнением [c.134]

    В зависимости ст физических свойств жидкостей (газов) процесс теплообмена может протекать различно и своеобразно. Особенно большое влияние оказывают коэффициент теплопроводности X, удельная теплоемкость Ср, плотность р, коэффициент температуропроводности а, уже использовавшиеся при рассмотрении теплопроводности, и коэффициент вязкости (1. Для каждого вещества эти величины имеют определенные значения и являются функцией параметров состояния (температуры и давления, прежде всего температуры). Особенно существенные изменения физических свойств могут иметь место в околокритической области термодинамических состояний и в области очень низких температур. [c.127]

    Соотношения (1.16) —(1.18) показывают, что коэффициент диффузии изменяется пропорционально температуре в степени и обратно пропорционально давлению. Коэффициенты вязкости Г1 и теплопроводности % также растут с увеличением температуры (т1, Я Г /2), но в отличие от О не зависят от давления. Приведенны здесь зависимости коэффициентов переноса от Г и р являются приближенными, так как при их получении использовалась модель газа, не учитывающая наличия межмолекулярных сил взаи- 

[c.16]

    Как было упомянуто ранее, коэффициент теплопроводности в обш,ем случае является функцией температуры и давления. Инженеры уделяют мало внимания зависимости коэффициентов теплопроводности твердых тел и жидкостей от давления. Происходит это, вероятно, потому, что в представ л яюш,их главный интерес для приложений случаях давление равно атмосферному. Частично это объясняется также маскируюш,им действием других переменных, таких, как наличие загрязнений. Как упомянуто ранее, коэффициент теплопроводности идеального газа не зависит от давления. Влияние высоких давлений на коэффициенты теплопроводности было предметом недавних исследований. Коэффициенты теплопроводности, как оказалось, в общем возрастают с ростом давления. Коэффициенты теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел умеренно зависят от температуры, как можно увидеть из табл. 19. 1 — 19. 3. В общем увеличение температуры вызывает увеличение теплопроводности газов и уменьшение теплопроводности жидкостей и твердых тел. Имеется, однако, много исключений из этого общего правила существуют и некоторые вещества, у которых при изменении температуры коэффициенты теплопроводности проходят через максимум или минимум. [c.256]

    Явления, происходящие в турбулентном потоке горящего газа, описываются сложной системой уравнений. В состав ее входят уравнения движения и неразрывности для течения вязкого сжимаемого газа, а также уравнения энергии и диффузии для компонент горючей смеси и продуктов реакции, содержащие нелинейные источники тепла и вещества. Интенсивность этих источников определяется уравнениями химической кинетики. В общую систему уравнений входят также уравнение состояния и выражения, определяющие зависимость физических констант (коэффициенты вязкости, теплопроводности, диффузии и др.) от температуры и давления, а в принципе и от состава смеси. В общем случае учету подлежат также изменение молекулярной массы в ходе реакции, отличие теплоемкости исходных реагентов от теплоемкости продуктов сгорания, потери теплоты при излучении пламени, явления диссоциации, ионизации и рекомбинации, эффекты термо- и бародиффузии и диффузионной теплопроводности, обусловленные наличием резких градиентов температуры и концентраций и др. [c.14]

    Значения эффективного коэффициента теплопроводности водорода (т. е, с учетом переноса тепла вследствие химической энтальпии молекул) при различных температурах приведены в табл, 4.33. Теплопроводность диссоциирующего газа в зависимости от температуры проходит через максимум, положение которого смещается в область более низких температур при понижении давления (рис. 4,176). Это обусловлено увеличением степени диссоциации молекулярного водорода. [c.201]

    Отношения давления, объема и абсолютной температуры газа при данных условиях к его критическим параметрам называются соответственно приведенным давлением я = р1р р, приведенным объемом ф = у/ кр и приведенной температурой т = Г/Г р. В зависимости от я и т составлены обобщенные графики для определения теплоемкости, теплопроводности, энтальпии, теплоты парообразования, вязкости, энтропии и коэффициентов сжимаемости для большинства газов. [c.99]

    Теплопроводность вещества можно считать изученной, если мы располагаем надежными данными зависимости теплопроводности газа вещества при атмосферном давлении от температ фы (довысоких температур), можем нанести в координатной системе %=f(T) значения коэффициентов теплопроводности по верхней (сухой насыщенный пар) и нижней (кипящая жидкость), пограничным кривым, нанести значения коэффициентов теплопроводности а изобарах как при давлениях меньше критического, так и для давлений больше критического. На такой единой диаграмме расположится зависимость теплопроводности от давления и температуры в жидкой и в газообразной фазах, а также и в критической области. [c.178]

    Очень важно найти обобщающую зависимость для коэффициентов теплопроводности газов от температуры при атмосферном давлении. Это дало бы возможность по имеющимся экспериментальным данным одних газов находить правильные значе1ния коэффициента теплопроводности для любого газа. Это позволило бы сравнивать и корректировать теплопроводность одного газа по другому. [c.147]

    Уравнение (31. 1), как и аналогичные уравнения переноса тепла и количества движения — например, уравнения (7. 18) и (7. 21), базируется, по существу, на эмпирической основе. Известно, что для идеальных газов и разбавленных растворов В является практически постоянной величиной для данного давления, температуры и бинарной смеси и почти не зависит от концентрации. Но установлено, что для более концентрированных растворов зависит от состава смеси. Это аналогично зависимости коэффициента тенлопроводности от температуры. При небольшом изменении температуры теплопроводность мало изменяется, но изменение температуры на несколько сотен градусов вызывает во многих веществах значительное изменение теплопроводности. [c.445]

    В тех случаях, когда определяется видимый коэффициент теплопроводности пористых неоднородных твердых тел, темпе-ратурный коэффициент может иметь значительно большее значение, чем для гомогенных монолитных твердых тел, так как тепло передается не только теплопроводностью, но также и конвекцией в газе, заполняющем поры, и радиацией от одних поверхностей поры к другим. В случае, если внутренняя радиация значительна, то кривая зависимости видимого коэффициента теплопроводности от температуры получилась бы вогнутой вверх, так как излучение увеличивается пропорционально четвертой степени температуры. Для некоторых тонких порошков, таких, как силикоаэрогель и диатомит, видимый коэффициент теплопроводности уменьшается с уменьшением абсолютного давления. При низких давлениях средний путь х ) свободного пробега молекул воздуха , находящегося в порах, превышает их размер и коэффициент теплопроводности воздуха становится пропорциональным давлению, что и является причиной уменьшения видимого коэффициента теплопроводности порошков с понижением давления. При весьма малых размерах пор видимый коэффициент теплопроводности порошка при атмосферном давлении может быть меньше, чем к неподвижного воздуха при 1 ага. [c.27]

    В задачу расчета входит определение местоположения фронта пламени и распределения температуры, скорости течения и концентраций топлива и окислителя, а также продуктов сгорания в любом поперечном сечении факела. Примем также, что течение происходит в поле постоянного давления. Поэтому плотность газа будем считать величиной, обратно пропорциональной температуре (рг = onst), не учитывая различия молекулярных весов газов (реагентов и продуктов сгорания). Кроме того, температурную зависимость коэффициентов вязкости, теплопроводности и диффузии примем линейной ([г — X pD — Т), а числа Прандтля и Шмидта — постоянными (Рг = v/a = onst. S = v/D = onst). [c.12]

    Теплопроводность газов и паров углеводородов возрастает с повышением температуры и слабо зависит от давления при изменении последнего от 20 мм рт. ст. до нескольких десятков атмосфер. В табл. 1-22 приведены коэффициенты теплопровадноетл газов, входящих в состав продуктов сгорания, а в табл. 1-23—паров углеводородов в зависимости от температуры. [c.69]


Коэффициент – теплопроводность – различное вещество

Коэффициент – теплопроводность – различное вещество

Cтраница 1

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их молекулярной структуры, плотности, теплоемкости, вязкости, влажности и температуры. Эта зависимость обычно малосущественна для тепловых расчетов электрических машин, в связи с чем в расчетах применяются средние табличные значения коэффициента теплопроводности. Более строгого подхода требуют электрические машины с низкотемпературными системами охлаждения.  [1]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от ряда факторов. У всех веществ ( твердых, жидких и газообразных) он зависит от температуры; у твердых тел он зависит от структуры ( плотной, пористой, сыпучей), удельного веса и влажности; у жидкостей – от теплоемкости, вязкости, удельного и молекулярного веса; у газов – от температуры и давления.  [2]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств: структуры тела, средней плотности, влажности, химического состава, давления и температуры.  [3]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их молекулярной структуры, удельного веса, теплоемкости, вязкости, влажности и температуры. Эти зависимости обычно мало существенны для тепловых расчетов электрических машин, в связи с чем в расчетах применяются средние табличные величины.  [4]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств. Для определенного тела величина коэффициента теплопроводности зависит от структуры тела, его объемного веса, влажности, химического состава, давления, температуры. В технических расчетах величину К берут из справочных таблиц, причем надо следить за тем, чтобы условия, для которых приведено в таблице значение коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.  [6]

Коэффициенты теплопроводности различных веществ ( рис. 11 – 4) определяются опытным путем. Коэффициент теплопроводности твердых тел зависит от температуры, поэтому в расчетах теплопроводности тел с резко неоднородным температурным полем следует учитывать переменность коэффициента теплелроводности.  [7]

Для реальных значений коэффициента теплопроводности различных веществ число Прандтля не достигает тех больших значений, для которых мог бы иметь место этот предельный закон. Такие законы, однако, могут быть применены к конвективной диффузии, описывающейся теми же уравнениями, что и конвективная теплопередача, причем роль температуры играет концентрация растворенного вещества, роль теплового потока – поток этого вещества, а диффузионное число Прандтля определяется как PD v / Д где D – коэффициент диффузии. Так, для растворов в воде и сходных жидкостях число PD достигает значений порядка 103, а для растворов в очень вязких растворителях – 10е н более.  [8]

Для реальных значений коэффициента теплопроводности различных веществ число Прандтля не достигает тех больших значений, для которых мог бы иметь место этот предельный закон.  [9]

Для реальных значений коэффициента теплопроводности различных веществ число Прандтля не достигает тех больших значений, для которых мог бы иметь место этот предельный закон. Такие законы, однако, могут быть применены к конвективной диффузии, описывающейся теми же уравнениями, что и конвективная теплопередача, причем роль температуры играет концентрация растворенного вещества, роль теплового потока – поток этого вещества, а диффузионное число Прандтля определяется как PD v / Д где D – коэффициент диффузии. Так, для растворов в воде и сходных жидкостях число Рс достигает значений порядка 103, а для растворов в очень вязких растворителях – 10е и более.  [10]

Для реальных значений коэффициента теплопроводности различных веществ число Прандтля не достигает тех больших значений, для которых мог бы иметь место этот предельный закон. Такие законы, однако, могут быть применены к конвективной диффузии, описывающейся теми же уравнениями, что и конвективная теплопередача, причем роль температуры играет концентрация растворенного вещества, роль теплового потока – поток этого вещества, а диффузионное число Прандтля определяется как PD v / D, где D – коэффициент диффузии. Так, для растворов в воде и сходных жидкостях число PD достигает значений порядка Ю3, а для растворов в очень вязких растворителях – 10е и более.  [11]

При выборе материала для плоских стенок, воспринимающих атмосферное давление, полезно сравнить примерные значения коэффициентов теплопроводности различных веществ ( табл. 1) с требуемой теплопроводностью поддерживающего материала.  [12]

Зависимость ( 11 – 2а) называют законом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств и его принято рассматривать как параметр вещества. В общем случае А, зависит от рода вещества, структуры тела, его температуры, влажности и плотности.  [14]

Страницы:      1

Теплопроводность металлов и сплавов: от чего зависит коэффициент, указываемый в таблицах

Количество переносимого тепла Q называется тепловым потоком; эту величину обычно относят к единице времени — часу. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется удельным тепловым потоком, плотностью теплового потока, или тепловой нагрузкой поверхности нагрева q.

 Величины Q, а также q являются вектором, за положительное направление которого принимают направление по нормали к изотермической поверхности в сторону уменьшения температуры, т. е. противоположно направлению вектора температурного градиента.

Связь между количеством тепла dQ, проходящим через элементарную площадку dF, лежащую на изотермической поверхности, в единицу времени, и температурным градиентом установил Фурье:

(1)

Удельный тепловой поток определяется соотношением:

(2)

Знак минус в правой части уравнений (1) и (2) указывает на то, что тепловой поток и температурный градиент, как векторы, имеют противоположные направления. Множитель пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент λ является физическим параметром вещества и характеризует способность его проводить тепло.

 Из уравнения (2) следует, что коэффициент теплопроводности λ имеет размерность:

(3)

Следовательно, величина коэффициента теплопроводности определяет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.

В общем случае коэффициент теплопроводности имеет различные значения для различных веществ. Для данного вещества коэффициент теплопроводности зависит от его физических характеристик, температуры, давления, влажности и структуры.

