Примеры теплопроводности металлов: ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ В БЫТУ

alexxlab | 28.05.2023 | 0 | Разное

Виды теплопроводности / Открытый урок

Цель урока: знание и понимание учащимися видов теплопередачи: теплопроводности, конвекции, излучения;

Задачи:

обучающие

•  дать определения основных понятий, изучаемых в данной теме: теплопередачей, конвекцией, излучением;
• установить зависимость теплопроводности от рода вещества
• учить приводить примеры теплопередачи в природе и технике.

развивающие

• продолжить развитие умения анализировать опыты и делать на их основе выводы, формирование умения работать в группах;
• способствовать формированию навыков экспериментальной работы и развитию аналитического мышления учащихся

воспитательные

• способствовать привитию культуры умственного труда, создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу

Тип урока Урок изучения нового материала

Формы работы учащихся групповая работа, индивидуальная работа

Необходимое техническое оборудование мультимедийный проектор, компьютеры учащихся, перечень ЭОР, выход в Интернет

I. Актуализация знаний

Перед началом урока можно провести проверку выполнения домашнего задания. Вспомним ранее изученный материал:

Какую энергию называют внутренней энергией тела?

Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию?

Приведите примеры изменения внутренней энергии с помощью совершения работы.

Приведите примеры изменения внутренней энергии способом теплопередачи.

Объясните на основе молекулярного строения тела вещества нагревание спицы, опущенной в горячую воду.

При этом все неточности должны фиксироваться, причем не столько учителем, сколько учениками, которые принимают активное участие в работе.

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Теплопроводность.
2. Явление конвекции в жидкостях и газах.
3. Излучение.

Учащиеся уже знают, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Изменение внутренней энергии посредством теплопередачи может производиться по- разному. Различают три вида теплопередачи:

Как вы думаете: что такое теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача? Выслушав ответы, объясняет новый материал.

Теплопроводность Теплопроводность – такой тип теплообмена, когда тепло перемещается от более нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения молекул.

Очевидно, что этот перенос энергии требует определенного времени.

Сразу можно акцентировать внимание учащихся на физическом содержании процесса. У пламени горелки молекулы, получив избыток энергии, начинают совершать колебания с большей амплитудой, передавая часть энергии при соударениях с соседними слоями.

Особенность теплопроводности в том, что само вещество не перемещается. Ясно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем с большей скоростью идет перенос тепла.

Все кристаллы имеют очень хорошую теплопроводность. И наоборот, те вещества, в которых расстояния между молекулами большие – плохие проводники тепла. Это — различные породы древесины, строительный кирпич, котором есть поры, заполненные воздухом, различные газы. Плохая теплопроводность у шерсти и меха, так как между ворсинками также много воздуха. Именно наличие меха позволяет отдельным животным переносить зимнюю стужу.

Конвекция

Под конвекцией понимают перенос энергии струями жидкости или газа.

Включив лампу накаливания с отражателем и подставив над лампой бумажную вертушку, мы замечаем, что она начинает вращаться (этот опыт проиллюстрирован в презентации). Объяснение этому факту может быть одно: холодный воздух при нагревании у лампы становится теплым и поднимается вверх. При этом вертушка вращается.

Плотность горячего воздуха или жидкости меньше, чем холодного, поэтому нагрев производят снизу. При этом конвекционные потоки теплой жидкости поднимаются вверх, а на их место опускается холодная жидкость.

Замечено, что жидкость можно нагреть и при нагревании ее сверху, но это — длительный процесс. В данном случае нагрев происходит не за счет конвекции, а за счет теплопроводности.

Система отопления помещений основана именно на перемещении конвекционных потоков теплого и холодного воздуха: постоянное перемешивание воздуха приводит к выравниванию температуры по всему объему помещения.

Очевидно, что главным отличием конвекции от теплопроводности является то, что при конвекции происходит перенос вещества, имеющего большую внутреннюю энергию, а при теплопроводности вещество не переносится.

Холодные и теплые морские и океанские течения — примеры конвекции. Также в качестве примеров конвекции можно привести ветры, которые дуют в земной атмосфере.

3. Излучение или лучистый теплообмен Под излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн. Любое нагретое тело является источником излучения.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме.

