Примеры металлов теплопроводность: Приведите примеры использования теплопроводности металлов.​

alexxlab | 16.06.2023 | 0 | Разное

Теплопроводность. Примеры вокруг нас

Способы передачи тепла

В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.

Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.

Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.

Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.

Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.

Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.

Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?

Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.

Поделиться ссылкой

Видеоурок «Физические свойства металлов»

§ 2 Общие физические свойства металлов Пластичность– способность металла изменять форму под действием внешних сил без разрушения и сохранять ее после прекращения воздействия. При воздействии на металлическую кристаллическую решетку происходит смещение слоев атом-ионов металла относительно друг друга без разрыва связей, поэтому для них характерна высокая пластичность.

Наиболее пластичные металлы: золото, серебро, медь, олово, свинец. Например из 1 г золота можно получить тончайшую проволоку длиной около 3 км или же лист, способный покрыть потолок трехкомнатной квартиры площадью около 50 м2. Тончайшие листы золота, толщиной от 1 мкм до 3 мкм, называют сусальным золотом. Его применяют для декоративной отделки изделий, изготовленных в основном из дерева. Листочками сусального золота оклеивают резные деревянные рельефы, предназначенные для украшения интерьеров дворцов, храмов, дорогой мебели.

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток.

В металлической кристаллической решетке присутствуют свободные электроны, которые при обычных условиях двигаются в беспорядке, а при попадании в электрическое поле начинают двигаться направлено, в результате чего возникает электрический ток.

Наибольшей электропроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо;

а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть. При повышении температуры электропроводность металлов уменьшается, это объясняется усилением колебательного движения атомов-ионов металлов, что затрудняет направленное движение электронов. При понижении температуры электропроводность увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Медь и алюминий наиболее доступные металлы, поэтому их используют в виде проводников электрического тока.

Теплопроводность – способность металла передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым. Это свойство металлов также объясняется подвижностью свободных электронов, они при движении сталкиваются с колеблющимися в узлах решетки ионами и обмениваются с ними энергией.

При повышении температуры колебания одних ионов передаются другим ионам с помощью электронов, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается. Теплопроводность металлов изменяется в той же последовательности, что и электропроводность.

Наибольшей теплопроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо; а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть.

Если одновременно в горячую воду опустить например чайные ложки, изготовленные из серебра, меди, золота, алюминия, железа, то быстрее нагреется ложка из серебра, так как ее теплопроводность выше теплопроводности других металлов, затем медная, золотая, алюминиевая и затем железная ложки.

Положение неметаллов и металлов: таблица Менделеева

По внешним признакам и физическим свойствам не всегда можно выяснить, к какой группе относится химический элемент. Свойства металлов и неметаллов можно определить по расположению в периодической таблице.

Для этого нужно зрительно провести диагональ от бора до астата, от 5 до 85 номера. В правом верхнем углу будут преимущественно находиться неметаллы. Их в таблице меньшинство, всего 22 элемента. Металлы находятся в правой части периодической таблицы наверху — в основном в I, II и III группах.

Теплопроводность металлов – Закон проводимости, использование и решаемые примеры

• Физика

Последняя обновленная дата: 06 -й апрель 2023

•

Всего просмот k

Электропроводность металлов

Электропроводность является важным понятием в физике. Это одна из трех концепций, с помощью которых тепло и энергия могут передаваться из одного места в другое внутри материала или из одного материала в другой. Проводимость происходит при прямом контакте, тогда как конвекция происходит за счет движения или потока тепла. С другой стороны, излучение происходит с помощью электромагнитных волн. Проводимость в основном происходит в металлах, и проводимость металлов отличается друг от друга. Когда дело доходит до лучшего металла для теплопроводности, в идеале это серебро, но вместо него используется медь. Причина этого в том, что Серебро слишком дорого и его невозможно использовать. Медь, с другой стороны, доступна в изобилии, доступна по цене и может использоваться в любом приложении.

Закон проводимости

Список, содержащий проводимость различных металлов, используется для сравнения и, соответственно, использования металла для определенной цели. Расчет теплопроводности металлического стержня был одним из первых и важных экспериментов, которые проводились для измерения проводимости металлов.

Закон теплопроводности или закон Фурье гласит, что время, необходимое для передачи тепла через металл, пропорционально отрицательному градиенту площади и температуре. Этот закон применим в двух формах; дифференциальная форма и интегральная форма.