Для веществ, имеющих практическое применение, не удалось установить аналитическую зависимость коэффициента теплопроводности от физических характеристик вещества. При инженерных расчетах значения коэффициента теплопроводности выбираются из справочных таблиц, составленных по опытным данным.

На рисунке показаны пределы изменения коэффициента теплопроводности различных веществ.

Порядок величин коэффициента теплопроводности для различных веществ

Опыт показывает, что для материала определенной структуры и влажности, находящегося при атмосферном давлении, коэффициент теплопроводности зависит от температуры. Для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной:

(4)

где λо — значение коэффициента теплопроводности при температуре  t0;

b — постоянная, определяемая опытным путем.

Значения коэффициента теплопроводности газов находятся в пределах от 0,004 до 0,4 Вт×м-1×K-1. С повышением температуры коэффициент теплопроводности идеальных газов увеличивается, а от изменения давления практически не зависит.

Исключение составляют очень низкие (20 мм рт. ст.) и очень высокие (>2000 атм) давления. Наибольшие значения коэффициента теплопроводности у гелия и водорода (в 5 — 10 раз больше, чем у других газов).

Это объясняется большой скоростью движения молекул гелия и водорода между очередными соударениями.

Коэффициент теплопроводности водяного пара и других реальных газов, существенно отличающихся от идеальных, заметно зависит от давления.

Для газовых смесей коэффициент теплопроводности необходимо определять опытным путем, так как закон аддитивности для коэффициента λ неприменим.

Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит примерно в пределах от 0,07 до 0,5 Вт×м-1×K-1. С повышением температуры для большинства жидкостей коэффициент λ убывает, исключение составляют вода и глицерин. При увеличении давления коэффициент теплопроводности жидкостей возрастает.

Коэффициент теплопроводности металлов лежит в пределах от 1,72 до 310 Вт×м-2. Наиболее теплопроводным металлом является серебро (λ = 310), затем красная медь (λ = 292), золото (λ = 224), алюминий (λ = 155) и т. д. При наличии примесей в металле коэффи-миенттеплопроводности уменьшается.

Так, например, красная медь со следами мышьяка имеет λ = 105 Вт×м-1×K-1. Для железа с 0,1% углерода λ = 39 Вт×м-1×K-1, с 1,0% углерода λ = 29, с 1,5% углерода λ = 27 Вт×м-1×K-1. Для закаленной углеродистой стали коэффициент теплопроводности на 10 — 25% ниже, чем для незакаленной.

При повышении температуры значения коэффициента теплопроводности чистых металлов уменьшаются. Это объясняется тем, что с повышением температуры появляются тепловые неоднородности в металле, вызывающие усиление рассеивания электронов.

В отличие от чистых металлов коэффициент теплопроводности сплавов увеличивается с ростом температуры.

Источник: https://termo-systema.ru/index.php-option%3Dcom_content%26view%3Darticle%26id%3D63-lamda%26catid%3D35-artikle-%26Itemid%3D89.htm

Таблица: коэффициентов теплопроводности металлов, полупроводников и изоляторов

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

Таблица коэффициента теплопроводности металлов

Элементы с металлической электропроводностью.

Металл
Коэффициент теплопроводности металлов (при температуре, °С)
— 100

100
300
700

Алюминий2,452,382,302,260,9
Бериллий4,12,31,71,250,9
Ванадий0,310,34
Висмут0,110,080,070,11*0,15*
Вольфрам2,051,901,651,451,2
Гафний0,220,21
Железо0,940,760,690,550,34
Золото3,33,13,1
Индий0,25
Иридий1,511,481,43
Кадмий0,960,920,900,950,44 (400°)*
Калий0,990,42*0,34*
Кальций0,98
Кобальт0,69
Литий0,710,73
Магний1,61,51,51,45
Медь4,053,853,823,763,50
Молибден1,41,431,04 (1000°)
Натрий1,351,350,85*0,76*0,60*
Никель0,970,910,830,640,66
Ниобий0,490,490,510,56
Олово0,740,640,600,33
Палладий0,690,670,74
Платина0,680,690,720,760,84
Рений0,71
Родий1,541,521,47
Ртуть0,330,090.10,115
Свинец0,370,350,3350,3150,19
Серебро4,224,184,173,62
Сурьма0,230,180,170,170,21*
Таллий0,410,430,490,25 (400 0)*
Тантал0,540,54
Титан0,160,15
Торий0,410,390,400,45
Уран0,240,260,310,40
Хром0,860,850,800,63
Цинк1,141,131,091,000,56*
Цирконий0,210,200,19

* числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе.

Таблица коэффициента теплопроводности полупроводников и изоляторов


Вещество
Коэффициент теплопроводности при температура, °С
— 100

100
500
700

Германий1,050,63
Графит0,5—4,00,5—3,00,4-1,70,4-0,9
Йод0,004
Углерод0,0160,0170,0190,023
Селен0,0024
Кремний0,84
Сера0,00290,0023
Теллур0,015

Источник: https://Tablici.info/koeffitsient-teploprovodnosti-metallov.html

Теплопроводность цветных металлов, теплоемкость и плотность сплавов

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда.

По данным таблицы видно, что высокую теплопроводность (при комнатной температуре) имеют магниевые сплавы и никель. Низкая же теплопроводность свойственна нихрому, инвару и сплаву Вуда.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Теплопроводность металлов, алюминиевых, медных и никелевых сплавов в таблице дана в интервале температуры от 0 до 600°С в размерности Вт/(м·град). Металлы и сплавы: алюминий, алюминиевые сплавы, дюралюминий, латунь, медь, монель, нейзильбер, нихром, нихром железистый, сталь мягкая. Алюминиевые сплавы имеют большую теплопроводность, чем латунь и сплавы никеля.

Коэффициенты теплопроводности сплавов

В таблице даны значения теплопроводности сплавов в интервале температуры от 20 до 200ºС. Сплавы: алюминиевая бронза, бронза, бронза фосфористая, инвар, константан, манганин, магниевые сплавы, медные сплавы, сплав Розе, сплав Вуда, никелевые сплавы, никелевое серебро, платиноиридий, сплав электрон, платинородий.

Удельное сопротивление и температурный коэффициент расширения (КТР) металлической проволоки (при 18ºС)

В таблице указаны значения удельного электрического сопротивления и КТР металлической проволоки, выполненной из различных металлов и сплавов.

Материал проволоки: алюминий, вольфрам, железо, золото, латунь, манганин, медь, никель, константан, нихром, олово, платина, свинец, серебро, цинк.

Как видно из таблицы, нихромовая проволока имеет высокое удельное электрическое сопротивление и успешно применяется в качестве спиралей накаливания нагревательных элементов множества бытовых и промышленных устройств.

Удельная теплоемкость цветных сплавов

В таблице приведены величины удельной (массовой) теплоемкости двухкомпонентных и многокомпонентных цветных сплавов, не содержащих железа, при температуре от 123 до 1000К. Теплоемкость указана в размерности кДж/(кг·град).

Дана теплоемкость следующих сплавов: сплавы, содержащие алюминий, медь, магний, ванадий, цинк, висмут, золото, свинец, олово, кадмий, никель, иридий, платина, калий, натрий, марганец, титан, сплав висмут — свинец — олово, сплав висмут-свинец, висмут — свинец — кадмий, алюмель, сплав липовица, нихром, сплав розе.

Также существует отдельная таблица, где представлена удельная теплоемкость металлов при различных температурах.

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов приведена в таблице при температуре от 0 до 1300ºС. Размерность теплоемкости кал/(г·град).

Теплоемкость специальных сплавов: алюмель, белл-металл, сплав Вуда, инвар, липовица сплав, манганин, монель, сплав Розе, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb — Bi, Pb — Bi — Sn, Zn — Sn — Ni — Fe — Mn.

Плотность сплавов

Представлена таблица значений плотности сплавов при комнатной температуре. Приведены следующие сплавы: бронза, оловянистая, фосфористая, дюралюминий, инвар, константан, латунь, магналиум, манганин, монель — металл, платино — иридиевый сплав, сплав Вуда, сталь катаная, литая.

ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте внимательны! Плотность сплавов в таблице указана в степени 10-3. Не забудьте умножить на 1000! Например, плотность катанной стали изменяется в пределах от 7850 до 8000 кг/м3.

Источники:

Источник: http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/teploprovodnost-metallov-teploemkost-i-plotnost-splavov

Теплопроводность металлов и сплавов

Теплопроводность изменяется в диапазоне: . Самая большая теплопроводность у серебра, а наименьшая у висмута. С увеличение температуры теплопроводность металлов и сплавов уменьшается.

Общая зависимость значений коэффициентов теплопроводности веществ, приведена на Рис. 9.2.

Рис. 9.2 Значения коэффициентов теплопроводности веществ

Уравнение Фурье-Кирхгофа устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке тела. Схема площади поверхности тела, воспринимаемая тепловой поток и принятая система координат приведены на Рис. 9.3.

Рис. 9.3 Тело и принятая система координат

При постоянной теплопроводности уравнение упрощается:

где — коэффициент температуропроводности, м2/с.

Физический смысл этого коэффициента означает что тела, имеющие большую температуропроводность, нагреваются (охлаждаются) более быстрее по сравнению с телами, имеющими меньшую температуропроводность.

Дифференциальное уравнение описывает множество явлений теплопроводности. Чтобы из бесчисленного количества этих явлений выделить одно и дать его полное математическое описание, к дифференциальному уравнению теплопроводности необходимо добавить условия однозначности, которые содержат геометрические, физические, временные и граничные условия.

  • Геометрические условия определяют форму и размеры тела, в котором протекает изучаемый процесс.
  • Физические условия задаются теплофизическим параметрами λ, сv, и распределением внутренних источников теплоты.
  • Временные (начальные) условия содержат распределение температуры тела и его параметров в начальный момент времени.

Граничные условия определяют особенности протекания процесса на поверхности тела. Граничные условия могут быть заданы несколькими способами.

Граничные условия I рода.В этом случае задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени: .

— температура поверхности тела; координаты поверхности тела; — время.

Граничные условия II рода. В этом случае заданной является величина плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела в любой момент времени: .

Граничные условия III рода. В этом случае задается температура среды и условия теплообмена этой среды с поверхностью тела.

Для описания интенсивности теплообмена между поверхностью тела и средой используется гипотеза Ньютона — Рихмана, согласно которой:

. Здесь — коэффициент теплоотдачи Вт/(м2 К).

С учетом этого Граничные условия III рода запишется в виде:

Граничные условия IV рода формируются на основании равенства тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения тел:

  1. При совершенном тепловом контакте оба тела на поверхности соприкосновения имеют одинаковую температуру.
  2. Дифференциальное уравнение теплопроводности совместно с условиями однозначности дает полную математическую формулировку конкретной задачи теплопроводности, решение которой, может быть выполнено аналитически, численным или экспериментальным (подобий и аналогий) методами.
  3. Стационарная теплопроводность через однослойную плоскую стенку при граничных условиях I рода
  4. При стационарном режиме температурное поле не зависит от времени, соответственно дифференциальное уравнение теплопроводности примет вид:

Рис.9.4 Схема однослойной плоской стенки (теплопроводность)

Для случая неограниченной плоской стенки Рис.9.4, при граничных условиях 1-го рода, дифференциальное уравнение теплопроводности запишется в виде: . Считая, что внутренний источник теплоты , для конечных размеров стенки уравнение примет вид:

где q – плотность теплового потока, [Вт/м2];

l — коэффициент теплопроводности вещества ; l/d — тепловая проводимость. d/l =R – термическое сопротивление (м·К)/Вт.

Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.

1). Однородная цилиндрическая стенка.

Рассмотрим однородный однослойный цилиндр длиной l, внутренним диаметром d1и внешним диаметром d2 Рис.9.5.

Рис.9.5 Схема однослойной цилиндрической стенки

Температуры поверхностей стенки –tст1 и tст2.

  • Уравнение теплопроводности по закону Фурье в цилиндрических координатах: Q = — λ·2·π·r ·l· ∂t / ∂r или Q = 2·π·λ·l·Δt/ln(d2/d1), где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор; λ – κоэффициент теплопроводности стенки.
  • Для цилиндрических поверхностей вводят понятия тепловой поток единицы длины l цилиндрической поверхности (линейная плотность теплового потока), для которой расчетные формулы будут: ql = Q/l =2·π·λ·Δt /ln(d2/d1), [Вт/м].
  • Температура тела внутри стенки с координатой dх:
  • tx = tст1 – (tст1 – tст2) ln(dx/d1) / ln(d2/d1).

Допустим, цилиндрическая стенка состоит из трех плотно прилегающих слоев Рис.9.6 —многослойная цилиндрическая стенка.