Ведь солнечная энергия доходит до Земли.

Темные тела не только лучше поглощают энергию, но и лучше ее отдают в окружающую среду. Два одинаковых тела, нагретые до одной температуры, остывают по-разному, если у них разный цвет поверхности. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию используют при строительстве самолетов; крыши высотных зданий в жарких странах также красят в светлые тона.

III. Закрепление изученного материла

С целью закрепления изученного материла можно провести краткий опрос-беседу по следующим вопросам:

— Приведите примеры, какие вещества имеют наибольшую и наименьшую теплопроводность?

— Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.

— Почему конвекция невозможна в твердых телах?

— Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются излучением, чем со светлой. Отвечает на вопросы.

Выполнение контрольного задания.

Ученикам нужно решить тесты на компьютерах по теме теплопроводность и конвекция, используя ресурсы №4 и №5.

Домашнее задание. §4-6. Ответить на вопросы. Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады о применении теплопередачи в природе и технике. Примерными темами докладов могут быть: «Значение видов теплопередачи в авиации и при полетах в космос», «Виды теплопередачи в быту», «Теплопередача в атмосфере», «Учет и использование видов тепло – передачи в сельском хозяйстве» и др.

Рефлексия

Оцените свою работу за урок.

Если вы поняли материал, можете его рассказать и объяснить, то поставьте себе “5”.

Если материал поняли, но есть некоторые сомнения в том, что вы сможете его воспроизвести, то “4”.

Если материал усвоен слабо, то “3”.

Дополнительный материал.

С явлением конвекции связаны процессы горообразования. В первом приближении земной шар можно рассматривать как систему, состоящую из трех концентрических слоев. Внутри находится массивное ядро, состоящее в основном из металлов в виде очень плотной жидкой массы. Ядро окружают полужидкая мантия и литосфера. Самый верхний слой литосферы — земная кора. Литосфера состоит из отдельных плит, которые плавают на поверхности мантии. Вследствие неравномерного разогрева отдельных участков мантии, а также разной плотности горных пород в различных участках мантии в ней возникают конвективные потоки. Они вызывают перемещения литосферных плит, несущих континенты и ложа океанов.

Там, где плиты расходятся, возникают океанские впадины. В других местах, где плиты сталкиваются, образуются горные массивы. Скорость перемещения конвективных потоков в мантии очень мала. Соответственно и плит 2—З см в год. Однако геологические эпохи плиты могут перемещаться на сотни и тысячи километров.

Чем же вызвана столь большая теплопроводность металлов, которая в сотни и тысячи раз больше, чем у изоляторов? дело, очевидно, в структуре металлов, в особенностях металлической связи.

В самом деле, если бы теплопроводность металлов определялась только колебаниями частиц в узлах кристаллической решетки, то она бы не отличалась от теплопроводности изоляторов. Но в металлах есть еще множество свободных электронов

электронный газ, который и обеспечивает их высокую теплопроводность.

В участке металла с высокой температурой часть электронов приобретает большую кинетическую энергию. Так как масса электронов очень мала, то они легко проскакивают десятки промежутков между нонами. Говорят, что у электронов большая длина свободного пробега. Сталкиваясь с нонами, находящимися в более холодных слоях металла, электроны передают им избыток своей энергии, что приводит к повышению температуры этих слоев.

Чем больше длина свободного пробега электронов, тем больше теплопроводность. Именно поэтому у чистых металлов, где в кристаллической решетке дефектов относительно мало, теплопроводность велика, У сплавов, где дефектов решетки гораздо больше, длина свободного пробега меньше, соответственно меньше и теплопроводность.

 

Скачать публикацию

Виды теплообмена | Физика

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Теплообмен может осуществляться по-разному. Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

1. Теплопроводность — это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела — переносится лишь энергия.

Обратимся к опыту. Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском (или пластилином) несколько гвоздиков (рис. 63). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим образом.

Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д., пока не прогреется вся проволока.

Различные вещества имеют разную теплопроводность: у одних она больше, у других — меньше. Из жизненного опыта известно, что если, например, взять какой-либо железный предмет (допустим, гвоздь) и начать нагревать его в огне, то долго удерживать его в руке мы не сможем. И наоборот, горящую спичку можно держать до тех пор, пока пламя не коснется руки. Это означает, что дерево обладает меньшей теплопроводностью, чем железо.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. У жидкостей (за исключением расплавленных металлов) теплопроводность невелика. У газов она еще меньше, так как молекулы их находятся сравнительно далеко друг от друга и передача энергии от одной частицы к другой затруднена.

