Металлы обладающие теплопроводностью: Металлы теплопроводность – Справочник химика 21

alexxlab | 19.11.1978 | 0 | Разное

Содержание

Металлы теплопроводность – Справочник химика 21

    Теплопроводность. Теплопроводность металлических материалов в значительной мере зависит от чистоты металлов. Теплопроводность сплавов, как правило, ниже, чем чистых металлов. Используемая обычно в расчетах средняя теплопроводность [c.147]

    Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование наблюдаемой на опыте зависимости между теплопроводностью и электропроводностью. Был объяснен ряд термоэлектрических явлений. Правда, возникли расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями теплоемкости металлов. Согласно классическому закону равнораспределения энергии электронный газ должен давать вклад в теплоемкость металла, равный 3/2 Я а а 1 моль свободных электронов (если металл одновалентный, это вклад на 1 моль вещества). Однако экспериментально установлено, что вклад электронов в теплоемкость практически равен нулю. Это противоречие нашло объяснение наос- 

[c.183]


    Обычно для чистых металлов теплопроводность кристаллической решетки чрезвычайно мала по сравнению с электронной частью теплопроводности. В сплавах же из-за уменьшения электронной части теплопроводности существенную роль начинает играть процесс передачи тепла решеткой, что и приводит к изменению температурной зависимости к. На величину коэффициента теплопроводности оказывает влияние способ предварительной обработки сплава. О влиянии термической [c.149]

    При дисперсно-кольцевом режиме течения кипение может осуществляться путем непосредственного испарения со свободной поверхности жидкости при этом тепло будет передаваться теплопроводностью от твердой поверхности нагрева к жидкости и затем через пленку жидкости к свободной поверхности. Этот последний вид передачи тепла особенно эффективен в случае кипения металлов теплопроводность металлов так высока, что падение температуры по сечению кольцевой пленки мало по сравнению с перегревом, необходимым для активации центров парообразования. 

[c.95]

    Здесь вш Епр — относительный коэффициент лучеиспускания расплавленного металла — теплопроводность жидкого металла, ккал/м град – ч Ац — константа для данного металла  [c.248]

    Пластмассы характеризуются более низкой, по сравнению с металлами, теплопроводностью, поэтому процесс их охлаждения протекает неравномерно и вызывает неравномерную усадку изделия. [c.275]

    Значение б ред зависит от размера слоя и давления. Отметим, что для органических горючих предельной относительной плотности не наблюдается, т. е. горение идет и для сплошной пластины (б 1) горючего. Это естественно связать с их низкой (по сравнению с металлами) теплопроводностью. 

[c.179]

    В ламинарном потоке теплота поперек течения передается теплопроводностью, в турбулентном — теплопроводностью и конвекцией. Так как у неметаллических теплоносителей коэффициент теплопроводности сравнительно невелик, в турбулентном ядре теплота в основном переносится конвекцией. При этом основным термическим сопротивлением при передаче теплоты поперек турбулентного потока является вязкий подслой. В результате основное изменение температуры жидкости в поперечном сечении сосредоточивается у стенки, в турбулентном ядре температура изменяется сравнительно мало (рис. 11-1). В жидких металлах теплопроводность велика и может конкурировать с процессом [c.242]

    Влияние на теплопроводность металлов поперечного или продольного направления теплового потока магнитного поля в настоящее время изучено недостаточно. В нормальных металлах теплопроводность в по- [c.234]

    Теплопередача к металлу в печах происходит излучением и конвекцией, а распространение тепла внутри металла — теплопроводностью. Основные законы, описывающие эти виды теплопередачи, а также методики определения коэффициентов теплопередачи приведены в главе 13 и приложении I. 

[c.7]


    Качество деталей контролируют по плотности. Плотность МК должна быть не ниже 3,83 г/см (рис. 46). Пористость, газопроницаемость и водопоглощение изделий практически отсутствуют. Твердость при 20° С составляет HRA 90 и с увеличением температуры изменяется незначительно. Сохранение твердости при температуре 500—700° С является ценным свойством для высокотемператур-,ных узлов трения. Прочность при изгибе и ударная вязкость в 8—10 раз меньше, чем у стали Р18, что приводит к преждевременному выкрашиванию и разрушению пар трения при знакопеременных и вибрационных нагрузках. Прочность при сжатии достаточно высока и сохраняется при высоких температурах. Детали кратковременно могут работать при температурах, близких к плавлению металлов. Теплопроводность изделий низкая, что способствует трещинообразованию и разрушению при быстром нагревании, особенно при резком последующем охлаждении, а так- же препятствует отводу теплоты из зоны трения при работе без смазки. Низкие теплопроводность и ударную вязкость следует особенно учитывать при -эксплуатации деталей. 
[c.181]

    Сопротивление контакта уменьшается с увеличением температуры и при температурах выше 700 °С становится очень малым (рис. 2-33). Таким образом, сопротивление металла возрастает, а сопротивление контакта уменьшается при возрастании температуры, в результате чего общее сопротивление сварочной цепи уменьшается не резко. Приведенные формулы позволяют достаточно точно определить общее количество тепла, выделяемого при сварке. Однако очень трудно рассчитать повышение температуры металла из-за потерь тепла в соседние холодные слои металла теплопроводностью [c.137]

    Защита от коррозии и придание изделиям соответствующего внешнего вида (блестящего или матового) Хромовое блестящее 1 Электро- литический Никель Медь и медные сплавы С1, Сг, Л Детали, которые подлежат отделке нанесением покрытия и изготовляются из меди или медных сплавов связи с особыми физико-химическими свойствами этих металлов (теплопроводность, электропроводность и др.) [c.64]

    Существенным недостатком текстолитовых вкладышей является низкая, в сравнении с металлом, теплопроводность. Последнее обстоятельство требует применения охладительной смазки, в качестве которой при удельном давлении ниже 140 кГ/см применяется вода (шейка вала при этом предварительно должна быть смазана), а при нагрузке выше 140 кГ[см применяется вода в смеси с маслом. [c.557]

    Испарительная способность не имеет прямой зависимости от смоченной поверхности, так как тепло поступает не только через нее, но вдоль металла теплопроводностью, лучистой теплопередачей и через паровое пространство. 

[c.129]

    Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование 

[c.206]

    Теплопроводность стали X удельная теплоемкость другого металла Теплопроводность другого металла х удельная теплоемкость стали [c.81]

    Теплопроводность сильно зависит от чистоты металлов. Теплопроводность сплавов, как правило, ниже, чем у чистых металлов. На величине коэффициента теплопроводности сказывается способ предварительной обработки сплава. Так, установлено, что теплопроводность деформируемых сплавов несколько выше, чем литейных. В области низких температур для некоторых чистых металлов наблюдается резкое увеличение теплопроводности. Однако при температурах, близких к температуре жидкого гелия, тепло-гароводность снижается еще более резко до весьма малых значений. 

[c.505]

    Теплопроводность металлов лежит в пределах от 2 до 360 ккал1м час °С. Наибольшей теплопроводностью обладает серебро (Я = 360), медь (Я = 340), алюминий (Я = 180) и т. д. С повышением температуры у большинства металлов теплопроводность понижается. Добавки всех видов уменьшают теплопроводность металлов. Железо, содержащее 0,1 % углерода, имеет Я = 45 при содержании 1 % углерода коэффициент теплопроводности снижается до Я = 34, а при содержании 1,5% теплопроводность понижается до 31 ккал1м – час °С. У закаленной стали Я на 10—25% меньше, чем у мягкой. [c.23]

    При более высоких температурах число электронов, участвующих в процессе теплопроводности, продолжает расти пропорционально температуре, но в то же время их длина свободного пробега падает вследствие электрон-фо-нонного взаимодействия. Первое явление доминирует во всем температурном диапазоне в металлах с высокой концентрацией дефектов решетки, что находит отрансение в постоянном росте теплопроводности с увеличением температуры. Напротив, в чистых металлах теплопроводность достигает максимума при той температуре, при которой начинает проявляться электроп-фононпое взаимодействие, что влечет за собой падение теплопроводности в остальном температурном диапазоне (см. 4.5.6). При температурах выше примерно 150 К теплопроводность X и электрическая проводимость а связаны соотношением, называемым законом Видемана—Франца—Лоренца  

[c.191]


    Коэффициент теплопроводности (X ккал1м час °С) характеризует способность тела проводить тепло и определяется длиной овободного пути электронов. Чем длиннее овободный путь электронов, тем больше теплопроводность. Примеси искажают правильность расположения атомов в кристаллической решетке и снижают теплопроводность. Повышение температуры, увеличивая проводимость кристаллической решетки, повышает теплопроводность, а увеличивая амплитуду колебания атомов, уменьшает среднюю длину свободных путей электронов, в результате этого снижая теплопроводность. Для чистых металлов теплопроводность значительно выше, чем для сплавов, и с шовышением температуры уменьшается для ряда сплавов, например, для стали с 13% хрома, два противоположных влияния температуры уравновешиваются и теплопроводность остается постоянной. [c.19]

    Блочные теплообменники. Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низкой, чем у металлов, теплопроводностью. Исключение составляет графит, который для устранения пористости предварительно пропитывают феноло-формальдегидными смолами. Пропитанныц графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте [c.336]

    Теплопроводность зависит от рода вещества и температуры. Наименьшей теплопроводностью обладают газы и пары, наибольшей— твердые тела и металлы. Теплопроводность жидких нефтепродуктов составляет 0,09 – -0,12 ккал1м час С. [c.106]

    Интенсификация теплоотдачи при пленочной К. может достигаться профилированием ее пов-сти (напр., применением т. наз. мелковолнистой пов-сти), к-рое способствует уменьшению средней толщины пленки конденсата, созданием на пов-сти искусств, шероховатости, приводящей к турбулизации пленки, воздействием на нее при диэлектрич. жидкой фазе (напр., при К. хладонов) электростатич. полем, отсосом конденсата через пористую пов-сть и др. При конденсации паров жидких металлов теплопроводность жидкой фазы весьма высока. Поэтому доля термич. сопротивления пленки конденсата в суммарном сопротивлении передаче тепла незначительна, и определяющим оказывается межфазное термич, сопротивление, обусловленное мо-лекулярно-кинетич. эффектами на границе раздела фаз. Иногда пленочная К. на пов-сти сопровождается гомог, К. в прилегающем к пов-сти раздела фаз слое пара. Если об- [c.450]

    Стабильность топлив при высоких температурах можно оценивать по лако- и нагарообразующей способности топлив при контакте с горячими металлическими поверхностями. Обычно такие отложения даже у весьма нагретых поверхностей выгорают с недостаточно больщой скоростью в результате накопление лаков и нагаров вызывает нарушение теплового режима двигателя, так как они характеризуются весьма малой теплопроводностью, приближающейся по значению к теплопроводности окислов металлов. Теплопроводность лакообразующего слоя составляет приблизительно 2 10- кал1 (см сек град). [c.246]

    Для колец из материалов с низкой теплопроводностью (металлы, керамика) определяющими являются термические деформации, вызываемые температурными градиентами – неравномерным распределением температур по сечению кольца. Источниками теплоты в торцовом уплотнении являются трущиеся поверхности, рабочая среда и контактирующие с ней детали. Снижением термпературы и ее равномерным распределением по к сечению кольца можно уменьшить термические деформации. Углеграфиты Х51 силнцированные графиты имеют модуль упругости на порядок меньше, чем металлы, теплопроводность же их в 2-3 раза выше, что снижает влияние температурных деформаций, и поэтому определяющими являются механические деформации. Механические деформации возникают под действием давления уплотняемой среды и контактного давления в паре. В парах трения углеграфит по силицированному графиту форма уплотняющего зазора нарушается под действием деформаций углеграфитового кольца, так как модуль упругости углеграфита в 10 раз меньше, чем силицирован-ного графита. Уменьшить его деформации можно только выбором геометрической формы кольца и способом его установки. Углеграфитовое кольцо, имеющее упругую опору (резиновое кольцо) под выступом на наружной цилиндрической поверхности, подвергается деформациям как от действия контактного давления, так и от давления уплотняемой среды (рис. 8, а). Моменты М1 и М2 имеют одинаковый знак и вызывают поворот сечения кольца относительно опоры. [c.17]

    Резиты имеют большой коэфициент те рмического линейного расширения (10- на 1°), который в несколько раз превышает соответствующий коэфициент расширения металлов. Теплопроводность резитов (10 кал/сек °Ц см) в несколько сот раз меньше, чем у стали. При быстром охлаждении резита 50 [c.50]

    Блочные теплообменники. Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низкой, чем у металлов, теплопроводностью. Исключение составляет графит, который для устранения пористости предварительно пропитывают феноло-формальдегидны-ми смолами. Пропитанный графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92—116 втЦм-град), или 70—90 ккалЦм Ч-град). [c.355]