Рис.9.6 Схема многослойной цилиндрической стенки

  1. Температура внутренней поверхности стенки – tст1, температура наружной поверхности стенки –tст2, коэффициенты теплопроводности слоев -λ1, λ2, λ3, диаметры слоев d1, d2, d3, d4. Тепловые потоки для слоев будут:
  2. 1-й слой Q = 2·π· λ1·l·(tст1 – tсл1)/ ln(d2/d1),
  3. 2-й слой Q = 2·π·λ2·l·(tсл1 – tсл2)/ ln(d3/d2),
  4. 3-й слой Q = 2·π·λ3·l·(tсл2 – tст2)/ ln(d4/d3),
  5. Решая полученные уравнения, получаем для теплового потока через многослойную стенку:
  6. Q = 2·π·l·(tст1 – tст2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3].
  7. Для линейной плотности теплового потока имеем:
  8. ql = Q/l = 2·π· (t1 – t2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3].
  9. Температуру между слоями находим из следующих уравнений:

tсл1 = tст1 – ql·ln(d2/d1) / 2·π·λ1. tсл2 = tсл1 – ql·ln(d3/d2) / 2·π·λ2.

Однородный полый шар Рис.9.7.

Рис.9.7 Однородная шаровая стенки

  • Внутренний диаметр d1, внешний диаметр d2, температура внутренней поверхности стенки – tст1, температура наружной поверхности стенки –tст2, коэффициент теплопроводности стенки -λ. Уравнение теплопроводности по закону Фурье в сферических координатах: Q = — λ·4·π·r2 ∂t / ∂r или
  • Q =4·π·λ·Δt/(1/r2 — 1/r1) =2·π·λ·Δt/(1/d1 — 1/d2) =
  • = 2·π·λ·d1·d2·Δt /(d2 — d1) = π·λ·d1·d2·Δt / δ,
  • где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор; δ –толщина стенки.

Нестационарная теплопроводность характеризуется изменением температурного поля во времени и связана с изменением энтальпии тела при его нагреве или охлаждении. Безразмерная температура тела Θ определяется с помощью числа Био и Фурье и безразмерной координаты, обозначаемой для пластины , а для цилиндра .

Для дальнейшего рассмотрения вопроса примем, что охлаждение (нагревание) тел происходит в среде с постоянной температурой , при постоянном коэффициенте теплоотдачи . — теплопроводность и температуропроводность материала тела, — характерный размер тела, для пластины , для цилиндра , — соответственно текущие координаты.Рассмотрим тела с одномерным температурным полем на примере пластины толщиной 2δ. Безразмерная температура пластины:

Здесь T – температура в пластине для момента времени t в точке с координатой x; T0 – температура пластины в начальный момент времени.

температура в середине толщины пластины (X=0):

температура внутри пластины на расстоянии х от ее средней плоскости:

Соответствующие значения P, N, μ1 μ12 – определяются как f(Bi) по справочным таблицам и графикам. Аналогичные операции выполняются и для цилиндра. Схема нестационарной теплопроводности тел конечных размеров Рис. 9.8.

Рис.9.8 Схема нестационарной теплопроводности тел конечных размеров

Температура в телах конечных размеров определяется на основе теоремы о перемножении решений: безразмерная температура тела конечных размеров при нагревании (охлаждении) равна произведению безразмерных температур тел с бесконечным размером, при пересечении которых образовано данное конечное тело. Соответственно для параллелепипеда, образованного пересечением плоских пластин безразмерная температура определится как: .

Значения средних температур входящих в выражения определяются по вышеизложенной методике для каждой стороны, образованной бесконечной пластины с учетом места расположения интересующей нас точки в параллелепипеде.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/2_3650_teploprovodnost-metallov-i-splavov.html

Самый нетеплопроводный металл – Таблица теплопроводности металлов — Теплоизоляция сооружений

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс.

Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции.

Теплопроводность металлов – один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача.

В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики.

Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве.

Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов.

Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Таблица 1

Металл Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
– 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

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями.

Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину.

Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Таблица 2

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град.

Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры.

Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град.

Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град.

А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий.

Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения.

Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия.

В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации.

Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Источник: https://ecoteploiso.ru/raznoe-2/samyj-neteploprovodnyj-metall-tablica-teploprovodnosti-metallov.html

Введение

Перейти к загрузке файла

Определение коэффициента теплопроводности металлов играет важную роль в некоторых областях, например в металлургии, радиотехнике, машиностроении, строительстве. В настоящее время существует множество различных методов, с помощью которых можно определить коэффициент теплопроводности металлов.
  • Данная работа посвящена изучению основного свойства металлов — теплопроводности, а также изучению методов исследования теплопроводности.
  • Объектом исследования является теплопроводность металлов, а так же различные методы лабораторных исследований.
  • Предмет исследования — коэффициенты теплопроводности металлов.
  • Планируемый результат — постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов» на основе калориметрического метода.
  • Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
  • — изучение теории теплопроводности металлов;
  • — изучение методов определения коэффициента теплопроводности;
  • — подбор лабораторного оборудования;
  • — экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металлов;
  • — постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов».
  • Работа состоит из трёх глав, в которых раскрыты поставленные задачи.

Закон Фурье

Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).[9] Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени dф. [8]

(1)

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Знак минус в формуле (1) указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. 

Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется тепловым потоком:

Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.[8]

Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества

Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Коэффициент теплопроводности — количество теплоты, проходящее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно grad t.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Эти обстоятельства должны учитываться при использовании справочных таблиц.

Наибольшее значение имеет коэффициент теплопроводности металлов, для которых . Наиболее теплопроводным металлом является серебро , затем идут чистая медь , золото , алюминий и т.д. Для большинства металлов рост температуры приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Эта зависимость может быть приближенно аппроксимирована уравнением прямой линии

(3)

здесь л, л0 — соответственно коэффициенты теплопроводности при данной температуре t и при 00C, в — температурный коэффициент. Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям.

Например, при появлении в меди даже следов мышьяка её коэффициент теплопроводности снижается с 395 до 142; для стали при 0,1 % углерода л = 52 , при 1,0 % — л = 40 , при 1,5 % углерода л=36 .

На коэффициент теплопроводности влияет и термическая обработка. Так, у закаленной углеродистой стали л на 10 — 25% ниже, чем у мягкой. По этим причинам коэффициенты теплопроводности торговых образцов металла при одинаковых температурах могут существенно различаться.

Следует отметить, что для сплавов, в отличие от чистых металлов, характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры.

К сожалению, установить какие — либо общие количественные закономерности, которым подчиняется коэффициент теплопроводности сплавов, пока не удалось.

Величина коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов — диэлектриков во много раз меньше, чем у металлов и составляет 0,02 — 3,0 .

Для подавляющего большинства из них (исключение составляет магнезитовый кирпич) с ростом температуры коэффициент теплопроводности возрастает.

При этом можно пользоваться уравнением (3), имея ввиду, что для твердых тел — диэлектриков в>0.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.). Для них и порошкообразных материалов коэффициент теплопроводности существенно зависит от объемной плотности.

Это обусловлено тем, что с ростом пористости, большая часть объема заполняется воздухом, коэффициент теплопроводности которого очень низок. Вместе с тем, чем выше пористость, тем ниже объемная плотность материала.

Таким образом, уменьшение объемной плотности материала, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению л.

Например, для асбеста уменьшение объемной плотности с 800 кг/м, до 400 кг/м, приводит к уменьшению с 0,248 до 0,105 . Очень велико влияние влажности. Например, для сухого кирпича л = 0,35, для жидкости 0,6, а для влажного кирпича л=1,0 .

На эти явления надо обращать внимание при определении и технических расчетах теплопроводности. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08 — 0,7 . При этом, для подавляющего большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности убывает. Исключение составляют вода и глицерин.

Коэффициент теплопроводности газов еще ниже  .

Коэффициент теплопроводности газов растет с повышением температуры. В пределах от 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), т.е. в области, которая наиболее часто встречается на практике, л от давления не зависит.

Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно.

Поэтому при отсутствии справочных данных достоверная величина л может быть найдена лишь опытным путем.

При значении л 

Для решения задач теплопроводности необходимо располагать сведениями о некоторых макроскопических свойствах (теплофизических параметрах) вещества: коэффициенте теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости. [5]

Объяснение теплопроводности металлов

Теплопроводность металлов очень велика. Она не сводится к теплопроводности решетки, следовательно, здесь должен действовать ещё один механизм передачи тепла.

Оказывается, что в чистых металлах теплопроводность осуществляется практически полностью за счет электронного газа, и лишь в сильно загрязненных металлах и сплавах, где проводимость мала, вклад теплопроводности решетки оказывается существенным. [4.c 524]

Численную характеристику теплопроводности материала можно определить количеством теплоты, проходящей сквозь материал определённой толщины за определённое время. Численная характеристика важна при расчете теплопроводности различных профильных изделий.

Коэффициенты теплопроводности различных металлов

Материал Коэффициент теплопроводности,
Серебро 430
Медь 382-390
Золото 320
Алюминий 202-236
Латунь 97-111
Железо 92
Олово 67
Сталь 47

Источник: https://studbooks.net/1926223/matematika_himiya_fizika/teploprovodnost_metallov

Коэффициент теплопроводности материалов таблица, формулы

Термин «теплопроводность» применяется к свойствам материалов пропускать тепловую энергию от горячих участков к холодным. Теплопроводность основана на движении частиц внутри веществ и материалов. Способность передавать энергию тепла в количественном измерении – это коэффициент теплопроводности. Круговорот тепловой энергопередачи, или тепловой обмен, может проходить в любых веществах с неравнозначным размещением разных температурных участков, но коэффициент теплопроводности зависим от давления и температуры в самом материале, а также от его состояния – газообразного, жидкого или твердого. Эквивалентная теплопроводимость строительных материалов и утеплителей

 

Физически теплопроводность материалов равняется количеству тепла, которое перетекает через однородный предмет установленных габаритов и площади за определенный временной отрезок при установленной температурной разнице (1 К). В системе СИ единичный показатель, который имеет коэффициент теплопроводности, принято измерять в Вт/(м•К).

Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье

В заданном тепловом режиме плотность потока при передаче тепла прямо пропорциональна вектору максимального увеличения температуры, параметры которой изменяются от одного участка к другим, и по модулю с одинаковой скоростью увеличения температуры по направлению вектора:

q = − ϰ х grad х (T), где:

  • q – направление плотности предмета, передающего тепло, или объем теплового потока, который протекает по участку за заданную временную единицу через определенную площадь, перпендикулярный всем осям;
  • ϰ – удельный коэффициент теплопроводности материала;
  • T – температура материала.
Перенос тепла в неравновесной термодинамической системе

 

Знак «-» в формуле перед «ϰ» указывает, что тепло движется в противоположном направлении от вектора grad х (T)/ – в направлении уменьшения температуры предмета. Эта формула отражает закон Фурье. В интегральном выражении коэффициент теплопередачи согласно закону Фурье будет выглядеть как формула:

  • P = − ϰ х S х ΔT / l, выражается в (Вт/(м•К) х (м2•К) / м = Вт/(м•К) х (м•К) = Вт), где:
  • P ­– общая мощность потерь теплоотдачи;
  • S – сечение предмета;
  • ΔT – разница температуры по стыкам сторон предмета;
  • l – расстояние между стыками сторон предмета – длина фигуры.
Связь коэффициента теплопроводимости с электропроводностью материалов

 

Электропроводность и коэффициент теплопередачи

Собственно, коэффициент теплопроводности металлов «ϰ» связан с их удельной электропроводимостью «σ» согласно закону Видемана-Франца, в соответствии с которым коэффициент теплопроводности металлов зависит от удельной электропроводимости прямо пропорционально температуре:

Κ / σ = π2 / 3 х (К / e)2 х T, где:

  • К – постоянный коэффициент Больцмана, устанавливающий закономерность между тепловой энергией тела и его температурой;
  • e – заряд электрона;
  • T – термодинамическая температура предмета.

Коэффициент теплопроводности газовой среды

В газовой среде коэффициент теплопроводности воздуха может рассчитываться по приблизительной формуле:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х Λλ х v, где:

  • pv – плотность газовой среды;
  • cv – удельная емкость тепловой энергии при одном и том же объеме тела;
  • Λλ – расстояние свободного перемещения молекул в газовой среде;
  • v – скорость передачи тепла.
Что такое теплопроводимость

 

Или:

ϰ = I x К / 3 x π3/3 x d2 √ RT / μ, где:

  • i – результат суммирования уровней свободы прямого движения и вращения молекул в газовой среде (для 2-атомных газов i=5, для 1-атомных i=3;
  • К – коэффициент Больцмана;
  • μ – отношение массы газа к количеству молей газа;
  • T – термодинамическая температура;
  • d – ⌀ молекул газа;
  • R – универсальный коэффициент для газовой среды.

Согласно формуле минимальная теплопроводность материалов существует у тяжелых инертных газов, максимально эффективная теплопроводность строительных материалов – у легких.