Если теплопроводность различных веществ сравнить с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она примерно в 5 раз меньше, у воды — в 658 раз меньше, у пористого кирпича — в 840 раз меньше, у свежевыпавшего снега — почти в 4000 раз меньше, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в 10 ООО раз меньше, а у воздуха она примерно в 20 000 раз меньше.

Плохая теплопроводность шерсти, пуха и меха (обусловленная наличием между их волокнами воздуха) позволяет телу животного сохранять вырабатываемую организмом энергию и тем самым защищаться от охлаждения. Защищает от холода и жировой слой, который имеется у водоплавающих птиц, китов, моржей, тюленей и некоторых других животных.

2. Конвекция — это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.

Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над включенной лампой, мы почувствуем, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 64). Откуда берутся эти струи?

Часть воздуха, которая соприкасается с плитой или лампой, нагревается и вследствие этого расширяется. Ее плотность становится меньше, чем у окружающей (более холодной) среды, и под действием архимедовой (выталкивающей) силы она начинает подниматься вверх. Ее место внизу заполняет холодный воздух. Через некоторое время, прогревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, на дно стеклянной колбы с водой опускают кристаллик красящего вещества (например, перманганата калия) и колбу ставят на огонь. Через некоторое время нагретые нижние слои воды, окрашенные перманганатом калия в фиолетовый цвет, начинают подниматься вверх (рис. 65). На их место приходит холодная вода, которая, прогревшись, также начинает подниматься вверх, и т. д. Постепенно вся вода оказывается нагретой. Именно благодаря конвекции происходит нагревание воздуха и в наших жилых комнатах (рис. 66).

Будут ли прогреваться воздух и жидкость, если их нагревать не снизу, а сверху? Обратимся к опыту. Поместив в пробирку кусочек льда и придавив его гайкой или металлической сеточкой, нальем туда же холодную воду. Нагревая ее сверху, можно довести верхние слои воды до кипения (рис. 67), между тем как нижние слои воды останутся холодными (и даже лед там не растает). Объясняется это тем, что при таком способе нагревания конвекции не происходит. Нагретым слоям воды некуда подниматься: ведь они и так уже наверху. Нижние же (холодные) слои так и останутся внизу. Правда, вода может прогреться благодаря теплопроводности, однако она очень низкая, так что пришлось бы долго ждать, пока это произошло бы.

Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух, находящийся в пробирке, которая изображена на рисунке 68. Горячим он становится лишь сверху, внизу же он остается холодным.

Опыты, изображенные на рисунках 67 и 68, показывают не только то, что жидкости и газы следует нагревать снизу, но и то, что у них очень плохая теплопроводность.

3. Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.

Так, например, сидя около камина или костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена —лучистый теплообмен.

Возьмем теплоприемник — прибор, представляющий собой плоскую круглую коробочку, одна сторона которой отполирована, как зеркало, а другая покрыта черной матовой краской. Внутри коробочки находится воздух, который может выходить через специальное отверстие. Соединим теплоприемник с жидкостным манометром (рис. 69) и поднесем к теплоприемнику электрическую плитку или кусок металла, нагретый до высокой температуры. Мы заметим, что столбик жидкости в манометре переместится. Но это означает, что воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился. Нагревание воздуха в теплоприемнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Каким образом передавалась эта энергия? Ясно, что не теплопроводностью, так как между нагретым телом и теплоприемником находится воздух, обладающий малой теплопроводностью. Не было здесь и конвекции: ведь теплоприемник расположен не над нагретым телом, а рядом с ним. Энергия в данном случае передавалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением.

С помощью теплового излучения (как видимого, так и невидимого) передается на Землю и солнечная энергия. Отличительной особенностью этого вида теплообмена является возможность осуществления через вакуум.