    Таким образом, можио сделать вывод, что при комнатных температурах в чистых металлах теплопроводность в основном обусловлена переносом энергии электронами, а не фононами. Однако различие в электронной и фоиоиной частях теплопроводности невелико. Металлы действительно проводят теплоту лучше, чем диэлектрики в случае сплавов коэффициенты теплопроводности оказываются примерно такими же по порядку величины, что и для диэлектриков. [c.90]


Высокая теплопроводность – металл – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Высокая теплопроводность – металл

Cтраница 1

Высокая теплопроводность металлов, таких, как медь и серебро, хорошо известна из повседневной жизни и тесно связана с их высокой электропроводностью. В теории электропроводности Друде [64, 65] предполагается, что имеется некоторое среднее расстояние, или средняя длина свободного пробега /, на которой свободные электроны ускоряются электрическим полем, а затем они теряют приобретенную в результате ускорения скорость и остаются в состоянии чисто теплового движения. Ускорение прекращается в результате какого-либо столкновения с атомами.  [1]

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что перенос тепла в них осуществляется в основном передачей энергии электронами в отличие от неметаллических веществ, где анергия переносится в основном тепловыми колебаниями атомов. Однако соотношение вкладов зависит от конкретных условий и материала, например в сверхпроводящих материалах относительные вклады этих механизмов различны в нормальном и сверхпроводящем состоянии.  [3]

Высокая теплопроводность металлов, на несколько порядков превосходящая теплопроводность твердых диэлектриков, позволяет думать, что в металлах и теплопроводность обусловлена свободными электронами.  [4]

Высокая теплопроводность металлов способствует очень быстрой передаче тепла от металлических бань. Их используют главным образом для нагревания небольших колб; сосудом для бани может служить железная чашка. По окончании нагрева колбу вынимают из еще горячего сплава, прежде чем он затвердеет.  [5]

Высокая теплопроводность металлов позволяет осуществить быстрое нагревание и охлаждение форм, если используются мощные источники выделения тепла и производится эффективный теплосъем. Поэтому первым и вполне очевидным методом повышения производительности процесса переработки является применение мощных электронагревателей и принудительного водяного охлаждения форм.  [6]

Высокая теплопроводность металлов объясняется именно этим электронным механизмом и потому теплопроводность и электропроводность чистых металлов оказываются пропорциональными друг другу.  [7]

Высокая теплопроводность металлов объясняется участием свободных электронов, наряду с ионами, в передаче тепла.  [9]

Высокая теплопроводность металлов способствует очень быстрой передаче тепла от металлических бань. Их используют главным образом для нагревания небольших колб. Сосудом для бани может служить железная чашка. По окончании нагрева колбу вынимают из еще горячего сплава прежде чем он затвердеет.  [10]

Высокую теплопроводность металлов тоже легко объяснить наличием свободных электронов: хаотически движущиеся частицы способны переносить тепло. Хорошо объясняется и пластичность металлов: как бы ни сдвигались одна относительно другой плоскости, образованные положительными ионами в кристаллической решетке металлов, между ними всегда будут находиться электроны, как бы склеивающие такие плоскости за счет электростатического притяжения к обеим плоскостям.  [11]

Из-за высокой теплопроводности металлов толщина втулок должна быть большой, чтобы существенно снизить температуру.  [12]

Из-за высокой теплопроводности металлов изотермы будут представлены в виде концентрических окружностей, в то время как при более высоких скоростях температурное поле будет представлено семейством изотерм, сгущенных впереди и разряженных сзади.  [13]

Преимущество такой насадки обусловлено высокой теплопроводностью металлов и, следовательно, сведением к минимуму возможности возникновения поперечных температурных градиентов. Металлическая насадка позволяет увеличить скорость элюирования в процессе фракционирования полистирола. Но подобные металлические поверхности часто обладают каталитической активностью, и при использовании металлических насадок не следует забывать о возможности каталитического действия насадки на полимер. Возможность взаимодействия между насадкой и полимером не ограничивается только металлическими насадками. Недавно Репп и Ингам [46] обнаружили деструкцию сополимеров полиоксипропиленгликоля и толу-олдиизоцианата при относительно мягких химических условиях.  [14]

Наличием свободных электронов объясняется и высокая теплопроводность металлов. С повышением температуры металла увеличиваются амплитуды колебаний атомов ( ионов) в металле и их энергия. Эта энергия распределяется равномерно внутри металла благодаря столкновениям атомов ( ионов) с легкоподвижными электронами. В результате вся масса металла принимает одинаковую температуру.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Теплопроводность металлов: описание

Теплопроводность металлов

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.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

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.

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.

Теплопроводность металлов и сплавов

Металлы обладают большим количеством характеристик, которые определяют их эксплуатационные качества и возможность применения при изготовлении определенных изделий. Важной характеристикой всех материалов можно назвать теплопроводность. Этот показатель определяет способность материального тела к переносу тепловой энергии. Таблица теплопроводности металлов встречается в различных справочниках, может зависеть от различных их особенностей. Примером можно назвать то, что механизм переноса тепловой энергии во многом зависит от агрегатного состояния вещества.

От чего зависит показатель теплопроводности

Рассматривая теплопроводность металлов и сплавов (таблица создана не только для металлов, но и других материалов), следует учитывать, что наиболее важным показателем является коэффициент теплопроводности. Он зависит от нижеприведенных моментов:

  1. Типа материала и его химического состава. Теплопроводность железа будет существенно отличаться от соответствующего показателя алюминия, что связано с особенностями кристаллической решетки материалов и их другими свойствами.
  2. Коэффициент может изменяться при нагреве или охлаждения металла. При этом изменения могут быть существенными, так как у каждого материала есть своя точка плавления, когда молекулы начинают перестраиваться.

В таблицах для некоторых металлов и сплавов коэффициент теплопроводности указывается уже в жидкой фазе.

Сегодня на практике практически не проводят измерение рассматриваемого показателя. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности при несущественном изменении химического состава остается практически неизменным. Табличные данные применяются при проектировании и выполнении других расчетов.

Понятие коэффициента теплопроводности

Для обозначения рассматриваемого значения применяется символ λ – количество тепла, которое передается в единицу времени через единицу поверхности на момент повышения температуры. Это значение применяется при проведении различных расчетов.

Описание свойства теплопроводности многих металлов проводится по формуле k = 2,5·10−8σT. В этой формуле учитывается:

  1. Температура, измеряемая в Кельвинах.
  2. Показатель электропроводности.

Это соотношение больше всего подходит для определения свойств проводников на момент эксплуатации при нагреве, но в последнее время применяется и для измерения степени проводимости тепловой энергии.

Полупроводники и изоляторы обладают более низкими показателями проводимости тепла, что связано с особенностями строения их кристаллической решетки.

Когда учитывается

При рассмотрении различных свойств материалов часто уделяется внимание и теплопроводности. Этот показатель важен в нижеприведенных случаях:

  1. Когда нужно отвести тепло от объекта. Тепловая энергия может возникать из-за трения. При этом нагрев становится причиной изменения основных свойств металлов и сплавов: прочности и твердости поверхности. Примером назовем конструкцию двигателя внутреннего сгорания. В процессе хода поршня в блоке цилиндров происходит нагрев основных элементов конструкции. Из-за слишком высокого нагрева даже металлы, устойчивые к воздействию высокой температуры, начинают терять прочность и становятся более пластичными. В результате происходит изменение геометрических размеров важных элементов конструкции, и она выходит из строя. Учитывается теплопроводность и при создании режущего инструмента, обшивки самолетов или высокоскоростных поездов.
  2. Когда нужно передать тепловую энергию. Центральная система отопления основана на нагреве рабочей среды, которая после подводится к потребителю и происходит передача энергии окружающей среде. Для того чтобы повысить эффективность создаваемой системы трубы, и отопительные радиаторы изготавливаются из металлов, которые способны быстро передавать тепло.
  3. Когда нужно изолировать поверхность. Встречается ситуация, когда нужно снизить вероятность нагрева поверхности. Для этого применяются специальные материалы, которые обладают высокими изоляционными качествами. Некоторые металлы и сплавы также обладают отражающими свойствами и не нагреваются, а также не передают тепло. Примером назовем фольгу, которая часто применяется в качестве отражающего экрана. Она также изготавливается из тонкого слоя металла, обладающего низким коэффициентом проводимости.

В заключение отметим, что до развития молекулярно-кинетической теории было принято считать передачу тепловой энергии признаком перетекания гипотетического теплорода. Появление современного оборудования позволило изучить строение материалов и изучить поведение частиц при воздействии высокой температуры. Передача энергии происходит за счет быстрого движения молекул, которые начинают сталкиваться, и приводит в движение другие молекулы, находящиеся в спокойном состоянии.

Теплопроводность чистых металлов

Теплопроводность металлов в зависимости от температуры

В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).

Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.

Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).

Примечание: В таблице также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).

  • Теплофизические свойства и температура замерзания водных растворов NaCl и CaCl2
  • Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

Читайте также

Добавить комментарий

Отменить ответ

Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость

Плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость строительных и других популярных материалов. Более 400 материалов в таблице!

Плотность воды, теплопроводность и физические свойства h3O

Подробные таблицы значений плотности воды, ее теплопроводности и других теплофизических свойств в зависимости от температуры…

Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость

Таблицы физических свойств воздуха: плотность воздуха, его удельная теплоемкость и вязкость в зависимости от температуры…

Теплопроводность стали и чугуна. Теплофизические свойства стали

Теплопроводность стали и чугуна, физические свойства стали в таблицах при различной температуре…

Оргстекло: тепловые и механические характеристики

Рассмотрены тепловые, механические, оптические и электрические характеристики органического стекла…

Физические свойства технической соли

Насыпная плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и другие физические свойства технической соли…

Характеристики теплоизоляционных плит Изорок (Isoroc)

Плотность, коэффициент теплопроводности и другие важнейшие характеристики теплоизоляционных плит Изорок различных модификаций…

Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок при температурах от 0 до 1350°С…

Теплопроводность стройматериалов при отрицательных и положительных температурах

Теплопроводность строительных материалов при положительных температурах в зависимости от влажности В таблице даны значения теплопроводности…

Теплофизические свойства мясного фарша

Плотность фарша В таблице представлены значения плотности мясного фарша при различном давлении от 0,01 до…

Теплоизоляция на основе аэрогеля: теплопроводность, плотность и температура применения

Представлена сводная таблица свойств гибкой теплоизоляции на основе аэрогеля производства компании Aspen Aerogels. Рассмотрены такие свойства аэрогеля, как: теплопроводность…

Плотность жира, масла и воска

В таблице представлены значения плотности жиров, масла и воска при 15°С по отношению к плотности…

Плотность молока, его удельная теплоемкость и другие физические свойства

Плотность молока в зависимости от температуры Плотность цельного молока не зависит от месяца дойки коров…

Физические свойства этана C2H6: плотность, вязкость, теплопроводность

Рассмотрены тепловые и физические свойства этана C2H6 в газообразном и сжиженном состояниях. Свойства этана представлены…

Свойства сливочного масла

В этой статье рассмотрены значения таких теплофизических свойств сливочного масла, как теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность…

Теплопроводность газовых смесей

Теплопроводность смеси водород-углекислый газ (h3-CO2) В таблице указаны значения теплопроводности газовой смеси водород-углекислый газ в…

Теплофизические свойства, теплопроводность сахарных растворов

Плотность сахарного раствора Дана таблица значений плотности сахарного раствора в зависимости от температуры и содержания сахара…

Редактировать статью Что такое теплопроводность и теплопередача. Теплопроводность металлов и других материалов.

Тепло – это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:

Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры.) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта – тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала – например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик – гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.

Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой – при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный конец будет помещён в воду со льдом – таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее – мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из вышенаписанного, в Дж*м/К*м 2 *с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.

МатериалТеплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз1001—2600
Серебро430
Медь401
Оксид бериллия370
Золото320
Алюминий202—236
Кремний150
Латунь97—111
Хром107
Железо92
Платина70
Олово67
Оксид цинка54
Сталь47
Оксид алюминия40
Кварц8
Гранит2,4
Бетон сплошной1,75
Базальт1,3
Стекло1-1,15
Термопаста КПТ-80,7
Вода при нормальных условиях0,6
Кирпич строительный0,2—0,7
Древесина0,15
Нефтяные масла0,12
Свежий снег0,10—0,15
Стекловата0,032-0,041
Каменная вата0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)0,022

Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.

Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата – нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и “всплывает” наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C

Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух. Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт.ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.

Ещё один способ теплопередачи – это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (

600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая – порядка 40мВт с 1см 2 . В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (

1м 2 ) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T 4 ) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.

В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме – именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.

  • Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:
  • «Физические величины» под ред. И. С. Григорьева
  • CRC Handbook of Chemistry and Physics
  • Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Какие показатели теплопроводности металла считаются нормой?

У каждого металла есть ряд параметров, характеризующие его как материал. Их нужно учитывать при изготовления различных предметов, заготовок, повышения эксплуатационных характеристик. Один из главных параметров — теплопроводность металлов. Этот показатель учитывают производители при изготовлении термодатчиков, радиаторов, холодильных установок.

Определение и значение

Теплопроводность — способность материалов переносить энергию тепла от разогретых поверхностей к холодным участкам. Теплопроводящими могут быть жидкости, газы, твердые вещества. Это способность тела проводить тепловую энергию через себя, передавать ее другим предметам.

Коэффициент теплопроводности — величина, равняющаяся количеству теплоты, которая переносится через определенную площадь поверхности за 1 секунду.

Впервые этот параметр был установлен в 1863 году. Ученые доказали, что передача теплоты осуществляется за счет движения свободных электронов. В металлических заготовках их больше, чем в предметах из другим материалов.

Какие факторы влияют на показатель?

Чтобы понять, как повысить или понизить показатель разных видов металла, нужно знать какие факторы влияют на этот параметр:

  • размеры изделия, площадь поверхности;
  • форму заготовки;
  • химический состав;
  • пористость материала;
  • вид материала;
  • изменение температуры воздействия.

Также внимание нужно уделить строению кристаллической решетки.

Какие показатели считаются нормой?

Коэффициент учитывается в различных сферах производства. Этот параметр нужно учитывать при изготовлении:

  • утюгов;
  • нагревательных приборов;
  • холодильных камер;
  • подшипников скольжения;
  • оборудования для нагревания воды;
  • отопительных приборов.

Изучая свойства различных материалов, специалисты составили таблицы с показателями теплопроводности для каждого из них. Их можно найти в специализированных справочниках.

Для стали

Справочники объединяют в себе расчетные данные для разных материалов:

  • стали, которая используется при изготовлении режущего инструмента;
  • сплавов для производства пружин;
  • стали, насыщенной легирующими добавками;
  • сплавов, стойких в образованию ржавчины;
  • материалов, устойчивых к высокой температуре.
СтальТеплоемкость Дж (кг*°C)
Сталь 45469
Сталь 40 Х620
9Х2МФ500
60Х2СМФ660
Х12МФ580
40Х13452
15ХМ486

Данные в таблицы собирались для стали, которая подвергалась термической обработке при температуре от -263°C до +1200°C.

Для меди, никеля, алюминия и их сплавов

Показатель для металлов и сплавов будет отличаться для цветных и черных металлов. У железа и цветных металлов разная структура, температура плавления, строение кристаллической решетки.

В таблицах можно найти информацию о химическом составе меди, никеля, алюминия. Особенности:

  • самая высокая теплопроводность у никеля, магния, меди и сплавов на их основе.
  • самая низкая теплопроводность у инвара, нихрома, алюминия, олова.

Можно ли повысить показатель?

Ученые провели эксперимент по увеличение параметра с использованием графена. Они наносили слой графена на медные поверхности. Для этого применялась технология осаждения графеновых частиц из газа.

Показатель теплопроводности медной заготовки увеличился, поскольку зерна в структуре стали больше. Благодаря этому повысилась проходимость свободных электронов. При нагревании меди без графенового напыления размер зерен не был увеличен.

Также внимание нужно уделить влиянию концентрации углерода на показатель. У стали с высоким содержанием углерода он выше. Благодаря этому из высокоуглеродистой стали изготавливаются трубы, запорная арматура.

Методы изучения и измерения

Прежде чем начинать изучение и измерение показателя теплопроводности нужно выбрать материал, узнать технологию его какой технологии получения. Например, металлические заготовки одинакового размера, формы, изготовленные литьем или порошковой металлургии будут отличаться основными параметрами. То же самое касается сырых металлов в сравнении с тем, которые прошли термическую обработку.

Чтобы получить точные данные, нужно выбирать заготовки прошедшие одинаковые этапы обработки. Они должны быть одного размера, формы, похожи по химическому составу.

Специалисты выделяют ряд актуальных методик измерения коэффициента теплопроводности, применяемыми предприятиями:

  1. TCT (Методика разогретой проволоки).
  2. HFM (Методика теплового потока).
  3. GHP (Технология раскаленной охранной зоны).
  4. Релакционно-динамический способ. С его помощью проводятся массовые измерения технических характеристик. При измерении нужно выбирать заготовки с одинаковой отражающей способностью поверхностей.

При изготовлении различных предметов, деталей, оборудования из металла, специалисты учитывают отдельные технические характеристики. Например, при производстве теплообменников, радиаторов, систем охлаждения, нагрева воды, главный параметр — коэффициент теплопроводности. На него влияет химическое строение материала, кристаллическая решетка, пористость, форма, размеры заготовки.

Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди: разъясняем по пунктам

Высокая теплопроводность меди наряду с другими замечательными свойствами определила этому металлу значимое место в истории развития человеческой цивилизации. Изделия из меди и ее сплавов используются практически во всех сферах нашей жизни.

Немного о теплопроводности

Под теплопроводностью в физике понимают перемещение энергии в объекте от более нагретых мельчайших частиц к менее нагретым. Благодаря этому процессу выравнивается температура рассматриваемого предмета в целом. Величина способности проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Данный параметр равен количеству тепла, которое пропускает через себя материал толщиной 1 метр через площадь поверхности 1 м2 в течение одной секунды при единичной разнице температур.

МатериалКоэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Серебро428
Медь394
Алюминий220
Железо74
Сталь45
Свинец35
Кирпич0,77

Медь обладает коэффициентом теплопроводности 394 Вт/(м*К) при температуре от 20 до 100 °С. Соперничать с ней может только серебро. А у стали и железа этот показатель ниже в 9 и 6 раз соответственно (см. таблицу). Стоит отметить, что теплопроводность изделий, изготовленных из меди, в значительной мере зависит от примесей (впрочем, это касается и других металлов). Например, скорость проводимости тепла снижается, если в медь попадают такие вещества, как:

Если добавить к меди цинк, то получится латунь, у которой коэффициент теплопроводности намного ниже. В то же время добавление других веществ в медь позволяет существенно снизить стоимость готовых изделий и придать им такие характеристики, как прочность и износостойкость. К примеру, для латуни характерны более высокие технологические, механические и антифрикционные свойства.

Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрым распространение энергии нагрева по всему предмету, медь получила широкое применение в системах теплообмена. На данный момент из нее изготавливают радиаторы и трубки для холодильников, вакуумных установок и автомашин для быстрого отвода тепла. Также медные элементы применяют в отопительных установках, но уже для обогрева.

Медный радиатор отопления

Чтобы поддерживать теплопроводность металла на высоком уровне (а значит, делать работу устройств из меди максимально эффективной), во всех системах теплообмена используют принудительный обдув вентиляторами. Такое решение вызвано тем, что при повышении температуры среды теплопроводность любого материала существенно понижается, ведь теплоотдача замедляется.

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.

2 Теплопроводность алюминия и меди – какой металл лучше?

Теплопроводность алюминия и меди различна – у первого она меньше, чем у второго, в 1,5 раза. У алюминия этот параметр составляет 202–236 Вт/(м*К) и является достаточно высоким по сравнению с другими металлами, но ниже, чем у золота, меди, серебра. Область применения алюминия и меди, где требуется высокая теплопроводность, зависит от ряда других свойств этих материалов.

Алюминий не уступает меди по антикоррозионным свойствам и превосходит в следующих показателях:

  • плотность (удельный вес) алюминия меньше в 3 раза;
  • стоимость – ниже в 3,5 раза.

Аналогичное изделие, но выполненное из алюминия, значительно легче, чем из меди. Так как по весу металла требуется меньше в 3 раза, а цена его ниже в 3,5 раза, то алюминиевая деталь может быть дешевле примерно в 10 раз. Благодаря этому и высокой теплопроводности алюминий нашел широкое применение при производстве посуды, пищевой фольги для духовок. Так как этот металл мягкий, то в чистом виде не используется – распространены в основном его сплавы (наиболее известный – дюралюминий).

В различных теплообменниках главное – это скорость отдачи избыточной энергии в окружающую среду. Эта задача решается интенсивным обдувом радиатора посредством вентилятора. При этом меньшая теплопроводность алюминия практически не отражается на качестве охлаждения, а оборудование, устройства получаются значительно легче и дешевле (к примеру, компьютерная и бытовая техника). В последнее время в производстве наметилась тенденция к замене в системах кондиционирования медных трубок на алюминиевые.

Медь практически незаменима в радиопромышленности, электронике в качестве токопроводящего материала. Благодаря высокой пластичности из нее можно вытягивать проволоку диаметром до 0,005 мм и делать другие очень тонкие токопроводящие соединения, используемые для электронных приборов. Более высокая, чем у алюминия, проводимость обеспечивает минимальные потери и меньший нагрев радиоэлементов. Теплопроводность позволяет эффективно отводить выделяемое при работе тепло на внешние элементы устройств – корпус, подводящие контакты (к примеру, микросхемы, современные микропроцессоры).

Шаблоны из меди используют при сварке, когда необходимо на стальную деталь сделать наплавку нужной формы. Высока теплопроводность не позволит медному шаблону соединиться с приваренным металлом. Алюминий в таких случаях применять нельзя, так как велика вероятность его расплавления или прожига. Медь также используют при сварке угольной дугой – стержень из этого материала служит неплавящимся катодом.

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.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

от чего зависит коэффициент, указываемый в таблицах

Металлы обладают большим количеством характеристик, которые определяют их эксплуатационные качества и возможность применения при изготовлении определенных изделий. Важной характеристикой всех материалов можно назвать теплопроводность. Этот показатель определяет способность материального тела к переносу тепловой энергии. Таблица теплопроводности металлов встречается в различных справочниках, может зависеть от различных их особенностей. Примером можно назвать то, что механизм переноса тепловой энергии во многом зависит от агрегатного состояния вещества.

От чего зависит показатель теплопроводности

Рассматривая теплопроводность металлов и сплавов (таблица создана не только для металлов, но и других материалов), следует учитывать, что наиболее важным показателем является коэффициент теплопроводности. Он зависит от нижеприведенных моментов:

  1. Типа материала и его химического состава. Теплопроводность железа будет существенно отличаться от соответствующего показателя алюминия, что связано с особенностями кристаллической решетки материалов и их другими свойствами.
  2. Коэффициент может изменяться при нагреве или охлаждения металла. При этом изменения могут быть существенными, так как у каждого материала есть своя точка плавления, когда молекулы начинают перестраиваться.

В таблицах для некоторых металлов и сплавов коэффициент теплопроводности указывается уже в жидкой фазе.

Сегодня на практике практически не проводят измерение рассматриваемого показателя. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности при несущественном изменении химического состава остается практически неизменным. Табличные данные применяются при проектировании и выполнении других расчетов.

Понятие коэффициента теплопроводности

Для обозначения рассматриваемого значения применяется символ λ – количество тепла, которое передается в единицу времени через единицу поверхности на момент повышения температуры. Это значение применяется при проведении различных расчетов.

Описание свойства теплопроводности многих металлов проводится по формуле k = 2,5·10−8σT. В этой формуле учитывается:

  1. Температура, измеряемая в Кельвинах.
  2. Показатель электропроводности.

Это соотношение больше всего подходит для определения свойств проводников на момент эксплуатации при нагреве, но в последнее время применяется и для измерения степени проводимости тепловой энергии.

Полупроводники и изоляторы обладают более низкими показателями проводимости тепла, что связано с особенностями строения их кристаллической решетки.

Когда учитывается

При рассмотрении различных свойств материалов часто уделяется внимание и теплопроводности. Этот показатель важен в нижеприведенных случаях:

  1. Когда нужно отвести тепло от объекта. Тепловая энергия может возникать из-за трения. При этом нагрев становится причиной изменения основных свойств металлов и сплавов: прочности и твердости поверхности. Примером назовем конструкцию двигателя внутреннего сгорания. В процессе хода поршня в блоке цилиндров происходит нагрев основных элементов конструкции. Из-за слишком высокого нагрева даже металлы, устойчивые к воздействию высокой температуры, начинают терять прочность и становятся более пластичными. В результате происходит изменение геометрических размеров важных элементов конструкции, и она выходит из строя. Учитывается теплопроводность и при создании режущего инструмента, обшивки самолетов или высокоскоростных поездов.
  2. Когда нужно передать тепловую энергию. Центральная система отопления основана на нагреве рабочей среды, которая после подводится к потребителю и происходит передача энергии окружающей среде. Для того чтобы повысить эффективность создаваемой системы трубы, и отопительные радиаторы изготавливаются из металлов, которые способны быстро передавать тепло.
  3. Когда нужно изолировать поверхность. Встречается ситуация, когда нужно снизить вероятность нагрева поверхности. Для этого применяются специальные материалы, которые обладают высокими изоляционными качествами. Некоторые металлы и сплавы также обладают отражающими свойствами и не нагреваются, а также не передают тепло. Примером назовем фольгу, которая часто применяется в качестве отражающего экрана. Она также изготавливается из тонкого слоя металла, обладающего низким коэффициентом проводимости.