Теплопроводимость в газовой разреженной среде

Газовая среда и теплопроводность

 

Результат по выкладкам выше, по которым делают расчет теплопроводности для газовой среды, от давления не зависит. Но в очень разреженной газовой среде расстояние свободного перемещения молекул зависит не от столкновений частиц, а от препятствий в виде стен резервуара. При этом ограничение перемещения молекул в соответствующих единицах измерения называют высоковакуумной средой, при которой степень теплообмена уменьшается в зависимости от плотности материала и прямо пропорциональна значению давления в резервуаре:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х l х v, где:

i – объем резервуара;

Р – уровень давления в резервуаре.

Согласно этой формуле теплопроводность в вакуумной среде стремится к нулевой отметке при глубоком вакууме. Это объясняется тем, что в вакууме частицы, которые передают тепловую энергию, имеют низкую плотность на единицу площади. Но тепловая энергия в вакуумной среде перетекает посредством излучения. В качестве примера можно привести обычный термос, в котором для уменьшения потерь тепловой энергии стенки должны быть двойными и посеребренными, без воздуха между ними. Что такое тепловое излучение

 

При применении закона Фурье не принимают во внимание инерционность перетекания тепловой энергии, а это значит, что имеется в виду мгновенная передача тепла из любой точки на любое расстояние. Поэтому формулу нельзя использовать для расчетов передачи тепла при протекании процессов, имеющих высокую частоту повторения. Это ультразвуковое излучение, передача тепловой энергии волнами ударного или импульсного типа и т.д. Существует решение по закону Фурье с релаксационным членом:

τ х ∂q / ∂t = − (q + ϰ х ∇T) .

Если ре­лак­са­ция τ мгновенная, то формула превращается в закон Фурье.

Ориентировочная таблица теплопроводности материалов:

ОсноваЗначение теплопроводности, Вт/(м•К)
Жесткий графен4840 +/ 440 – 5300 +/ 480
Алмаз1001-2600
Графит278,4-2435
Бора арсенид200-2000
SiC490
Ag430
Cu401
BeO370
Au320
Al202-236
AlN200
BN180
Si150
Cu3Zn297-111
Cr107
Fe92
Pt70
Sn67
ZnO54
 Черная сталь47-58
Pb35,3
НержавейкаТеплопроводность стали – 15
SiO28
Высококачественные термостойкие пасты5-12
Гранит

(состоит из SiO2 68-73 %; Al2O3 12,0-15,5 %; Na2O 3,0-6,0 %; CaO 1,5-4,0 %; FeO 0,5-3,0 %; Fe2O3 0,5-2,5 %; К2О 0,5-3,0 %; MgO 0,1-1,5 %; TiO2 0,1-0,6 %)

2,4
Бетонный раствор без заполнителей1,75
Бетонный раствор со щебнем или с гравием1,51
Базальт

(состоит из SiO2 – 47-52%, TiO2 – 1-2,5%, Al2O3 – 14-18%, Fe2O3 – 2-5%, FeO – 6-10%, MnO – 0,1-0,2%, MgO – 5-7%, CaO – 6-12%, Na2O – 1,5-3%, K2O – 0,1-1,5%, P2O5 – 0,2-0,5 %)

1,3
Стекло

(состоит из SiO2, B2O3, P2O5, TeO2, GeO2, AlF3 и т.д.)

1-1,15
Термостойкая паста КПТ-80,7
Бетонный раствор с наполнителем из песка, без щебня или гравия0,7
Вода чистая0,6
Силикатный

или красный кирпич

0,2-0,7
Масла

на основе силикона

0,16
Пенобетон0,05-0,3
Газобетон0,1-0,3
ДеревоТеплопроводность дерева – 0,15
Масла

на основе нефти

0,125
Снег0,10-0,15
ПП с группой горючести Г10,039-0,051
ЭППУ с группой горючести Г3, Г40,03-0,033
Стеклянная вата0,032-0,041
Вата каменная0,035-0,04
Воздушная атмосфера (300 К, 100 кПа)0,022
Гель

на основе воздуха

0,017
Аргон (Ar)0,017
Вакуумная среда0

Приведенная таблица теплопроводности учитывает теплопередачу посредством теплового излучения и теплообмена частиц. Так как вакуум не передает тепло, то оно перетекает при помощи солнечного излучения или другого типа генерации тепла.  В газовой или жидкой среде слои с разной температурой смешиваются искусственно или естественным способом.

Таблица теплопроводимости стройматериалов

 

Проводя расчет теплопроводности стены, необходимо принимать во внимание, что теплопередача сквозь стеновые поверхности меняется от того, что температура в здании и на улице всегда разная, и зависит от площади всех поверхностей дома и от теплопроводности стройматериалов.

Чтобы количественно оценить теплопроводность, ввели такое значение, как коэффициент теплопроводности материалов. Он показывает, как тот или иной материал способен передавать тепло. Чем выше это значение, например, коэффициент теплопроводности стали, тем эффективнее сталь будет проводить тепло.

  • При утеплении дома из древесины рекомендуется выбирать стройматериалы с низким коэффициентом.
  • Если стена кирпичная, то при значении коэффициента 0,67 Вт/(м2•К) и толщине стены 1 м при ее площади 1 м2 при разнице наружной и внутридомовой температуры 10С кирпич будет пропускать 0,67 Вт энергии. При разнице температур 100С кирпич будет пропускать 6,7 Вт и т.д.

Стандартное значение коэффициента теплопроводимости теплоизоляции и других строительных материалов верно для толщины стены 1 м. Чтобы провести расчет теплопроводности поверхности другой толщины, следует коэффициент поделить на выбранное значение толщины стены (метры). Ориентировочные показатели коэффициентов теплопроводимости

 

В СНиП и при проведении расчетов фигурирует термин «тепловое сопротивление материала», он означает обратную теплопроводность. То есть при теплопроводности листа пенопласта 10 см и его теплопроводности 0,35 Вт/(м2•К) тепловое сопротивление листа – 1 / 0,35 Вт/(м2•К) = 2,85 (м2•К)/Вт.

Ниже – таблица теплопроводности для востребованных строительных материалов и теплоизоляторов:

СтройматериалыКоэффициент теплопроводимости, Вт/(м2•К)
Плиты из алебастра0,47
Al230
Шифер асбоцементный0,35
Асбест (волокно, ткань)0,15
Асбоцемент1,76
Асбоцементные изделия0,35
Асфальт0,73
Асфальт для напольного покрытия0,84
Бакелит0,24
Бетон с заполнителем щебнем1,3
Бетон с заполнителем песком0,7
Пористый бетон – пено- и газобетон1,4
Сплошной бетон1,75
Термоизоляционный бетон0,18
Битумная масса0,47
Бумажные материалы0,14
Рыхлая минвата0,046
Тяжелая минвата0,05
Вата – теплоизолятор на основе хлопка0,05
Вермикулит в плитах или листах0,1
Войлок0,046
Гипс0,35
Глиноземы2,33
Гравийный заполнитель0,93
Гранитный или базальтовый заполнитель3,5
Влажный грунт, 10%1,75
Влажный грунт, 20%2,1
Песчаники1,16
Сухая почва0,4
Уплотненный грунт1,05
Гудроновая масса0,3
Доска строительная0,15
Фанерные листы0,15
Твердые породы дерева0,2
ДСП0,2
Дюралюминиевые изделия160
Железобетонные изделия1,72
Зола0,15
Известняковые блоки1,71
Раствор на песке и извести0,87
Смола вспененная0,037
Природный камень1,4
Картонные листы из нескольких слоев0,14
Каучук пористый0,035
Каучук0,042
Каучук с фтором0,053
Керамзитобетонные блоки0,22
Красный кирпич0,13
Пустотелый кирпич0,44
Полнотелый кирпич0,81
Сплошной кирпич0,67
Шлакокирпич0,58
Плиты на основе кремнезема0,07
Латунные изделия110
Лед при температуре 00С2,21
Лед при температуре -200С2,44
Лиственное дерево при влажности 15%0,15
Медные изделия380
Мипора0,086
Опилки для засыпки0,096
Сухие опилки0,064
ПВХ0,19
Пенобетон0,3
Пенопласт марки ПС-10,036
Пенопласт марки ПС-40,04
Пенопласт марки ПХВ-10,05
Пенопласт марки ФРП0,044
ППУ марки ПС-Б0,04
ППУ марки ПС-БС0,04
Лист из пенополиуретана0,034
Панель из пенополиуретана0,024
Облегченное пеностекло0,06
Тяжелое вспененное стекло0,08
Пергаминовые изделия0,16
Перлитовые изделия0,051
Плиты на цементе и перлите0,085
Влажный песок 0%0,33
Влажный песок 0%0,97
Влажный песок 20%1,33
Обожженный камень1,52
Керамическая плитка1,03
Плитка марки ПМТБ-20,035
Полистирол0,081
Поролон0,04
Раствор на основе цемента без песка0,47
Плита из натуральной пробки0,042
Легкие листы из натуральной пробки0,034
Тяжелые листы из натуральной пробки0,05
Резиновые изделия0,15
Рубероид0,17
Сланец2,100
Снег1,5
Хвойная древесина влажностью 15%0,15
Хвойная смолистая древесина влажностью 15%0,23
Стальные изделия52
Стеклянные изделия1,15
Утеплитель стекловата0,05
Стекловолоконные утеплители0,034
Стеклотекстолитовые изделия0,31
Стружка0,13
Тефлоновое покрытие0,26
Толь0,24
Плита на основе цементного раствора1,93
Цементно-песчаный раствор1,24
Чугунные изделия57
Шлак в гранулах0,14
Шлак зольный0,3
Шлакобетонные блоки0,65
Сухие штукатурные смеси0,22
Штукатурный раствор на основе цемента0,95
Эбонитовые изделия0,15
Влажность и теплопроводимость – зависимость

 

Кроме того, необходимо учитывать теплопроводность утеплителей из-за их струйных тепловых потоков. В плотной среде возможно «переливание» квазичастиц из одного нагретого стройматериала в другой, более холодный или более теплый, через поры субмикронных размеров, что помогает распространять звук и тепло, даже если в этих порах  будет абсолютный вакуум.

Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры

ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

В расчетах, приведенных выше, предполагалось, что коэффи­циент теплопроводности К не зависит от температуры и остается постоянным в рассматриваемом слое стенки. Но в действитель­ности коэффициент теплопроводности зависит от температуры и изменяется с ее изменением во многих практических случаях на 50% и более. Вообще изменение Х в зависимости от температу­ры будет передаваться достаточно точно, если рассматривать Л как линейную функцию температуры:

X.2 = 1000°. …

Дан рекуператор, диаметр воздушных каналов которого йв = = 0,08 ж, а газовых — с1г =0,1 м. Каналы разделены шамотной стенкой толщиной 3 см. Через рекуператор за час проходит отхо­дящий …

Точный метод. Водоподогреватель состоит из вертикальных стальных труб диам. в свету 30 мм и толщиной стенки 3 мм. Дли­на труб 2 м: снаружи их обогревают насыщенным паром 10,2 ата, что …

Расчет коэффициента теплоотдачи на плоских и гофрированных поверхностях

Во многих инженерных задачах, связанных с теплопередачей, например, при проектировании теплообменных аппаратов и радиаторов охлаждения, важное значение имеет расчет коэффициента теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи, который чаще всего рассчитывается с помощью эмпирических формул, характеризует интенсивность теплообмена на поверхности твердого тела. В этой статье мы расскажем и покажем, как рассчитать коэффициент теплоотдачи на плоской поверхности с помощью среды численного моделирования COMSOL Multiphysics®.

Что такое коэффициент теплоотдачи?

Рассмотрим нагретую стенку или поверхность, находящуюся в контакте с потоком жидкости.{\prime \prime}— плотность теплового потока, T_w— температура стенки, а T_\infty— характерная температура жидкости.

В качестве характерной температуры жидкости могут выступать температура жидкости вдали от стенки или среднемассовая температура в трубе.

Если объект находится в неограниченно большом объеме воздуха, можно предположить, что температура воздуха вдали от поверхности объекта является постоянной и известной величиной. Такие задачи теплообмена называются внешними.

Рассмотрим пристеночную область (пусть плоскость стенки расположена по нормали к оси y, и y = 0 соответствует поверхности стенки). С учетом сделанного выше допущения очевидно, что при выполнении условия прилипания на стенке (то есть отсутствия проскальзывания) вблизи стенки образуется тонкая пленка почти неподвижной жидкости. Следовательно, перенос теплоты в этой пленке осуществляется исключительно за счет теплопроводности.

Математически этот процесс описывается уравнением [1]:

(2)

q ^{\prime \prime}
=-k\bigg(\dfrac

{\partial T}{\partial y}\bigg)_{y=0}

Здесь k— коэффициент теплопроводности жидкости, а производная от T рассчитывается в области жидкости.