Тепловое излучение испускают все тела: электрическая плитка, лампа, земля, стакан с чаем, тело человека и т. д. Но у тел с низкой температурой оно слабое. И наоборот, чем выше температура тела, тем больше энергии оно передает путем излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному. Если теплоприемник (см. рис. 69) повернуть к излучающему телу сначала черной, а затем блестящей поверхностью, то столбик жидкости в манометре в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тело с темной поверхностью лучше поглощает энергию (и, следовательно, сильнее нагревается), чем тело со светлой или зеркальной поверхностью.

Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию. Больше излучая, они и остывают быстрее. Например, в темном чайнике горячая вода остывает быстрее, чем в светлом.

Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в технике. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами. Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.

1. Перечислите виды теплообмена. 2. Что такое теплопроводность? У каких тел она лучше, у каких хуже? 3. Как вы думаете, о чем свидетельствует опыт, изображенный на рисунке 70? 4. Что такое конвекция? 5. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 6. Почему конвекция невозможна в твердых телах? 7. Какой вид теплообмена может осуществляться через вакуум? 8. Как устроен теплоприемник? 9. Какие тела лучше и какие хуже поглощают энергию теплового излучения? 10. Почему в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном?

Экспериментальные задания. 1. Находясь дома, на улице или в транспорте, проверьте, какие предметы на ощупь кажутся более холодными. Что вы можете сказать об их теплопроводности? Составьте на основе своих наблюдений ряд из названий материалов в порядке возрастания их теплопроводности. 2. Включите электрическую лампу и поднесите к ней (не касаясь лампы) руку. Что вы чувствуете? Какой из видов теплообмена происходит в данном случае? 3. Греет ли шуба? Для выяснения этого возьмите термометр и, заметив его показание, закутайте в шубу. Спустя полчаса выньте его. Изменились ли показания термометра? Почему?

Теплопроводность | Определение, наука и приложения

теплопроводность в кулинарии

Посмотреть все средства массовой информации

Ключевые люди:

Андерс Йонас Ангстрем

Похожие темы:

нагревать теплопроводность внешняя проводимость собственная проводимость радиационная проводимость

Просмотреть весь связанный контент →

теплопроводность , способность вещества проводить тепло или перемещать тепло из одного места в другое без движения материала, проводящего тепло. Теплопроводность измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/мК). Например, твердый алюминий имеет теплопроводность 237 Вт/мК при –73 °C (–99 °F), 236 Вт/мК при 0 °C (32 °F) и 232 Вт/мК при 327 °C ( 621 °F). Теплопроводность материала изменяется с температурой и может быть связана с изменениями давления в зависимости от состояния материала.

В физике теплопроводность обозначается символом k или λ . Он представляет собой один из трех способов передачи тепла из одного места в другое, два других — конвекция и излучение. Закон теплопроводности Фурье дает скорость, с которой тепло передается посредством теплопроводности: q = – k ∇ T , где q — локальная плотность теплового потока, а ∇ T — градиент температуры.

Больше из Britannica

жидкость: теплопроводность

Процесс теплопроводности

Когда тепло передается через твердое тело, тепло передается за счет молекулярного или атомного движения и контакта между частицами. Теплопередача не является результатом движения атомов или молекул через твердое тело. В твердом теле тепло перемещается по разности температур (называемой температурным градиентом) из области с высокой температурой и, следовательно, с сильным перемешиванием частиц в область с низкой температурой и, следовательно, с низким перемешиванием частиц. Эта передача тепловой энергии продолжается до тех пор, пока весь материал, составляющий твердое тело, не достигнет теплового равновесия, что означает, что температура во всем материале одинакова. Время, необходимое для этого, зависит от нескольких факторов, включая величину разницы температур внутри материала и тепловые характеристики самого материала. Эти характеристики включают атомный или молекулярный состав материала и расстояние, известное как длина пути, через которое должно проходить тепло.

Когда проводящим материалом является жидкость или газ, тепло передается за счет движения частиц, а также за счет движения самих атомов или молекул. Теплопроводность быстрее всего происходит в твердом теле и медленнее всего в газе. Когда вещество находится в газовой фазе, частицы имеют большие расстояния между собой и поэтому сталкиваются реже. Эти столкновения передают тепловую энергию, поэтому меньшее количество столкновений приводит к более низкой скорости теплопроводности.