Для измерения теплопередачи можно производить различные расчеты. Тепловой поток, например, представляет собой количество теплового потока, возникающего на единицу площади. Точно так же можно рассчитать противоположное теплопроводности тепловое сопротивление.

Удельное тепловое сопротивление — это способность материала не проводить тепло. Это свойство присутствует у материалов, не проводящих тепло. Они используются в качестве изоляторов. Некоторые из них резиновые, тканевые, пробковые, керамические, пенопластовые и т. д.

Теплопередача должна происходить, когда два материала с разной температурой вступают в контакт друг с другом. Теплоизоляция делается для того, чтобы свести к минимуму передачу тепла от одного материала к другому. Этот процесс также зависит от плотности продукта и удельной теплоемкости используемого изоляционного материала.

Теплопроводность металлов: применение

В зависимости от коэффициента теплопроводности металлы классифицируют и используют для конкретных целей. Если металл имеет высокую теплопроводность, то он используется в радиаторах. С другой стороны, если металл имеет низкую теплопроводность, то он используется в теплоизоляционных целях.

Изоляция препятствует передаче тепла, тогда как теплоотвод способствует ей. Если рассматривать некоторые металлы, такие как сталь и медь, то теплопроводность стали и меди составляет 45 Вт/м-К, т.е. 45 Вт/м-К, и 385 Вт/м-К, т.е. 385 Вт/м-К соответственно.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Решено Пример

Вопрос 1: Рассмотрим окно шириной 1,3 м и высотой 1,7 м, толщиной 6,3 мм и значением теплопроводности 0,28 Вт/м/градус C. Температура внутри дома 22 градуса по Цельсию, снаружи дома -5 градусов по Цельсию. Рассчитайте скорость теплопередачи.

Ответ: Площадь поверхности окна = длина x ширина

    = (1,3 x 1,7) метр квадратный

= 2,21 метр квадратный

Толщина окна = 6,3 мм

= 0,0063 м

Коэффициент теплопередачи = (Теплопроводность) x (Площадь поверхности) x (Разница температур) / (Толщина окна)

= (0,28 Вт/м/градус C) x (2,21 квадратный метр) x (22-(-5) градусов C) / (0,0063 м)

          ~ 2652 Вт

Скорость теплопередачи для данного примера составляет 2652 Вт.

Забавный факт

Знаете ли вы, что помимо металлов, газы также могут быть проводниками тепла? Да все верно. Во всей периодической таблице металлы и газы являются двумя категориями элементов, которые могут проводить тепло. Большинство металлов и некоторые другие элементы также являются проводниками электричества. Однако газы не проводят электричество.

Несмотря на то, что они могут проводить тепло, скорость их проводимости намного меньше, чем скорость проводимости металлов. Из-за этого газы вместо этого используются в качестве изоляторов. Теплоизоляция или удельное сопротивление – это свойство не проводить тепло.

В качестве изоляторов используются такие материалы, как резина, дерево, пластик, стекло и т. д. Они работают противоположно теплопроводности металлов.

Недавно обновленные страницы

Теория относительности – открытия, постулаты, факты и примеры

Статьи о различиях и сравнениях по физике

Наша Вселенная и Земля – введение, решенные вопросы и часто задаваемые вопросы

Путешествия и общение – типы, методы и решенные вопросы

Интерференция света – примеры, типы и условия

Стоячая волна – формирование , уравнение, производство и часто задаваемые вопросы

Теория относительности – открытие, постулаты, факты и примеры

Различия и сравнения Статьи по физике

Наша Вселенная и Земля – введение, решенные вопросы и часто задаваемые вопросы

Путешествия и общение – типы, методы и решенные вопросы

Интерференция света – примеры, типы и условия

Стоячая волна – формирование, уравнение, производство и часто задаваемые вопросы

Актуальные темы

Теплопроводность металлов: определение, использование, значения, эффекты

Теплопроводность — один из трех способов передачи тепла и лучший метод для металлов. Это происходит непосредственно при контакте. Теплопроводность в металлах происходит из-за наличия внутри них свободных электронов, которые передают тепловую энергию от одного к другому. Мера этой проводимости известна как теплопроводность. Теплопроводность металлов — это скорость, с которой любой металл будет передавать тепло. Некоторые металлы проводят тепло быстрее, чем другие.