Из уравнений (1) и (2) следует, что коэффициент теплоотдачи можно определить следующим образом:

(3)

h=\dfrac{-k \bigg(\dfrac{\partial T} {\partial y}
\bigg)_{y=0}}{T_w {-} T_\infty}

Расчет коэффициента теплоотдачи в COMSOL Multiphysics®

На практике измерить градиент температуры на стенке довольно затруднительно. Кроме того, хотелось бы эффективно анализировать процессы теплообмена вблизи твердой поверхности без привлечения значительных вычислительных ресурсов. Поэтому для расчета коэффициента теплоотдачи, как правило, используются неаналитические методы.

Широко признанным методом расчета коэффициента теплоотдачи является использование уравнений подобия для безразмерного числа Нуссельта. Эти уравнения позволяют быстро рассчитать коэффициент теплоотдачи для разных условий теплообмена, в том числе при свободной и вынужденной конвекции в задачах внешнего обтекания и при течении в каналах. Однако этот подход можно использовать только для объектов правильной геометрической формы: для горизонтальных и вертикальных плоских поверхностей, цилиндров и сфер.

Если поверхность теплообмена в задаче имеет более сложную форму, коэффициент теплоотдачи можно рассчитать с помощью моделирования сопряженного теплообмена.

Рассмотрим эти два варианта решения задачи:

  1. Расчет коэффициента теплоотдачи на поверхностях простой геометрической формы (например, на плоской пластине):
    • Моделирование сопряженного теплообмена
    • Расчетные формулы; область течения не моделируется
  2. Вычисление коэффициента теплоотдачи на поверхностях сложной геометрической формы (например, на гофрированной пластине)

Отметим, что очень важно принимать во внимание режим течения жидкости, поскольку коэффициент теплоотдачи зависит от механизмов переноса теплоты в жидкости. В обоих случаях рассмотрим наиболее реалистичный вариант быстрого течения, например, в системе вентиляции или устройстве охлаждения электронной микросхемы. Таким образом, модель должна учитывать дополнительные механизмы переноса теплоты, обусловленные турбулентностью.

Пример 1. Теплообмен при вынужденном обтекании плоской горизонтальной пластины

Рассмотрим задачу об обтекании горизонтальной плоской пластины длиной 5 м, на которой задана постоянная плотность теплового потока 10 Вт/м2. Пластина обдувается воздухом со средней скоростью 0,5 м/с и температурой 283 K. На рисунке ниже представлена схема области течения и показаны профили скорости и температуры в пределах динамического (\delta ) и температурного (\delta {T}) пограничных слоев при ламинарном режиме обтекания.



Схематическое изображение ламинарного (сверху) и турбулентного (снизу) пограничных слоев на горизонтальной пластине.

Моделирование сопряженного теплообмена

В COMSOL Multiphysics поставленную задачу можно решить численно, если воспользоваться интерфейсом Conjugate Heat Transfer (Сопряженный теплообмен), который позволяет рассчитать поля течения и температуры в жидкости. Поля скорости и давления рассчитываются в области, занятой воздухом, а поле температуры ещё и в самой пластине.

На следующем рисунке показано распределение температуры в пределах расчетной области, включающей пластину и воздух. В области течения формируются температурный и динамический погранслои, которые занимают область над пластиной толщиной около 2 см.


Распределение температуры (график скалярного поля), изотерма на 11 °C (красная линия) и поле скорости (стрелки), показывающие температурный и динамический погранслои у поверхности пластины (масштабы осей не совпадают).

По результатам моделирования можно рассчитать плотность теплового потока, если обратиться к соответствующей встроенной переменной постобработки. Если разделить найденное значение на разность температур (T_w-T_\infty), получим коэффициент теплоотдачи (уравнение 3). На графике ниже показано, как изменяется рассчитанное значение коэффициента теплоотдачи вдоль пластины.

Расчет коэффициента теплоотдачи по формулам для числа Нуссельта

Уравнение для расчета числа Нуссельта при вынужденном обтекании плоской пластины можно найти в литературных источниках (например, в [1]).

Во втором варианте расчета мы решим ту же задачу, но без моделирования области течения; то есть мы воспользуемся формулами для расчета коэффициента теплоотдачи. В этом случае расчетная область включает в себя только твердое тело (пластину). Плотность теплового потока, передаваемая с поверхности нагретой пластины холодной жидкости, задается с помощью граничного условия Heat Flux (Тепловой поток). В настройках этого граничного условия предусмотрен вариант, позволяющий задать коэффициент теплоотдачи на границе с помощью встроенных формул для расчета числа Нуссельта, как показано ниже. Еще раз отметим, что эти формулы уже имеются в COMSOL Multiphysics.


Настройки граничного условия Heat Flux (Тепловой поток).

С помощью этого условия можно рассчитать поле температуры в пластине. Зная коэффициент теплоотдачи на поверхности пластины, заданный в граничном условии Heat Flux (Тепловой поток), можно рассчитать плотность теплового потока: q=h\cdot(T_\infty-T).

Расчет коэффициента теплоотдачи

Рассчитать, как изменяется коэффициент теплоотдачи по длине пластины, можно с помощью любого из двух описанных выше методов. На рисунке ниже показано сравнение результатов расчета коэффициента теплоотдачи двумя методами.


Сравнение значений коэффициента теплоотдачи на плоской пластине, рассчитанных методом моделирования сопряженного теплообмена (синяя линия) и с помощью уравнений для числа Нуссельта (зеленая линия).

Как видно на графике, значения, полученные с помощью уравнений для числа Нуссельта, и значения, рассчитанные на основе численного моделирования сопряженного теплообмена, почти идентичны.

Интерес представляет интенсивность теплообмена на пластине, рассчитанная этими двумя методами:

  1. Формула для расчета числа Нуссельта: 50 Вт/м
  2. Сопряженный теплообмен: 49,884 Вт/м

В некоторых задачах эмпирические формулы для числа Нуссельта позволяют рассчитать плотность теплового потока с достаточно высокой точностью. Теперь рассмотрим ситуацию, когда теплообмен происходит на поверхностии сложной формы, для которой нет формул расчета числа Нуссельта, и решить задачу можно только численно.

Пример 2. Течение у гофрированной поверхности горизонтальной пластины

Рассмотрим задачу с теми же исходными условиями, что и в первом случае, но только теперь верхняя поверхность пластины пусть будет гофрированной. На рисунке ниже представлена схема, иллюстрирующая постановку задачи. В этой модели одна из секций верхней поверхности пластины гофрирована. Остальные части пластины плоские.

Схема течения на горизонтальной пластине.

При такой форме поверхности стенки в пристеночной области появляются зоны рециркуляции, в результате чего интенсивность теплообмена повышается. На рисунке ниже представлено распределение температуры и линии тока.


Распределение температуры в градусах Цельсия (поверхность) и поле скорости (линии тока).

На графике слева показано изменение коэффициента теплоотдачи вдоль гофрированной пластины. В задачах со сложной формой поверхности теплообмена, как например при обтекании гофрированной пластины, коэффициент теплоотдачи зависит от нескольких факторов: поля температуры, поля скорости и геометрических параметров поверхности теплообмена (например, высоты гофры). Таким образом, коэффициент теплоотдачи оказывается выше, чем в случае плоской пластины (см. рисунок справа).

Изменение коэффициента теплоотдачи вдоль гофрированной пластины (слева) и вдоль плоской пластины (справа).

Для моделирования сопряженного теплообмена в моделях со сложной формой поверхностей могут потребоваться значительные вычислительные ресурсы, поэтому иногда предпочтение отдается альтернативным методам решения задачи. Хорошим вариантом решения является замена поверхности сложной формы на простую и подстановка значений коэффициента теплоотдачи, полученных на поверхности сложной формы с учетом геометрических параметров, поля скорости и разности температур. Следует отметить, что, даже если поверхность не является изотермической или если плотность теплового потока не постоянна, значение коэффициента теплоотдачи все равно представляет интерес для некоторых конфигураций, не слишком сильно отличающихся от исходной модели.

Для проверки рассмотрим простой вариант задачи о расчете коэффициента теплоотдачи на омываемой потоком гофрированной поверхности пластины. На основе полученных данных можно определить средний коэффициент теплоотдачи, который затем легко использовать в модели с плоской поверхностью пластины. Корректность такого приближенного подхода можно проверить, если проанализировать полный тепловой поток с поверхности или коэффициент теплоотдачи на основе моделирования сопряженного теплообмена.

Заключение

В этой статье мы рассказали о двух методах расчета коэффициента теплоотдачи. При моделировании сопряженного теплообмена можно использовать встроенные переменные COMSOL Multiphysics, содержащие значения плотности теплового потока. Применение граничного условия Heat Flux (Тепловой поток) и формул для расчета числа Нуссельта позволяет решать задачи о теплообмене на поверхностях простой формы. Также мы кратко обсудили, как использовать упрощенную геометрическую модель для получения данных о коэффициенте теплоотдачи на поверхностях сложной формы.

Дальнейшие шаги

Нажмите на кнопку ниже, чтобы получить дополнительную информацию о специализированных функциях моделирования теплообмена в среде численного моделирования COMSOL®.

Опробуйте рассмотренные методы с помощью учебных моделей:

Список литературы

  1. A. Bejan et al., Heat Transfer Handbook (Справочник по теплопередаче), John Wiley & Sons, 2003.

Коэффициент теплопроводности металла класса 11 по физике CBSE

Подсказка: Теплопроводность или коэффициент теплопроводности – это величина, которая говорит нам о способности материала передавать через них тепло. Здесь мы подробно обсудим теплопроводность и фактор, от которого она зависит. Таким образом, мы получим коэффициенты, не зависящие от теплопроводности. Поскольку это вопросы с несколькими правильными вариантами ответов, один или несколько вариантов ответа могут быть правильными.

Полный пошаговый ответ:
Теплопроводность – это свойство материала, которое говорит нам о его способности проводить тепло; его значение варьируется от материала к материалу, поэтому мы можем сказать, что теплопроводность зависит от природы материала или типа материала.
Чтобы узнать другие факторы, от которых она зависит, рассмотрим металлический стержень длиной L и площадью поперечного сечения A, причем температура на концах стержня равна \[{{T}_{1}}\text{ и }{{T}_{2}}\] соответственно.


Тогда тепло, которое будет проходить через материал, будет пропорционально площади поперечного сечения, поскольку чем больше площадь, тем больше тепла может пройти. Точно так же она будет пропорциональна разности температур и обратно пропорциональна длине стержня.
Если тепловой поток задан как Q, то с учетом всей пропорциональности мы можем написать
\[\begin{align}
  & Q\propto \dfrac{A({{T}_{1}}-{{T}_{ 2}})}{L} \\
 & Q=k\dfrac{A({{T}_{1}}-{{T}_{2}})}{L} \\
\end{ align}\]
Где k — константа пропорциональности, известная как коэффициент теплопроводности.Отсюда можно сказать, что теплопроводность или коэффициент теплопроводности не зависят ни от длины, ни от площади поперечного сечения, ни от перепада температур. Это зависит только от типа материала.
Следовательно, правильными вариантами являются A, B и C.

Примечание:
Мы также можем видеть, что теплопроводность — это внутреннее свойство материала проводить тепло, поэтому она будет зависеть только от природы материала. Также теплопроводность такая же, как и электропроводность, только разница в электропроводности есть перенос зарядов, тогда как здесь есть передача тепла.

[Решено] Коэффициент теплопроводности металлической пластины dep

Понятие:

Теплопроводность

Когда один конец металлического стержня нагревается, тепло передается за счет проводимости от горячего конца к холодному концу. В этом процессе каждое поперечное сечение стержня получает некоторое количество тепла от соседнего поперечного сечения по направлению к горячему концу.

Найдено, что количество тепла Q, перетекающего от горячей поверхности к холодной в установившемся режиме –

  • Прямо пропорциональна площади поперечного сечения А,
  • Прямо пропорциональна разнице температур (T1 – T2) между противоположными сторонами,
  • Прямо пропорциональна времени t, за которое течет теплота,
  • обратно пропорциональна толщине x блока, а
  • Зависит от материала блока.

\(Q \propto \frac{{A\left( {T_1 – T_2} \right)}}{x} \Rightarrow Q \propto \frac{{A\left( {T_1 – T_2} \right)t }}{х}\)

Где K = коэффициент теплопроводности материала.

Коэффициент проводимости тепловой энергии

\(\frac{{dQ}}{t} = \frac{{KA\left( {T_1 – T_2} \right)}}{x} = KA\frac{{\Delta T}}{x}\ )

Объяснение:

  • Коэффициент теплопроводности ни от чего не зависит, так как это единственное свойство материи.
  • Теплопроводность — это свойство материала. Он не будет отличаться от размеров материала, но зависит от температуры
  • Теплопроводность зависит от химического состава вещества
    • Теплопроводность жидкостей больше, чем у газов, а у металлов самая высокая
    • Теплопроводность газов и жидкостей увеличивается с повышением температуры
    • Теплопроводность металла уменьшается с повышением температуры
  • На теплопроводность влияет фазовый переход.