Примеры теплопроводности

При приготовлении пищи повара часто используют металлические сковороды. Когда сковорода нагревается на плите, тепловая энергия от плиты передается металлу на дне сковороды. Затем эта энергия распространяется по всей сковороде, в конечном итоге готовя пищу. Однако со временем тепло будет передаваться и на ручку сковороды. Поэтому производители сковород часто тщательно выбирают материал для ручки сковороды, который является плохим проводником тепла, чтобы повара не подвергались опасности обжечь руки.

Тепловое прикосновение, или то, как тело ощущает температуру при прикосновении к горячему или холодному объекту, также подчиняется принципам теплопроводности. Когда человек прикасается к объекту, температура объекта и кожи изменяется в зависимости как от их свойств, так и от их начальной температуры.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Кен Стюарт

Теплопроводность — Энциклопедия Нового Света

Испытание на огнестойкость, используемое для проверки теплопередача через противопожарные и пенетранты, используемые в строительных списках и разрешении использования и соответствии.

В физике теплопроводность , k {\ displaystyle k}, — это свойство материала, указывающее на его способность проводить тепло. Он появляется в первую очередь в законе Фурье для теплопроводности.

Содержание

• 1 Математическая основа
• 2 примера
• 3 Список коэффициентов теплопроводности
• 4 Измерение
  • 4.1 Стандартные методы измерения
• 5 Разница между обозначениями США и Европы
• 6 Связанные термины
  • 6. 1 Первое определение (общее)
  • 6.2 Термическое сопротивление
  • 6.3 Второе определение (здания)
• 7 Текстильная промышленность
• 8 Происхождение
• 9 См. также
• 10 Примечаний
• 11 Каталожные номера
• 12 Внешние ссылки
• 13 кредитов

Теплопроводность является наиболее важным средством передачи тепла в твердом теле. Зная значения теплопроводности различных материалов, можно сравнить, насколько хорошо они способны проводить тепло. Чем выше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло. В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда горячие, быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним атомам. В изоляторах тепловой поток почти полностью переносится фононными колебаниями.

Математическая основа

Во-первых, теплопроводность можно определить по формуле:

H = ΔQΔt = k × A × ΔTx {\ displaystyle H = {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}} = k \ times A \ times {\ frac {\ Delta T} {x }}}

где ΔQΔt{\displaystyle {\frac {\Delta Q}{\Delta t}}} — скорость теплового потока, k — теплопроводность, A — общая поверхность площадь проводящей поверхности, Δ T – разность температур и x — толщина проводящей поверхности, разделяющей две температуры.

Таким образом, преобразование уравнения дает теплопроводность,

k = ΔQΔt × 1A × xΔT {\ displaystyle k = {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}} \ times {\ frac {1} {A}} \ times {\ frac {x }{\Delta T}}}

(Примечание: ΔTx{\displaystyle {\frac {\Delta T}{x}}} – градиент температуры)

Другими словами, это количество тепла, Δ Q , переданное за время Δ t через толщину x , в направлении, нормальном к поверхности площадью A , из-за разности температур Δ T , в стационарных условиях и когда теплопередача зависит только от температурного градиента.

С другой стороны, его можно рассматривать как поток тепла (энергия на единицу площади в единицу времени), разделенный на градиент температуры (разность температур на единицу длины)

k = ΔQA × Δt × xΔT {\ displaystyle k = {\ frac {\ Delta Q} {A \ times {} \ Delta t}} \ times {\ frac {x} {\ Delta T}} }

Типичными единицами измерения являются СИ: Вт/(м·К) и английские единицы: БТЕ·фут/(ч·фут²·°F). Для преобразования между ними используйте соотношение 1 БТЕ·фут/(ч·фут²·°F) = 1,730735 Вт/(м·К). ^[1]

Примеры

В металлах теплопроводность примерно соответствует электропроводности в соответствии с законом Видемана-Франца, поскольку свободно движущиеся валентные электроны переносят не только электрический ток, но и тепловую энергию. Однако общая корреляция между электрической и теплопроводностью не выполняется для других материалов из-за возросшей важности переносчиков фононов для тепла в неметаллах. Как показано в таблице ниже, серебро с высокой электропроводностью менее теплопроводно, чем алмаз, который является электрическим изолятором.

