Теплопроводность различных веществ: Теплопроводность – различное вещество – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

alexxlab | 09.12.1986 | 0 | Разное

Содержание

Теплопроводность – различное вещество – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Теплопроводность – различное вещество

Cтраница 1

Теплопроводность различных веществ характеризуется коэффициентом теплопроводности, обычно обозначаемым буквой Я. Он показывает, какое количество тепла ( в ккал) передается в час через каждый квадратный метр площади поперечного сечения данного материала на длину 1 м при разности температур 1 С на этой длине. Коэффициент теплопроводности имеет размерность ккал / м ч град. Эти данные приведены для средней температуры 20 С.  [1]

Теплопроводность различных веществ характеризуется коэффициентом теплопроводности. Этот коэффициент имеет размерность ккал / м-ч-град. Он показывает, какое количество тепла ( ккал) передается в час через данный материал с площадью поперечного сечения 1 м2 при разности температур 1 С на каждый метр длины проводника тепла.  [2]

Теплопроводность различных веществ

зависит от их удельной теплоемкости, температуры и давления и снижается с увеличением размеров молекулы.  [4]

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 10000 раз меньше, а у воздуха она примерно в 20000 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.  [5]

Коэффициент теплопроводности различных веществ

зависит от их молекулярной структуры, плотности, теплоемкости, вязкости, влажности и температуры. Эта зависимость обычно малосущественна для тепловых расчетов электрических машин, в связи с чем в расчетах применяются средние табличные значения коэффициента теплопроводности. Более строгого подхода требуют электрические машины с низкотемпературными системами охлаждения.  [6]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств: структуры тела, средней плотности, влажности, химического состава, давления и температуры.  [7]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их молекулярной структуры, удельного веса, теплоемкости, вязкости, влажности и температуры. Эти зависимости обычно мало существенны для тепловых расчетов электрических машин, в связи с чем в расчетах применяются средние табличные величины.  [8]

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств. Для определенного тела величина коэффициента теплопроводности зависит от структуры тела, его объемного веса, влажности, химического состава, давления, температуры. В технических расчетах величину К берут из справочных таблиц, причем надо следить за тем, чтобы условия, для которых приведено в таблице значение коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.  [10]

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

Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от ряда факторов. У всех веществ ( твердых, жидких и газообразных) он зависит от температуры; у твердых тел он зависит от структуры ( плотной, пористой, сыпучей), удельного веса и влажности; у жидкостей – от теплоемкости, вязкости, удельного и молекулярного веса; у газов – от температуры и давления.  [12]

Так как теплопроводности различных веществ при увеличении температуры сближаются, то при этом ДА / А и соответственно чувствительность катарометра уменьшаются.  [13]

Так как теплопроводности различных веществ при увеличении температуры сближаются, то при этом ДАЛ, и соответственно чувствительность катарометра уменьшаются.  [14]

Для реальных значений коэффициента теплопроводности различных веществ число Прандтля не достигает тех больших значений, для которых мог бы иметь место этот предельный закон.  [15]

Страницы:      1    2

Теплопроводность. Передача теплоты от одних частей тела к другим. Методические материалы

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы основной и средней школы (базового уровня).

Компьютерная модель представляет собой иллюстрацию явления передачи теплоты от одних частей тела к другим на примере опытов, в которых нагреву подвергаются стержни из различных металлов.

Краткая теория

Различные вещества имеют разную теплопроводность.

Теплопроводность – это один из видов 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, происходит лишь перенос энергии.

Работа с моделью

Демонстрация состоит из трех экранов. Нагреваются стержни из различных по теплопроводности металлов, к которым прикреплены кнопки с помощью пластилина. По мере нагрева пластилин плавится и кнопки падают на подставку. Модель может быть использована в режиме ручного переключения кадров и в режиме автоматической демонстрации (). Пользователь может приостановить или возобновить демонстрацию процесса с помощью кнопки .

Рекомендации по применению модели

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 8 классе по теме «Теплопроводность». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися процесс передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой, зависимость теплопроводности тел от вещества.

Пример планирования урока с использованием модели

Тема «Теплопроводность»

Цель урока: рассмотреть такой вид теплопередачи как теплопроводность; установить зависимость теплопроводности разных тел от вещества, агрегатного состояния, дать этому объяснение с точки зрения строения вещества; обсудить применение разной теплопроводности тел в быту и технике.

№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Проверка домашнего задания по теме «Способы изменения внутренней энергии» 5 Тест
3 Объяснение нового материала с использованием компьютерных моделей «Передача теплоты от одних частей тела к другим», «Явление теплопроводности». 20 Объяснение нового материала с применением компьютерных моделей «Передача теплоты от одних частей тела к другим», «Явление теплопроводности»
4 Решение качественных задач 10 Фронтальная работа
5 Объяснение домашнего задания 3

Таблица 1. 

Примеры вопросов и заданий

Сковорода стоит на горячей плите. Каким способом происходит в основном теплопередача от нижней стороны сковороды к верхней ее стороне?

Теплопроводность

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания – 5 балльная. Разбалловка теста – 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Список вопросов теста

Вопрос 1

Закончите предложение:
У различных веществ теплопроводность …

Варианты ответов
  • различная.
  • одинаковая.
  • зависит от температуры.
  • то есть, то её нет.
Вопрос 2

Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества, называется… Восстановите пропущенное слово в начальной форме.

Вопрос 3

Какие, из предложенных веществ, обладают плохой теплопроводностью?

Варианты ответов
  • стекло
  • дерево
  • сталь
  • медь
  • снег
Вопрос 4

Материалы, слабопроводящие теплоту, называются … Восстановите пропущенное слово в нужной форме.

Вопрос 5

Могут ли проводить теплоту газы?

Варианты ответов
  • да, но очень медленно.
  • нет.
  • да, и этот процесс занимает минимум времени.
  • всё зависит от состояния, в котором находится газ
Вопрос 6

Укажите правдивость высказываний.

Варианты ответов
  • Шуба греет человека.
  • Много снега – мало хлеба.
  • Снег на полях – хлеб в закромах.
  • Шуба не греет, а сохраняет тепло.
Вопрос 7

Какие тела – твердые, жидкие или газообразные – обладают лучшей теплопроводностью?

Варианты ответов
  • твёрдые
  • жидкие
  • газообразные
  • теплопроводность не зависит от агрегатного состояния вещества
Вопрос 8

Кастрюлю с водой поместили на горячую электрическую плитку. Внутренняя энергия кастрюли и воды при этом …

Варианты ответов
  • не изменяется
  • увеличивается, вследствие совершения работы
  • увеличивается, вследствие теплопередачи и совершения работы
  • увеличивается, вследствие теплопередачи
Вопрос 9

Стержень с одного конца нагревают в пламени свечи. Выберите верное утверждение:

Варианты ответов
  • происходит передача потенциальной энергии от одного конца стержня к другому
  • происходит передача внутренней энергии от одного конца стержня к другому
  • происходит перемещение частиц от одного конца стержня к другому
  • ничего не происходит
Вопрос 10

В каком чайнике вода нагреется быстрее: в новом или старом, на стенках которого имеется накипь?

Варианты ответов
  • в старом
  • в новом
  • вода нагреется одновременно
  • для ответа на вопрос недостаточно данных

Теплопроводность | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Теплопроводность». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое теплопроводность. Как различаются теплопроводности веществ.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике


Теплопроводность

Теплопередача является одним из способов передачи внутренней энергии от одного тела к другому. Существует три вида теплопередачи.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Когда вы опускаете чайную ложку в стакан с горячим чаем, то нагревается не только часть ложки, опущенная в воду, но постепенно и та часть ложки, которая находится над водой. Значит, внутренняя энергия может переходить не только от одного тела к другому, но и от одной части тела к другой части того же тела.

Проведём следующий опыт. В штативе закрепим толстую металлическую проволоку, к которой при помощи воска прикрепим несколько гвоздиков. Нагреем свободный конец проволоки. Сначала от нагревания размягчается воск, который удерживает ближайший от пламени гвоздик. Спустя некоторое время этот гвоздик отрывается от стержня и падает. Затем падает второй гвоздик, третий и т. д. Следовательно, стержень проводит тепло.

Как объясняется это явление? В проволоке, как и во всех твёрдых телах, атомы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. При нагревании проволоки в месте её контакта с горелкой скорость колебательного движения атомов металла увеличивается. Эти атомы, взаимодействуя с соседними атомами, передают им часть своей энергии. Таким образом, в результате теплопередачи постепенно нагревается вся проволока.

Важно отметить, что в твёрдых телах сами атомы, передавая кинетическую энергию, не меняют своё местоположение, т. е. само вещество не перемещается.

Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называют теплопроводностью. При теплопроводности само вещество не перемещается от одной части тела к другой.

Когда хотят вскипятить воду на костре, котелок с водой вешают на деревянную палку. Именно благодаря низкой теплопроводности дерева мы можем спокойно снять котелок с кипящей водой с костра и не обжечься. Низкая теплопроводность дерева используется с древности при изготовлении, например, факелов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Разные вещества имеют неодинаковую теплопроводность. Если один конец деревянной сухой палки держать в руке, а второй конец опустить в костёр, мы не почувствуем нагрева палки до тех пор, пока огонь не коснётся руки. Если же в этом опыте вместо палки взять металлический прут, то свободный конец достаточно быстро станет очень горячим и держать его в руке мы уже не сможем. Всё дело в том, что металлы обладают гораздо большей теплопроводностью, чем дерево.

Рассмотрим следующий опыт. Верхние концы стержней одинакового размера из меди, алюминия, железа, стекла и дерева прогреваются горячей водой. К нижним концам этих стержней прикреплены воском гвоздики. Быстрее всего гвоздик отпадает от медного стержня, значит, медь очень хороший проводник тепла. Через некоторое время гвоздик отпадает от алюминиевого стержня, затем — от железного, и только потом от стеклянного. От деревянного стержня, имеющего низкую теплопроводность, гвоздик не отпадёт.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Возьмём пробирку с водой и погрузим в неё кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лёд легче воды), придавим его медным грузиком. Но при этом вода должна иметь свободный доступ ко льду. Начнём нагревать верхнюю часть пробирки. Вскоре вода у поверхности закипит, выделяя клубы пара. Но при этом лёд на дне пробирки так и не растает. Это означает, что у жидкостей теплопроводность невелика (за исключением ртути и расплавленных металлов).

У газов теплопроводность ещё меньше. Это можно проверить на следующем опыте. В сухую пробирку, закрытую резиновой пробкой с маленьким отверстием, вставим металлическую спицу. Держа спицу в руке, нагреем пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Несмотря на высокую теплопроводность металла, рука долго не почувствует тепла, так как воздух в пробирке имеет очень низкую теплопроводность и спица практически не нагреется.

Уменьшение теплопроводности газов по сравнению с твёрдыми телами связано с увеличением расстояния между молекулами. Так как передача тепла обусловлена передачей кинетической энергии между молекулами, с увеличением межмолекулярного расстояния эта передача становится всё более затруднительной.

Вещества с плохой теплопроводностью одинаково хорошо могут использоваться для поддержания тел как в холодном состоянии, так и в нагретом.

Плохая теплопроводность снега позволяет сохранить озимые растения в холодные зимы. Поэтому в бесснежные зимы часто происходит вымерзание озимых посевов на полях. Низкая теплопроводность воздуха, заключённого между перьями птиц, шерстинками меха животных, обеспечивает им эффективную защиту от холода. Низкой теплопроводностью обладают все пористые вещества, например пробка или бумага.

Вещества с низкой теплопроводностью широко применяются в быту и технике. Для защиты от холода люди с древности возводили жилища из дерева и камня. Для защиты от ожога на металлических кастрюлях и чайниках делаются пластиковые или деревянные ручки. Хорошая теплопроводность металлов, таких, как алюминий и медь, используется при изготовлении деталей охлаждающих устройств.

Способностью передавать тепло, или теплопроводностью, обладают все вещества: и твёрдые, и жидкие, и газообразные. Однако теплопроводность различных веществ неодинакова. Лучшими проводниками тепла являются металлы. Хуже всего проводят тепло газы. Известно, что теплопроводность воздуха в 20 000 раз меньше теплопроводности меди.

Самую низкую теплопроводность имеет вакуум. Так называют пространство, в котором отсутствуют атомы и молекулы. Теплопроводность вакуума близка к нулю.

 


Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Теплопроводность».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 4 094

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?

всё про ремонт и обустройство жилья

Из Википедии — свободной энциклопедии

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Различают стационарный и нестационарный процессы теплопроводности в твердом теле. Стационарный процесс характеризуется неизменными во времени параметрами процесса. Такой процесс утанавливается при длительном поддержании температур теплообменивающихся сред на одном и том же уровне. Нестационарный процесс представляет собой неустановившийся тепловой процесс в телах и средах, характеризуемый изменением температуры в пространстве и во времени.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

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

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

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

(1)

Удельный тепловой поток определяется соотношением:

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

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

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

В общем случае коэффициент теплопроводности имеет различные значения для различных веществ. Для данного вещества коэффициент теплопроводности зависит от его физических характеристик, температуры, давления, влажности и структуры. Для веществ, имеющих практическое применение, не удалось установить аналитическую зависимость коэффициента теплопроводности от физических характеристик вещества. При инженерных расчетах значения коэффициента теплопроводности выбираются из справочных таблиц, составленных по опытным данным. На рисунке показаны пределы изменения коэффициента теплопроводности различных веществ.

Порядок величин коэффициента теплопроводности для различных веществ

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

где λо — значение коэффициента теплопроводности при температуре t0;

b — постоянная, определяемая опытным путем.

Значения коэффициента теплопроводности газов находятся в пределах от 0,004 до 0,4 Вт×м -1 ×K -1 . С повышением температуры коэффициент теплопроводности идеальных газов увеличивается, а от изменения давления практически не зависит. Исключение составляют очень низкие (20 мм рт. ст.) и очень высокие (>2000 атм) давления. Наибольшие значения коэффициента теплопроводности у гелия и водорода (в 5 — 10 раз больше, чем у других газов). Это объясняется большой скоростью движения молекул гелия и водорода между очередными соударениями.