 

Не путайте с коэффициентом теплопроводности и теплопроводностью.

Теплопроводность: определение, уравнение и расчет — видео и расшифровка урока

Коэффициент теплопроводности

Ключевой частью уравнения теплопроводности Фурье является коэффициент теплопроводности материала, или k . Коэффициент теплопроводности материала рассчитывается с использованием того же уравнения, перемещая переменные до тех пор, пока мы не изолируем к с одной стороны.Это дает нам уравнение коэффициента теплопроводности:

Те же переменные представляют те же самые вещи из предыдущего уравнения. Используя единицы Джоулей/секунд или Ватт для переменных Q / t , единицы метров2 для переменной A , единицы метров для переменной d и единицы Кельвина для переменная ΔT дает нам коэффициент теплопроводности k материала в ваттах на метр-кельвин (Вт/м⋅K).

Как упоминалось ранее, каждый материал имеет свой коэффициент проводимости. Материалы, хорошо проводящие тепло, такие как металлы и камни, имеют высокий коэффициент теплопроводности, а материалы, плохо проводящие тепло, такие как дерево и вода, имеют низкий коэффициент проводимости.

Расчет теплопроводности

Давайте воспользуемся выученными уравнениями для работы с двумя примерами. В одном примере мы рассчитаем передачу теплового потока объекта (теплопроводность), а в другом рассчитаем коэффициент теплопроводности материала.

Пример 1

Стена дома имеет площадь 2 м2 и толщину 0,5 м с разницей температур от 293 Кельвина внутри дома до 301 Кельвина снаружи дома. Материал стен имеет коэффициент теплопроводности 0,5 Вт на метр-Кельвин (Вт/м⋅К). Какова теплопроводность (теплопередача) через материал стены в секунду?

Сначала составим наше уравнение теплопроводности:

Теперь, после подстановки всех заданных чисел в переменные:

Это дает нам теплопроводность через материал стены 16 Джоулей в секунду или 16 Вт.

Пример 2

Теперь давайте на примере найдем коэффициент теплопроводности неизвестного материала. Предположим, что у нас есть неизвестный материал, в котором 30 Вт тепла проходит через площадь 2 м2 при толщине 1 м и разности температур ΔT , равной 50 К. Подставив эти числа в наше уравнение для коэффициента теплопроводности проводимость:

Получаем коэффициент теплопроводности 0.3 Вт/м⋅K

Резюме урока

Теплопроводность — это передача тепла между двумя объектами или внутри объекта. Коэффициент теплопроводности или k различен для каждого материала и определяет, насколько хорош материал как проводник тепла. Например, материалы, которые очень хорошо проводят тепло, такие как металлы, имеют высокий коэффициент теплопроводности, а материалы, которые плохо проводят тепло, такие как дерево, имеют низкий коэффициент теплопроводности. Закон Фурье теплопроводности позволяет определить величину теплового потока в материале, а также рассчитать коэффициент теплопроводности неизвестного материала.

И помните, что тепло всегда течет от более высокой температуры к более низкой температуре. Формула выглядит так:

и переменные включают:

  • Q который представляет передачу тепла во времени, представленную как t
  • k , который представляет коэффициент теплопроводности материала
  • A площадь, через которую проходит тепло
  • ΔT разница температур между материалами или внутри материала
  • d толщина материала

Также важно помнить, что ключевой частью уравнения теплопроводности Фурье является коэффициент теплопроводности материала, или k .Коэффициент теплопроводности материала рассчитывается с использованием того же уравнения, перемещая переменные до тех пор, пока мы не изолируем к с одной стороны. Это дает нам уравнение коэффициента теплопроводности:

факторов, влияющих на теплопроводность | Наука

Теплопроводность, также называемая теплопроводностью, представляет собой поток энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.Он отличается от электропроводности, которая имеет дело с электрическими токами. Несколько факторов влияют на теплопроводность и скорость передачи энергии. Как указывает веб-сайт Physics Info, поток измеряется не количеством передаваемой энергии, а скоростью ее передачи.

Материал

Тип материала, используемого в теплопроводности, может влиять на скорость потока энергии между двумя областями. Чем больше проводимость материала, тем быстрее течет энергия.Согласно Гиперучебнику по физике, материал с наибольшей проводимостью — это гелий II, сверхтекучая форма жидкого гелия, которая существует только при очень низких температурах. Другими материалами с высокой проводимостью являются алмазы, графит, серебро, медь и золото. Жидкости имеют низкий уровень проводимости, а газы еще ниже.

Длина

Длина материала, через который должна проходить энергия, может влиять на скорость ее течения. Чем короче длина, тем быстрее будет течь.Теплопроводность может продолжать увеличиваться даже при увеличении длины — она может просто увеличиваться более медленными темпами, чем раньше.

Разница температур

Теплопроводность зависит от температуры. В зависимости от материала проводника, по мере повышения температуры теплопроводность материала также часто увеличивается, увеличивая поток энергии.

Типы поперечного сечения

Тип поперечного сечения, такой как круглое, С-образное и полое, может влиять на теплопроводность, согласно Journal of Materials Science.В статье сообщается, что коэффициент температуропроводности С- и полых композитов, армированных углеродным волокном, показал примерно в два раза более высокие значения, чем у композитов круглого типа.

Что такое коэффициент теплового расширения (КТР)? Как мне это измерить?

Выдержка из ASM International Thermal Properties of Metals Chapter 2 Thermal Expansion

КОЭФФИЦИЕНТ ЛИНЕЙНОГО ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ (КТР, a или a 1 ) — это свойство материала, которое указывает на степень расширения материала при нагревании.Разные вещества расширяются на разную величину. В небольших диапазонах температур тепловое расширение однородных линейных объектов пропорционально изменению температуры. Тепловое расширение находит полезное применение в биметаллических полосах для изготовления термометров, но может создавать вредные внутренние напряжения, когда конструктивная часть нагревается и поддерживается постоянной длины.

Более подробное обсуждение теплового расширения, включая теорию и влияние симметрии кристаллов, можно найти в серии данных CINDAS по свойствам материалов, тома с 1 по 4, Тепловое расширение твердых тел, (ссылка 1).

Определение коэффициента теплового расширения

Большинство твердых материалов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Изменение длины твердого тела в зависимости от температуры можно выразить следующим образом:

, где l 0 и l f представляют, соответственно, исходную и конечную длины при изменении температуры от T 0 до 63 f. Параметр a КТР и имеет единицы обратной температуры (K –1 ), такие как мкм/м · K или 10 –6 /K.

Коэффициент теплового расширения также часто определяется как относительное увеличение длины на единицу повышения температуры. Точное определение варьируется в зависимости от того, указано ли оно при точной температуре (истинный коэффициент теплового расширения или a -бар или в диапазоне температур (средний коэффициент теплового расширения или a ). Истинный коэффициент связан с наклон касательной графика зависимости длины от температуры, а средний коэффициент определяется наклоном хорды между двумя точками на кривой.Изменение значений CTE может происходить в зависимости от используемого определения. Когда a постоянно в диапазоне температур, тогда a = a -бар. Программное обеспечение для анализа методом конечных элементов (FEA), такое как NASTRAN (MSC Software), требует ввода a, а не a -bar.

Нагрев или охлаждение влияет на все размеры тела материала с результирующим изменением объема. Изменения объема можно определить из:

, где дельта В и В 0  – изменение объема и первоначальный объем соответственно, а  a В  – объемный коэффициент теплового расширения.Во многих материалах значение a V анизотропно; то есть он зависит от кристаллографического направления, вдоль которого он измеряется. Для материалов с изотропным тепловым расширением a V приблизительно равно 3 a 1 .

Как измерить коэффициент теплового расширения

Для определения коэффициента теплового расширения необходимо измерить две физические величины (смещение и температуру) на образце, подвергающемся термическому циклу.Для измерения КТР используются три основных метода: дилатометрия, интерферометрия и термомеханический анализ. Оптическое изображение также можно использовать при экстремальных температурах. Рентгеновскую дифракцию можно использовать для изучения изменений параметра решетки, но она может не соответствовать объемному тепловому расширению.

Дилатометрия

Широко используются методы механической дилатометрии. В этом методе образец нагревается в печи, и смещение концов образца передается на датчик с помощью толкателей.Точность теста ниже, чем у интерферометрии, и тест обычно применим к материалам с КТР выше 5×10 –6 /K (2,8×10 –6 /°F) в диапазоне температур – от 180 до 900 °C (от –290 до 1650 °F). Толкатели могут быть из стекловидного кварца, из высокочистого оксида алюминия или из изотропного графита. Системы из оксида алюминия могут расширить диапазон температур до 1600 ° C (2900 ° F), а графитовые системы – до 2500 ° C (4500 ° F). Метод испытаний ASTM E228 (ссылка 2) охватывает определение линейного теплового расширения жестких твердых материалов с использованием толкающих стержней или трубчатых дилатометров из стеклообразного кварца.

Интерферометрия

В методах оптической интерференции смещение концов образца измеряется количеством длин волн монохроматического света. Точность значительно выше, чем при термомеханической дилатометрии.

Термомеханический анализ

Измерения выполняются с помощью термомеханического анализатора, состоящего из держателя образца и зонда, который передает изменения длины на преобразователь, преобразующий движения зонда в электрический сигнал.Аппарат также состоит из печи для равномерного нагрева, термодатчика, штангенциркуля и средств регистрации результатов. Метод испытаний ASTM E831 (ссылка 4) описывает стандартный метод испытаний на линейное тепловое расширение твердых материалов с помощью термомеханического анализа. Нижний предел КТР для этого метода составляет 5 × 10 –6 /K (2,8 × 10 –6 /°F), но его можно использовать при более низких или отрицательных уровнях расширения с пониженной точностью и воспроизводимостью. Применимый диапазон температур составляет от –120 до 600 °C (от –185 до 1110 °F), но диапазон температур может быть расширен в зависимости от приборов и калибровочных материалов.

Рекомендации по применению

Что касается температуры, величина КТР увеличивается с повышением температуры. Термическое расширение чистых металлов хорошо охарактеризовано вплоть до их температуры плавления, но данные для технических сплавов при очень высоких температурах могут быть ограничены. В целом значения КТР для металлов находятся между значениями КТР керамики (более низкие значения) и полимеров (более высокие значения). Общие значения для металлов и сплавов находятся в диапазоне от 10 до 30×10 –6 /K (5.от 5 до 16,5×10 –6 /°F). Наименьшее расширение наблюдается у железоникелевых сплавов, таких как инвар. Увеличение расширения происходит с кремнием, вольфрамом, титаном, серебром, железом, никелем, сталью, золотом, медью, оловом, магнием, алюминием, цинком, свинцом, калием, натрием и литием.

Сплавы с низким коэффициентом расширения

Низкорасширяющиеся сплавы — это материалы, размеры которых практически не изменяются при изменении температуры. Сплавы, включенные в эту категорию, представляют собой различные бинарные железо-никелевые сплавы и несколько тройных сплавов железа в сочетании с никель-хромовым, никель-кобальтовым или кобальт-хромовым сплавом.Сплавы с низким коэффициентом расширения используются в таких приложениях, как стержни и ленты для геодезической съемки, компенсационные маятники и балансировочные колеса для часов, движущиеся части, требующие контроля расширения (например, поршни для некоторых двигателей внутреннего сгорания), биметаллическая полоса, стекло. металлические уплотнения, термостатическая лента, сосуды и трубопроводы для хранения и транспортировки сжиженного природного газа, сверхпроводящие системы в электропередачах, выводные корпуса интегральных схем, компоненты для радио и других электронных устройств, конструктивные элементы в оптических и лазерных измерительных системах .

Алюминий и алюминиевые сплавы

Изменение размеров алюминия и его сплавов при изменении температуры примерно в два раза больше, чем у черных металлов. Средний КТР для технически чистого металла составляет 24×10 –6 /K (13×10 –6 /°F). На алюминиевые сплавы влияет наличие кремния и меди, уменьшающих расширение, и магния, увеличивающего его. Его высокое расширение следует учитывать, когда алюминий используется с другими материалами, особенно в жестких конструкциях, хотя возникающие напряжения смягчаются низким модулем упругости алюминия.Если размеры очень велики, как, например, в надстройке из легкого сплава на стальном корабле или когда большие куски алюминия установлены на стальном каркасе или в кирпичной кладке, то обычно необходимы шлицевые соединения, пластиковое уплотнение и другие устройства для снятия напряжения. . В алюминиевом поршне двигателя внутреннего сгорания, который работает в железном или стальном цилиндре, дифференциальному расширению противодействует использование железных накладок цилиндра с низким коэффициентом расширения или разрезных юбок поршня и нерасширяющихся стоек, залитых в поршень.