В заключение отметим, что до развития молекулярно-кинетической теории было принято считать передачу тепловой энергии признаком перетекания гипотетического теплорода. Появление современного оборудования позволило изучить строение материалов и изучить поведение частиц при воздействии высокой температуры. Передача энергии происходит за счет быстрого движения молекул, которые начинают сталкиваться, и приводит в движение другие молекулы, находящиеся в спокойном состоянии.

Металлы с низкой теплопроводностью – Морской флот

Примеси в медных сплавах

отсюда

Примеси, содержащиеся в меди (и, естественно, взаимодействующие с ней), подразделяют на три группы.

Образующие с медью твердые растворы

К таким примесям относятся алюминий, сурьма, никель, железо, олово, цинк и др. Данные добавки существенно снижают электро- и теплопроводность. К маркам, которые преимущественно используются для производства токопроводящих элементов, относятся М0 и М1. Если в составе медного сплава содержится сурьма, то значительно затрудняется его горячая обработка давлением.

Не растворяющиеся в меди примеси

Сюда относятся свинец, висмут и др. Не влияющие на электропроводность основного металла, такие примеси затрудняют возможность его обработки давлением.

Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения

К этой группе относятся сера и кислород, который снижает электропроводность и прочность основного металла. Наличие серы в медном сплаве значительно облегчает его обрабатываемость при помощи резания.

ПРУЖИННЫЕ СПЛАВЫ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ

ООО ВПО ПромМеталл http://bronza555.ru/
[email protected] +7-903-798-09-70 (звоните!)
Складскую справку можно скачать здесь
ВВЕДЕНИЕ

Пружинные сплавы относятся к особой группе в основном металлических материалов, обладающих кроме обязательных для них высоких механических свойств, получаемых либо холодной пластической деформацией, либо методами дисперсионного упрочнения [1], еще и величиной сопротивления малым пластическим деформациям, или пределом упругости. Читать далее →

Таблица теплопроводности металлов и сплавов

Температуропроводность металлов

В таблице представлены значения коэффициента температуропроводности чистых металлов в зависимости от температуры. Температуропроводность металлов указана в интервале температуры от -250 до 1600°С в размерности м 2 /с.

Рассмотрены следующие металлы: алюминий, кадмий, натрий, серебро, калий, никель, свинец, кобальт, бериллий, литий, сурьма, висмут, магний, цинк, вольфрам, олово, сурьма, железо, платина, золото, медь, родий, молибден, тантал, иридий.

По значениям температуропроводности в таблице можно выделить металлы с наибольшим и наименьшим значением этого свойства. Наименьшей температуропроводностью обладает такой металл, как висмут, его коэффициент температуропроводности при температуре 50°С равен 6,8 м 2 /с. Температуропроводность чистого серебра равна 158,3 м 2 /с при 100°С. Этот металл имеет наиболее высокое значение этой характеристики.

Следует отметить, что по мере роста температуры металла, величина его температуропроводности уменьшается, за исключением платины и кобальта.

Источник:
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.

Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al

отсюда

Теплопроводность и плотность алюминия

В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).

Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.

Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).

Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения.
Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.

Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м 3 , а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м 3 . Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.

Теплопроводность сплавов меди. Температура плавления латуни и бронзы

Теплопроводность латуни и бронзы

В таблице приведены значения теплопроводности латуни, бронзы, а также медно-никелевых сплавов (константана, копели, манганина и др.) в зависимости от температуры — в интервале от 4 до 1273 К.

Теплопроводность латуни, бронзы и других сплавов на основе меди при нагревании увеличивается. По данным таблицы, наибольшей теплопроводностью из рассмотренных сплавов при комнатной температуре обладает латунь Л96. Ее теплопроводность при температуре 300 К (27°С) равна 244 Вт/(м·град).

Также к медным сплавам с высокой теплопроводностью можно отнести: латунь ЛС59-1, томпак Л96 и Л90, томпак оловянистый ЛТО90-1, томпак прокатный РТ-90. Кроме того, теплопроводность латуни в основном выше теплопроводности бронзы. Следует отметить, что к бронзам с высокой теплопроводностью относятся: фосфористая, хромистая и бериллиевая бронзы, а также бронза БрА5.

Медным сплавом с наименьшей теплопроводностью является марганцовистая бронза — ее коэффициент теплопроводности при температуре 27°С равен 9,6 Вт/(м·град).

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

ВПО ПромМеталл (бронза, латунь, медь) +7-903-798-09-70 Александр Иванович
складскую справку скачать можно здесь

отсюда

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. Читать далее →

Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло. Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними. В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).

Понятие теплопроводности

Она является интенсивной физической величиной, то есть величиной, которая описывает свойство материи, не зависящей от количества последней. Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, то есть эти характеристики одинаковы в любой точке одного и того же вещества. Другой группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, например, масса, объем, энергия и другие.

Противоположной величиной для теплопроводности является теплосопротивляемость, которая отражает способность материала препятствовать переносу проходящего через него тепла. Для изотропного материала, то есть материала, свойства которого одинаковы во всех пространственных направлениях, теплопроводность является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры. Так, теплопроводность, равная одному ватту на метр-Кельвин, означает, что тепловая энергия в один Джоуль переносится через материал:

  • за одну секунду;
  • через площадь один метр квадратный;
  • на расстояние один метр;
  • когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.

Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот. Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).

Перенос тепла на молекулярном уровне

Когда материя нагревается, увеличивается средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, то есть увеличивается уровень беспорядка, атомы и молекулы начинают более интенсивно и с большей амплитудой колебаться около своих равновесных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно описать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией между частицами (атомами и молекулами) вещества, без переноса последнего.

Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества. Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах. Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

Каждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

  • сталь 47—58;
  • алюминий 237;
  • медь 372,1—385,2;
  • бронза 116—186;
  • цинк 106—140;
  • титан 21,9;
  • олово 64,0;
  • свинец 35,0;
  • железо 80,2;
  • латунь 81—116;
  • золото 308,2;
  • серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

  • стекловолокно 0,03—0,07;
  • стекло 0,6—1,0;
  • асбест 0,04;
  • дерево 0,13;
  • парафин 0,21;
  • кирпич 0,80;
  • алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.

Простые углеродные стали при увеличении содержания углерода снижают свой удельный вес, в соответствии с которым также уменьшается и их способность переносить тепло от 54 до 36 Вт/(м*К) при изменении процента углерода в стали от 0,5 до 1,5%.

Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла. Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг?К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг?К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

От чего зависит теплопроводность металлов

В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).

Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.

Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).

Примечание: В таблице также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).

  • Теплофизические свойства и температура замерзания водных растворов NaCl и CaCl2
  • Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

Читайте также

Добавить комментарий

Отменить ответ

Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость

Плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость строительных и других популярных материалов. Более 400 материалов в таблице!

Плотность воды, теплопроводность и физические свойства h3O

Подробные таблицы значений плотности воды, ее теплопроводности и других теплофизических свойств в зависимости от температуры…

Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость

Таблицы физических свойств воздуха: плотность воздуха, его удельная теплоемкость и вязкость в зависимости от температуры…

Теплопроводность стали и чугуна. Теплофизические свойства стали

Теплопроводность стали и чугуна, физические свойства стали в таблицах при различной температуре…

Оргстекло: тепловые и механические характеристики

Рассмотрены тепловые, механические, оптические и электрические характеристики органического стекла…

Физические свойства технической соли

Насыпная плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и другие физические свойства технической соли…

Характеристики теплоизоляционных плит Изорок (Isoroc)

Плотность, коэффициент теплопроводности и другие важнейшие характеристики теплоизоляционных плит Изорок различных модификаций…

Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок при температурах от 0 до 1350°С…

Плотность рыбы, икры, свойства продуктов переработки рыбы

Представлены значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости рыбы, икры, фарша и других рыбных продуктов…

Свойства оксидов металлов

Теплофизические свойства оксидов металлов В таблице представлены теплофизические свойства оксидов (спеченных окислов) металлов при различной…

Температура плавления припоя. Свойства припоев и подшипниковых материалов

Температура плавления и другие свойства припоев на основе олова и свинца В таблице представлена температура…

Теплопроводность пластиков и пластмасс, плотность пластмассы — физические свойства полимеров

Свойства полимеров: теплопроводность и плотность пластиков и пластмасс В таблице представлены физические свойства полимеров (пластмасс…

Критериальные уравнения теплообмена: расчет теплоотдачи в трубах и каналах

Критериальные уравнения теплообмена при теплоотдаче в трубах и каналах в случаях вынужденной и свободной конвекции с примерами расчета теплоотдачи…

Теплопроводность кирпича, сравнение кирпича по теплопроводности

Выполнено сравнение кирпича по теплопроводности, представлены коэффициенты теплопроводности огнеупорного кирпича при различной температуре (20…1700°С).

Теплопроводность, теплоемкость и плотность олова Sn

Теплопроводность, теплоемкость и плотность олова зависят от температуры и структуры этого металла. При атмосферном давлении…

Температура плавления керамики

Температура плавления керамики распространенных типов В таблице представлены значения температуры плавления керамики различного состава. Температура…

Теплопроводность древесины и плотность дерева

Теплопроводность древесины при различной влажности и плотности В таблице приведены значения теплопроводности любого типа древесины…

Металлы – это вещества, имеющие кристаллическую структуру. При нагревании они способны плавиться, то есть переходить в текучее состояние. Одни из них имеют невысокую температуру плавления: их можно расплавить, поместив в обычную ложку и держа над пламенем свечи. Это свинец и олово. Другие возможно расплавить только в специальных печах. Высокой температурой плавления обладают медь и железо. Для ее понижения в металл вводят добавки. Полученные сплавы (сталь, бронза, чугун, латунь) имеют температуру плавления ниже, чем исходный металл.

От чего же зависит температура плавления металлов? Все они имеют определенные характеристики – теплоемкость и теплопроводность металлов. Теплоемкостью называют способность при нагревании поглощать теплоту. Ее численный показатель – удельная теплоемкость. Под ней подразумевается количество энергии, которое способна поглотить единица массы металла, нагреваемая на 1°С. От этого показателя зависит расход топлива на нагревание металлической заготовки до нужной температуры. Теплоемкость большинства металлов находится в пределах 300-400 Дж/(кг*К), металлических сплавов – 100-2000 Дж/(кг*К).

Теплопроводность металлов – это перенос тепла от более горячих частиц к более холодным по закону Фурье при их макроскопической неподвижности. Она зависит от структуры материала, его химического состава и типа межатомной связи. В металлах передача тепла производится электронами, в других твердых материалах – фононами. Теплопроводность металлов тем выше, чем более совершенную кристаллическую структуру они имеют. Чем больше металл имеет примесей, тем более искажена кристаллическая решетка, и тем ниже теплопроводность. Легирование вносит такие искажения в структуру металлов и понижает теплопроводность относительно основного металла.

У всех металлов хорошая теплопроводность, но у одних выше, чем у других. Пример таких металлов – золото, медь, серебро. Более низкая теплопроводность – у олова, алюминия, железа. Повышенная теплопроводность металлов является достоинством либо недостатком, в зависимости от сферы их использования. Например, она необходима металлической посуде для быстрого нагрева пищи. В то же время применение металлов с высокой теплопроводностью для изготовления ручек посуды затрудняет ее использование – ручки слишком быстро нагреваются, и до них невозможно дотронуться. Поэтому здесь используют теплоизолирующие материалы.

Еще одна характеристика металла, влияющая на его свойства – тепловое расширение. Оно выглядит как увеличение в объеме металла при его нагревании и уменьшение – при охлаждении. Это явление обязательно необходимо учитывать при изготовлении металлических изделий. Так, например, крышки кастрюль делают накладными, у чайников тоже предусмотрен зазор между крышкой и корпусом, чтобы при нагревании крышку не заклинило.

Для каждого металла вычислен коэффициент теплового расширения. Его определяют нагреванием на 1°С опытного образца, имеющего длину 1 м. Самый большой коэффициент имеют свинец, цинк, олово. Поменьше он у меди и серебра. Еще ниже – железа и золота.

По химическим свойствам металлы делятся на несколько групп. Существуют активные металлы (например, калий или натрий), способные мгновенно вступать в реакцию с воздухом или водой. Шесть самых активных металлов, составляющий первую группу периодической таблицы, называют щелочными. Они имеют маленькую температуру плавления и так мягки, что могут быть разрезаны ножом. Соединяясь с водой, они образуют щелочные растворы, отсюда и их название.