Теплопроводность зависит от многих свойств материала, в частности от его структуры и температуры. Например, чистые кристаллические вещества демонстрируют очень разные теплопроводности вдоль разных осей кристалла из-за различий в взаимодействии фононов вдоль данной оси кристалла. Сапфир является ярким примером переменной теплопроводности в зависимости от ориентации и температуры, для которого в Справочнике CRC сообщается теплопроводность 2,6 Вт / (м·К) перпендикулярно c по оси 373 К, но 6000 Вт/(м·К) при 36 градусах от оси c и 35 К (возможна опечатка?).

Воздух и другие газы обычно являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. Следовательно, многие изоляционные материалы работают просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию. Их примеры включают вспененный и экструдированный полистирол (обычно называемый «пенополистирол») и аэрогель на основе диоксида кремния. Естественные биологические изоляторы, такие как мех и перья, достигают аналогичных эффектов, резко подавляя конвекцию воздуха или воды вблизи кожи животного.

Теплопроводность играет важную роль в изоляции зданий и смежных областях. Однако материалы, используемые в таких профессиях, редко соответствуют стандартам химической чистоты. Значения k некоторых строительных материалов перечислены ниже. Их следует считать приблизительными из-за неопределенностей, связанных с определениями материалов.

Следующая таблица представляет собой небольшую выборку данных для иллюстрации теплопроводности различных типов веществ. Для получения более полных списков измеренных k -значения, см. ссылки.

Список теплопроводностей

Это список приблизительных значений теплопроводности k для некоторых распространенных материалов. Пожалуйста, обратитесь к списку коэффициентов теплопроводности для получения более точных значений, ссылок и подробной информации.

Материал	Теплопроводность Вт/(м·К)
Цемент, портландцемент [2]	0,29
Бетон, камень [2]	1,7
Воздух	0,025
Древесина	0,04 – 0,4
Спирты и масла	0,1 – 0,21
Силикатный аэрогель	0,004-0,03
Почва	1,5
Резина	0,16
Эпоксидная смола (без наполнителя)	0,19
Эпоксидная смола (наполненная диоксидом кремния)	0,30
Вода (жидкая)	0,6
Термопаста	0,7 – 3
Термоэпоксидная смола	1 – 4
Стекло	1. 1
Лед	2
Песчаник	2.4
Нержавеющая сталь [3]	12,11 ~ 45,0
Свинец	35,3
Алюминий	237
Золото	318
Медь	401
Серебро	429
Алмаз	900 – 2320
СНГ	0,23 – 0,26

Измерение

Вообще говоря, существует несколько способов измерения теплопроводности, каждый из которых подходит для ограниченного круга материалов, в зависимости от тепловых свойств и температуры среды. Можно провести различие между стационарными и переходными методами.

Как правило, стационарные методы выполняют измерения, когда температура измеряемого материала не меняется со временем. Это упрощает анализ сигналов (устойчивое состояние подразумевает постоянные сигналы). Недостатком обычно является то, что для этого требуется хорошо спроектированная экспериментальная установка. Разделительный стержень (различных типов) является наиболее распространенным устройством, используемым для образцов консолидированных горных пород.

Методы переходных процессов выполняют измерение в процессе нагрева. Преимущество заключается в том, что измерения могут быть выполнены относительно быстро. Переходные методы обычно осуществляются с помощью игольчатых зондов (вводимых в пробы или погружаемых на дно океана).

Для хороших проводников тепла можно использовать метод стержня Серла. Для плохих проводников тепла можно использовать дисковый метод Лиза. Также можно использовать альтернативный традиционный метод с использованием реальных термометров. Тестер теплопроводности, один из инструментов геммологии, определяет, являются ли драгоценные камни настоящими бриллиантами, используя уникально высокую теплопроводность алмаза.