Стали

Нержавеющая сталь с простым хромом имеет коэффициент расширения, аналогичный коэффициенту расширения углеродистых (мягких) сталей, но коэффициент расширения аустенитных марок примерно в 1,5 раза выше. Сочетание высокого расширения и низкой теплопроводности означает, что необходимо принимать меры предосторожности, чтобы избежать неблагоприятных последствий. Например, при сварке аустенитных марок следует использовать низкое тепловложение, отводить тепло за счет использования медных подкладных стержней и использовать соответствующую отсадку. Коэффициент теплового расширения необходимо учитывать в компонентах, в которых используется смесь материалов, таких как теплообменники с кожухами из мягкой стали и трубы из аустенитного класса.

Сварка

Коэффициент теплового расширения является важным фактором при сварке двух разнородных основных металлов. Большие различия в значениях КТР соседних металлов при охлаждении вызывают растягивающие напряжения в одном металле и сжимающие напряжения в другом. Металл, подвергающийся растягивающему напряжению, может растрескиваться в горячем состоянии во время сварки или может растрескиваться в холодном состоянии в процессе эксплуатации, если напряжения не снимаются термически или механически. Этот фактор особенно важен в соединениях, которые будут работать при повышенных температурах в ациклическом температурном режиме.Типичным примером этого являются стыковые соединения труб из аустенитной нержавеющей стали и ферритной стали, используемые в установках по преобразованию энергии.

Служба испытаний на тепловое расширение/КТР

Thermal Analysis Labs, подразделение C-Therm Technologies, предлагает измерения КТР в широком диапазоне температур (от -70°C до 1500°C). Чтобы ознакомиться с полным списком услуг по тестированию, посетите наш веб-сайт или отправьте нам электронное письмо по адресу [email protected]

Ссылки

1.Р.Э. Тейлор, Серия данных CINDAS по свойствам материалов, Тепловое расширение твердых тел, Том 1–4, ASM International, 1998

2. «Стандартный метод испытаний на линейное тепловое расширение твердых материалов с помощью дилатометра стекловидного кремнезема», E 228-95, Ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM, 1995

3. «Стандартный метод испытаний на линейное тепловое расширение твердых тел с помощью интерферометрии», E 289-99, Ежегодник стандартов ASTM, ASTM, 1999

4.«Стандартный метод испытаний на линейное тепловое расширение твердых материалов с помощью термомеханического анализа», E 831, Ежегодный сборник стандартов ASTM, ASTM, 2000

Избранные ссылки

  • Междисциплинарный исследовательский центр компьютерной инженерии материалов, факультет материаловедения, Уэльский университет, Суонси, Великобритания, http://irc.swansea.ac.uk/, 1998; редакция 2001 г.
  • Metals Handbook Desk Edition, 2nd ed., ASM International, 1998
  • R.Nave, Гиперфизика, Университет штата Джорджия, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, 2002
  • Сварка, пайка и пайка, Том 6, Справочник ASM, ASM International, 1993

Проводка | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Расчет теплопроводности.
  • Наблюдайте за теплопроводностью при столкновениях.
  • Исследование теплопроводности обычных веществ.

Рисунок 1. Изоляция используется для ограничения передачи тепла изнутри наружу (зимой) и снаружи внутрь (летом). (кредит: Джайлз Дуглас)

Ваши ноги мерзнут, когда вы идете босиком по ковру в гостиной в своем холодном доме, а затем ступаете на плиточный пол в кухне. Этот результат интригует, поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру. Разные ощущения объясняются разной скоростью теплопередачи: потеря тепла за один и тот же промежуток времени больше для кожи, соприкасающейся с плиткой, чем с ковром, поэтому перепад температуры на плитке больше.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В общем, хорошие проводники электричества (такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) плохо проводят тепло. На рисунке 2 показаны молекулы в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от горячей молекулы к холодной.Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур Δ Τ = Τ горячего T холодного . Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. В связи с тем, что число соударений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения.Если вы коснетесь холодной стены ладонью, ваша рука остынет быстрее, чем если вы просто коснетесь ее кончиком пальца.

Рис. 2. Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью.Напротив, молекула в области более высоких температур (левая сторона) имеет высокую энергию перед столкновением, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Третьим фактором механизма теплопроводности является толщина материала, через который передается тепло. На рисунке ниже показана плита материала с разными температурами с обеих сторон. Предположим, что T 2 больше, чем T 1 , так что тепло передается слева направо.Перенос тепла с левой стороны на правую осуществляется за счет серии столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Эта модель объясняет, почему толстая одежда теплее зимой, чем тонкая, и почему арктические млекопитающие защищаются толстым жиром.

Рисунок 3. Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой, будь то оконное стекло или жир моржа. Температура материала T 2 слева и T 1 справа, где T 2 больше, чем T 1 .Скорость передачи тепла теплопроводностью прямо пропорциональна площади поверхности А, разнице температур Т 2 Т 1 и проводимости вещества к . Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине d .

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, которое было выведено и подтверждено экспериментами.Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как на рис. 3, определяется как

[латекс]\displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\[/latex],

где [латекс]\frac{Q}{t}\\[/латекс] – скорость теплопередачи в ваттах или килокалориях в секунду, k теплопроводность материала, А и d — площадь поверхности и толщина, как показано на рис. 3, а ( T 2 T 1 ) — разность температур поперек плиты.В таблице 1 приведены репрезентативные значения теплопроводности.

Пример 1. Расчет теплопередачи за счет теплопроводности: коэффициент теплопроводности через ящик для льда

Коробка для льда из пенополистирола имеет общую площадь 0,950 м 2  и среднюю толщину стенок 2,50 см. В коробке находится лед, вода и напитки в банках при температуре 0ºC. Внутренняя часть коробки остается холодной за счет таяния льда. Сколько льда растает за один день, если хранить ящик для льда в багажнике автомобиля при температуре 35,0ºC?

Стратегия

Этот вопрос касается как тепла для фазового перехода (таяния льда), так и переноса тепла путем теплопроводности.{\ circ} \ text {C}; \\ t & = & 1 \ text {день} = 24 \ text {часы} = 86 400 \ text {s}. \ end {array} \\ [/latex]

Определите неизвестные. Нам нужно найти массу льда м . Нам также нужно будет найти чистую теплоту, переданную для таяния льда, Q . Определите, какие уравнения использовать. Скорость теплопередачи за счет теплопроводности равна

.

[латекс]\displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\[/latex]

Тепло используется для таяния льда: Q   мл f .{\circ}\text{C}\right)}{0,0250\text{м}}=13,3\текст{Дж/с}\\[/латекс]

Умножьте скорость теплопередачи на время (1 день = 86 400 с):  Q = [латекс]\left(\frac{Q}{t}\right)t\\[/latex]   = ( 13,3 Дж/с)(86 400 с) = 1,15 × 10 6 Дж.

Установите это значение равным теплоте, переданной для таяния льда: Q мл f . Решите для массы m :

[латекс] \ displaystyle {m} = \ frac {Q} {L _ {\ text {f}}} = \ frac {1.3\text{ Дж/кг}}=3,44\text{ кг}\\[/латекс]

Обсуждение

Результат 3,44 кг, или около 7,6 фунтов, кажется правильным, исходя из опыта. Вы можете рассчитывать на то, что будете использовать около 4 кг (7–10 фунтов) мешка со льдом в день. Если вы добавляете какие-либо теплые блюда или напитки, требуется немного дополнительного льда.

Проверка электропроводности в Таблице 1 показывает, что пенополистирол является очень плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Другие хорошие изоляторы включают стекловолокно, шерсть и гусиный пух. Как и пенополистирол, все они включают в себя множество небольших воздушных карманов, использующих плохую теплопроводность воздуха.

Таблица 1. Теплопроводность обычных веществ
Вещество Теплопроводность k (Дж/с⋅м⋅ºC)
Серебро 420
Медь 390
Золото 318
Алюминий 220
Стальной чугун 80
Сталь (нержавеющая) 14
Лед 2.2
Стекло (среднее) 0,84
Бетонный кирпич 0,84
Вода 0,6
Жировая ткань (без крови) 0,2 ​​
Асбест 0,16
Гипсокартон 0,16
Дерево 0,08–0,16
Снег (сухой) 0,10
Пробка 0.042
Стекловата 0,042
Шерсть 0,04
Пуховые перья 0,025
Воздух 0,023
Пенополистирол 0,010

Рисунок 4. Стекловолоконная плита используется для изоляции стен и потолков, чтобы предотвратить передачу тепла между внутренней частью здания и внешней средой.

Для создания хороших изоляторов часто манипулируют сочетанием материала и толщины — чем меньше проводимость k и чем больше толщина d , тем лучше.Отношение [латекс]\frac{d}{k}\\[/латекс] , таким образом, будет большим для хорошего изолятора. Отношение [латекс]\frac{d}{k}\\[/латекс] называется коэффициентом R . Скорость кондуктивной теплопередачи обратно пропорциональна R . Чем больше значение R , тем лучше изоляция. R Коэффициенты чаще всего указываются для бытовой изоляции, холодильников и т. п. — к сожалению, они по-прежнему указаны в неметрических единицах футов 2   · °F · ч/БТЕ, хотя единица обычно не указывается тепловая единица [БТЕ] – это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1.0 фунтов воды на 1,0°F). Двумя репрезентативными значениями являются коэффициент R , равный 11, для плит (кусков) из стекловолокна толщиной 3,5 дюйма и коэффициент R , равный 19, для плит из стекловолокна толщиной 6,5 дюймов. Стены обычно утепляются 3,5-дюймовыми плитами, а потолки обычно изолируются 6,5-дюймовыми плитами. В холодном климате для потолков и стен можно использовать более толстые войлочные панели.

Обратите внимание, что в Таблице 1 лучшие теплопроводники — серебро, медь, золото и алюминий — также являются лучшими электрическими проводниками, опять же в связи с плотностью свободных электронов в них.Кухонная утварь обычно изготавливается из хороших проводников.

Пример 2. Расчет разницы температур, поддерживаемой теплопередачей: теплопроводность через алюминиевый поддон

Вода кипит в алюминиевой кастрюле, поставленной на электрический элемент на плите. Сотейник имеет дно толщиной 0,800 см и диаметром 14,0 см. Кипящая вода испаряется со скоростью 1,00 г/с. Какова разница температур поперек (сквозь) дна кастрюли?

Стратегия

Теплопроводность через алюминий является здесь основным методом теплопередачи, поэтому мы используем уравнение для скорости теплопередачи и находим разность температур .

[латекс]\displaystyle{T}_2-T_1=\frac{Q}{t}\left(\frac{d}{kA}\right)\\[/latex]

Решение

Определить известные значения и преобразовать их в единицы СИ. Толщина сковороды, d = 0,900 см = 8,0 × 10 −3 м, площадь сковороды, A = π(0,14/2) 2 м 2 = 1,54 × 10 −2 м 2 , а теплопроводность к = 220 Дж/с ⋅ м ⋅ °С.

Рассчитайте необходимую теплоту парообразования 1 г воды: Q = мл v = (1.{\ circ} \ text {C} \\ [/ латекс]

Обсуждение

Значение теплопередачи [латекс]\frac{Q}{t}\\[/латекс] = 2,26 кВт или 2256 Дж/с типично для электрической плиты. Это значение дает удивительно малую разницу температур между плитой и кастрюлей. Учтите, что горелка плиты раскалена докрасна, а температура внутри кастрюли почти 100ºC из-за ее контакта с кипящей водой. Этот контакт эффективно охлаждает дно кастрюли, несмотря на его близость к очень горячей горелке плиты.Алюминий является настолько хорошим проводником, что только эта небольшая разница температур обеспечивает передачу тепла в поддоне мощностью 2,26 кВт.

Проводимость вызвана беспорядочным движением атомов и молекул. Таким образом, это неэффективный механизм переноса тепла на макроскопические расстояния и короткие временные расстояния. Возьмем, к примеру, температуру на Земле, которая была бы невыносимо холодной ночью и очень жаркой днем, если бы перенос тепла в атмосфере осуществлялся только за счет теплопроводности.В другом примере автомобильные двигатели перегревались бы, если бы не было более эффективного способа отвода избыточного тепла от поршней.

Проверьте свое понимание

Как изменится скорость теплопередачи за счет теплопроводности, если все пространственные размеры удвоить?

Решение

Поскольку площадь является произведением двух пространственных измерений, она увеличивается в четыре раза, когда каждое измерение удваивается ( A final  = (2 d ) 2  = 4 d 2  = A начальный ).Расстояние, однако, просто удваивается. Поскольку разница температур и коэффициент теплопроводности не зависят от пространственных размеров, скорость теплопередачи за счет теплопроводности увеличивается в четыре раза, деленное на два, или два:

[латекс]\влево(\frac{Q}{t}\right)_{\text{final}}=\frac{kA _{\text{final}}\left(T_2-T_1\right)}{d_ {\ text {final}}} = \ frac {k \ left (4A _ {\ text {initial}} \ right) \ left (T_2-T_1 \ right)} {2d _ {\ text {initial}}} = 2 \ frac {kA _ {\ text {начальный}} \ left (T_2-T_1 \ right)} {d _ {\ text {initial}}} = 2 \ left (\ frac {Q} {t} \ right) _ {\ text {начальный}}\\[/латекс]

Резюме раздела

  • Теплопроводность — это передача тепла между двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте друг с другом.
  • Скорость теплопередачи[латекс]\frac{Q}{t}\\[/латекс] (энергия в единицу времени) пропорциональна разности температур и площадь контакта A  и обратно пропорциональна расстоянию d  между объектами: [латекс]\frac{Q}{t}=\frac{\text{kA}\left({T}_{2} -{T}_{1}\right)}{d}\\[/latex].