Вторую группу составляют щелочноземельные металлы – кальций, магний и пр. Они входят в состав многих минералов, более твердые и тугоплавкие. Примерами металлов следующих, третьей и четвертой групп, могут служить свинец и алюминий. Это довольно мягкие металлы и они часто используются в сплавах. Переходные металлы (железо, хром, никель, медь, золото, серебро) менее активны, более ковки и часто применяются в промышленности в виде сплавов.

Положение каждого металла в ряду активности характеризует его способность вступать в реакцию. Чем активнее металл, тем легче он забирает кислород. Их очень трудно выделить из соединений, в то время, как малоактивные виды металлов можно встретить в чистом виде. Самые активные из них – калий и натрий – хранят в керосине, вне его они сразу же окисляются. Из металлов, используемых в промышленности, наименее активным является медь. Из нее делают резервуары и трубы для горячей воды, а также электрические провода.

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]

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 – 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

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.

Физическое объяснение теплопроводности металлов

Известно, что металлы являются высокоэффективными проводниками тепла.

В этой статье будут рассмотрены механизмы теплопередачи, что делает металлы идеальными проводниками тепла, а также способы использования обычных металлов и сплавов.

Важность теплопроводности в повседневной жизни

Изображение 1. A

Изображение 1. B

Изображение 1. A и B показывают визуальные иллюстрации людей на кухне, использующих кухонные принадлежности.

Кулинария – часть повседневной жизни большинства людей. Следовательно, кухонное оборудование разработано с целью обеспечения максимальной безопасности и эффективности. Это требует понимания теплофизики. Существует причина, по которой нагревательный элемент тостера обычно изготавливается из нихромовой проволоки, ложки для смешивания обычно бывают деревянными, а в конструкции рукавиц для духовки никогда не используется металлический состав.

Определение температуры и теплопроводности

Необходимо вспомнить определение температуры , чтобы понять теплопроводность математически.

Оперативное определение Т:

Оперативное определение температуры – это значение, измеренное с помощью термометра, который просто измеряет расширение объема ртути.

Изображение 2. Изображение двух термометров в единицах Цельсия и Фаренгейта

Физическое определение T:

В теплофизике температура и теплопроводность понимаются путем изучения движения молекул.

Шредер, автор « Introduction to Thermal Physics » математически описывает температуру как:

\ [\ frac {1} {T} = \ Bigg (\ frac {dS} {dU} \ Bigg) \ scriptscriptstyle N, V ​​\]

где:
S = энтропия,
U = энергия,
N = количество частиц,
V = объем системы (Schroeder, 2007).

Следовательно, температура системы зависит от энтропии и энергии , когда количество частиц и объем системы поддерживаются постоянными.

Шредер заявляет словами: «Температура – это мера тенденции объекта спонтанно отдавать энергию своему окружению. Когда два объекта находятся в тепловом контакте, тот, который имеет тенденцию спонтанно терять энергию, имеет более высокую температуру »(Schroeder, 2007). Это потому, что два соприкасающихся объекта будут пытаться достичь теплового равновесия ; становятся той же температуры.

Для визуализации температуры и теплопроводности на микроскопическом уровне На рисунках 1 A и B показаны ниже. Представьте, что неизвестные объекты A и B находятся в физическом контакте друг с другом. Объект A имеет более высокую температуру, чем объект B. Что произойдет с температурой с течением времени?

Рисунок 1. A

Рисунок 1.B

На рисунке 1.A показаны два неизвестных объекта, находящихся в физическом контакте друг с другом, а на рисунке 1.B отображает молекулы объектов.

При t 0, T A > T B

При t 1, T A > T B

.

.

При t n, T A = T B

При t 0, ŝ A > ŝ B

При t 1, ŝ A > ŝ B

.

.

При t n, ŝ A > ŝ B

Учитывая, что t n : момент времени, T A : температура объекта A, T B : температура объекта B, A : средняя скорость частицы A, ŝ B : средняя скорость частицы B.

В t 0 атомы объекта A движутся с большей скоростью, а атомы объекта B движутся с меньшей скоростью (T A > T B ). Со временем объект A отдает энергию, а объект B набирает энергию до тех пор, пока они не достигнут одинаковой температуры (T A = T B ) и не достигнут теплового равновесия. Это теплопроводность , описанная на молекулярном уровне. Ближайшие атомы объекта A сталкиваются с атомами объекта B. Атомы объекта B, которые первоначально взаимодействовали с атомами объекта A, сталкиваются с другими атомами объекта B, пока энергия не передается через все атомы объекта B.

Шредер определяет теплопроводность как «перенос тепла посредством молекулярного контакта: быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами, отдавая при этом часть своей энергии» (Schroeder, 2007).

Режимы теплопередачи металлов

Полезно вспомнить три режима теплопередачи; конвекция для газов / жидкостей, излучение для объектов, разделенных пустым пространством и проводимость для объектов, находящихся в прямом контакте.

Теплопроводность также подразделяется на три категории: столкновение молекул, для форм газа / жидкости, колебания решетки, для твердых тел и электронов проводимости, для металлов, как показано на рисунке 2 ниже.

Рисунок 2. Режимы теплопередачи.

Теплопроводность металлов будет включать столкновения молекул + электрон проводимости для металлов в газообразном состоянии и колебания решетки + проводящие электроны для металлов в твердом состоянии. Электроны проводимости – это, по сути, то, что делает металл невероятным проводником. . Прежде чем объяснять, что на самом деле представляет собой электрон проводимости, необходимо вспомнить определение металла.

Определение металлов

Все элементы могут быть найдены в периодической таблице, включая металлы, неметаллы и металлоиды. Металлы определяются как «элементы, которые образуют положительные ионы, теряя электроны во время химических реакций» (Blaber, 2015).

Рисунок 3. Периодическая таблица, показывающая все элементы, разделенные на металлы, неметаллы и металлоиды.

Таблица 1. Список типичных физических свойств металлов.

Физические свойства большинства металлов
Твердое при комнатной температуре
Жесткий
Высокая плотность
Высокая температура плавления
Высокая температура кипения
Гибкий
Пластичный
Блестящий

Что делает металлы хорошими проводниками тепла?

Что делает металл хорошим проводником тепла, так это свободно текущие электроны проводимости .

Рис. 4. Металлический блок, который нагревается, показывая атомы и свободно текущие электроны.

Атомы металлов выделяют валентные электроны при химической реакции с атомами неметаллов, например образуя оксиды и соли. Таким образом, ионы металлов являются катионами в водном растворе. Что делает металлы и их сплавы хорошими проводниками, так это особая металлическая связь. В металлических твердых телах связанные атомы разделяют свои валентные электроны, образуя море свободно движущихся электронов проводимости, которые несут как тепло, так и электрический заряд.Итак, в отличие от, например, электронов в ковалентных связях, валентные электроны в металле могут свободно течь через металлические латексы, эффективно неся тепло, не будучи привязанными к отдельному атомному ядру.

Математическое моделирование значения теплопроводности (k)

Теплопроводность (k) измеряет способность объекта проводить тепло (Q).

Высокое значение k: Высокая теплопроводность

Рис. 4. Лист материала с уравнением теплопроводности.

Данный:

k = теплопроводность (Вт / м • K),

ΔQ = передача энергии (Джоуль / сек),

Δt = изменение во времени (секунды),

ΔT = температурный градиент (K),

A = площадь теплопроводности (м 2 ),

Δx = толщина материала.

Таблица 2. Список типичных физических свойств металлов.

Металлы Теплопроводность при комнатной температуре (Вт / м • К)
Алюминий 226
Углеродистая сталь 71
Магний 151
Латунь (желтый) 117
Бронза (алюминий) 71
Медь 397
Утюг 72
Нержавеющая сталь (446) 23
Вольфрам 197
Свинец 34
Никель 88
Сталь углеродистая тип 1020 (0.2 – 0,6 в) 71
цинк 112
Титан 21
Олово 62

Примечание. Медь и алюминий имеют наивысшее значение теплопроводности (k). Проверьте нашу базу данных материалов.

Использование обычных металлов и сплавов в таблице выше

Металлы и сплавы (материалы, состоящие из комбинации металлов) используются в качестве строительных материалов в различных отраслях промышленности, таких как электроника, машиностроение, лабораторное оборудование, медицинские приборы, товары для дома и строительство.

Наивысшие значения теплопроводности металлов имеют серебро (-429 Вт / м • К), медь (-398 Вт / м • К) и золото (-315 Вт / м • К).

Металлы очень важны в производстве электроники, так как они хорошо проводят электричество. Медь, алюминий, олово, свинец, магний и пластик часто используются для изготовления деталей телефонов, ноутбуков, компьютеров и автомобильной электроники. Медь экономична и используется для электропроводки. Свинец используется для оболочки кабеля и изготовления аккумуляторов.Олово используется для изготовления припоев. Магниевые сплавы используются в производстве по новой технологии, так как они легкие. Пластик используется для изготовления деталей электроники, которые не должны проводить электричество, а титан используется для производства пластика.

Металлы также важны в машиностроении. Алюминий часто используется в производстве деталей автомобилей и самолетов, а также в качестве сплава, поскольку его чистая форма непрочна. Автомобильное литье изготавливается из цинка. Железо, сталь и никель – обычные металлы, используемые в строительстве и инфраструктуре.Сталь – это сплав железа и углерода (и часто других элементов). Увеличение содержания углерода в стали создает углеродистую сталь, которая делает материал более прочным, но менее пластичным. Углеродистая сталь часто используется в строительных материалах. Латунь и бронза (медь, легированная цинком и оловом, соответственно) обладают полезными свойствами поверхностного трения и используются для замков, петель и рам дверей и окон соответственно.

Наконец, традиционно нити накала ламп дневного света изготавливаются из вольфрама.Однако они постепенно сокращаются, поскольку только около 5% мощности преобразуется в свет в таком источнике света, а остальная часть энергии преобразуется в тепло. Современные источники света часто основаны на светодиодной технологии и полупроводниках.

В заключение отметим, что теплопроводность металла очень важна для проектирования любой конструкции. Это неотъемлемая часть безопасности, эффективности и новых инноваций в отраслях. Электроны проводника являются механизмом высокой проводимости металлов по сравнению с неметаллическими материалами.Однако значение теплопроводности (k) также может сильно различаться для разных металлов.

Список литературы

Шредер, Д. В. (2018). Введение в теплофизику. Индия: Служба образования Pearson India.

База данных материалов – Термические свойства. (нет данных). Получено с https://thermtest.com/materials-database

.

Алюминиевые сплавы 101. (9 марта 2020 г.). Получено с https://www.aluminium.org/resources/industry-standards/aluminium-alloys-101

.

Элерт, Г.(нет данных). Проведение. Получено с https://physics.info/conduction/

.

Блабер, М. (3 июня 2019 г.). 9.2: Металлы и неметаллы и их ионы. Получено с https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.)/09:_The_Periodic_Table_and_Some_Atomic_Properties/9.2:_Metals_and_Nonmetals_Ions_and_the

Теплопроводность. (нет данных). Получено с http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html

.

Диоксид титана для пластмасс.(нет данных). Получено с https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center

Сандхана, Л., и Джозеф, А. (6 марта 2020 г.). Что такое углеродистая сталь? Получено с https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html

.

(нет данных). Получено с http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html

.
Изображения

Изображение 1.A: Mohamed, M. (2019). Кулинария [Иллюстрация]. Получено с https://pxhere.com/en/photo/1584957.

Изображение 1.В: Мохамед, М. (2019). Шеф-повар Кулинария [Иллюстрация]. Получено с https://pxhere.com/en/photo/1587003.

Изображение 2: Википедия. Термометр [Иллюстрация]. Получено с https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg

.

Автор: Селен Йылдыр | Младший технический писатель | Thermtest

Высокая теплопроводность металла | Indium Corporation® | Блоги Indium Corporation | Индий | Индийская корпорация | Упаковка для полупроводников | Материалы термоинтерфейса

В какой-то момент у всех нас был опыт, который убедил нас в том, что металлы обладают высокой теплопроводностью.Возможно, это была горячая ложка, которую вы оставили в кофе после добавления небольшого количества сливок и сахара, или горячую дверную ручку, которую вы схватили жарким летним днем, когда садились в свой теперь уже винтажный автомобиль. Фактически, высокая теплопроводность металла может даже объяснять способность приставать язык к металлическому столбу в холодную зиму (или к металлической решетчатой ​​двери в ожидании школьного автобуса, как это было в моем детстве). Обычно мы понимаем, что явление металлов имеет высокую теплопроводность, как истину, однако какова основная наука, лежащая в основе высокой теплопроводности металла?