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

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

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

Коэффициент теплопроводности металлов лежит в пределах от 1,72 до 310 Вт×м -2 . Наиболее теплопроводным металлом является серебро (λ = 310), затем красная медь (λ = 292), золото (λ = 224), алюминий (λ = 155) и т. д. При наличии примесей в металле коэффи-миенттеплопроводности уменьшается. Так, например, красная медь со следами мышьяка имеет λ = 105 Вт×м -1 ×K -1 . Для железа с 0,1% углерода λ = 39 Вт×м -1 ×K -1 , с 1,0% углерода λ = 29, с 1,5% углерода λ = 27 Вт×м -1 ×K -1 . Для закаленной углеродистой стали коэффициент теплопроводности на 10 — 25% ниже, чем для незакаленной. При повышении температуры значения коэффициента теплопроводности чистых металлов уменьшаются. Это объясняется тем, что с повышением температуры появляются тепловые неоднородности в металле, вызывающие усиление рассеивания электронов. В отличие от чистых металлов коэффициент теплопроводности сплавов увеличивается с ростом температуры.

Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов лежит в пределах от 0,02 до 2,1 Вт×м -1 ×K -1 , причем с повышением температуры он возрастает. Как правило, с увеличенном плотности материала коэффициент теплопроводности растет. Он зависит от структуры материала, его пористости и влажности. Наличие пор во многих строительных и теплоизоляционных материалах (кирпич, бетон, асбест, шлак и т. п.) не позволяет рассматривать их кик сплошную среду. Применение к таким телам закона Фурье является условным. Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел в значительной степени зависит от плотности. Например, коэффициент теплопроводности асбеста при возрастании плотности от 400 до 800 кг/м 3 увеличивается от 0,08 до 0,18 Вт×м -1 ×K -1 . Такое положение объясняется тем, что с увеличением плотности материала уменьшается количество воздуха в порах, у которого коэффициент теплопроводности значительно меньше, чем у твердой части пористого тела. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно больше, чем для сухого и для воды в отдельности. Это объясняется конвективным переносом тепла, возникающим вследствие капиллярного движения воды по пористому материалу, а также тем, что абсорбционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой.

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Лекция №5 – 2 ч.

Теория теплообмена, основные понятия и определения. Теплопроводность. Предмет и методы теории теплообмена. Основные виды переноса теплоты. Понятия теплоотдачи и теплопередачи. Температурное поле, температурный градиент. Закон Фурье. Расчетные формулы стационарной теплопроводности для плоской и цилиндрической стенок при граничных условиях 1 и 3 рода (теплопередача).

Основы теории теплообмена

Теплопередача — это процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку. Теплопередача связана с весьма сложными процессами и при ее изучении необходимо знать законы теории теплообмена и методы анализа, применяемые в физике, термодинамике, гидродинамике и химии.

Сложный процесс переноса теплоты разбивают на ряд более простых. Такой прием упрощает его изучение. Кроме того, каждый простой процесс переноса теплоты подчиняется своим законам. Существует три простейших способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение.

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микрочастицами (молекулами, атомами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

Конвективный теплоперенос (конвекция) наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвекция — это перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества. Следует иметь в виду, что одновременно с конвекцией всегда существует и теплопроводность. Однако конвекция обычно является определяющей, т. к. она интенсивнее теплопроводности.

Конвекцией можно передавать теплоту на очень большие расстояния (например, при движении газа по трубам). Движущаяся среда (жидкость или газ), используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем.

Третьим способом переноса теплоты является излучение. За счет излучения теплота передается во всех лучепрозрачных средах, в том числе и в вакууме. Носителями энергии при теплообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

В большинстве случаев перенос тепла осуществляется несколькими способами одновременно. Например, конвективная теплопередача от газа к стенке практически всегда сопровождается параллельным переносом теплоты излучением.

Основные понятия и определения

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока. Плотность теплового потока — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную плотность поверхности, q [Вт/м2].

Мощность теплового потока или просто тепловой поток — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, [Вт].

поверхность теплообмена F — это поверхность, через которую происходит передача тепла. Например, при остывании теплоносителя в трубе диаметром d и длиной l, тепло передается от горячего теплоносителя к окружающей среде через цилиндрическую поверхность трубы. В этом случае .

Перенос теплоты зависит от распределения температуры по объему тела или пространства. Температурным полем называется совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела или системы тел в данный момент времени. Математическое описание температурного поля имеет вид:

где t — температура;

x, y,z — пространственные координаты;

— время.

Температурное поле, описываемое приведенным уравнением, называется нестационарным. В этом случае температуры зависят от времени.

В том случае, когда распределение температуры в теле не изменяется со временем, температурное поле называется стационарным

если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называется соответственно одно— и двухмерным:

Температурные поля (1.2) и (1.3) называются трехмерными.

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Изотермические поверхности могут быть замкнутыми, но не могут пересекаться. Быстрее всего температура изменяется при движении в направлении, перпендикулярном изотермической поверхности. Скорость изменения температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Градиент температуры

(grad t) — есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной пот температуры по этому направлению:

,

Рисунок 1 — Расположение градиента температуры и вектора теплового потока относительно изотермы t2=Const температурного поля

где — единичный вектор, направленный в сторону возрастания температур нормально к изотермической поверхности.

Теория теплопроводности

Закон Фурье

Теория теплопроводности рассматривает тело как непрерывную среду. Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье — вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры:

,

где — коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К). Он характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту.

Знак «-» указывает на противоположное направление вектора теплового потока и вектора градиента температуры. Вектор плотности теплового потока q всегда направлен в сторону наибольшего уменьшения температуры.

скалярная величина вектора плотности теплового потока:

,

Из формулы следует, что коэффициент теплопроводности определяет плотность теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит от химической природы вещества и его физического состояния (плотности, влажности, давления, температуры). Диапазоны изменения для различных материалов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 — Теплопроводность при стационарном режиме

При расчете теплообменных аппаратов, анализе теплового баланса работающего оборудования, оценке тепловых потерь ирешении многих других задач теплообмена, часто необходимо рассчитать тепловой поток, проходящий через твердую стенку, разделяющую жидкости или газы при различных температурах, который в простейшем случае вычисляется по формуле:

K — коэффициент теплопередачи;

Tf1 , Tf2 — температуры жидкости или газа между которыми происходит теплообмен

Как видно, наибольшую сложность здесь представляет определение коэффициента теплопередачи k, который зависит от физических свойств теплоносителя, режима течения и коэффициента теплопроводности твердой стенки. Коэффициент теплопередачи плоской стенки можно выразить через коэффициенты теплоотдачи поверхностей стенки:

α1 , α2 — коэффициенты теплоотдачи поверхностей стенки;

λ — коэффициент теплопроводности стенки;

δ — толщина стенки;

Вычислив коэффициенты теплоотдачи, на данной странице можно рассчитать тепловой поток, передаваемую мощность, коэффициент теплопередачи и температуру плоской или цилиндрической стенки.

Расчет теплопередачи через плоскую стенку

Исходные данные:

H — толщина стенки, миллиметрах;

S — площадь стенки, метрах 2 ;

Tfa — температура среды А, в °C;

αa — коэффициент теплоотдачи поверхности А, в ватт/метр 2 ×°C;

Tfb — температура среды B, в °C;

αb — коэффициент теплоотдачи поверхности B, в ватт/метр 2 ×°C.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ СТЕНКУ

Толщина стенки, H, мм

Площадь стенки, S, м 2

Теплопроводность стенки λ, Вт/(м* 0 C×сек)

Температура среды А, Т, 0 С

Коэффициент теплоотдачи, αа, Вт/м 2 * 0 С

Температура среды B, Тfb, 0 С

Коэффициент теплоотдачи, αb, Вт/м 2 * 0 С

Опыт теплопроводности вода и металлической ложки. Исследование теплопроводности различных веществ. IV. Полезные советы

Тема урока: Урок занимательной физики

по теме «тепловые явления»

Цели урока :

1. Обучающая: систематизировать знания учащихся по теме «Тепловые явления» и продемонстрировать учащимся занимательные эксперименты с помощью самодельного оборудования.

2. Воспитывающая:

3. Развивающая: развивать логику, четкость и краткость речи, физическую терминологию, навыки обобщения, общую эрудицию учащихся.

Оборудование:

Демонстрации:

План урока

    Организационный момент

    Постановка цели урока

    Актуализация знаний

    Демонстрация занимательных экспериментов и их объяснение на основе пройденного ранее материала

    Домашнее задание

    Итог урока

Ход урока

    Организационный момент

    Постановка цели урока

На протяжении нескольких уроков мы с вами рассматривали различные тепловые процессы и учились объяснять их на основе современных знаний по физике.

Сегодня на уроке мы с вами рассмотрим ряд занимательных экспериментов по этой теме и объясним наблюдаемое на основе имеющихся у нас знаний.

    Актуализация знаний

Но с начала давайте вспомним изученный ранее нами материал.

Вопросы:

    1. Какие явления называются тепловыми?

      Приведите примеры тепловых явлений?

      Что характеризует температура?

      Как связана температура тела со скоростью движения его молекул?

      Чем отличается движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах?

    Демонстрация занимательных экспериментов

Физика вокруг нас! Мы встречаемся с нею повсюду. А какие опыты можно провести дома не используя дорогостоящие приборы и оборудование? Очень простые – занимательные…

Эксперимент №1

«Фокус для новогодней ночи»

Этот фокус лучше всего показывать в новогоднюю ночь в комнате, освещенной лишь елочной гирляндой. Фокусник берет со стола две свечи. Он соединяет их фитилями, произносит “магическое заклинание” – и вот… в месте контакта фитилей появляется дымок, а вслед за ним и огонь. Фокусник разводит свечи в стороны – они горят! В чем секрет фокуса?

Ответ: Кто увлекается химией, наверно, уже додумался, в чем секрет фокуса – в самовоспламеняющейся смеси. Перед демонстрацией фокуса, приготовьте реквизиты, для этого нужно посыпать фитиль одной из свеч, порошком перманганата калия (марганцовкой), а другой пропитать жидким глицерином. Помните, воспламенение происходит не сразу, требуется некоторое время. Будьте осторожны. Огонь-то настоящий.

Эксперимент №2

« КИПЯТИЛЬНИК»

Может ли кипеть вода при комнатной температуре?

Для ответа на этот вопрос проведём такой опыт: Наполнил одноразовый медицинский шприц, в котором отсутствовала игла, на 1/8 водой. Затем закроем пальцем отверстие и резко вытянем поршень до крайнего положения. Вода внутри шприца “закипела”, оставаясь холодной. Почему “кипит” вода?

Ответ: Температура кипения зависит от давления. Чем меньше давление газа над поверхностью жидкости, тем ниже температура кипения этой жидкости.

Эксперимент №3

«Не может быть?»

Для опыта сварите вкрутую яйцо.
Очистите его от скорлупы. Возьмите листок бумаги размером
80 на 80 мм, сверните его гармошкой и подожгите. Затем опустите горящую бумагу в бутылку с широким горлом.
Через 1-2 сек горлышко накройте яйцом (см.рис) .Горение бумаги прекращается, и яйцо начинает втягиваться в графин. Объясните наблюдаемое явление.

Ответ: При горении бумаги воздух в нутрии бутылки нагрелся и расширился. Когда пламя потухло, воздух в бутылке охладился и соответственно, его давление уменьшилось, и атмосферное давление затолкнуло яйцо внутрь бутылки.

Замечание : Этот опыт можно сделать интереснее, если в горлышко бутылки вставить не до конца очищенный банан. Втягиваясь в бутылку, он одновременно и очистится

Эксперимент №4

«Ползущий стакан»

Возьмите чистое оконное стекло длиной около 30 – 40 см. Под один край стекла подложите два спичечных коробка, так, чтобы образовалась наклонная плоскость. Смочите водой край стакана из тонкого стекла и поставить вверх дном на стекло. Поднести к стенке стакана горящую свечу и стакан медленно поползет. Как это объяснить?

Ответ: Это объясняется тем, что при нагревании воздух внутри стакана расширяется и чуть приподнимает стакан. Вода мешает воздуху выйти из стакана наружу, в результате сила трения между стаканом и стеклом уменьшается и стакан ползет вниз.

Эксперимент №5

«Наблюдение испарения и конденсации»

Эксперимент №6

Пронаблюдайте конвекцию в холодной и горячей воде, используя в качестве красителя кристаллы марганцовки, каплю зеленки или любые другие красящие вещества. Сравните характер и скорость конвекции и сделайте выводы

Эксперимент №7

Интересно, что…

Самый длительный в истории научных исследований эксперимент проходит в одном из университетов Австралии. Первый декан физического факультета этого университета Т.Парнелл еще в 1927 г. расплавил немного битума, залил его в воронку с пробкой на конце, дал ему в течение трех лет охладиться и отстояться, а затем вынул пробку. С тех пор в среднем 1 раз в 9 лет из воронки падает капля смолы в подставленный внизу стакан. Последняя капля упала на Рождество в 1999 г. Полагают, что воронка опустеет не раньше, чем еще через 100 лет.

НАРОДНАЯ МУДРОСТЬ

Пословицы:

«Много снега – много хлеба» Почему?

Ответ: Снег, обладает плохой теплопроводностью, т.е. снег является “шубой” для земли, он сохраняет ее тепло. Шуба толстая, мороз не доберется до озимых, предохранит их от вымерзания.

“Без крышки самовар не кипит, без матери ребенок не резвиться”. Почему самовар без крышки долго не закипает?

Ответ: При открытой крышке часть молекул, имеющих большую кинетическую энергию, будет улетать с поверхности воды, унося с собой энергию.

“Замерз – как на дне морском.” А почему на морском дне всегда холодно?

Ответ: Солнечные лучи не прогревают глубокие слои воды: тепловые, инфракрасные лучи – поглощаются почти все водной поверхностью. Кроме того, вода имеет сравнительно низкую теплопроводность.

Задачи – загадки

Зимой – греет, весной – тлеет, летом – умирает, осенью – летает. (Снег.)

Мир обогревает, усталости не знает. (Солнце.)

Как энергия Солнца достигает Земли?

Ответ. Излучением. (Электромагнитными волнами)

Висит груша – нельзя скушать; не бойся – тронь, хоть внутри и огонь. (Электрическая лампочка. )

Без ног бежит, без огня горит. (Электричество.)

Как Солнце горит, быстрее ветра летит, дорога в воздухе лежит, по силе себе равных не имеет. (Молния.)