Концептуальные вопросы

  1. Некоторые электрические плиты имеют плоскую керамическую поверхность со скрытыми под ней нагревательными элементами.Кастрюля, поставленная над нагревательным элементом, будет нагреваться, при этом безопасно прикасаться к поверхности всего в нескольких сантиметрах. Почему керамика с проводимостью меньше, чем у металла, но больше, чем у хорошего изолятора, идеальный выбор для плиты?
  2. Свободная белая одежда, закрывающая большую часть тела, идеальна для жителей пустыни, как на жарком солнце, так и в холодные вечера. Объясните, чем выгодна такая одежда как днем, так и ночью.

Рис. 5.Джелабию носят многие мужчины в Египте. (кредит: Зерида)

Задачи и упражнения

  1. (a) Рассчитайте коэффициент теплопроводности через стены дома толщиной 13,0 см со средней теплопроводностью, в два раза превышающей теплопроводность стекловаты. Предположим, что окон и дверей нет. Площадь поверхности стен составляет 120 м 2 и их внутренняя поверхность имеет температуру 18,0ºC, а их внешняя поверхность имеет температуру 5,00ºC. (б) Сколько комнатных обогревателей мощностью 1 кВт потребуется, чтобы сбалансировать теплопередачу за счет теплопроводности?
  2. Скорость отвода тепла из окна в зимний день достаточно высока, чтобы охладить воздух рядом с ним.Чтобы увидеть, насколько быстро окна передают тепло за счет теплопроводности, рассчитайте коэффициент теплопроводности в ваттах через окно длиной 3,00 м 2 и толщиной 0,635 см (1/4 дюйма), если температуры внутренней и внешней поверхностей равны 5,00 ºC и −10,0ºC соответственно. Эта высокая скорость не будет поддерживаться — внутренняя поверхность будет охлаждаться и даже приведет к образованию инея.
  3. Рассчитайте скорость отвода тепла от человеческого тела, принимая, что внутренняя температура ядра равна 37,0ºC, а температура кожи равна 34.0ºC, толщина тканей между ними составляет в среднем 1,00 см, а площадь поверхности 1,40 м 2 .
  4. Предположим, вы стоите одной ногой на керамическом полу, а другой — на шерстяном ковре, контактируя с поверхностью площадью 80,0 см 2 каждой ногой. Толщина керамики и ковра составляет 2,00 см, а температура их нижней стороны составляет 10,0ºC. С какой скоростью должна происходить теплопередача от каждой ноги, чтобы верхняя часть керамического покрытия и ковра оставались на уровне 33,0ºC?
  5. Человек потребляет 3000 ккал пищи за один день, большую часть из которых он использует для поддержания температуры тела.Если он теряет половину этой энергии при испарении воды (при дыхании и потоотделении), то сколько килограммов воды испаряется?
  6. (a) Огнеход бежит по слою раскаленных углей, не получив ожогов. Рассчитайте тепло, передаваемое за счет теплопроводности подошве одной ступни огнехода, учитывая, что подошва ступни представляет собой мозоль толщиной 3,00 мм с проводимостью на нижнем пределе диапазона для дерева и плотностью 300 кг/м. 3 . Площадь контакта 25,0 см 2 , температура углей 700°С, время контакта 1 с.00 с. (b) Какое повышение температуры происходит на 25,0 см 3 пораженной ткани? (c) Как вы думаете, какое влияние это окажет на ткань, учитывая, что мозоль состоит из мертвых клеток?
  7. (a) Какова скорость теплопроводности через мех толщиной 3,00 см крупного животного с площадью поверхности 1,40 м 2 ? Предположим, что температура кожи животного равна 32,0°С, температура воздуха -5,00°С, а теплопроводность меха такая же, как у воздуха.(b) Какое количество пищи потребуется животному в течение одного дня, чтобы заменить эту теплопередачу?
  8. Морж передает энергию посредством проводимости через ворвань со скоростью 150 Вт при погружении в воду с температурой -1,00ºC. Внутренняя температура ядра моржа составляет 37,0ºC, а площадь его поверхности составляет 2,00 м 2 . Какова средняя толщина его ворвани, имеющей проводимость жировой ткани без крови?

    Рисунок 6. Морж на льду. (кредит: капитан Бадд Кристман, Корпус NOAA)

  9. Сравните скорость теплопроводности через 13.Стена толщиной 0 см, площадью 10,0 м 2 и теплопроводностью, вдвое превышающей теплопроводность стекловаты, при коэффициенте теплопроводности через окно толщиной 0,750 см и площадью 2,00 м 2 , предполагая одинаковую разницу температур в каждом из них.
  10. Предположим, что человек с головы до ног покрыт шерстяной одеждой со средней толщиной 2,00 см и передает энергию за счет проводимости через одежду со скоростью 50,0 Вт. Какова разница температур по всей одежде, если площадь поверхности равна 1.40 м 2 ?
  11. Некоторые варочные поверхности выполнены из гладкой керамики, что облегчает их очистку. Если толщина керамики составляет 0,600 см, а теплопроводность происходит через ту же площадь и с той же скоростью, что и в примере 2, какова разница температур на ней? Керамика имеет такую ​​же теплопроводность, как стекло и кирпич.
  12. Одним из простых способов снизить затраты на отопление (и охлаждение) является дополнительная изоляция чердака дома. Предположим, что в доме уже есть 15 см изоляции из стекловолокна на чердаке и на всех внешних поверхностях.Если добавить на чердак дополнительные 8,0 см стекловолокна, то на сколько процентов снизится стоимость отопления дома? Возьмем одноэтажный дом размером 10 м на 15 м на 3,0 м. Не учитывать инфильтрацию воздуха и потери тепла через окна и двери.
  13. (a) Рассчитайте коэффициент теплопроводности через окно с двойным остеклением площадью 1,50 м 2 , состоящее из двух окон толщиной 0,800 см, разделенных воздушным зазором 1,00 см. Температура внутренней поверхности 15.0ºC, а снаружи -10,0ºC. (Подсказка: существуют одинаковые перепады температуры на двух стеклах. Сначала найдите их, а затем перепад температуры в воздушном зазоре. В этой задаче не учитывается повышенная теплопередача в воздушном зазоре из-за конвекции.) (b) Рассчитайте скорость теплопроводность через окно толщиной 1,60 см той же площади и при тех же температурах. Сравните свой ответ с ответом на пункт (а).
  14. Многие решения принимаются на основе периода окупаемости: времени, которое потребуется за счет сбережений, чтобы сравняться с капитальными затратами инвестиций.Приемлемые сроки окупаемости зависят от бизнеса или философии человека. (Для некоторых отраслей период окупаемости составляет всего два года.) Предположим, вы хотите установить дополнительную изоляцию в ответе на вопрос 12. Если стоимость энергии составляет 1 доллар США за миллион джоулей, а изоляция — 4 доллара США за квадратный метр, рассчитайте простой срок окупаемости. . Примите среднее значение Δ T  для 120-дневного отопительного сезона равным 15,0ºC.
  15. Какова скорость теплопередачи тела человека путем теплопроводности через ткани тела при следующих условиях: толщина ткани равна 3.00 см, изменение температуры 2,00ºC, площадь кожи 1,50 м 2 . Как это соотносится со средней скоростью теплопередачи к телу при потреблении энергии около 2400 ккал в день? (Упражнения не включены.)

Глоссарий

R-фактор:  отношение толщины к проводимости материала

скорость кондуктивной теплопередачи:  скорость теплопередачи от одного материала к другому

теплопроводность: свойство способности материала проводить тепло

Избранные решения задач и упражнений

1.(а) 1,01 × 10 3 Вт; (б) Один

3. 84,0 Вт

5. 2,59 кг

7. (а) 39,7 Вт; (б) 820 ккал

9. 35 к 1, окно к стене

11. 1,05 × 10 3 К

13. (а) 83 Вт; (b) в 24 раза больше, чем у окна с двойным остеклением.

15. 20,0 Вт, 17,2% от 2400 ккал в день


Вода — теплопроводность в зависимости от температуры

Теплопроводность — это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло.Теплопроводность может быть определена как

“количество тепла, переданное через единицу толщины материала – в направлении, нормальном к поверхности единицы площади – из-за единичного градиента температуры в стационарных условиях”

Теплопроводность конвертер единиц

Теплопроводность воды зависит от температуры и давления, как показано на рисунках и в таблицах ниже:

См. также другие свойства Вода при различных температуре и давлении : Температура кипения при высоком давлении, Температуры кипения при вакууме, Плотность и удельный вес, Динамическая и кинематическая вязкость, Энтальпия и энтропия, Теплота парообразования, Константа ионизации, pK w , нормальной и тяжелой воды, Температуры плавления при высоком давлении, Число Прандтля, Свойства в газе -Условия жидкого равновесия, давление насыщения, удельный вес, удельная теплоемкость (теплоемкость), удельный объем, Ther малая диффузия и давление паров при газожидкостном равновесии, и теплофизические свойства при стандартных условиях ,
а также теплопроводность воздуха, аммиака, бутана, углекислого газа, этилена, водорода, метана, азота и пропана.Информацию о теплопроводности строительных материалов см. в соответствующих документах внизу страницы.



Вернуться к началу

Теплопроводность воды в заданных температурах (° C) и 1 бара:

1

3

2 Температура
Состояние
воды
Термальная проводимость
[°C] [мВт/м K] [ккал(IT)/(hm K)] [Btu ft °F/]
Жидкость 0.01 555,75 0,4779 0,3211
10 578,64 0,4975 0,3343
20 598,03 0,5142 0,3455
30 614,50 0,5284 0.3551
40 628.56 0.5405 0.5405 0.3632
50 640.60 0.5508 0,3701
60 650,91 0,5597 0,3761
70 659,69 0,5672 0,3812
80 667,02 0,5735 0,3854
90 672.88 672.88 0.5786 0.5786 0.3888
99.6
677.03 0.5821 0.5912
Газ 100 24.57 0,0211 0,0142
125 26,66 0,0229 0,0154
150 28,83 0,0248 0,0167
175 31,09 0,0267 0,0180
200 3 33.43 0,0287 0,0197 0,0193
225 225 35.85 0.0308 0.0207
250 38,34 0,0330 0,0222
275 40,91 0,0352 0,0236
300 43,53 0,0374 0,0252
350 48.98 0.0421 0.0283
400 54.65 0,0470 0,0470 0,0316
450 60.52 0,0520 0,0350
500 66,58 0,0573 0,0385
550 72,81 0,0626 0,0421
600 79,17 0,0681 0,0457
700
700 92.28 92.28 0.0794 0,0533
800 105.81 0,0910 0.0611
900
119.67 119.67 0.1029 0.0691 0.0691

Вернуться к началу
Тепловая проводимость воды при заданных температурах (° F) и 14,5 PSIA:

1

2 [° F] [° F]

2 [BTU (IT) / (H FT ° F)]

2 [MW / M K]
Состояние воды Температура

3
Теплопроводность

3
[BTU (IT) в / (h ft 2 ° F)] [X 10 -3
CAL () / (S CM 2 K)]
Жидкость 32 0.3211 +3,853 555,73 1,327
40 0,3273 3,927 566,39 1,353
60 0,3408 4,089 589,80 1,409
80 0.3520 4,225 609.30 1.455 1.455
100 0.3615 4,338 625.62 1.494
120 0,3694 4,433 639,35 1,527
140 0,3761 4,513 650,91 1,555
160 0,3817 4,580 660,57 1.578
180 0.3862 4.635 4.635 668.45 1.597
200 0.3897 +4,677 674,49 1,611
211,3 0,3912 4,694 677,03 1,617
Газ 212 0,0142 0,170 24,57 0.059
250
0.0152 0,183 0,183 26.33 0,063
300104
300 0.0166 0,199 28,73 0,069
350 0,0181 0,217 31,25 0,075
400 0,0196 0,235 33,86 0,081
450 0.0211 0.254 36.56 0.087 0,087
550 0.0244 0.293 42.24 0.101
600 0,0261 0,313 45,20 0,108
650 0,0279 0,334 48,24 0,115
700 0,0297 0,356 51,35 0.123
750 0.0315 0.0315 0.378 54.52 0.130
800 0.0334 0,400 57,76 0,138
900 0,0372 0,447 64,41 0,154
1000 0,0412 0,494 71,27 0,170
1100 0.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.