В июльском / августовском выпуске Advancing Microelectronics Дэйв Саумс, Боб Джарретт, Энди Маки и Джордан Росс опубликовали статью под названием «Выбор материалов для терморегулирования для силовых полупроводников», которая начинает это объяснять.

В статье металл в целом описывается как положительные ионы в «общем море их валентных электронов», вместе обеспечивающие чистый нейтральный заряд. Изображение выше изображает это расположение. Металл уникален, потому что в отличие от неметаллов, которые рассматриваются как высокоорганизованные решетки, валентные электроны атомов металла не сильно удерживаются ядром и очень подвижны. Эти подвижные электроны переносят электрический заряд, а также тепло через металлическую структуру.Эта свобода валентных электронов объясняет высокую теплопроводность металлов. При температуре окружающей среды металлам приписывается высокая проводимость, однако при повышении температуры окружающей среды обнаруживается дополнительное повышение теплопроводности. Эту деятельность можно объяснить с помощью принципов, изложенных в Законе Видемана-Франца.

В корпусе для электроники можно выбирать из множества материалов, обеспечивающих различное рассеивание тепла.Металлические материалы, как правило, предпочтительны для устройств большой мощности из-за их высокой теплопроводности, что позволяет использовать их в радиаторах, теплораспределителях, опорных плитах и ​​даже в материалах для термоинтерфейса, с которыми лучше всего знаком индий.

Формулировка теплопроводности и теплопроводности металлов

Хорошо известное выражение для теплопроводности одноатомного газа низкого давления основано на распределении скоростей Максвелла-Больцмана и включает в себя среднюю скорость частиц, теплоемкость газа при постоянном объеме и длину свободного пробега частиц.Распространение формулы на свободный электронный ферми-газ с использованием скорости Ферми наряду с электронной теплоемкостью Зоммерфельда было продемонстрировано в литературе с использованием уравнения переноса Больцмана. Другая формулировка теплопроводности в достаточно чистых металлах, приводящая к той же формуле для теплопроводности, представлена ​​в настоящем исследовании с использованием распределения энергии ферми-газа свободных электронов с теплопроводностью, определяемой из чистой теплопередачи, происходящей из-за случайных движений свободные электроны при наличии градиента температуры.Возможные применения этого подхода включают расширение существующей кинетической модели, включающей квантовые эффекты, на случаи, в которых происходит рассеяние электронов, например, в нанопроводах и полых нанопроводах.

1 Введение

В достаточно чистых металлах теплопроводность осуществляется преимущественно электронами проводимости [1, 2] по сравнению с теплопроводностью фононов [3]. Различные типы рассеяния обсуждаются в [2, 4, 5]. Согласно закону Видемана-Франца [1, 2, 4, 5, 6] отношение теплопроводности k к электропроводности σ пропорционально температуре T .Константа пропорциональности k / ( σ × T ) не зависит от твердого металла. Вывод, использующий уравнение переноса и требующий упругого рассеяния, дан в Лифшице и Питаевском [2]. Теория Ландау ферми-жидкостей [4, 5, 6] учитывает электрон-электронные столкновения путем введения квазичастиц с эффективной массой, большей массы частицы [5]. Неупругие столкновения вызывают отклонения от закона Видемана-Франца [2, 4, 5].

Кинетическая теория одноатомных газов при низком давлении дает следующее выражение для теплопроводности [1]:

(1) кг = 13vgCv, gλg

, где v г – средняя молекулярная скорость, C v , г – теплоемкость на единицу объема и λ г – длина свободного пробега частиц газа.Вышеупомянутая формула была распространена на твердые тела, включая два вклада в теплопроводность, один из которых обозначен как k ph из-за колебаний решетки (преобладающих в случае непроводников), передаваемых фононами со скоростью звука, а другой k e за счет движения свободных электронов (преобладающего в случае достаточно чистых металлов) [6]. Это дает следующее выражение для k e [3, 5, 6]:

(2) ke = 13veCeλ

, где индекс e относится к электронам, C e – теплоемкость электронов на единицу объема, а λ обозначает длину свободного пробега электронов.

Допущения и ограничения теории свободных электронов Друде для металлов обсуждаются в работе Эшкрофта и Мермина [5]. Теория Друде дает выражение для теплопроводности металлов, подобное тому, которое получено для одноатомных идеальных газов с распределением Максвелла-Больцмана по скоростям. Теория Друде успешно предсказывает закон Видемана-Франца, несмотря на то, что электронная теплоемкость металлов не согласуется с экспериментальными данными. Теория Зоммерфельда расширяет теорию Друде и вместо этого использует квантовую статистику Ферми-Дирака [5, 6], приводящую к линейной зависимости электронной теплоемкости от температуры в соответствии с экспериментами и для удовлетворения закона Видемана-Франца, v e принимается за скорость Ферми v F [5, 6].Строгий подход, использующий уравнение переноса вместе с концепцией квазичастиц, дает v e = v F для свободного электронного газа [4].

Металлы обладают высокой теплопроводностью. Эффективная теплопроводность композитных твердых тел может быть оценена в

с использованием классической формулы Максвелла [1], включающей теплопроводность двух твердых материалов и объемную долю дисперсной фазы. Наножидкости состоят из наночастиц, диспергированных в жидкости.Повышение теплопроводности жидкости является предметом многочисленных исследований. Последние обзоры можно найти в [7, 8] и в ссылках в них. Большинство формул для эффективных теплопроводностей включает теплопроводность материала наночастиц. Теоретическая модель эффективной теплопроводности наноматериала, включающая другие физические свойства наноматериала, помимо теплопроводности, не требующая какого-либо эмпирического подгоночного параметра, представлена ​​в [8].Возможные механизмы увеличения теплопроводности обсуждаются в [9] и в [10] на основе молекулярно-динамического моделирования. Влияние броуновского движения на коэффициент увеличения теплопроводности обсуждается в [9, 11]. Другие новые материалы, обладающие высокой теплопроводностью, включают металлические пены, материалы, сочетающие наноматериалы и нано-пены [7], а также металлические нанопористые материалы [12].

В настоящем исследовании мы даем формулировку теплопроводности металлов с использованием распределения энергии ферми-газа свободных электронов и с учетом чистого теплового потока, обусловленного градиентом температуры и возникающего в результате случайных движений энергоносителей в ферми-газе свободных электронов.Этот вывод отличается от приведенного в литературе на основе уравнения переноса Больцмана. Краткое теоретическое обоснование приводится для квантового распределения Ферми-Дирака, используемого в модели Зоммерфельда для электронной теплоемкости. Далее следует теоретическая формулировка теплопроводности, выводящая уравнение (2) для теплопроводности металлов с v e , равным скорости Ферми v F и C e , равной электрону Зоммерфельда. теплоемкость с использованием квантового распределения Ферми-Дирака по энергиям.Возможные применения модели представлены в последнем разделе.

2 Теоретические основы

Свободные электроны вынуждены двигаться в кубическом объеме объемом V с длиной стороны L = V 1/3 . Применение уравнения Шредингера при ограничении свободных электронов, чтобы они оставались в объеме, дает квантованные уровни энергии [6]

(3) εk → = ℏ22mekx2 + ky2 + kz2

, где m e – масса электрона, а компоненты волнового вектора (k →) квантуются как

.

(4) kx = nx2πL; ky = ny2πL; kz = nz2πL

, где n x , n y и n z – целые числа.Каждое состояние занимает объем (2 π ) 3 / V в k → пространстве с учетом максимум двух электронов в соответствии с принципом исключения Паули.

Вероятность занятости Ферми-Дирака дана Киттелем [6] как

(5) fε, T = 1expε − μ / kBT + 1

, где μ – химический потенциал при температуре T и k B – постоянная Больцмана.

При T = 0 K максимальным уровнем энергии является энергия Ферми ϵ F , со всеми состояниями уровней энергии, меньшими или равными ϵ F , полностью занятыми свободными электронами, что приводит к [ 6]

(6) εF = ℏ22me3π2NV2 / 3

, где N – количество свободных электронов, равное количеству атомов для одновалентных металлов.Приравнивание кинетической энергии к энергии Ферми ϵ F дает скорость Ферми

(7) vF = 2εF / me1 / 2

Число состояний с энергией, меньшее или равное ϵ , определяется уравнением, аналогичным уравнению (6), где N ϵ равно количеству состояний с энергией, равным или меньшим ϵ . , что приводит после дифференцирования к плотности состояний [6]

(8) Dε = dNεdε = V2π22meℏ23 / 2ε1 / 2

Используя

(9) N = ∫0∞Dεfε, Tdε

приводит к в зависимости от ϵ F и T [5], показывая, что почти равно ϵ F для T / T F small, что обычно имеет место, поскольку самая низкая температура Ферми T F = ϵ F / k B для Cs среди рассмотренных одновалентных металлов равна 1.83 × 10 4 К [6].

Тепловая мощность на единицу объема [6]

(10) Ce = 1VddT∫0∞Dεfε, Tεdε

показано для T << T F , в [6]:

(11) Ce≅DεFV∫0∞ε − εF∂f∂Tdε≅kB2TDεFV∫ − TF / T∞x2exex + 12dx≅kB2TDεFV∫ − ∞∞x2exex + 12dx = 12π2nkBTTF

с использованием изменения переменной x = ( ε ε F ) / k B T , где n обозначает концентрацию свободных электронов.

3 Теоретическая формулировка теплопроводности и теплопроводности

Теплопередача осуществляется за счет теплопроводности. Тепловой поток q y в направлении y связан с градиентом температуры по закону Фурье

.

(12) qy = −k∂T∂y

, где k обозначает теплопроводность, при этом считается, что тепло переносится преимущественно свободными электронами в случае достаточно чистых металлов [2, 6]. В металле энергоносители (свободные электроны) могут достигать плоскости y сверху или снизу (рис. 1).Число свободных электронов с энергией в диапазоне ϵ ϵ + (скорость в диапазоне v v + dv ) показано на рисунке 1 для верхнего и нижнего слоев.

Рисунок 1

Схема объемов, содержащих свободные электроны с энергией от ε до ε + , причем одна шестая из них пересекает центральную плоскость y как с нижней, так и с верхней стороны во времени х . q y – чистый тепловой поток в y-направлении.

Температуры, необходимые для определения f , взяты на средних расстояниях y + τv /2 = y + λ ( v / v F ) / 2 и y τv /2 = y λ ( v / v F ) / 2, где время τ равно λ / v F . Одна шестая часть электронов пересекает плоскость y в обоих направлениях, если предположить, что направления x , y и z аналогичны, учитывая случай сферической или почти сферической поверхности Ферми.За время τ чистая энергия, пересекающая плоскость единицы площади y , равна

(13) −k∂T∂yτ = ∫0∞16dnε, y − λv / vF / 2dε − dnε, y + λv / vF / 2dεεdε

где

(14) dnε, y − λv / vF / 2dε = λv / vFDεVfε, Ty − λv / vF / 2; dnε, y + λv / vF / 2dε = λv / vFDεVfε, Ty + λv / vF / 2

Используя цепное правило,

(15) fεTy − λv / vF / 2 − fεTy + λv / vF / 2 = −∂f∂T∂T∂yλv / vF

, а затем замена в уравнение (13) дает

(16) −k∂T∂yτ = ∂T∂y∫0∞ − 16DεV∂f∂Tλ2v / vF2εdε

Замена v из ε = m e v 2 /2 и v F из уравнения (7) в уравнение (16) дает

(17) k = λ26τεF∫0∞∂f∂TDεVε2dε≅λ26τεFDεFV∫0∞∂f∂Tε2dε

Дифференциация f по температуре дает

(18) ∂f∂T = 1Txexex + 12; x = ε − μkBT.

Подставляя в уравнение (17) и используя предположение T << T F (для которого μ≅εF дает

(19) k≅λ26τεF⋅kBDεFV∫ − TF / T∞xexex + 12x2kBT2 + 2xεFkBT + εF2dx≅λ26τεFkBDεFVkBT2∫ − ∞∞x3ex + 12dx + 2εFkBT∫ − ∞∞x3ex + 12dx + 2εFkBT∫ − ∞∞xd + 12∞xFex + 9∞exd + 12∞xFex + 9∞xdx + 2∞

Учитывая, что

(20) e − xe − x + 12 = e − x × e2xe − x + 12 × e2x = exex + 12

может быть сохранен только второй интегральный член в уравнении (19), поскольку две другие функции в знаках интегрирования нечетные, уменьшая уравнение (19) до

(21) k≅λ26τεFkBDεFV2εFkBT∫ − ∞∞x2exex + 12dx

Использование λ / τ = v F и замена C e из уравнения (11) дает после перегруппировки

(22) k≅13λvFkB2TDεFV∫ − ∞∞x2exex + 12dx = 13λvFCe

, что согласуется с уравнением (2) с v e , равным v F и C e , равным электронной теплоемкости Зоммерфельда на единицу объема.