Кто не учившись, говорит на всех языках? (Эхо.)

По морю идет, идет, а до берега дойдет – тут и пропадет. (Волна.)

Вокруг носа вьется, а в руки не дается. (Запах.)

Без крыльев, без тела за тысячу верст прилетела. (Радиоволна. )

Как можно пронести воду в решете? (Заморозив воду.)

    Домашнее задание

Приготовьте в морозилке лед. Сложите его в целлофановый пакет и оберните пуховым платком или обложите ватой. Можно дополнительно завернуть в шубу. Оставьте этот сверток на 5–7 ч, затем проверьте сохранность льда. Объясните наблюдаемое состояние.

Предложите дома способ сохранения замороженных продуктов при размораживании холодильника.

    Итог урока

Сегодня на уроке мы с вами вспомнили, что такое тепловые явления, пронаблюдали примеры тепловых явлений на опытах, поставленных с помощью элементарного, подручного оборудования и объяснили эти явления.

Подведение итогов урока, выставление оценок.

Разделы: Физика

Целью работы является обобщение экспериментальных заданий, проведенных учащимися 8 – го класса в домашних условиях при изучении различных видов теплообмена.

Задачи:

  1. Изучить дополнительную литературу по теме “Виды теплообмена”.
  2. Провести экспериментальные работы в домашних условиях.
  3. Проанализировать и обобщить результаты экспериментов. Соотнести свои результаты с выводами, предложенными в учебнике.
  4. Привести дополнительные примеры из жизни (не включая материалы из учебного материала).
  5. Разработать рекомендации “Полезные советы” с применением выводов темы “Виды теплообмена”.

I. Эксперименты по теплопроводности.

  1. В стеклянный и алюминиевый стаканы одинаковой массы и одинаковой емкости одновременно налейте одинаковое количество горячей воды. Прикосновение рукой к стаканам покажет, что алюминиевый стакан прогревается быстрее, это происходит потому, что теплопроводность алюминия выше, чем теплопроводность стекла.
  2. Налейте чай в алюминиевую и фарфоровую кружки. Когда будем пить чай из алюминиевой кружки, то мы сильнее обожжем губы, чем из фарфоровой, так как, когда мы касаемся губами кружки и охлаждаем тем самым некоторый ее участок, большее количество теплоты от горячего чая передается губам через алюминиевую кружку, так как теплопроводность алюминия выше, чем у фарфора.
  3. На деревянный цилиндр или брусок накалываем ряд кнопок (можно их них изобразить какую-нибудь фигуру). Оборачиваем брусок или цилиндр одним слоем бумаги и помещаем в пламя свечи на непродолжительное время. Происходит неравномерное обугливание бумаги, меньше в тех местах, где бумага касается кнопок, из-за того, что теплопроводность металла выше, чем у дерева.
  4. Комнатный термометр заворачиваем в шубу и проверяем, меняются ли его показания через некоторое время. Это конечно не происходит, продемонстрировав этот эксперимент родителям, объясняем, почему же не греет шуба. (Шуба сама не может греть, так как сама не является источником энергии, она лишь является теплоизолятором, не давая зимой нам мёрзнуть, к тому же между телом человека и шубой находится воздушная прослойка).

Для того, чтобы лучше понять суть явления теплопроводности, нужно объяснить следующие явления:

а) почему металлические предметы кажутся холоднее, чем деревянные, при одной и той же температуре?

Ответ: Дерево имеет плохую теплопроводность, поэтому, когда мы прикасаемся к деревянному предмету, нагревается лишь небольшой участок тела под рукой. Металл же обладает хорошей теплопроводностью, поэтому при контакте с рукой нагревается гораздо больший участок. Это приводит к большему теплоотводу от руки и ее охлаждению.

б) почему ручки кранов и баков с горячей водой делают деревянными или пластмассовыми?

Ответ: дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью.

в) обыкновенный или пористый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания?

Ответ: Пористый кирпич в своих порах содержит воздух, который обладает плохой теплопроводностью, поэтому он обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания.

г) применяется ли воздух как строительный материал?

Ответ: Да, применяется, ведь пеноматериалы, пористый кирпич, стекловата содержат воздух, имеющий плохую теплопроводность.

е) в зависимости от того, какой объем занимают поры пенопласта, плотность его различна. Зависит ли теплопроводность пенопласта от его плотности?

Ответ: Чем меньше плотность пенопласта, тем больше пор, которые занимает воздух, обладающий плохой теплопроводностью. Следовательно, чем меньше плотность пенопласта, тем меньше его теплопроводность.

ж) зачем вставляют двойные рамы?

з) почему птицы чаще замерзают на лету?

Ответ: В мороз птицы сидят нахохлившись, что создает вокруг их тела воздушную оболочку. При полете воздух у тела птицы все время меняется, отнимая тепло.

II. Эксперименты по конвекции.

  1. Охлаждение кастрюли с горячей жидкостью проводилось двумя способами: 1 – кастрюля ставилась на лед и 2 – лед помещался на кастрюлю.
    Во втором случае охлаждение происходило быстрее. Объясняется это следующим. Когда мы кладем лед на кастрюлю, верхние слои охлаждаются и становятся тяжелее, в результате они опускаются вниз. На их место приходят более нагретые слои жидкости. Таким образом, в результате конвекции происходит охлаждение жидкости. Во втором случае конвекция не будет происходить, т.к. охлаждение будет происходить снизу, и холодные слои подняться вверх не могут, процесс охлаждения будет проходить медленно, перемешивание жидкости не происходит. Таким образом, мы можем предложить родителям охлаждать любые продукты сверху: класть их не на лед, а поверх льда, ведь они охлаждаются не столько льдом, сколько холодным воздухом, который опускается вниз.
  2. Определялась скорость естественного перемешивания воды в двух случаях: 1 – холодную воду наливают в горячую и 2 – горячую воду наливают в холодную. Для этого эксперимента необходим секундомер или часы с секундной стрелкой и термометр. Объемы холодной и горячей воды необходимо взять равными. Термометром контролируется установившаяся температура, а по секундомеру или часам – время. Скорость выравнивания температур будет выше когда будет наливать холодную воду в горячую, так как горячая вода будет подниматься вверх, а холодная – опускаться вниз. Таким образом, перемешивание будет происходить быстро и равномерно. Значит и температура выровняется быстрее.
  3. Зажженная свеча накрывается стеклянной цилиндрической трубкой, при этом пламя уменьшается и может погаснуть, т.к. горение происходит при наличии кислорода, а в данном опыте конвекционные явления происходить не могут, притока воздуха нет. Если трубку приподнять, то свеча загорит ярче. Если же трубку не поднимать, а опустить в нее бумажную перегородку, не доходящую до пламени, то оно увеличится. В этом случае вдоль бумаги будет опускаться холодный воздух, вытесняя нагретый, в котором кислорода мало, тем самым, увеличивая приток кислорода к пламени.
  4. В стихотворении А.С.Пушкина “Кавказ” есть такие строки: “Орел, с отдаленной поднявшись вершины, парит неподвижно со мной наравне”. Явление, что крупные птицы могут парить в воздухе, держась на одной высоте, не взмахивая крыльями, объясняется тем, что нагретый у земли воздух поднимается на значительную высоту, эти теплые потоки и удерживают птицу с распростертыми крыльями в воздухе.

Кроме этих экспериментальных заданий были получены ответы на вопросы:

а) почему дует от плотно закрытого окна в холодное время?

Ответ: Стекло имеет более низкую температуру, чем температура в комнате. Воздух, находящийся вблизи стекла охлаждается и опускается вниз, как более плотный, затем нагревается у батареи и вновь перемещается по комнате. Это перемещение воздуха и ощущается вблизи окна.

б) где лучше предусмотреть расположение форточки?

Ответ: форточку лучше располагать в верхней части окна. Теплый воздух более легкий, он располагается в верхней части комнаты, ему на смену будет приходить более холодный воздух с улицы. При таком расположении форточки будет осуществляться более быстрое проветривание комнаты.

в) когда тяга в трубе лучше – зимой или летом?

Ответ: тяга будет лучше зимой, когда разница между температурой воздуха, нагретого в трубе и наружного – будет больше, тогда перепад давления вверху и внизу трубы будет существенней.

г) какую роль играет конвекция при нагревании воды в чайнике?

Ответ: нагретые слои воды, как более легкие, поднимаются вверх, уступая место холодным. Таким образом, за счет перемещения конвекционных потоков происходит нагрев всей воды в чайнике.

д) почему выше ламп накаливания чернеет абажур или потолок?

Ответ: От ламп накаливания поднимаются конвекционные потоки воздуха, увлекающие за собой частички пыли, которые затем оседают на абажуре или потолке.

е) почему листья осины колеблются даже в безветренную погоду?

Ответ: по сравнению с другими деревьями, у листьев осины длинные и тонкие черенки. Над землей имеются вертикальные конвекционные потоки даже в безветренную погоду. Благодаря своему строению, листья осины чувствительны к любым, даже незначительным колебаниям воздуха.

ж) можно ли с помощью вентилятора сохранить мороженое?

Ответ: Нет, нельзя, т. к. поток воздуха, идущий от вентилятора будет все время уносить холодный воздух, образующийся вокруг мороженого, тем самым, ускоряя процесс обмена воздуха, и мороженое будет таять быстрее.

з) какие природные явления происходят за счет конвекции?

Ответ: ветры, дующие в земной атмосфере; существование теплых и холодных морских течений, процессы горообразования.

III. Эксперименты по излучению.

  1. Берем стакан, имеющий грани. Грани стакана изнутри заклеиваем полосками белой и черной бумаги. В стакане устанавливаем свечку так, чтобы она стояла в центре стакана (отцентрировать можно с помощью кружков картона с отверстием в центре). К каждой полоске бумаги приклеиваем пластилином шляпки кнопок. Фитиль свечки должен немного не доходить до края стакана. После того, как свечка будет зажжена наблюдаем, что с черных полосок начнут отлетать кнопки. Опыт иллюстрирует, что белый цвет отражает падающие на него лучи, а черный их поглощает, поэтому черные грани и нагрелись быстрее и кнопки от них отклеились в первую очередь.

Для понимания этого явления были получены ответы на следующие вопросы:

а) почему снег в городе тает быстрее, чем за городом?

Ответ: снег в городе более грязный, поэтому он лучше поглощает энергию и тает

б) в каком из двух сосудов закипит быстрее вода в светлом или закопченном?

Ответ: В закопченном, т.к. эта поверхность будет лучше поглощать энергию.

в) почему колбу термоса делают зеркальной?

Ответ: чтобы исключить нагрев лучистой энергией.

IV. Полезные советы.

  1. Охлаждение продуктов происходит быстрее, если источник холода разместить вверху, а не внизу.
  2. Для быстрейшего охлаждения кофе или чая нужно наливать холодное молоко в горячий напиток.
  3. Оконные рамы нужно закрыть более плотно как изнутри, так и снаружи. Тогда потери тепла будут меньше.
  4. В сильный мороз под шубу лучше одеть не один толстый свитер, а “многослойную” одежду.
  5. Если нужно быстро растопить снег или лед, его необходимо посыпать темным порошком или золой.
  6. В жаркое время года лучше носить светлую одежду.
  7. Безопаснее использовать фарфоровые кружки, чем алюминиевые.

Заключение.

Явления, с которыми мы постоянно сталкиваемся в быту, изучались не только на уроке, но и дома, где учащиеся могли продемонстрировать их родителям. Эти эксперименты, вопросы помогли лучше усвоить тему “Виды теплопередачи”. Анализ результатов позволил предложить “Полезные советы” Необходимо отметить, что все экспериментальные работы необходимо проводить очень аккуратно, с соблюдением техники безопасности.

Литература.

  1. А.А.Перышкин. Физика. учебник для 8 класса. Дрофа, М. 2004
  2. Кл. Э. Суорц. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Наука, М. 1986
  3. А.В. Аганов, Р.К. Сафиуллин, А.И. Скворцов, Д.А. Таюрский. Физика вокруг нас. “Дом педагогики”, М. 1998
  4. Физика. Самостоятельные и контрольные работы по физике для 8 класса. “Илекса”, М. 2006
  5. Ю.Г.Павленко. Начала физики. “Экзамен”, М. 2005

В данном уроке рассматривается понятие теплопроводности.

Теплопроводностьявляется одним из видов теплопередачи и связана с переносом внутренней энергии от более нагретых частей тела (тел) к менее нагретым, который осуществляется хаотически движущимися частицами тела.

С теплопроводностью каждый из нас сталкивается, когда неосторожно хватается за железную ручку сковородки, стоящей на плите. Плохая теплопроводность воздуха позволяет с помощью двойных рам утеплить квартиру на зиму. И таких примеров множество. Поэтому теплопроводность является одним из важнейших физических тепловых явлений, которые мы будем изучать.

На прошлом уроке мы выяснили, что теплопередача (рис. 1) бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение (рис. 2). На этом уроке мы более подробно займемся первым видом теплопередачи, а именно теплопроводностью .

Рис. 1. Теплопередача

Рис. 2 Виды теплопередачи

Теплопроводность свойственна веществам во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (рис. 3).

Рис. 3. Теплопроводность свойственна всем агрегатным состояниям

При этом самой высокой теплопроводностью обладают твердые тела (металлы) (рис. 4а), а самой низкой – газы (рис. 4б).

Рис. 4 Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Теплопроводность связана с внутренней структурой тел и зависит от расположения молекул, их движения и взаимодействия между собой (рис. 5).

Рис. 5. Связь теплопроводности с внутренней структурой тел

Важно отметить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества, а происходит передача энергии от частицы к частице или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. Сформулируем, собственно, определение теплопроводности.

Определение. Теплопроводность – это явление, при котором энергия передается от одной части тела к другой посредством столкновения частиц или при непосредственном контакте двух тел.

Рис. 6. Иллюстрация определения теплопроводности

Исследования данного явления проводились преимущественно опытным путем. Первые опыты по изучению данного явления проводил, по-видимому, еще Галилео Галилей (рис. 7).

Рис. 7. Галилео Галилей (1564-1642)

Суть его опытов была простой: Галилей располагал около своего термоскопа (рис. 8) различные тела и наблюдал за изменением температуры. Впоследствии он делал выводы: хорошо ли проводят тела тепло или нет.