Стандартные методы измерения

• Стандарт IEEE 442-1981, «Руководство IEEE по измерению удельного теплового сопротивления грунта», см. также «soil_thermal_properties». ^[4]

• Стандарт IEEE 98-2002, «Стандарт подготовки процедур испытаний для термической оценки твердых электроизоляционных материалов» ^[5]

• Стандарт ASTM D5470-06, Метод испытания свойств теплопроводности теплопроводных электроизоляционных материалов» ^[6]

• Стандарт ASTM E1225-04, «Стандартный метод испытания теплопроводности твердых тел с помощью метода защищенного сравнительного продольного теплового потока» ^[7]

• Стандарт ASTM D5930-01, “Стандартный метод испытания теплопроводности пластмасс с помощью метода линейного источника переходного процесса” ^[8]

• Стандарт ASTM D2717-9 ” Стандартный метод испытаний на теплопроводность жидкостей» ^[9]

Разница между обозначениями США и Европы

В Европе значение k строительных материалов (например, оконного стекла) называется значением λ.

Значение U раньше называлось значением k в Европе, но теперь также называется значением U.

K-значение (с большой буквы k) относится в Европе к общей стоимости изоляции здания. K-значение получается путем умножения форм-фактора здания (= общая внутренняя поверхность наружных стен здания, деленная на общий объем здания) на среднее значение U наружных стен здания . Таким образом, значение K выражается как (m ² .m ^-3 ).(W.K ^-1 .m ^-2 ) = W.K ^-1 .m ^-3 . Таким образом, дом объемом 400 м³ и значением K 0,45 (новая европейская норма. Его обычно называют K45) теоретически потребует 180 Вт для поддержания внутренней температуры на 1 градус К выше наружной температуры. Так, чтобы поддерживать в доме 20°С, когда на улице мороз (0°С), требуется 3600 Вт непрерывного отопления.

Связанные термины

Обратная величина теплопроводности равна тепловому удельному сопротивлению , измеряемому в кельвин-метрах на ватт (K·m·W ⁻¹ ).

При работе с известным количеством материала можно описать его теплопроводность и обратное свойство тепловое сопротивление . К сожалению, существуют разные определения этих терминов.

Первое определение (общее)

Для общенаучного использования теплопроводность — это количество тепла, которое проходит в единицу времени через пластину определенной площади и толщины , когда температура ее противоположных граней отличается на один градус. Для плиты теплопроводностью k , площадь A и толщина L это кА/л , измеренное в Вт·К ^-1 (эквивалентно: Вт/°C). Теплопроводность и электропроводность аналогичны электропроводности (А·м ^-1 · В ^-1 ) и электропроводности (А·м ^-1 ).

Существует также показатель, известный как коэффициент теплопередачи: количество тепла, которое проходит в единицу времени через единиц площади пластины определенной толщины, когда температура ее противоположных граней отличается на один градус. Обратное равно теплоизоляция . В итоге:

• Термическая проводимость = Ka / L , измеренный в W · K ^-1
  • Thermal Stepance = L /, , , , ,
    ,
    ,
    ,
    . эквивалентно: °C/Вт)
• коэффициент теплопередачи = k / л , измеряется в Вт·К ⁻¹ ·м ⁻²
  • теплоизоляция = L / k , измеряется в К·м²·Вт ⁻¹ .

Коэффициент теплопередачи также известен как коэффициент теплопроводности

Термическое сопротивление

Когда тепловые сопротивления возникают последовательно, они складываются. Таким образом, когда тепло проходит через два компонента с сопротивлением 1 °C/Вт, общее сопротивление составляет 2 °C/Вт.

Общая проблема инженерного проектирования связана с выбором радиатора подходящего размера для данного источника тепла. Работа в единицах термического сопротивления значительно упрощает расчет конструкции. Для оценки производительности можно использовать следующую формулу:

Rhs = ΔTPth−Rs {\ displaystyle R_ {hs} = {\ frac {\ Delta T} {P_ {th}}} -R_ {s}}

, где:

• R _hs — максимальное тепловое сопротивление радиатора окружающей среде, °C/Вт
• ΔT{\displaystyle \Delta T} — разность температур (падение температуры), °C
• P _th – тепловая мощность (тепловой поток), в ваттах
• R _s тепловое сопротивление источника тепла, °C/Вт

Например, если компонент производит 100 Вт тепла и имеет тепловое сопротивление 0,5 °C/Вт, каково максимальное тепловое сопротивление радиатора? Предположим, что максимальная температура составляет 125 °C, а температура окружающей среды составляет 25 °C; тогда ΔT {\ displaystyle \ Delta T} составляет 100 ° C. Тогда тепловое сопротивление радиатора окружающей среде должно быть не более 0,5 °C/Вт.