4 Возможные применения настоящего подхода

Результаты с использованием уравнения (22) (или уравнения (2) с v e = v F ) сравниваются с численными результатами [14] для Na, K, Cu, Ag и Au в таблице 1. Длины свободного пробега свободных электронов были получены из уравнения (22). Расчет электронной теплоемкости на единицу объема C e с использованием уравнения (11) требует концентрации свободных электронов n , определенной с использованием молярной массы и плотности металла из [6].Отклонения от опубликованных численных значений длины свободного пробега свободных электронов находятся в диапазоне 0,8-10,1% со средним отклонением 6,0%. Результаты подтверждают применимость теории свободных электронов к свойствам переноса в случае поверхностей Ферми, близких к сферической [5].

Таблица 1

Физические свойства и сравнение длин свободного пробега с результатами численного моделирования при комнатной температуре для Na, K, Cu, Ag и Au в [14]. Электронная валентность = 1 [6].

Элемент Электронная валентность k , Вт / м · K при 300 K [13] v F × 10 −6 , м / с [6] Плотность, г / см 3 при 298К λ , нм (теория свободных электронов) λ , нм [14] (числовой) Отклонение в процентах
[13]
Натрий 1 141 1.07 0,97 28,5 30,9 7,6
Калий 1 102 0,86 0,89 31,2 31,5 0,8
Медь 1 401 1,57 8,96 35,9 39,9 10,1
Серебро 1 429 1,39 10.5 49,1 53,3 7,8
Золото 1 317 1,39 19,3 36,2 37,7 3,9

Для Mg, Ca, Zn, Cd (электронная валентность = 2 [6]) и Al (электронная валентность = 3 [6]) в таблице 2 можно наблюдать отклонения в диапазоне 19,1% -45,9%. отклонение составляет 32,3%.

Таблица 2

Физические свойства и сравнение длин свободного пробега с результатами численного моделирования при комнатной температуре для других металлов в [14].

Элемент Электронная валентность k , Вт / м · K при 300 K [13] v F × 10 −6 , м / с [6] Плотность, г / см 3 при 298К λ , нм (теория свободных электронов) λ , нм [14] (числовой) Отклонение в процентах
[13]
Магний 2 156 1.37 1,74 16,0 20 19,8
Кальций 2 200 1,28 1,54 26,9 35,4 24,0
цинк 2 116 1,82 7,14 7,8 13,7 43,4
Кадмий 2 96,6 1,62 8.65 8,2 15,1 45,9
Алюминий 3 237 2,03 2,7 12,8 18,9 32,3

Как упоминалось в первом разделе, новые материалы, имеющие высокую теплопроводность и включающие металлы, включают металлические нанопористые материалы, наножидкости, содержащие металлические наночастицы, металлические пены и материалы, включая как наноматериалы, так и нано-пены.Оптимизация обработки на основе лазера также требует теплопроводности металлов [15]. Основные области применения указанных материалов и лазерной обработки перечислены в [7, 15, 16]. Формула теплопроводности, Уравнение (22) (Уравнение (2) с v e = v F ), может использоваться для металлов с электронной валентностью, равной таковой, как медь, как очень хорошее приближение, как уже упоминалось. выше, и для металлов с более высокой электронной валентностью, таких как алюминий, в качестве довольно хорошего приближения.Моделирование теплопроводности нанопроволок и полых нанопроволок включает моделирование переноса электронов. С другой стороны, модель, представленная в этой статье, демонстрирует кинетический подход, включающий квантовые эффекты, которые могут быть расширены для решения проблем, связанных с рассеянием электронов, например, возникающих в полых нанопроводах [16] и нанопроволоках [12, 17].

5 Заключение

Энергоносители (в основном свободные электроны в случае достаточно чистых металлов), достигающие плоскости с противоположных сторон с разными уровнями энергии, допускают чистый поток, обеспечивающий перенос тепла за счет теплопроводности.Различные направления считаются эквивалентными (изотропная модель). Справедливость уравнения (2) при v e , равном скорости Ферми v F и C e , равной теплоемкости электронов Зоммерфельда, была продемонстрирована в настоящем исследовании для свободного электронный ферми-газ с использованием распределения энергии ферми-газа свободных электронов. Вывод отличается от представленного в литературе, основанного на уравнении переноса Больцмана.Применения включают использование формулы теплопроводности металла в выражениях, оценивающих теплопроводность материалов с высокой проводимостью, и расширение настоящего кинетического подхода, включая квантовые эффекты, на случаи, связанные с рассеянием электронов, например, возникающие в нанопроводах и полых нанопроводах.

Список литературы

[1] Берд Р. Б., Стюарт У. Э., Лайтфут Э. Н., Явления транспорта, Вили, Нью-Йорк, 2007 г. Поиск в Google Scholar

[2] Лифшиц Э.М., Питаевский Л.П. Курс теоретической физики, Физическая кинетика. Vol. 10, Эльзевир, Амстердам, 2008 г. Поиск в Google Scholar

[3] Инкропера Ф.П., Девитт Д.П., Бергман Т.Л., Лавин А.С., Основы тепломассопереноса, Вили, Нью-Йорк, 2007 г. Поиск в Google Scholar

[4] Абрикосов А.А., Основы теории металлов, Дувр, Нью-Йорк, 2017 Поиск в Google Scholar

[5] Эшкрофт Н.В., Мермин Н.Д., Физика твердого тела, Thomson Learning, Сингапур, 1976 г. Поиск в Google Scholar

[6] Киттель К., Введение в физику твердого тела, Вили, Нью-Йорк, 1996 г. Поиск в Google Scholar

[7] Xu HJ, Xing ZB, Wang, FQ, Cheng, ZM, Обзор теплопроводности, тепловой конвекции, теплового излучения и теплопередачи с фазовым переходом наножидкостей в пористых средах: основы и приложения, Chemical Engineering Science, 2019, 195 , 462-483 Искать в Google Scholar

[8] Chebbi, R., Теоретическая модель теплопроводности наножидкостей, Materials Express, 2017, 7, 51-58 Искать в Google Scholar

[9] Кеблински П., Филпот С.Р., Чой С.Ю., Истман Дж. А., Механизмы теплового потока в суспензиях наноразмерных частиц (наножидкостей), Междунар. J. Heat Mass Transfer, 2002, 45, 855-863. Искать в Google Scholar

.

[10] Абу-Тайун Н., Чебби Р., Теплопроводность жидкой воды и наножидкости вода-медь по результатам моделирования равновесной молекулярной динамики, Журнал вычислительной и теоретической нанонауки, 2017, 14, 3237–3245. Поиск в Google Scholar

[11] Чебби Р., Теплопроводность наножидкостей: эффект броуновского движения наночастиц, AIChE Journal, 2015, 61, 2368-2369 Искать в Google Scholar

[12] Хуан К., Лин З., Фенг Й., Чжан Х., Ван Г., Прогнозирование теплопроводности двумерных металлических нанопористых материалов с квадратными порами с использованием кинетического метода, Международный журнал термических наук, 2017, 112, 263-269. Google Scholar

[13] CRC Handbook of Chemistry and Physics, 95-е изд., W.M. Хейнс, Эд. (CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 2014 г.). Искать в Google Scholar

[14] Галл Д. Длина свободного пробега электронов в элементарных металлах // J. Appl. Physics, 2016, 119, 085101 Искать в Google Scholar

[15] Ли К.Х., Луан Д.К., Чжу К.Х., Чжэн В.Г., Универсальная теоретическая модель тепловой интеграции в материалах во время обработки на основе импульсно-периодических лазеров, Международный журнал оптики света и электронов Optik, 2018, 171, 728-736. Поиск в Google Scholar

[16] Хуанг К., Ван К., Рао З., Прогнозирование теплопроводности полой медной нанопроволоки, Международный журнал термических наук, 2015, 94, 90-95. Поиск в Google Scholar

[17] Хуан К., Фэн Й., Чжан Х., Ли Дж., Ван Г., Модель длины свободного пробега электронов для прямоугольных нанопроволок, нанопленок и наночастиц, Physica B, 2014, 438, 17–21 Искать в Google Scholar

Получено: 2018-11-12

Принято: 2019-04-24

Опубликовано онлайн: 2019-06-08

© R. Chebbi, 2019, опубликовано De Gruyter

Эта работа под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наноструктурированные полимерные пленки с металлоподобной теплопроводностью

  • 1.

    Peplow, M. Революция в пластмассах: как химики выводят полимеры на новые границы. Nat. Новости 536 , 266–268 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 2.

    Hsu, P. et al. Радиационное охлаждение человеческого тела нанопористой полиэтиленовой тканью. Наука 353 , 1019–1023 (2016).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 3.

    Рус, Д. и Толли, М. Т. Проектирование, изготовление и управление мягкими роботами. Природа 521 , 467–475 (2015).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 4.

    Чортос, А., Лю, Дж. И Бао, З. Создание протезов электронной кожи. Nat. Матер. 15 , 937–950 (2016).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 5.

    Хигер, А. Дж. Полупроводники и металлические полимеры: четвертое поколение полимерных материалов (Нобелевская лекция). Angew. Chem. Int. Эд. 40 , 2591–2611 (2001).

    CAS Статья Google ученый

  • 6.

    Сперлинг, Л. Х. Введение в науку о полимерах . (John Wiley & Sons, Inc., Университет Лихай, Вифлеем, Пенсильвания, 2006 г.).

  • 7.

    Peacock, A. Справочник по полиэтилену: конструкции , , свойства , и приложения .(CRC Press, Taylor & Francis Group, Exxon Chemical Company, Бэйтаун, Техас, 2000).

  • 8.

    Баландин А.А. Тепловые свойства графена и наноструктурированных углеродных материалов. Nat. Матер. 10 , 569–581 (2011).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 9.

    Генри А. и Чен Г. Высокая теплопроводность одиночных полиэтиленовых цепей с использованием моделирования молекулярной динамики. Phys. Rev. Lett. 101 , 235502 (2008).

    ADS Статья Google ученый

  • 10.

    Ферми Э., Паста Дж. И Улам С. Исследования нелинейных задач . Отчет № LA-1940 (Лос-Аламосская научная лаборатория, Северная Мексика, США, 1955).

  • 11.

    Poulaert, B., Chielens, J. C., Vandenhende, C., Issi, J. P. & Legras, R. Теплопроводность высокоориентированных полиэтиленовых волокон. Polym Commun 31 , 148–151 (1990).

    CAS Google ученый

  • 12.

    Чой, К. Л., Фей, Й. и Си, Т. Г. Теплопроводность гелевых полиэтиленовых волокон. J. Polym. Sci. Часть B Polym. Phys. 31 , 365–370 (1993).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 13.

    Fujishiro, H., Ikebe, M., Kashima, T.& Яманака, А. Теплопроводность и коэффициент диффузии высокопрочных полимерных волокон. Jpn. J. Appl. Phys. 36 , 5633–5637 (1997).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 14.

    Шен, С., Генри, А., Тонг, Дж., Чжэн, Р., Чен, Г. Полиэтиленовые нановолокна с очень высокой теплопроводностью. Nat. Nanotechnol. 5 , 251–255 (2010).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 15.

    Ван Х., Хо В., Сегалман Р. А. и Кэхилл Д. Г. Теплопроводность высокомодульных полимерных волокон. Макромолекулы 46 , 4937–4943 (2013).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 16.

    Ронка, С., Игараши, Т., Форте, Г. и Растоги, С. Металлическая теплопроводность в легком изоляторе: ленты и пленки из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, обработанные в твердом состоянии. Полимер. (Гильдф). 123 , 203–210 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 17.

    Zhu, B. et al. Новые полиэтиленовые волокна с очень высокой теплопроводностью благодаря аморфной реструктуризации. ACS Omega 2 , 3931–3944 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 18.

    Курабаяши К. и Гудсон К.E. Влияние ориентации молекул на теплопроводность в полиимидных пленках с центрифугированием. J. Appl. Phys. 86 , 1925–1931 (1999).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 19.

    Singh, V. et al. Высокая теплопроводность цепочечного аморфного политиофена. Nat. Nanotechnol. 9 , 384–390 (2014).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 20.

    Wang, X., Kaviany, M. & Huang, B. Дальнейшее улучшение теплопроводности решетки от объемного кристаллического до полиэтилена с 1-D-цепью: высокая, но конечная теплопроводность с использованием расчетов из первых принципов. https://arxiv.org/abs/1701.02428 (2017).

  • 21.

    Ван Х., Кавиани М. и Хуанг Б. Фононная связь и транспорт в отдельных полиэтиленовых цепях: сравнительное исследование с объемным кристаллом. Наноразмер 9 , 18022–18031 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 22.

    Chen, H. et al. Теплопроводность композитов на полимерной основе: основы и приложения. Прог. Polym. Sci. 59 , 41–85 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 23.