Рис 8. Термоскоп Галилея

Определение. Процесс теплопроводности – это процесс передачи энергии от одной частицы к другой, расположенных в непосредственной близости друг от друга (рис. 9).

Рис. 9. Процесс теплопроводности

У металлов теплопроводность выше, так как частицы расположены близко друг к другу (рис. 10).

Рис. 10. Теплопроводность в металлах

У жидкостей молекулы хоть и близко расположены, но достаточно хорошо изолированы (рис. 11).

Рис. 11. Теплопроводность в жидкостях

Самая низкая теплопроводность у газов: молекулы расположены далеко друг от друга, и, чтобы передать энергию, им необходимо столкнуться, поэтому процесс передачи энергии происходит достаточно медленно (рис. 12).

Рис. 12. Теплопроводность в газах

Рассмотрим опыт, который наглядно демонстрирует теплопроводность металлов.

На штативе горизонтально закреплен алюминиевый стержень. На стержне через одинаковые промежутки вертикально закреплены с помощью воска деревянные зубочистки. К краю стержня подносят свечу (рис. 13).

Поскольку край стержня нагревается, а алюминий, как и любые другие металлы, обладает достаточно хорошей теплопроводностью, то постепенно стержень прогревается. Когда тепло доходит до места крепления зубочистки со стержнем, стеарин плавится – и зубочистка падает.

Рис. 13. Демонстрация опыта

Мы видим, что в данном опыте нет переноса вещества, соответственно, наблюдается теплопроводность.

Мы рассмотрели явление теплопроводности, и в заключении хотелось бы напомнить важный факт: нет частиц – нет теплопроводности.

На следующем уроке мы более подробно рассмотрим другой вид теплопередачи – конвекцию.

Список литературы

  1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
  1. Интернет-портал «experiment.edu.ru» ()
  2. Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
  3. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

  1. Стр. 13, параграф 4, вопросы № 1-6, упражнение 1 (1-3). Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Почему газы имеют малую теплопроводность?
  3. Почему в старом чайнике, после того как его сняли с огня, вода остывает медленнее, чем в таком же новом?
  4. Для чего нужны двойные оконные рамы?
  5. Зачем жители Средней Азии во время жары носят ватные халаты и папахи?

Разделы: Физика

Целью работы является обобщение экспериментальных заданий, проведенных учащимися 8 – го класса в домашних условиях при изучении различных видов теплообмена.

Задачи:

  1. Изучить дополнительную литературу по теме “Виды теплообмена”.
  2. Провести экспериментальные работы в домашних условиях.
  3. Проанализировать и обобщить результаты экспериментов. Соотнести свои результаты с выводами, предложенными в учебнике.
  4. Привести дополнительные примеры из жизни (не включая материалы из учебного материала).
  5. Разработать рекомендации “Полезные советы” с применением выводов темы “Виды теплообмена”.

I. Эксперименты по теплопроводности.

  1. В стеклянный и алюминиевый стаканы одинаковой массы и одинаковой емкости одновременно налейте одинаковое количество горячей воды. Прикосновение рукой к стаканам покажет, что алюминиевый стакан прогревается быстрее, это происходит потому, что теплопроводность алюминия выше, чем теплопроводность стекла.
  2. Налейте чай в алюминиевую и фарфоровую кружки. Когда будем пить чай из алюминиевой кружки, то мы сильнее обожжем губы, чем из фарфоровой, так как, когда мы касаемся губами кружки и охлаждаем тем самым некоторый ее участок, большее количество теплоты от горячего чая передается губам через алюминиевую кружку, так как теплопроводность алюминия выше, чем у фарфора.
  3. На деревянный цилиндр или брусок накалываем ряд кнопок (можно их них изобразить какую-нибудь фигуру). Оборачиваем брусок или цилиндр одним слоем бумаги и помещаем в пламя свечи на непродолжительное время. Происходит неравномерное обугливание бумаги, меньше в тех местах, где бумага касается кнопок, из-за того, что теплопроводность металла выше, чем у дерева.
  4. Комнатный термометр заворачиваем в шубу и проверяем, меняются ли его показания через некоторое время. Это конечно не происходит, продемонстрировав этот эксперимент родителям, объясняем, почему же не греет шуба. (Шуба сама не может греть, так как сама не является источником энергии, она лишь является теплоизолятором, не давая зимой нам мёрзнуть, к тому же между телом человека и шубой находится воздушная прослойка).

Для того, чтобы лучше понять суть явления теплопроводности, нужно объяснить следующие явления:

а) почему металлические предметы кажутся холоднее, чем деревянные, при одной и той же температуре?

Ответ: Дерево имеет плохую теплопроводность, поэтому, когда мы прикасаемся к деревянному предмету, нагревается лишь небольшой участок тела под рукой. Металл же обладает хорошей теплопроводностью, поэтому при контакте с рукой нагревается гораздо больший участок. Это приводит к большему теплоотводу от руки и ее охлаждению.

б) почему ручки кранов и баков с горячей водой делают деревянными или пластмассовыми?

Ответ: дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью.

в) обыкновенный или пористый кирпич обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания?

Ответ: Пористый кирпич в своих порах содержит воздух, который обладает плохой теплопроводностью, поэтому он обеспечивает лучшую теплоизоляцию здания.

г) применяется ли воздух как строительный материал?

Ответ: Да, применяется, ведь пеноматериалы, пористый кирпич, стекловата содержат воздух, имеющий плохую теплопроводность.

е) в зависимости от того, какой объем занимают поры пенопласта, плотность его различна. Зависит ли теплопроводность пенопласта от его плотности?

Ответ: Чем меньше плотность пенопласта, тем больше пор, которые занимает воздух, обладающий плохой теплопроводностью. Следовательно, чем меньше плотность пенопласта, тем меньше его теплопроводность.

ж) зачем вставляют двойные рамы?

з) почему птицы чаще замерзают на лету?

Ответ: В мороз птицы сидят нахохлившись, что создает вокруг их тела воздушную оболочку. При полете воздух у тела птицы все время меняется, отнимая тепло.

II. Эксперименты по конвекции.

  1. Охлаждение кастрюли с горячей жидкостью проводилось двумя способами: 1 – кастрюля ставилась на лед и 2 – лед помещался на кастрюлю.
    Во втором случае охлаждение происходило быстрее. Объясняется это следующим. Когда мы кладем лед на кастрюлю, верхние слои охлаждаются и становятся тяжелее, в результате они опускаются вниз. На их место приходят более нагретые слои жидкости. Таким образом, в результате конвекции происходит охлаждение жидкости. Во втором случае конвекция не будет происходить, т.к. охлаждение будет происходить снизу, и холодные слои подняться вверх не могут, процесс охлаждения будет проходить медленно, перемешивание жидкости не происходит. Таким образом, мы можем предложить родителям охлаждать любые продукты сверху: класть их не на лед, а поверх льда, ведь они охлаждаются не столько льдом, сколько холодным воздухом, который опускается вниз.
  2. Определялась скорость естественного перемешивания воды в двух случаях: 1 – холодную воду наливают в горячую и 2 – горячую воду наливают в холодную. Для этого эксперимента необходим секундомер или часы с секундной стрелкой и термометр. Объемы холодной и горячей воды необходимо взять равными. Термометром контролируется установившаяся температура, а по секундомеру или часам – время. Скорость выравнивания температур будет выше когда будет наливать холодную воду в горячую, так как горячая вода будет подниматься вверх, а холодная – опускаться вниз. Таким образом, перемешивание будет происходить быстро и равномерно. Значит и температура выровняется быстрее.
  3. Зажженная свеча накрывается стеклянной цилиндрической трубкой, при этом пламя уменьшается и может погаснуть, т.к. горение происходит при наличии кислорода, а в данном опыте конвекционные явления происходить не могут, притока воздуха нет. Если трубку приподнять, то свеча загорит ярче. Если же трубку не поднимать, а опустить в нее бумажную перегородку, не доходящую до пламени, то оно увеличится. В этом случае вдоль бумаги будет опускаться холодный воздух, вытесняя нагретый, в котором кислорода мало, тем самым, увеличивая приток кислорода к пламени.
  4. В стихотворении А.С.Пушкина “Кавказ” есть такие строки: “Орел, с отдаленной поднявшись вершины, парит неподвижно со мной наравне”. Явление, что крупные птицы могут парить в воздухе, держась на одной высоте, не взмахивая крыльями, объясняется тем, что нагретый у земли воздух поднимается на значительную высоту, эти теплые потоки и удерживают птицу с распростертыми крыльями в воздухе.

Кроме этих экспериментальных заданий были получены ответы на вопросы:

а) почему дует от плотно закрытого окна в холодное время?

Ответ: Стекло имеет более низкую температуру, чем температура в комнате. Воздух, находящийся вблизи стекла охлаждается и опускается вниз, как более плотный, затем нагревается у батареи и вновь перемещается по комнате. Это перемещение воздуха и ощущается вблизи окна.

б) где лучше предусмотреть расположение форточки?

Ответ: форточку лучше располагать в верхней части окна. Теплый воздух более легкий, он располагается в верхней части комнаты, ему на смену будет приходить более холодный воздух с улицы. При таком расположении форточки будет осуществляться более быстрое проветривание комнаты.

в) когда тяга в трубе лучше – зимой или летом?

Ответ: тяга будет лучше зимой, когда разница между температурой воздуха, нагретого в трубе и наружного – будет больше, тогда перепад давления вверху и внизу трубы будет существенней.

г) какую роль играет конвекция при нагревании воды в чайнике?

Ответ: нагретые слои воды, как более легкие, поднимаются вверх, уступая место холодным. Таким образом, за счет перемещения конвекционных потоков происходит нагрев всей воды в чайнике.

д) почему выше ламп накаливания чернеет абажур или потолок?

Ответ: От ламп накаливания поднимаются конвекционные потоки воздуха, увлекающие за собой частички пыли, которые затем оседают на абажуре или потолке.

е) почему листья осины колеблются даже в безветренную погоду?

Ответ: по сравнению с другими деревьями, у листьев осины длинные и тонкие черенки. Над землей имеются вертикальные конвекционные потоки даже в безветренную погоду. Благодаря своему строению, листья осины чувствительны к любым, даже незначительным колебаниям воздуха.

ж) можно ли с помощью вентилятора сохранить мороженое?

Ответ: Нет, нельзя, т. к. поток воздуха, идущий от вентилятора будет все время уносить холодный воздух, образующийся вокруг мороженого, тем самым, ускоряя процесс обмена воздуха, и мороженое будет таять быстрее.

з) какие природные явления происходят за счет конвекции?

Ответ: ветры, дующие в земной атмосфере; существование теплых и холодных морских течений, процессы горообразования.

III. Эксперименты по излучению.

  1. Берем стакан, имеющий грани. Грани стакана изнутри заклеиваем полосками белой и черной бумаги. В стакане устанавливаем свечку так, чтобы она стояла в центре стакана (отцентрировать можно с помощью кружков картона с отверстием в центре). К каждой полоске бумаги приклеиваем пластилином шляпки кнопок. Фитиль свечки должен немного не доходить до края стакана. После того, как свечка будет зажжена наблюдаем, что с черных полосок начнут отлетать кнопки. Опыт иллюстрирует, что белый цвет отражает падающие на него лучи, а черный их поглощает, поэтому черные грани и нагрелись быстрее и кнопки от них отклеились в первую очередь.

Для понимания этого явления были получены ответы на следующие вопросы:

а) почему снег в городе тает быстрее, чем за городом?

Ответ: снег в городе более грязный, поэтому он лучше поглощает энергию и тает

б) в каком из двух сосудов закипит быстрее вода в светлом или закопченном?

Ответ: В закопченном, т.к. эта поверхность будет лучше поглощать энергию.

в) почему колбу термоса делают зеркальной?

Ответ: чтобы исключить нагрев лучистой энергией.

IV. Полезные советы.

  1. Охлаждение продуктов происходит быстрее, если источник холода разместить вверху, а не внизу.
  2. Для быстрейшего охлаждения кофе или чая нужно наливать холодное молоко в горячий напиток.
  3. Оконные рамы нужно закрыть более плотно как изнутри, так и снаружи. Тогда потери тепла будут меньше.
  4. В сильный мороз под шубу лучше одеть не один толстый свитер, а “многослойную” одежду.
  5. Если нужно быстро растопить снег или лед, его необходимо посыпать темным порошком или золой.
  6. В жаркое время года лучше носить светлую одежду.
  7. Безопаснее использовать фарфоровые кружки, чем алюминиевые.

Заключение.

Явления, с которыми мы постоянно сталкиваемся в быту, изучались не только на уроке, но и дома, где учащиеся могли продемонстрировать их родителям. Эти эксперименты, вопросы помогли лучше усвоить тему “Виды теплопередачи”. Анализ результатов позволил предложить “Полезные советы” Необходимо отметить, что все экспериментальные работы необходимо проводить очень аккуратно, с соблюдением техники безопасности.

Литература.

  1. А.А.Перышкин. Физика. учебник для 8 класса. Дрофа, М. 2004
  2. Кл. Э. Суорц. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Наука, М. 1986
  3. А.В. Аганов, Р.К. Сафиуллин, А.И. Скворцов, Д.А. Таюрский. Физика вокруг нас. “Дом педагогики”, М. 1998
  4. Физика. Самостоятельные и контрольные работы по физике для 8 класса. “Илекса”, М. 2006
  5. Ю.Г.Павленко. Начала физики. “Экзамен”, М. 2005

Вариант 1. Оборудование: Пробирка с водой и спиртовка.

Для демонстрации плохой теплопроводности жидкости в пробирку на ¾ объема наливают воды. Держа пробирку в руках под небольшим углом над пламенем спиртовки, нагревают воду у открытого конца (рис. 130). Показывают, что вода здесь быстро закипает, однако внизу большого нагрева не ощущается.

Рис. 130 Рис. 2.105 Рис. 131

Опыт 4. Теплопроводность газов

Вариант 1 . Оборудование: две пробирки, две пробки, два стержня, два шарика, спиртовка, штатив, подвес.

Плохую теплопроводность воздуха демонстрируют с помощью двух одинаковых пробирок, закрытых пробками, через которые пропущены короткие стержни. К концам стержней прикрепляют пластилином или парафином стальные шарики (рис. 131). Про­бирки над спиртовкой располагают так, чтобы в одной из них про­исходила конвекция, а в другой теплопроводность воздуха. Замечают, что в одной пробирке ша­рик быстро отпадает от стержня.