В этой статье подробно рассматриваются концепции теплопроводности.

Что такое теплопроводность металлов?

Теплопроводность металлов определяется как количество теплоты, переданное из-за единичного градиента температуры в единицу времени в направлении, нормальном к единице площади металла. Это потенциал передачи тепла любого металла.

Обозначается символом «К».

Математически теплопроводность металлов определяется как 9{2}\) )

\(\Delta T \)= разница температур между двумя металлическими поверхностями (в K)

На изображении ниже показана формула теплопроводности металлов. На изображении тепло передается между двумя металлическими гранями, которые находятся на расстоянии «d» друг от друга.

Теплопроводность металлов – список значений

В таблице ниже приведен список металлов и их значения теплопроводности при 20°C.

Metal	Thermal Conductivity Coefficient W/mK
Aluminum	239
Antimony	18
Brass (60/40)	96
Cadmium	92
Chromium	67
Cobalt	69
Constantan	22
Copper	386
Gold	310
Inconel	15
Iron, cast	55
Iron, pure	80
Lead	35
Magnesium	151
Molybdenum	143
Monel	26
Nickel	92
Silver	419
Steel mild	50
Steel: mild	50
stainless	25
Tin	67
Uranium	28
Цинк	113

Влияние примесей

Поскольку наличие примесей в металле снижает его теплопроводность, то наличие примесей в металле снижает его теплопроводность.

Металлы проводят через себя тепло благодаря присутствующим в них свободным электронам. Также проводимость снижается из-за присутствия примесей, поскольку присутствие примеси снижает подвижность электронов внутри металла.

Способы теплопередачи металлов

Существует три режима теплопередачи. Тело с более высокой температурой отдает тепло телу с более низкой температурой. Любой из следующих режимов — теплопроводность, конвекция или излучение — может использоваться для передачи тепла от одного тела к другому.

Теплопроводность

Теплопроводность, также называемая теплопроводностью, представляет собой один из механизмов передачи тепла, происходящий внутри тела или между двумя контактирующими телами без помощи массового потока или смешения. Это крошечная прямая передача кинетической энергии частиц через границы двух систем.

Средняя кинетическая энергия молекул системы точно пропорциональна температуре, утверждает кинетическая теория материи. Следовательно, группа молекул с высокой средней кинетической энергией находится при более высокой температуре, чем группа молекул с низкой средней кинетической энергией.

Конвекция

Конвекция — это процесс переноса тепла посредством массового движения жидкости, такой как воздух или вода, от источника тепла, перенося с собой энергию. Расширение, уменьшение плотности и подъем горячего воздуха над нагретой поверхностью называется конвекцией. Из-за меньшей плотности, чем у холодной воды, горячая вода поднимается вверх и создает конвекционные потоки, перемещающие энергию.

Излучение

Электромагнитное излучение, излучаемое телом в зависимости от его температуры, известно как тепловое излучение. Все объекты, температура которых теплее абсолютного нуля, испускают тепловое излучение в диапазоне длин волн. Считается, что радиация играет важную роль в переносе энергии от центра Солнца к поверхности и в движении горячей магмы под поверхностью земли.

Использование металла в качестве теплопроводника

Из-за теплопроводности металлов металлы используются для различных целей, таких как:

• В радиаторах используются металлы с высокой теплопроводностью.
• Такие металлы, как алюминий и чугун, используются в качестве посуды для приготовления пищи благодаря их способности проводить тепло.
• Такие вещества, как термопаста, состоят из оксидов цинка и используются между процессором и радиатором для передачи выделяемого тепла.

Закон теплопроводности

Согласно закону теплопроводности Фурье, площадь материала и отрицательный градиент температуры пропорциональны количеству тепла, переносимому через него (перпендикулярно градиенту). Механизмы теплообмена описываются скоростными уравнениями. В теплопроводности уравнение скорости вычисляется с использованием закона теплопроводности Фурье. Скорость теплопередачи над твердым материалом напрямую связана с площадью и температурным градиентом, который должен быть отрицательным, чтобы поток тепла возник при 9Угол 0 градусов к градиенту.

Согласно закону Фурье дифференциальная форма имеет вид:

q=-k \(\Delta{T}\)

\(\Delta{T}\) – градиент температуры (К/м)

Электропроводность материала (Вт/мК) обозначается k.