    Loomis, J. et al. Платформа непрерывного производства для высокоуровненных полимерных пленок. Технологии 02 , 189–199 (2014).

    Артикул Google ученый

  • 24.

    Свит, Дж. Н., Рот, Э. П. и Мосс, М. Теплопроводность нержавеющей стали Inconel 718 и 304. Внутр. J. Thermophys. 8 , 593–606 (1987).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 25.

    Arpaci, V. S., Kao, S.-H. И Селамет А. Введение в теплопередачу . (Пирсон, Мичиганский университет, США, 2000 г.).

  • 26.

    Смит Д. Э., Бэбкок Х. П. и Чу С.Динамика одиночного полимера в установившемся сдвиговом потоке. Наука 283 , 1724–1727 (1999).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 27.

    Петерлин А. Вытяжка и экструзия полукристаллических полимеров. Colloid Polym. Sci. 265 , 357–382 (1987).

    CAS Статья Google ученый

  • 28.

    Kraemer, D. & Chen, G.Простой дифференциальный стационарный метод измерения теплопроводности твердых сыпучих материалов с высокой точностью. Rev. Sci. Instrum. 85 , 025108 (2014).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 29.

    Paddock, C. A. & Eesley, G. L. Переходное термоотражение от тонких металлических пленок. J. Appl. Phys. 60 , 285–290 (1986).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 30.

    Cahill, D. G. et al. Наноразмерный тепловой перенос. J. Appl. Phys. 93 , 793–818 (2003).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 31.

    Шмидт, А. Дж., Чен, X. и Чен, Г. Накопление импульсов, радиальная теплопроводность и анизотропная теплопроводность в переходном термоотражении насос-зонд. Rev. Sci. Instrum. 79 , 114902 (2008).

    ADS Статья Google ученый

  • 32.

    Дойч, М. Определение ориентационного порядка в жидких кристаллах методом рентгеновской дифракции. Phys. Ред. A. 44 , 8264–8270 (1991).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 33.

    Фейгин Л.А. и Свергун Д.И. Структурный анализ методом малоуглового рентгеновского излучения и рассеяния нейтронов . (Springer, Princeton Resources, Принстон, Нью-Джерси, 1987).

  • 34.

    Zhang, T., Wu, X.& Луо, Т. Полимерные нановолокна с выдающейся теплопроводностью и термостабильностью: фундаментальная связь между молекулярными характеристиками и макроскопическими термическими свойствами. J. Phys. Chem. C 118 , 21148–21159 (2014).

    CAS Статья Google ученый

  • 5 самых проводящих металлов на Земле


    В гальванической промышленности каждый металл служит определенной цели.Некоторые из-за их твердости, другие из-за их пластичности, а третьи используются из-за их устойчивости к коррозии. Металлы также ценятся за их проводящие свойства.

    Почему проводящие металлы так важны?

    Большинство проводящих металлов выполняют две основные функции :

    Электропроводность – В целом, как величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, металлы с высокой электропроводностью позволяют электрическому току перемещаться с небольшим сопротивлением.В заключение, это отличная особенность для производителей электрических проводов или других отраслей промышленности.

    Теплопроводность – Следовательно, тепло может передаваться только тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Кроме того, кондукция, пожалуй, самая распространенная и регулярно встречается в природе. Короче говоря, это передача тепла посредством физического контакта. Эти свойства делают металлы с теплопроводностью превосходными для автомобильной и авиационной промышленности, где передача тепла и сопротивление тепла являются частой проблемой.

    Примечание: как правило, металлы с высокой электропроводностью также обладают высокой теплопроводностью.

    Какие металлы являются наиболее проводящими?

    Серебро – Следовательно, серебро по проводимости не занимает 2 ое место. В результате серебро на сегодняшний день является самым проводящим металлом на Земле. Это потому, что серебро имеет только один валентный электрон. Кроме того, этот единственный электрон может свободно перемещаться с небольшим сопротивлением. В результате такие металлы, как серебро и медь, являются одними из металлов с этой особенностью.Вот почему они являются отличными проводниками электричества и тепла.

    Медь – В заключение, медь, как и серебро, имеет только один валентный электрон, что делает этот металл очень проводящим. Поэтому одним из наиболее популярных коммерческих приложений является покрытие высококачественной посуды и кухонных приборов.

    Золото – В целом список ограничен, и это основная причина (помимо его редкости), почему этот материал такой дорогой. Кроме того, сочетание устойчивости золота к коррозии и его проводимости делает этот металл чрезвычайно ценным ресурсом, используемым в большом количестве промышленных отраслей.

    Алюминий – В целом, это отличный металлический проводник. Эта особенность, в дополнение к его низкой плотности и высокой устойчивости к коррозии, делает этот металл идеальным для авиационной и коммуникационной (трансмиссионной) промышленности.

    Цинк / латунь – Хотя эти металлы гораздо менее проводящие, чем их четыре аналога. Эти металлы часто являются менее дорогими и экономичными заменителями, когда они применимы.

    Итак, у вас есть 5 самых проводящих металлов на Земле!

    (PDF) Зависимость теплопроводности металлов от температуры

    Таблица I.Некоторые характеристики «Рекомендуемых данных», использованных в этом исследовании [5]

    a

    Остаточная электрическая точность Точность

    удельное сопротивление, рядом с комнатой в другом месте

    Чистота металла r

    0

    (мВт · см) температура температуры

    Алюминий Хорошо отожженный, чистота 99,9999% 0,000593 2–3% 3–5%

    Сурьма, ПК Хорошо отожженная, высокая чистота 0,054 До 5% 5–10%

    Бериллий, ПК Хорошо отожженная, высокая чистота 0,0135 до 5% 5–15%

    Висмут, P 99.997

    +

    Чистота

    % – До 4% 4–10%

    Висмут, / c / 99,997

    +

    Чистота

    % – До 4% 4–10%

    Висмут, ПК 99,997

    +

    % чистоты – до 4% 4–10%

    Бор, ПК Высокая чистота – до 5% 5–10%

    Кадмий, P Хорошо отожженный, чистота 99,999% 0,000463 До 4% 4–10%

    Кадмий, / c / Хорошо отожженный, чистота 99,999% 0,000606 До 4% 4–10%

    Кадмий, ПК Хорошо отожженный, чистота 99,999% 0,000502 До 4% 4–10%

    Цезий высокой чистоты 0.0465 До 5% 5–10%

    Хром 99,998

    +

    % чистота 0,0609 До 3% 3–10%

    Кобальт, ПК Более 99,999

    +

    % чистоты 0,0905 До 4% 4– 10%

    Медь Свыше 99,999

    +

    Чистота

    % 0,000851 До 3% 3–5%

    Галлий, / a /

    b

    Чистота 99,9999% 0,000100 До 4% 4–15%

    Галлий , / b / чистота 99,9999% 0,000341 До 4% 4–15%

    Галлий, / c / чистота 99,9999% 0,000424 До 4% 4–15%

    Германий Высокая чистота – до 4% 4–10%

    Золото хорошо отожженное, 99.999

    +

    % чистота 0,0055 До 3% 3–6%

    Иридий хорошо отожженный, 99,995

    +

    % чистый 0,0188 До 4% 4–10%

    Хорошо отожженный чугун, 99.998

    +

    % чистоты 0,0327 До 3% 3–8%

    Свинец хорошо отожженный, 99,99

    +

    Чистота

    % 0,00088 До 3% 3–10%

    Литий высокой чистоты 0,0371 До 5% 5–10%

    Магний, ПК Хорошо отожженный, 99,98

    +

    Чистота

    % 0,0189 До 3% 3–10%

    Марганец Хорошо отожженный, 99.99

    +

    % чистоты 11,3 До 5% 5–15%

    Молибден Хорошо отожженный, 99,95

    +

    % чистоты 0,167 До 4% 4–10%

    Никель Хорошо отожженный, 99.99

    +

    % чистоты 0,0384 До 5% 5–10%

    Ниобий Хорошо отожженный, 99,9

    +

    % чистоты 0,0975 До 5% 5–10%

    Палладий Хорошо отожженный, 99,995

    +

    % чистоты 0,0123 До 4% 4–10%

    Платина хорошо отожженная, 99,999

    +

    % чистоты 0.0106 До 5% 5–10%

    Плутоний, ПК Хорошо отожженный, 99,98

    +

    Чистота

    % – До 10% 10–20%

    Калий 99,97

    +

    Чистота

    % 0,00237 До 5% 5–10%

    Рений, ПК Хорошо отожженный, 99,99

    +

    % чистоты 0,0140 До 4% 4–10%

    Родий Хорошо отожженный, 99,997

    +

    % чистоты 0,0084 До 4% 4– 10%

    Кремний высокой чистоты – до 4% 4–10%

    Серебро Хорошо отожженное, 99,999

    +

    Чистота

    % 0.00062 До 2% 2–5%

    Натрий высокой чистоты 0,00147 До 5% 5–10%

    Тантал Хорошо отожженный, 99,9

    +

    Чистота

    % 0,212 До 5% 5–10%

    Ториевая скважина отожженный, высокочистый 0,72 10–15% 10–15%

    Олово, P Хорошо отожженное, 99,999

    +

    % чистое 0,00012 До 3% 3–15%

    Олово, / c / Хорошо отожженное, 99,999

    +

    % чистый белый 0,000172 До 3% 3–15%

    Олово, ПК Хорошо отожженное, 99,999

    +

    % чистое 0.000133 До 3% 3–15%

    Титан, поликарбонат, хорошо отожженный, 99,99

    +

    % чистота 1,7 До 5% 5–15%

    Вольфрам хорошо отожженный, 99,99

    +

    % чистоты 0,0017 до 3% 3–5%

    Уран, ПК Хорошо отожженный, высокая чистота 2,2 До 5% 5–10%

    Ванадий Хорошо отожженный, высокая чистота 1,72 До 5% 5–15%

    Цинк, ПК Хорошо отожженный , 99,999

    +

    % чистота 0,00128 До 3% 3–10%

    Цирконий, поликарбонат, хорошо отожженный, 99.95

    +

    Чистота

    % 0,219 До 5% 5–15%

    a

    ПК, поликристаллический; P, перпендикулярно оси c; / a /, параллельно оси a; / b /, параллельно оси b,

    / c /, параллельно оси c.

    b

    Значения также хороши для поликристаллического галлия.

    Корреляции для теплопроводности металлов 1859

    Углеродные нанотрубки-медь с металлоподобной теплопроводностью и кремнийоподобным тепловым расширением для эффективного охлаждения электроники

    Возрастающая функциональная сложность и компактность электронных устройств привели к постепенному увеличению рассеиваемой мощности, в основном в виде тепла.Перегрев полупроводниковой электроники был основной причиной их отказа. Такие отказы возникают на границе раздела радиатора (обычно Cu и Al) и подложки (кремния) из-за большого несоответствия коэффициентов теплового расширения (~ 300%) металлов и кремния. Следовательно, для эффективного охлаждения такой электроники требуется материал, обладающий как высокой теплопроводностью, так и коэффициентом теплового расширения (КТР), аналогичным кремнию. Удовлетворяя это требование, мы разработали композит углеродные нанотрубки-медь (CNT-Cu) с высокой металлической теплопроводностью (395 Вт · м -1 K -1 ) и низким кремнийоподобным CTE ( 5.0 частей на миллион K -1 ). Теплопроводность была идентична теплопроводности Cu (400 Вт · м −1 K −1 ) и выше, чем у большинства металлов (Ti, Al, Au). Важно отметить, что несоответствие CTE между CNT-Cu и кремнием составляло всего ~ 10%, что означает отличную совместимость. Полная интеграция УНТ и Cu была достигнута благодаря уникальному двухэтапному подходу к электроосаждению для создания обширной и непрерывной границы раздела между Cu и УНТ.Это позволило внести тепловой вклад как от Cu, так и от УНТ, что привело к высокой теплопроводности. Одновременно высокая объемная доля УНТ уравновешивала тепловое расширение Cu, что объясняет низкий КТР композита УНТ – Cu. Экспериментальные наблюдения хорошо количественно согласуются с теоретически описанной моделью «матрица-пузырь». Кроме того, мы продемонстрировали идентичное поведение in-situ при термической деформации композита CNT-Cu по сравнению с диэлектриками на основе Si, что привело к наименьшей межфазной термической деформации.Эта уникальная комбинация свойств помещает CNT – Cu в изолированное пятно на карте теплопроводности и КТР Эшби. Наконец, композит УНТ – Cu показал наибольшую устойчивость к температуре, о чем свидетельствует его низкий параметр термической деформации (TDP). Таким образом, этот материал представляет собой жизнеспособную и эффективную альтернативу существующим материалам для управления температурой в электронике.

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова? .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.