Вариант 2. См. рис. 2.105

Опыт 5. Конвекция жидкостей

Вариант 1. Оборудование: прибор для демонстрации конвекции жидкости, марганцовокислый калий, спиртовка, штатив.

Прибор, представляющий собой замкнутую стеклянную трубку (рис. 132), укрепляют в лапке штатива. (Лучше подвесить, чем зажимать трубку в нижней части, ибо в последнем случае больше вероятности разрушить стекло.) Через верхнее отверстие любого колена трубку наполняют водой так, чтобы по всему замкнутому пути внутри трубки не было пузырьков воздуха.

При выполнении опыта в ложечку с сеткой помещают кристаллики марганцовокислого калия и oпускают ее в колено (можно одновременно опустить две ложечки с кристалликами марганцовокислого калия в оба колена). Затем к нижней части этого колена подносят спиртовку и наблюдают конвекцию.


Рис. 132 Рис. 133

Опыт 6. Конвекция газов

Вариант 1. Оборудование: спиртовка, спички, бумажная змейка, металлическое острие.

Для демонстрации конвекции газа изготовляют бумажную змейку, которая вращается в потоке восходящего горячего воздуха, идущего от спиртовки или электроплитки (рис. 133). (При установке змейки на острие нельзя прокалывать бумагу.)

Опыт 7. Нагревание излучением

Вариант 1. Оборудование: теплоприемник, манометр открытый демонстрацион­ный, настольная лампа (или электроплитка).

Теплоприемник, соединенный трубкой с демонстрационным мано­метром (см. рис. 123), укрепляют в штативе напротив излучателя. В качестве излучающего тела можно взять электроплитку, сосуд с горячей водой и пр. К нему сбоку подносят теплоприемник темной стороной и наблюдают за показаниями манометра в тече­ние 1-2 мин.

Затем поворачивают теплоприемник блестящей по­верхностью к лампе, расположенной на том же расстоянии от теплоприемника, и в течение того же времени следят за показанием манометра. Делают вывод.

Во второй серии опытов накал лампы (или расстояние до излучателя) уменьшают и вновь наб­людают изменение показаний манометра в прежних условиях. Делают вывод.

Вариант 2. См. Рис. 2.99; 2.101.

Вопрос. В каком случае изменение показаний жидкостного манометра

происходит быстрее, если теплопередатчик и теплоприемник обращены друг к другу блестящими поверхностями или если они об­ращены друг к другу зачерненными поверхностями?



Рис. 123 Рис. 2.101 Рис. 2.99

какой термин используется для описания того, насколько хорошо различные вещества проводят тепловую энергию?

Что такое теплопроводность вещества?

Теплопроводность — это способность материала проводить тепло , и она представляет собой количество тепловой энергии, которая проходит в единицу времени через единицу площади с температурным градиентом 1° на единицу расстояния. Теплопроводность является необходимой характеристикой для рассеивания образующейся тепловой энергии в системе.

От чего зависит теплопроводность?

Теплопроводность является свойством материала.Оно не зависит от размеров материала, но зависит от температуры, плотности и содержания влаги в материале . Теплопроводность материала зависит от его температуры, плотности и влажности.

Что такое эффективная теплопроводность?

Этот параметр можно рассматривать как логическое расширение теплофизического свойства, известного как теплопроводность, используемого, например, для твердых, жидких или газообразных материалов. Оба являются мерой способности материала передавать энергию и могут быть определены для стационарного одномерного потока.

Что означает высокая теплопроводность?

Теплопроводность относится к количеству/скорости тепла, передаваемого через материал . … Металлы с высокой теплопроводностью, напр. медь, обладают высокой электропроводностью. Тепло, выделяющееся в материалах с высокой теплопроводностью, быстро отводится от зоны сварки.

Что означает термин электропроводность?

Проводимость. Проводимость — это мера легкости, с которой электрический заряд или тепло могут проходить через материал .Проводник — это материал, который оказывает очень небольшое сопротивление потоку электрического тока или тепловой энергии. Материалы подразделяются на металлы, полупроводники и изоляторы.

Что такое теплопроводники?

Теплопроводники – это материалы, которые легко передают тепловую энергию . Теплоизоляторы – это материалы, которые плохо передают тепловую энергию. Теплопроводники используются для передачи тепловой энергии из одного места в другое.

Какие факторы влияют на тепловую энергию?

Тепловая энергия объекта зависит от его температуры и массы .Чем выше температура вещества, тем большей тепловой энергией оно обладает.

Как найти теплопроводность?

К = (QL)/(A∆T)

  1. К — теплопроводность в Вт/м·К.
  2. Q — количество тепла, передаваемого через материал, в джоулях/секунду или ваттах.
  3. L — расстояние между двумя изотермическими плоскостями.
  4. А – площадь поверхности в квадратных метрах.
  5. ΔT — разница температур в Кельвинах.

Какие вещества обладают высокой теплопроводностью?

Теплопроводящие материалы

  • Алмаз – 2000 – 2200 Вт/м•К. …
  • Серебро – 429 Вт/м•К. …
  • Медь – 398 Вт/м•К. …
  • Золото – 315 Вт/м•К. …
  • Нитрид алюминия – 310 Вт/м•К. …
  • Карбид кремния – 270 Вт/м•К. …
  • Алюминий – 247 Вт/м•К. …
  • Вольфрам – 173 Вт/м•К.

Как определяется тепловое сопротивление?

Термическое сопротивление определяется как отношение разницы температур между двумя сторонами материала к скорости теплового потока на единицу площади .

Почему разные материалы имеют разную теплопроводность?

Изменение теплопроводности

Теплопроводность конкретного материала сильно зависит от ряда факторов. К ним относятся температурный градиент , свойства материала и длина пути, по которому следует тепло.

Что такое теплопроводность объяснить ее значение в задачах теплопроводности?

Теплопроводность в основном показатель скорости потока тепла через материал .Более высокое значение теплопроводности означает, что материал является хорошим проводником тепла, тогда как более низкое значение означает, что материал является плохим проводником тепла и будет действовать как изолятор.

Какой теплопроводник самый эффективный?

Наряду со своими углеродными родственниками графитом и графеном алмаз является лучшим проводником тепла при комнатной температуре, имея теплопроводность более 2000 Вт на метр на кельвин, что в пять раз выше, чем у лучших металлов, таких как медь.

Какой элемент является лучшим проводником тепловой энергии?

Серебро
Серебро также обладает самой высокой теплопроводностью среди всех элементов и самым высоким коэффициентом отражения света. Хотя это лучший проводник, медь и золото чаще используются в электротехнике, потому что медь дешевле, а золото обладает гораздо более высокой коррозионной стойкостью. 4 сентября 2019 г.

Где используется теплопроводность?

Применение теплоотводов
Соответственно, материалы с высокой теплопроводностью широко используются в радиаторах, а материалы с низкой теплопроводностью используются в качестве теплоизоляции.Величина, обратная теплопроводности, называется термическим сопротивлением.

Вещества какого типа обычно являются электрическими проводниками?

Большинство металлов считаются хорошими проводниками электрического тока. Медь — это лишь один из наиболее популярных материалов, используемых для проводников. Другими материалами, которые иногда используются в качестве проводников, являются серебро, золото и алюминий.

Что означает термин «электрический изолятор» и «полупроводник»?

Примеры изоляторов включают стекло, резину, полиэтилен, пластик, дерево и алмаз.Полупроводники: Они являются плохими проводниками тепла и электричества . Пространство между валентной зоной и зоной проводимости мало. Следовательно, небольшой нагрев продвигает электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Что делает элементы электропроводными?

Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов , которые представляют собой свободно перемещающиеся электроны внешней оболочки атома. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Что такое хорошие теплопроводники?

Хорошие теплопроводники — это материалы, через которые легко проходит тепло. Многие металлы, такие как серебро , медь, золото и алюминий , являются хорошими теплопроводниками.

Что делает теплопроводник?

Теплопроводник представляет собой материал , который позволяет передавать энергию в виде тепла внутри материала без какого-либо движения самого материала.

Что такое теплопроводники и теплоизоляторы?

Теплоизолятор — это материал, который не пропускает через себя тепло. Дерево и пластик являются теплоизоляционными материалами. Противоположностью этому является теплопроводник, это материал, который пропускает через себя тепло. Большинство металлов являются теплопроводниками.

Какие три вещи определяют тепловую энергию вещества?

Тепловая энергия объекта зависит от трех факторов: 4 числа молекул в объекте 4 температуры объекта (среднее молекулярное движение) 4 расположения молекул объекта (состояний вещества).

От чего зависит тепловая энергия вещества?

Полная тепловая энергия вещества зависит от его температуры, числа атомов и физического состояния . Больше атомов и более высокая температура означают больше тепловой энергии. При прочих равных условиях наибольшую тепловую энергию имеют вещества в газообразной форме, за ними следуют жидкости, затем твердые тела.

Что означает термин сохранение в отношении энергии?

сохранение энергии, принцип физики , согласно которому энергия взаимодействующих тел или частиц в замкнутой системе остается постоянной .… Например, когда маятник качается вверх, кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.

Что такое теплопроводность в физике?

Теплопроводность

Проводимость способ передачи энергии (при контактном нагреве) от горячего тела к более холодному (или от горячей части объекта к более холодной части).

Каковы примеры теплопроводников?

Примеры теплопроводников

  • Серебро.
  • Золото.
  • Медь.
  • Алмаз.
  • Нержавеющая сталь.
  • Алюминий.
  • Оксид бериллия.
  • Слюда.

Что вы подразумеваете под теплопроводностью твердого тела?

Теплопроводность материала, К, равна показателю того, насколько эффективно материал проводит тепло . Теплопроводность сильно различается среди разных типов твердых тел и сильно зависит от температуры, чистоты и физического состояния материалов, особенно при низких температурах.

Какова теплопроводность меди?

3.14. 5 Коэффициент теплопроводности

Металлы
Медь 386 8,80
Золото 310 0,21
Инконель 15
Чугун, литой 55 0,15

Какова теплопроводность стекла?

Теплопроводность

Материал Теплопроводность (кал/с)/(см 2 Кл/см) Теплопроводность (Вт/м·К)*
Стекло, обычное 0.0025 0,8
Бетон 0,002 0,8
Вода при 20°C 0,0014 0,6
Асбест 0,0004 0,08

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление?

Теплопроводность является свойством материала и описывает способность данного материала проводить тепло .… Термическое сопротивление — это еще одно неотъемлемое тепловое свойство материала и мера того, насколько материал определенной толщины сопротивляется потоку тепла.

Как теплопроводность связана с теплопроводностью?

Тепловое сопротивление материала обратно пропорционально теплопроводности. … Это связано с теплопроводностью (k) уравнением k = D*rho*C P , где rho — плотность материала , а C P — количество тепла, необходимое для повышения температуры материала (единицы Дж кг 90 263 – 90 264 90 263 1 90 264 К, если изобарический).

Какие бывают виды термического сопротивления?

Аналогии и номенклатура

тип структурный аналог термический
сопротивление гибкость (определенная реология) [1/Па] тепловое сопротивление [К/Вт]
проводимость … [Па] теплопроводность [Вт/К]
удельное сопротивление гибкость [м/Н] Удельное тепловое сопротивление [(м·К)/Вт]
проводимость жесткость [Н/м] теплопроводность [Вт/(м·K)]

Как называется материал, плохо проводящий тепловую энергию?

Вещество, которое с трудом передает энергию от горячей части к холодной, называется изолятором .Воздух и пластмассы являются изоляторами.

Что мы называем материалами с низкой теплопроводностью?

Кроме того, изоляционные материалы , такие как аэрогель и изоляция , используемые в домах, имеют низкую теплопроводность, что указывает на то, что они не пропускают тепло через себя. Таким образом, низкая теплопроводность указывает на хороший изоляционный материал.

Значения для обычных материалов.

Кнопка «Вернуться к началу»

Теплопроводность – Энциклопедия Нового Света

Испытание на огнестойкость, используемое для проверки передачи тепла через противопожарные и пенетранты, используемые в строительных списках и одобрении использования и соответствия.

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.

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.

Математический фон

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 площадь поверхности проводящей поверхности, Δ T — разность температур, а x — толщина проводящей поверхности, разделяющая 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 {\DeltaT}{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 разность температур Δ T , в стационарных условиях и когда теплопередача зависит только от градиента температуры.

В качестве альтернативы, это можно представить 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 о теплопроводности 2,6 Вт/(м·К) перпендикулярно оси c при 373 К, но 6000 Вт/(( м·К) под углом 36 градусов 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 важна для изоляции зданий и смежных областей. Однако материалы, используемые в таких профессиях, редко соответствуют стандартам химической чистоты. Значения k для 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. Более полные списки измеренных значений 90 410 k 90 411 см. в справочных материалах.

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.

Измерение

Вообще говоря, существует ряд возможностей измерения теплопроводности, каждая 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 измерение, 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 стержневой метод 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 оценки тепловых характеристик твердых электроизоляционных материалов» [5]
  • Стандарт ASTM D5470-0 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» Стандартный метод определения теплопроводности жидкостей» [9]

Разница между обозначениями США и Европы

В Европе значение k строительных материалов (т.г. оконное стекло) называется λ-величиной.

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. Значение K получается путем умножения коэффициента формы 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 ).(WK -1 .m -2 ) = WK -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

Величина, обратная теплопроводности, равна , удельному тепловому сопротивлению , измеренному в кельвин-метрах на ватт (K·м·Вт −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 пластины с теплопроводностью 90 410 k 90 411 , площадью 90 410 A 90 411 и толщиной 90 410 L 90 411 это значение равно 90 410 кА/л 90 411 , измеренное в Вт·K 90 263 -1 90 264 (эквивалентно: Вт/°C). Теплопроводность и электропроводность аналогичны электропроводности (А·м -1 · В -1 ) и электропроводности (А·м -1 ).

Существует также мера, известная 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.Взаимная теплоизоляция . В итоге:

    • Термальная проводимость = KA / L , измеренные в W · K -1
      • Тепловое сопротивление = L / KA , измеренные в K · W -1 (эквивалент до: °C/Вт)
    • Коэффициент теплопередачи = к / л , измеренный в w · к -1 · к -2 · M -2
            • 1 = л / K , измеренные в к · м² ·W −1 .