Второе определение (здания)

При работе со зданиями тепловое сопротивление или R-значение означает то, что описано выше как теплоизоляция, а теплопроводность означает обратное значение. Для материалов, соединенных последовательно, эти тепловые сопротивления (в отличие от проводимости) можно просто добавить, чтобы получить тепловое сопротивление в целом.

Третий термин, коэффициент теплопередачи , включает теплопроводность конструкции наряду с теплопередачей за счет конвекции и излучения. Он измеряется в тех же единицах, что и теплопроводность, и иногда называется 9.0129 составная теплопроводность . Термин U-значение является еще одним синонимом.

Таким образом, для пластины с теплопроводностью k (значение k ^[10] ), площадью A и толщиной L :

• теплопроводность = к / л , измеренная в Вт·К ⁻¹ ·м ⁻² ;
• тепловое сопротивление (значение R) = L / k , измеряется в К·м²·Вт ⁻¹ ;
• коэффициент теплопередачи (значение U) = 1/(Σ( L / k )) + конвекция + излучение, измеренное в Вт·K ⁻¹ ·м ⁻² .

Текстильная промышленность

В текстиле значение tog может указываться как мера термостойкости вместо меры в единицах СИ.

Происхождение

Теплопроводность системы определяется тем, как взаимодействуют атомы, составляющие систему. Не существует простых правильных выражений для теплопроводности. Существует два различных подхода к расчету теплопроводности системы.

Первый подход использует соотношения Грина-Кубо. Хотя при этом используются аналитические выражения, которые в принципе могут быть решены, для расчета теплопроводности плотной жидкости или твердого тела с использованием этого соотношения требуется использование компьютерного моделирования молекулярной динамики.

Второй подход основан на подходе времени релаксации. Известно, что из-за ангармонизма внутри кристаллического потенциала фононы в системе рассеиваются. Существует три основных механизма рассеяния (Шривастава, 1990):

• Граничное рассеяние, попадание фонона на границу системы;
• Рассеяние на дефекте масс, попадание фонона на примесь в системе и рассеяние;
• Фонон-фононное рассеяние, фонон, разбивающийся на два фонона с более низкой энергией или фонон, сталкивающийся с другим фононом и сливающийся в один фонон с более высокой энергией.

См. также

• Нагрев
• Удельная теплоемкость
• Термистор
• Термопара
• Электропроводность

Примечания

1. ↑ Справочник инженера-химика Перри, 7-е изд., таблица 1-4.
2. ↑ ^{2.0 2.1} Теплопроводность некоторых распространенных материалов Дата обращения 26 мая 2008 г.
3. ↑ Теплопроводность металлов Дата обращения 26 мая 2008 г.
4. ↑ Руководство IEEE по измерению удельного теплового сопротивления почвы. Дата обращения 26 мая 2008 г.
5. ↑ Стандарт подготовки процедур испытаний для тепловой оценки твердых электроизоляционных материалов, получено 26 мая 2008 г.
6. ↑ Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов, получено 26 мая 2008 г.
7. ↑ Стандартный метод испытаний теплопроводности твердых тел с помощью метода защищенного сравнительного продольного теплового потока, получено 26 мая 2008 г.
8. ↑ Стандартный метод испытаний теплопроводности пластмасс с помощью метода переходного линейного источника, получено 26 мая 2008 г.
9. ↑ Стандартный метод испытаний теплопроводности жидкостей, дата обращения 26 мая 2008 г.
10. ↑ Определение значения k от Plastics New Zealand, получено 26 мая 2008 г.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Baierlein, Ralph. 2003. Теплофизика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521658381
• Холлидей, Дэвид, Роберт Резник и Джерл Уокер. 1997. Основы физики , 5-е изд. Нью-Йорк: Уайли. ISBN 0471105589
• Серуэй, Рэймонд А. и Джон В. Джуэтт. 2004. Физика для ученых и инженеров. Белмонт, Калифорния: Томсон-Брукс/Коул. ISBN 0534408427
• Шривастава, Г. П. 1990. Физика фононов. Бристоль: А. Хильгер. ISBN 0852741537
• Янг, Хью Д. и Роджер А. Фридман. 2003. Физика для ученых и инженеров .