Плотность теплового потока выражается q (Вт/м2)

Теплопроводность в основном определяется константой пропорциональности вещества (k или X). Быстрый поток энергии за счет проводимости внутри тела определяет теплопроводность. K также имеет более высокое значение. Чтобы открыть закон Фурье, необходимо рассмотреть обратную зависимость между геометрией, температурным перепадом и теплопроводностью материала. По словам Жозефа Фурье, впервые сформулировавшего этот закон в 1822 году, «разница в тепловом потоке между двумя поверхностями зависит от величины и знака температурного градиента».

Эксперимент по теплопроводности металлов

Вот забавный эксперимент по теплопроводности металлов.

Процедура

Внимательно выполните следующие шаги:

1. Возьмите два стакана, один из которых вы должны наполнить водой. Второй стакан должен быть другого размера.
2. Поместите другой стакан на поверхность примерно такого же размера, как и нагревательная плита, так, чтобы края обоих стаканов находились на одной высоте (или используйте более высокий стакан)
3. Постарайтесь сохранить 1 метр прямого провода, согнув все провода на 90 градусов с обоих концов, чтобы получились 50-миллиметровые плечи.
4. Обязательно погрузите изогнутый конец провода в воду.
5. Чтобы соединить два стакана, поместите выступы всех трех проводов из выбранных вами материалов.
6. Отметьте каждую проволоку маркером через каждые 200 мм или, если используете свечи, оплавьте нижнюю часть каждой из них источником тепла и уложите свечи вдоль проволоки с интервалом 200 мм.
7. Измеряйте температуру через каждые 200 мм при нагревании воды на плите в течение 15 минут.

Наблюдение

Есть два способа визуализировать перемещение тепла по проводам. Первое, что можно увидеть, это сколько расплавилось свечей через каждые 200мм. Острота расплавленных свечей на проводе с наибольшей теплопроводностью будет наибольшей, тогда как острота оплавления свечей на проводе с наименьшей теплопроводностью будет наименьшей вблизи источника тепла. Другой вариант — измерить температуру вдоль провода с интервалом 200 мм с помощью инфракрасного термометра и построить график зависимости результатов от расстояния до кипящей воды. Наихудшей теплопроводностью, скорее всего, будет график с наибольшим отклонением от 0 мм до 1000 мм.

Решенные примеры теплопроводности металлов

Вот несколько решенных примеров теплопроводности металлов

Решенный пример 1: Найдите коэффициент теплопроводности материала. Мы получили следующую информацию:

\(L = 0,35 м\)

\(r = 0,025 м\)

\(T_1 = 273 K\)

\(T_ 2 = 295 K\)

\(\frac{Q}{\Delta{t}} =10 Дж/с\)

Решение:

2\)

Градиент температуры можно найти, найдя разницу между двумя температурами:

\({\Delta}T=295 K−273 K= 22K\)

Используя закон теплопроводности,

\(k = (\frac{L}{A{\Delta}T})\times\frac{Q}{\Delta{t}}\)

\(k = (\frac{0,35}{0,001963\) times22})\times10\)

\(k = 61 Вт/мК\)

Решено Пример 2: Один конец изолированного металлического стержня поддерживается при температуре 120 градусов Цельсия, а другой конец поддерживается при температуре 0 градусов Цельсия погружением в ледяную ванну. Половина льда в ванне тает за полчаса при передаче энергии 6810 Дж от одного конца стержня к другому. Если этот стержень имеет длину 80 см и диаметр 0,5 см, определите, из какого металла он сделан. 9\cancel{2})} \\ k&=385 \, \frac{{W}}{{m}{K}}.\end{matrix}\)

Надеюсь, эта статья смогла передать вам концепцию относительно этой темы. Есть много таких интересных тем по физике и их реальных приложений, о которых можно узнать, просто загрузите приложение Testbook и начните просматривать, чтобы получить представление о них, которое может прояснить все ваши представления о них.

Часто задаваемые вопросы о теплопроводности металлов

В.1 Что такое теплопроводность металлов?

Ответ 1 Теплопроводность – это скорость, с которой любой металл передает тепло.

Q.2 Почему теплопроводность металлов уменьшается с повышением температуры?

Ответ 2 Теплопроводность в металлах происходит из-за наличия внутри них свободных электронов, которые передают тепловую энергию от одного к другому.