          Коэффициент теплопередачи также известен как коэффициент теплопроводности

          Термическое сопротивление

          Когда термические сопротивления расположены 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, равное 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 обратную величину.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 известен как 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) = л / к , 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 (Srivastava, 1990):

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

          См. также

          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

          • Байерляйн, Ральф. 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
          • Сервэй, Рэймонд А.и Джон В. Джуэтт. 2004. Физика для ученых и инженеров. Белмонт, Калифорния: Thomson-Brooks/Cole. 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 . Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон. ISBN 080538684X

          Внешние ссылки

          Все ссылки получены 6 февраля 2020 г.

          Кредиты

          New World Encyclopedia писатели и редакторы переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно быть выполнено в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

          История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

          Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

          Разработка новых термоэлектрических материалов путем снижения теплопроводности решетки

          Sci Technol Adv Mater. 2010 август; 11 (4): 044306.

          , 1, 2 , 1, 2 , 1 , 2, 3 , 2, 3 и 1, 2 2 9 9

          Chunlei Wan

          1 аспирантура инжиниринга, Nagoya University, Nagoya, Japan

          2 Crest, Япония, научно-техническое агентство, Kawaguchi, Япония

          Yifeng Wang

          1 Высшая инженерная школа, Университет Нагоя, Нагоя, Япония

          2 CREST, Японское агентство науки и технологий, Кавагути, Япония

          Ning Wang

          1 Высшая инженерная школа, Университет Нагоя, Нагоя, Япония

          7 90 Norimatsu

          2 CREST, Японское агентство науки и технологий, Кавагути, Япония

          3 Научный институт EcoTopia, Университет Нагоя, Нагоя, Япония

          Мичико Кусуноки

          2 CREST, Японское агентство науки и технологий, Кавагути, Япония

          3 Научный институт EcoTopia, Университет Нагоя, Нагоя, Япония

          Кунихито Комото

          Японский инженерный университет, Нагояте 1

          2 CREST, Японское агентство науки и технологий, Кавагути, Япония

          1 Высшая инженерная школа, Университет Нагоя, Нагоя, Япония

          2 CREST, Японское агентство науки и технологий, Кавагути

          , Япония

          7, Япония

          3 Научный институт EcoTopia, Университет Нагоя, Нагоя, Япония

          Поступила в редакцию 31 марта 2010 г.; Пересмотрено 20 сентября 2010 г .; Принято 8 августа 2010 г.

          Copyright © 2010 Национальный институт материаловеденияЭта статья цитируется другими статьями в PMC.

          Abstract

          Теплопроводность является одним из ключевых параметров добротности термоэлектрических материалов. За последнее десятилетие наибольший прогресс в термоэлектрических материалах был достигнут за счет снижения их теплопроводности при сохранении их электрических свойств. Механизмы рассеяния фононов, участвующие в этих стратегиях, рассматриваются здесь и делятся на три группы, включая (i) беспорядок или искажение элементарных ячеек, (ii) резонансное рассеяние локализованными дребезжащими атомами и (iii) рассеяние на границе раздела.Кроме того, мы предлагаем создание «естественной сверхрешетки» в термоэлектрических материалах путем интеркалирования слоя MX в ван-дер-ваальсову щель многослойной структуры TX 2 , которая имеет общую формулу ( MX ) 1+ x ( TX 2 ) n ( M = Pb, Bi, Sn, Sb или редкоземельный элемент; X = S или Se и n = 1, 2, 3).Показано, что одно из интеркаляционных соединений (SnS) 1.2 (TiS 2 ) 2 обладает лучшими термоэлектрическими свойствами по сравнению с чистым TiS 2 в направлении, параллельном слоям, так как подвижность электронов сохраняется при перенос фононов существенно подавлен из-за уменьшения поперечных скоростей фононов.

          Ключевые слова: термоэлектричество, теплопроводность, соединение слоя несоответствия, естественная сверхрешетка

          Введение

          Сильная зависимость человеческого общества от ископаемого топлива привела к политическим волнениям и глобальному изменению климата [1].Термоэлектрики как материалы устойчивых энергетических технологий могут предложить многообещающее решение этого энергетического и экологического кризиса. Используя эффект Зеебека, термоэлектрические материалы могут генерировать электричество из отработанного тепла автомобильных выхлопов и различных промышленных процессов. Однако в настоящее время термоэлектрики слишком неэффективны для большинства практических применений. Эффективность термоэлектрических материалов можно оценить по добротности ZT = S 2 σ T / k , где S , σ и k представляют собой коэффициент Зеебека, электрический коэффициент Зеебека, теплопроводность соответственно.Теплопроводность имеет две составляющие: решеточную составляющую k l и электронную составляющую k e , причем k e пропорциональна σ по закону Видемана–Франца. Для максимизации значения ZT была предложена концепция «электронного кристалла фононного стекла», согласно которой транспорт фононов должен быть подавлен, как в стеклах, а электропроводность должна сохраняться, как в кристаллах. За последнее десятилетие наибольший прогресс в термоэлектрических материалах был достигнут за счет снижения теплопроводности решетки, и краткий обзор стратегий снижения приведен ниже.

          Тепловой перенос в твердых телах – это рассеяние колебательной энергии между соседними атомами посредством химических связей. В квантовой теории это рассматривается как передача энергии между фононами. Применяя теорию фононного газа, теплопроводность трехмерной изотропной системы можно записать как:

          где C v , l и v обозначают теплоемкость, длину свободного пробега фонона и скорость фонона соответственно.Ситуация осложняется широким спектром фононных частот в твердом теле. Высокоэнергетические оптические фононы не имеют достаточно высоких групповых скоростей для переноса заметного количества тепла, поэтому перенос тепла часто определяется длинноволновыми акустическими фононами [2]. Поэтому скорость фонона можно аппроксимировать средней скоростью звука. Теплоемкость хорошо описывается моделью Дебая или, в некоторых случаях, моделью Эйнштейна. При температурах выше температуры Дебая C v равно 3 k B для каждого атома, где k B — постоянная Больцмана.Скорость звука определяется атомной связью и плотностью. В большинстве случаев для данного материала как C v , так и v связаны с внутренними свойствами и почти нечувствительны к структурным изменениям, что приводит к низкой настраиваемости. Средняя длина свободного пробега фононов, l , представляет собой максимальное расстояние, которое могут пройти фононы; на него могут влиять различные события рассеяния. Стратегии подавления l и k l , разработанные в термоэлектрическом поле, можно в целом разделить на три группы: беспорядок или искажение элементарных ячеек, резонансное рассеяние на локализованных дребезжащих атомах и создание высокой плотности интерфейсы.Следует отметить, что длина свободного пробега фонона не может быть меньше среднего межатомного расстояния в однородной системе (но может быть меньше в неоднородной системе, такой как мягкая сверхрешетка).

          Стратегии снижения теплопроводности

          Разупорядочение или искажение элементарных ячеек

          Элементарные ячейки могут быть разупорядочены введением точечных дефектов, таких как атомы замещения, вакансии или междоузлия. Вуд [3] впервые выдвинул идею о том, что добротность соединения может быть увеличена за счет образования твердого раствора с соединением со сходной электронной валентной структурой, но с другой атомной массой.Причина состояла в том, что локальное искажение, вызванное введением чужеродного атома близкой валентности, не рассеивает заметно свободные носители заряда (с их большими длинами волн), но сильно рассеивает фононы. Таким образом, теплопроводность может быть снижена без серьезного влияния на электропроводность. Этот метод доказал свою эффективность практически для всех систем термоэлектрических материалов. Один интересный результат наблюдается для Mg 2 Si 1− x Sn x .При этом не только подавляется теплопроводность, но и улучшаются электрические свойства, поскольку замена Si на Sn увеличивает плотность состояний в зоне проводимости при сохранении подвижности электронов [4].

          Рассеяние фононов на точечных дефектах определяется разницей масс, размеров и межатомных сил между замещенными и исходными атомами. В 1963 г. Абелес включил разность размеров и межатомных сил во флуктуации поля деформации и сформулировал их только в терминах разности размеров [5].Вывод этой модели состоит в том, что для максимального рассеяния фононов следует выбирать атом, имеющий наибольшую разницу в массе и размерах с замещаемым атомом.

          Согласно приведенному выше обсуждению, вакансия должна быть более эффективным точечным дефектом, так как она может рассеивать фононы как из-за отсутствия атома, так и из-за отсутствия межатомных связей. Резкое снижение теплопроводности было обнаружено в богатом вакансиями Sr x La 1- x TiO 3-δ [6] La 1- x Te Mg 2 Si 1– y Sb y [8].Однако вакансии могут действовать как акцепторы электронов, тем самым изменяя свойства электронного транспорта и даже ухудшая термоэлектрические характеристики.

          В режиме рэлеевского рассеяния сечение рассеяния точечного дефекта изменяется как σ ∼ b 6 4 , где λ — длина волны фонона, b — размер рассеивающей частицы; для замещения атомов в сплавах b ∼ 1 Å. Это соотношение предполагает, что точечные дефекты эффективны в рассеянии коротковолновых фононов или краевых фононов зоны Бриллюэна, но меньше влияют на более длинноволновые фононы.Поэтому возникает предел снижения теплопроводности, который называется пределом легирования. Большего снижения теплопроводности можно добиться, добавив другие механизмы, такие как границы зерен, которые могут рассеивать фононы с большей длиной волны.

          Не только атомный беспорядок, но и разупорядочение валентности в определенном положении атома (валентная флуктуация) может сильно снизить теплопроводность. В Tl 9 BiTe 6 ионы Bi 3+ и Tl + распределены случайным образом в позиции 4 c , внося валентный беспорядок [9].Наблюдалось заметное уменьшение теплопроводности решетки, которое объяснялось сильным рассеянием фононов различными валентными состояниями в этом узле 4 c . В Na x CoO 2 случайно распределенные ионы Na + индуцируют валентные флуктуации Co 3+ /Co 4+ , и расчет показывает, что они также могут способствовать низкой теплопроводности Na x CoO 2 (1,77 Вт м -1 К -1 при комнатной температуре) [10].

          Искажение Пайерлса — новый механизм снижения теплопроводности для повышения термоэлектрических характеристик [11]. В квазиодномерном кристалле In 4 Se 3 (рисунок ) пайерлсовская неустойчивость цепочечной структуры вдоль оси b приводит к возникновению волны зарядовой плотности, которая нарушает трансляционную симметрию решетки (искажение решетки) сильным электрон-фононным взаимодействием. Следовательно, теплопроводность In 4 Se 3 может быть значительно снижена, и значение ZT достигает 1.48 при 705 К.

          Кристаллическая структура In 4 Se 3 . Перспективный вид самолета a b . Ковалентно связанные слои In-Se уложены вдоль оси a за счет относительно сильных ван-дер-ваальсовых взаимодействий (воспроизведено с разрешения из [11] © 2009 Nature Publishing Group).

          Резонансное рассеяние на локализованных дребезжащих атомах

          Наполненные антимониды скуттерудита представляют собой кубические соединения с формулой RM 4 Sb 12 , где R представляет собой редкоземельный элемент (например, La или Ce) — переходный металл (например, Fe или Co) [12].Ион редкоземельного элемента слабо связан в огромной атомной клетке, образованной другими атомами, что приводит к локализованным некогерентным колебаниям. Его присутствие резко снижает решеточную составляющую теплопроводности, мало влияя на электронные свойства соединения. Эта комбинация свойств делает наполненные скуттерудиты потенциально интересными термоэлектрическими материалами.

          Локализованные дребезжащие атомы также встречаются в клатратах, таких как Sr 8 Ga 16 Ge 39 и Ba 8 Ga 16 Ge 30 Эти соединения имеют кубическую структуру, такую ​​же, как и в клатратах льда I типа. Эти структуры можно рассматривать как тетраэдрические каркасы атомов Ga и Ge; они образуют большие клетки из 20 или 24 атомов, которые окружают атомы Sr или Ba. Атомы щелочноземельных металлов в большей клетке имеют необычный параметр атомного смещения, показывающий признак локализованных колебаний. Стеклянная теплопроводность возникает из-за резонансного рассеяния фононов на колебаниях ионов примеси в их полиэдрических клетках.Относительно высокая подвижность носителей заряда в этих клатратах указывает на то, что взаимодействия примесь-каркас не приводят к существенному ухудшению электронных свойств.

          В CsBi 4 Te 6 ионы Cs + интеркалированы между слоями [Bi 4 Te 6 ], как показано на рисунке [14]. Такое ограничение ограничивает движение ионов Cs + в направлении, перпендикулярном оси кристалла b . Таким образом, ионы Cs + действуют как «трещотки», а локализованные колебания сильно связаны с каркасом за счет антикроссинга «локализованных» дребезжащих колебаний в акустические ветви той же симметрии.Это приводит к резонансному рассеянию фононов и уменьшению теплопроводности.

          Кристаллическая структура CsBi 4 Te 6 (воспроизведено с разрешения [14] © Американская ассоциация содействия развитию науки, 2000 г.).

          Следует отметить, что недавний расчет динамики рассеяния нейтронов в скуттерудитах на решетке указывает на то, что колебательные моды «гремучего» когерентно связаны с динамикой основной решетки [15]. Механизм резонансного рассеяния вызывает сомнения, но не исключено, что беспорядок частичного заполнения «гремушки» может генерировать изолированные центры диссипации энергии [15].

          Рассеяние на границе раздела

          Фононы могут рассеиваться на границах раздела различных фаз (гетеро-интерфейс) или на границах между случайно ориентированными зернами (граница зерен). Недавно были реализованы механизмы в новых методах синтеза наноструктурированных материалов, в которых максимальное количество интерфейсов увеличивает рассеяние фононов.

          Снижение теплопроводности за счет уменьшения размера зерна было впервые реализовано в 1981 году в поликристаллических кремний-германиевых сплавах.По сравнению с монокристаллами сплавов SiGe поликристаллический SiGe с зернами порядка 1 мкм показал более высокие значения ZT [16].

          Многие методы были разработаны для производства объемного материала, состоящего из нанозерен. Эти методы обычно включают два этапа. Одним из них является изготовление мелких кристаллических или даже аморфных частиц с помощью химической реакции или специальной обработки грубого сырья, которая может включать металлическое легирование, высокоскоростную шаровую мельницу [17] и формование из расплава [18].Вторым этапом является быстрое спекание порошков с использованием искрового плазменного спекания или кратковременного горячего прессования, позволяющее уплотнить порошки без значительного роста зерен.

          Проблема нанозернистого маршрута заключается в том, что электрическая проводимость снижается из-за границ зерен. Одно из решений состоит в том, чтобы иметь когерентные интерфейсы, чтобы можно было предотвратить рассеяние электронов на границах зерен и сохранить электронную проводимость. Се и др. [18] использовали формование расплава с последующим быстрым искровым плазменным спеканием для изготовления высокопроизводительного Bi 0 p-типа.52 Sb 1,48 Te 3 сыпучий материал с уникальной микроструктурой. Как показано на рисунке, эта микроструктура состоит из нанокристаллических доменов, встроенных в аморфную матрицу, и домены включают нанокристаллы размером 5–15 нм со связными границами зерен. Теплопроводность была снижена границами зерен, но электропроводность сохранилась, что дало ZT 1,56 при 300 K. воспроизведено с разрешения [18] © Американский институт физики, 2009 г.).

          Другим решением является изготовление наноструктурированных объемных термоэлектрических материалов путем самопроизвольного разделения исходной фазы на термодинамически стабильные фазы. Например, кристаллы, вытянутые из эвтектического сплава InSb–Sb, который образует в матрице InSb стержни из Sb толщиной до 4 мкм, показывают явное уменьшение теплопроводности с уменьшением диаметра стержня как параллельно, так и перпендикулярно оси стержня [19]. ]. Однако, поскольку границы раздела были когерентными, не наблюдалось значительного снижения электропроводности или коэффициента Зеебека.

          Помимо нанозернистых твердых тел, были изготовлены и другие низкоразмерные материалы, в том числе нанотрубки и нанопроволоки. Нанотрубки Bi 2 Te 3 были синтезированы и спечены в объемные компакты [20]. Их теплопроводность была значительно снижена по сравнению с кристаллами Bi 2 Te 3 , но электропроводность также уменьшилась, что привело лишь к незначительному улучшению значения ZT . Также были исследованы кремниевые нанопроволоки диаметром около 50 нм, и их теплопроводность уменьшилась в 100 раз по сравнению с объемным кремнием, что дало ZT =0.6 при комнатной температуре [21].

          Нановключения доказали свою эффективность в снижении теплопроводности, о чем свидетельствует внедрение наночастиц ErAs в матрицу In 0,47 Ga 0,53 As [22]. Включения имели размер около 5 нм и были разделены средним расстоянием 5–40 нм, что приводило к сильному рассеянию средне- и длинноволновых фононов. В то же время точечные дефекты In 0,47 Ga 0,53 As рассеивают коротковолновые фононы.Комбинированный эффект заключался в значительном снижении теплопроводности решетки и улучшении значения ZT . С тех пор различные наноточки или нановключения были включены в объемные материалы и стали важной частью недавней разработки термоэлектрических материалов [23, 24].

          Наименьшая теплопроводность (0,05 Вт·м −1 K −1 для пленок WSe 2 ) была получена, однако, при сверхрешеточной структуре [25]. Успешным примером применения такой структуры в термоэлектрических материалах являются периодически уложенные соединения Bi 2 Te 3 и Sb 2 Te 3 [26].В направлении, перпендикулярном границе раздела двух материалов, решеточная теплопроводность уменьшилась до 0,22 Вт м -1 К -1 , что составляет почти половину минимального значения для отдельных компонентов из-за акустического несоответствие между компонентами сверхрешетки. Однако из-за небольшого смещения валентной зоны и зоны проводимости между Bi 2 Te 3 и Sb 2 Te 3 подвижность электронов сильно не изменилась. Следовательно, результирующее значение ZT приблизилось к 2.4 в поперечном направлении при комнатной температуре.

          Модулированный метод элементарных реагентов был позже разработан для изготовления неисправного слоя дичалькогенидных пленок (PBSE) м ( Q SE 2 ) N ( Q = W или MO, m =1–5 и n =1–5), а теплопроводность этих слоистых материалов наноразмерной толщины оказывается ниже прогнозируемой минимальной теплопроводности их отдельных компонентов [27].

          Большинство фононов могут проходить через границу между разнородными материалами, если эти материалы имеют схожие кристаллические и упругие свойства, но фононы будут отражаться обратно, если эта разница велика. Баландин и Ванг [28] рассмотрели структуру с квантовой ямой путем размещения тонких пленок теллурида висмута между слоями полимера или другого «мягкого» диэлектрического вещества. Фононы слоя Bi 2 Te 3 не могут проходить через границу между Bi 2 Te 3 и полимерным слоем из-за резко различающихся упругих свойств.Следовательно, фононы пространственно ограничены слоем Bi 2 Te 3 . Расчеты показывают, что сильная модификация групповых скоростей и дисперсии фононов из-за пространственного ограничения приводит к значительному увеличению скорости релаксации фононов и, следовательно, к сильному снижению теплопроводности решетки.

          Таким образом, в недавней разработке термоэлектрических материалов использовались различные механизмы рассеяния фононов. Значения ZT для этих материалов приведены на рисунках и .

          ZT Значения N-типа термоэлектрические материалы, в том числе Bi 2 Te 3 [20], BI 2 TE 3 Nanotube Composite [20], AG 0,8 PB 22.59 SBTE 20 [24], в 4 SE 3-δ [11], MG 2 SI 0,4 SI 0,4 SL 0,6 [4] и (SNS) [4] и (SNS) 1.2 (TIS 2 ) 2 [29].

          ZT значения термоэлектрических материалов p-типа, в том числе Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 сверхрешетка [26], нанозернистый Bi 0.52 SB 1.58 TE 3 [18], CSBI 4 TE 6 [14], TL [14], TL 9 Bite 6 [9], кремниевые нанопроводы [21], LAFE 3 COBB 12 [12] и ErAs, встроенный в матрицу InGaAlAs [34].

          Концепция «естественной сверхрешетки»

          Наноструктуры и искусственные сверхрешетки значительно снизили теплопроводность и тем самым улучшили термоэлектрические характеристики. Однако по-прежнему сложно поддерживать их структурную стабильность при высоких температурах, учитывая сложность многокомпонентного фазового равновесия.Поэтому мы предложили идею «естественной сверхрешетки», полученной путем внедрения слоя SnS в ван-дер-ваальсову щель слоистого TiS 2 [29, 30]. Слой TiS 2 может обеспечить термоЭДС, а также путь для электронов согласно исследованию Имаи на монокристаллах TiS 2 [31]. Интеркалированный слой SnS может подавлять транспорт фононов вследствие взаимодействия слоя SnS со слоем TiS 2 и/или нарушения периодичности TiS 2 в направлении, перпендикулярном слоям.Традиционные методы спекания под давлением (горячее прессование или искровое плазменное спекание) давали высокоориентированные слои поликристаллических зерен благодаря анизотропному связыванию в этой природной сверхрешетке. Эта природная сверхрешетка также демонстрирует высокую стабильность термодинамических и термоэлектрических свойств.

          Слой SnS и парные слои TiS 2 складываются в направлении оси c , хотя оси c двух подсистем слегка расходятся. Внутри слоев оси b параллельны и имеют одинаковые постоянные решетки.Оси и также параллельны, но соответствующие постоянные решетки имеют отношение примерно 3:5. Следовательно, значение 1,2 в химической формуле (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 получается с учетом соотношения параметров решетки и числа атомов в элементарных ячейках. Атомная структура (SnS) 1.2 (TiS 2 ) 2 вдоль оси зоны [130] представлена ​​на рисунке [29]. Парные слои TiS 2 и одиночный слой SnS попеременно складываются, образуя элементарную ячейку длиной 1.74 нм. Слои SnS уложены с совершенно случайным поперечным смещением по нормали к оси c , о чем дополнительно свидетельствует наличие размытых полос на электронограмме. Отсутствие корреляции между последовательными слоями SnS приводит к появлению плоскостей диффузной интенсивности вместо четко определенных отражений.

          HRTEM-изображение (SnS) 1.2 (TiS 2 ) 2 вдоль оси зоны [130].

          Теплопроводность TiS 2 и (SnS) 1.2 (TiS 2 ) 2 представлены на рисунке в зависимости от температуры. (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 имеет более низкую теплопроводность, чем TiS 2 , во всем диапазоне температур как в плоскости, так и в поперечном направлении. Электронная теплопроводность ( k e ) напрямую связана с электропроводностью через закон Видемана-Франца, k e = L 0 T σ, где Лоренца 0 равно 2.44×10 −8 Вт Ом K −1 . Значения k e для этих составов ( M S) 1+ x (TiS 2 ) 2 были рассчитаны и добавлены к рисунку . Они довольно похожи для TiS 2 и (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 как в плоскости, так и в поперечном направлении, демонстрируя, что основной причиной снижения теплопроводности является уменьшение теплопроводности решетки.

          Теплопроводность ( k ) и ее электронный компонент ( k e ) для TiS 2 и (SnS) 1.2 (TiS 2 ) 9 03 плоскостные направления.

          Значения решеточной теплопроводности представлены на рисунке [29]. Они намного ниже для (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 , чем для TiS 2 как в плоскости, так и в поперечном направлении. Минимальную теплопроводность можно рассчитать для этого состава как [32]

          Здесь сумма взята по двум поперечным и одной продольной звуковым модам, а значения скоростей звука v i сведены в таблицу; θ i — температура Дебая для каждой поляризации, которая может быть выражена как [32]

          Здесь n — числовая плотность атомов, а результаты приведены в табл.

          Решетчатая теплопроводность TiS 2 и (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 в плоскостном и поперечном направлениях. Также включены расчетные минимальные теплопроводности ( k мин ) для (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 .

          Таблица 1

          Плотности, продольная и поперечная скорости звука и соответствующие модули сдвига TiS 2 и (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 в плоскостном и поперечном направлениях.Для поперечного направления две поперечные скорости равны ( В Т1 = В Т2 ). В плоскости поляризация V T1 перпендикулярна, а V T2 параллельна слоям.

          Материал Направление ρ V л V Т1 V Т2 G 1 G 2
          (г см (г см -3 (MS -1 (MS -1 ) (MS -1 ) (MS -1 ) (GPA) (ГПа)
          TiS 2 В плоскости 3.21 5284 2799 3295 25,0 34,7
          Кросс-самолет 4383 2825 25,6
          (SNS) 1,2 (TIS 2 ) 2 ) 2 в самолете 3.87 4111 1578 2352 9,6 21.4
          Кросс-самолет 3368 1555 9.4

          Табл.

          направление θ θ θ T1 (K)
          θ
          θ T2 (K)
          в самолете 446.2 171.3 255.2
          Крестовина 365.5 168.7

          в перекрестном направлении, K L (SNS) 1.2 (TIS 2 ) 2 даже ниже, чем K мин [32], что практически невозможно наблюдать в объемных материалах. В плоскостном направлении уменьшение теплопроводности обусловлено в основном смягчением поперечных фононов, а их поляризация нормальна к слоям из-за ослабления межслоевой связи.В поперечном направлении уменьшение теплопроводности происходит как из-за уменьшения поперечной скорости, так и из-за рассеяния фононов, усиленного модулированной структурой и трансляционным беспорядком.

          В плоскости ZT значение (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 улучшено по сравнению с TiS 2 за счет сверхрешетчатой ​​структуры (рис. ) [29], рис. в котором скорость фонона уменьшается без ухудшения электрических свойств.В поперечном направлении значение ZT практически не меняется из-за одновременного рассеяния как электронов, так и фононов на гетерограницах. Поскольку (SnS) 1,2 (TiS 2 ) 2 имеют чрезвычайно низкую теплопроводность и довольно высокую концентрацию носителей заряда, уменьшение концентрации носителей может одновременно снизить электронную теплопроводность и оптимизировать коэффициент мощности, тем самым обеспечив более высокое значение . Стоимость ZT .

          ZT значения TiS 2 и (SnS) 1.2 (ТиС 2 ) 2 в плоскостном и поперечном направлениях.

          На примере (SnS) 1.2 (TiS 2 ) 2 предлагается варьировать виды основного материала и интеркалированного материала и соотношение этих двух компонентов. Это приведет к большому семейству соединений слоя несоответствия ( M X) 1+ x ( T X 2 ) n имеющих естественную сверхрешетчатую структуру, где 909 , Bi, Sn, Sb или редкоземельный элемент; T = Ti, V, Cr, Nb или Ta, X = S или Se и n = 1, 2, 3 [33].Эти соединения должны проявлять превосходные термоэлектрические свойства как для n-типа, так и для p-типа проводимости.

          Выводы

          В последнее десятилетие были успешно разработаны различные стратегии для снижения решеточной теплопроводности термоэлектрических материалов с последующим улучшением термоэлектрических характеристик. Следует пересмотреть концепцию минимальной теплопроводности, поскольку некоторые экспериментальные значения уже выходят за этот предел. Однако дальнейшее значительное увеличение значения ZT может произойти только за счет значительного увеличения коэффициента мощности ( S 2 σ), что требует прорыва в понимании и контроле механизмов переноса заряда в сложных материалах.

          Ссылки

          • Snyder G J. and Toberer E S. Nat. Матер. 2008;7:105. doi: 10.1038/nmat2090. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Toberer E S, May A F. and Snyder G J. Chem. Матер. 2010;22:624. doi: 10.1021/cm
          • 6r. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Wood C. Rep. Prog. физ. 1988;51:459. doi: 10.1088/0034-4885/51/4/001. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Зайцев В К, Федоров М И, Гурьева Е А, Еремин И С, Константинов П П, Самунин А Ян, Ведерников М В.2006. Физ. B 74 045207 10.1103/PhysRevB.74.045207 [CrossRef] [Google Scholar]
          • Abeles B. Phys. Ред. 1963; 131:1906. doi: 10.1103/PhysRev.131.1906. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Yu C, Scullin M L, Huijben M, Ramesh R. an and Majumdar A. Appl. физ. лат. 2008;92:1. дои: 10.1063/1.29. [CrossRef] [Google Scholar]
          • May A F, Fleurial J P и Snyder G J. 2008. Физ. B 78 125205 10.1103/PhysRevB.78.125205 [CrossRef] [Google Scholar]
          • Nolas GS, Wang D. and Beekman M. Phys. Ред. 2007; B:76. [Google Scholar]
          • Wolfing B, Kloc C, Teubner J. and Bucher E. Phys. Преподобный Летт. 2001;86:4350. doi: 10.1103/PhysRevLett.86.4350. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Йошия М., Тада М. и Нагира Т. Proc. Междунар. Симп. по нанотермоэлектрикам . 2007: стр. 49. [Google Scholar]
          • Райи Дж. С., Ли К. Х., Ли С. М., Чо Э., Иль Ким С., Ли Э., Квон Й. С., Шим Дж. Х.и Котляр Г. Природа . 2009; 459:965. doi: 10.1038/nature08088. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Sales BC, Mandrus D. and Williams R K. Science . 1996; 272:1325. doi: 10.1126/science.272.5266.1325. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Cohn JL, Nolas GS, Fessatidis V, Metcalf TH и Slack GA. Phys. Преподобный Летт. 1999;82:779. doi: 10.1103/PhysRevLett.82.779. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Chung D Y, Hogan T, Brazis P, Rocci-Lane M, Kannewurf C, Bastea M, Uher C.и Канацидис М.Г. Наука . 2000; 287:1024. doi: 10.1126/science.287.5455.1024. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Koza M M, Johnson M R, Viennois R, Mutka H, ​​Girard L. and Ravot D. Nat. Матер. 2008;7:805. doi: 10.1038/nmat2260. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Роу Д М, Шукла В С. и Саввидес Н. Nature . 1981; 290:765. doi: 10.1038/2
          • a0. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Poudel B. et al 2008 Science 320634.10.1126/science.1156446 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Xie W J, Tang X F, Yan Y G, Zhang Q J. an and Tritt TM M. Appl. физ. лат. 2009;94:102111. doi: 10.1063/1.3097026. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Liebmann W K. and Miller E A. J. Appl. физ. 1963;34:2653. doi: 10.1063/1.1729786. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Zhao X B, Ji X H, Zhang Y H, Zhu T J, Tu J P. and Zhang X B. Appl. физ. лат. 2005;86:062111. дои: 10.1063/1.1863440. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Хохбаум А.И., Чен Р.К., Дельгадо Р.Д., Лян В.Дж., Гарнетт Э.С., Наджарян М., Маджумдар А. и Ян П.Д. 2008; 451:163. doi: 10.1038/nature06381. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Kim W, Zide J, Gossard A, Klenov D, Stemmer S, Shakouri A. and Majumdar A. Phys. Преподобный Летт. 2006;96:045901. doi: 10.1103/PhysRevLett.96.045901. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Андрулакис Дж., Хсу К.Ф., Псионек Р., Конг Х., Ухер С., Данджело Дж.Дж., Дауни А., Хоган Т.и Канацидис М. Г. Adv. Матер. 2006;18:1170. doi: 10.1002/adma.200502770. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Чжоу М., Ли Дж. Ф. и Кита Т. Дж. Ам. хим. соц. 2008;130:4527. дои: 10.1021/ja7110652. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Chiritescu C, Cahill DG, Nguyen N, Johnson D, Bodapati A, Keblinski P. и Zschack P. Science . 2007; 315:351. doi: 10.1126/science.1136494. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Venkatasubramanian R, Siivola E, Colpitts T.и О’Куинн Б. Природа . 2001; 413:597. doi: 10.1038/35098012. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Chiritescu C, Cahill DG, Heideman C, Lin Q Y, Mortensen C, Nguyen N T, Johnson D, Rostek R. and Bottner H. J. Appl. физ. 2008;104:033533. doi: 10.1063/1.2967722. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Баландин А. и Ван К. Л. J. Appl. физ. 1998; 84: 6149–6153. дои: 10.1063/1.368928. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Wan C, Wang Y, Wang N и Koumoto K. Дж. Электрон. Матер. отправлено [Google Scholar]
          • Wan C, Wang Y, Wang N. и Koumoto K. Materials . 2010;3:2606. дои: 10.3390/ma3042606. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Имаи Х., Симакава Ю. и Кубо Ю. 2001. Физ. B 64 241104 10.1103/PhysRevB.64.241104 [CrossRef] [Google Scholar]
          • Кэхилл Д.Г., Уотсон С.К. и Пол Р.О. 1992. Физ. B 46 6131 10.1103/PhysRevB.46.6131 [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
          • Wiegers G A. Прог. Химия твердого тела. 1996; 24:1. doi: 10.1016/0079-6786(95)00007-0. [CrossRef] [Google Scholar]
          • Zeng G H, Bahk J H, Bowers J E, Lu H, Gossard A C, Singer S L, Majumdar A, Bian Z X, Zebarjadi M. an and Shakouri A. Appl. физ. лат. 2009;95:083503. дои: 10.1063/1.3213347. [CrossRef] [Google Scholar]

          Теплоемкость и удельная теплоемкость

          • Определение теплоемкости.
          • Задайте удельную теплоемкость.
          • Выполнение расчетов с учетом удельной теплоемкости.

          Какой бассейн быстрее прогреется?

          Если бы плавательный и детский бассейны, наполненные водой одинаковой температуры, подверглись одинаковому потреблению тепловой энергии, то температура в детском бассейне, несомненно, повысилась бы быстрее, чем в плавательном бассейне. Теплоемкость объекта зависит как от его массы, так и от его химического состава. Из-за своей гораздо большей массы бассейн с водой имеет большую теплоемкость, чем ведро с водой.

          Теплоемкость и удельная теплоемкость

          Различные вещества по-разному реагируют на тепло. Если металлический стул находится на ярком солнце в жаркий день, он может сильно нагреться на ощупь. Равная масса воды на том же солнце не станет такой же горячей. Мы бы сказали, что вода обладает высокой теплоемкостью (количество тепла, необходимое для повышения температуры объекта на 1 °C). Вода очень устойчива к изменениям температуры, в то время как металлы в целом нет.Удельная теплоемкость вещества – это количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°C. В таблице ниже перечислены удельные теплоемкости некоторых распространенных веществ. Символ удельной теплоемкости – c p , с нижним индексом p, обозначающим тот факт, что удельная теплоемкость измеряется при постоянном давлении. Единицами удельной теплоемкости могут быть либо джоули на грамм на градус (Дж/г°С), либо калории на грамм на градус (кал/г°С). В этом тексте для удельной теплоемкости будет использоваться Дж/г°C.

          Удельная теплоемкость некоторых обычных веществ
          Вещество Удельная теплоемкость (Дж/г°C)
          Вода (л) 4,18
          Вода(и) 2,06
          Вода (г) 1,87
          Аммиак (г) 2,09
          Этанол (л) 2,44
          Алюминий(и) 0.897
          Углерод, графит(ы) 0,709
          Медь(и) 0,385
          Золото(а) 0,129
          Железо(а) 0,449
          Свинец(и) 0,129
          Меркурий (л) 0,140
          Серебро (с) 0,233

          Обратите внимание, что вода имеет очень высокую удельную теплоемкость по сравнению с большинством других веществ.Вода обычно используется в качестве охлаждающей жидкости для машин, потому что она способна поглощать большое количество тепла (см. Таблицу выше). Прибрежный климат гораздо более умеренный, чем внутренний, из-за присутствия океана. Вода в озерах или океанах поглощает тепло из воздуха в жаркие дни и отдает его обратно в воздух в прохладные дни.

          Рисунок 17.5

          Эта электростанция в Западной Вирджинии, как и многие другие, расположена рядом с большим озером, так что воду из озера можно использовать в качестве теплоносителя.Прохладная вода из озера закачивается на завод, а более теплая вода откачивается из завода и возвращается в озеро.

          Резюме
          • Определены теплоемкость и удельная теплоемкость.
          Практика

          Вопросы

          Посмотрите видео и ответьте на вопросы ниже

          1. Что было в первом шарике?
          2. Что было в шаре отправки?
          3. Почему не лопнул первый шар?
          4. Почему лопнул второй шарик?
          Обзор

          Вопросы

          1. Что такое теплоемкость?
          2. Что такое удельная теплоемкость?
          3. У вас есть 10-граммовый кусок алюминия и 10-граммовый кусок золота, лежащие на солнце.Какой металл первым нагреется на десять градусов?
          4. У вас есть 20-граммовый кусок алюминия и 40-граммовый кусок алюминия, лежащие на солнце. Какая фигура первой повернется на десять градусов?
          • теплоемкость: Количество тепла, необходимое для повышения температуры объекта на 1°C.
          • удельная теплоемкость: Количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°C.

          Ссылки

          1. Плавательный бассейн: Пользователь: Mhsb/Wikimedia Commons; Детский бассейн: Пользователь: Aarchiba/Wikipedia.Бассейн: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Freshwater_swimming_pool.jpg; Бассейн для купания: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wading-pool.jpg.
          2. Пользователь: Raeky/Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mount_Storm_Power_Plant,_Areial.jpg.

          [/ скрытый ответ

          Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

          Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


          Настройка браузера на прием файлов cookie

          Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

          • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
          • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
          • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
          • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
          • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

          Почему этому сайту требуются файлы cookie?

          Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


          Что сохраняется в файле cookie?

          Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

          Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

          Модель теплопроводности порошкообразных материалов в вакууме на основе экспериментальных исследований: AIP Advances: Vol 7, No 1

          В этом разделе мы представляем теоретическую модель теплопроводности порошкообразных материалов в вакууме, основанную на приведенных выше экспериментальных результатах.При моделировании были приняты следующие допущения: (1) частицы имеют сферическую форму и одинаковый размер; (2) внутри слоя частиц возникает одномерный поток тепла в направлении силы тяжести; и (3) кондуктивный и радиационный теплообмен происходят параллельно, так что эффективная теплопроводность выражается как сумма твердотельной и лучистой теплопроводности. Мы моделировали твердотельную и лучистую проводимости отдельно.

          A. Модель твердотельной проводимости

          . Рассмотрим шарики одинакового размера, однородно упакованные в кубический контейнер с единичной длиной и единичной площадью поперечного сечения, как показано на фиг.9. Одномерный поток тепла происходит снизу вверх по слою сферы. В этой конфигурации твердотельная проводимость эквивалентна объемной теплопроводности слоя. Объемная теплопроводность может быть сформулирована как параллельные и последовательные соединения теплопроводности в элементарной ячейке. Предположим, что N A — это количество сфер на единицу площади перпендикулярно направлению теплового потока, а N L — это количество сфер на единицу длины вдоль него. N A и N L отражают параллельное и последовательное соединения соответственно. Тогда твердотельная проводимость определяется выражением, где H — теплопроводность элементарной ячейки. В этом уравнении член Н А Н представляет собой эффективную теплопроводность отдельных горизонтальных слоев высотой 1/ Н L . H можно также сформулировать как последовательное соединение общей проводимости контактов на контактах, H c, всего , и теплопроводности внутри каждой сферы, H s , как, кроме того, H c, сумма представлена ​​как C /2 параллельных соединения теплопроводности на каждом контакте H c , при этом C среднее координационное число.
          Hc, всего=C22πHc=CπHc. (8)
          Поскольку поверхности контакта между частицами наклонены против вертикального направления (чистого теплового потока), количество теплопроводности через контакт в направлении чистого теплового потока должно быть скорректировано в сторону уменьшения. Предполагая случайные углы наклона контактных поверхностей, средний поправочный коэффициент определяется как (∫−π/2π/2cosθdθ)/(∫−π/2π/2dθ)=2/π, где θ — угол между перпендикулярной линией поверхности контакта и чистого направления теплового потока (РИС.9). Следовательно, в уравнении появляется множитель 2/π. (8). N A и N L в уравнении. (6) можно выразить через радиус частицы R p и объемную пористость ϕ. Число сфер в единице объема, N , может быть записано как: Для трехмерного случайного условия простые выражения N L и N A будут равны N 1 /3 и N 2/3 соответственно.Однако высота горизонтальных слоев 1/ N L должна быть меньше диаметра частиц, чтобы обеспечить контакт верхнего и нижнего слоев, если частицы оседают в гравитационном поле. Если мы возьмем N L = N 1/3 , то 1/ N L станет больше, чем 2 R p при 7ϕ>0.4. Чтобы избежать этой проблемы, мы принимаем N L в качестве константы, не зависящей от пористости для гранецентрированной кубической структуры как, Тогда влияние пористости на число частиц накладывается на N A как
          NA=NNL=6(1−ϕ)2πRp2. (11)
          Когда пористость увеличивается, как N A , так и C уменьшаются, и результирующая проводимость твердого тела уменьшается. Применимость этого выражения будет проверена путем сравнения его с экспериментальными данными в разделе . Контактная проводимость H c может быть оценена путем аппроксимации двух контактирующих сфер как двух круговых цилиндров, соединенных с поперечным сечением π rc2, где r c — радиус контактной площадки.Когда тепловой поток задан перпендикулярно поверхности контакта и если R p значительно больше, чем r c , проводимость контакта H c пропорциональна радиусу контакта, согласно H c = 2 k m r c , где k m – теплопроводность контактирующего материала. 21 21. М. Г. Купер, Б. Б. Микич и М.Йованович М. Теплопроводность контакта // Межд. J. Heat Mass Transfer 12 , 279–300 (1969). https://doi.org/10.1016/0017-9310(69)-8 Применимость этой формулы к контакту сфер-сфер продемонстрировали Чан и Тиен. 6 6. C.K.Chan и C.L.Tien, “Проводимость упакованных сфер в вакууме”, J. Heat Transfer 95 , 302-308 (1973). https://doi.org/10.1115/1.3450056 Как следует из наших экспериментов (см. раздел и рис. 6), теплопроводность также зависит от микроскопической шероховатости поверхности частицы.При соприкосновении двух частиц с шероховатой поверхностью в области макроскопического контакта образуется множество микроскопических контактов. Это уменьшает реальную площадь поперечного сечения, через которое течет тепло, и, следовательно, теплопроводность на контактах становится ниже, чем у соответствующих частиц с идеально гладкой поверхностью. В этом исследовании влияние шероховатости поверхности на контактную теплопроводность просто добавляется к ξ в модели контактной теплопроводности, поскольку значение ξ меньше 1 для шероховатых частиц и равно 1, когда частица поверхность идеально гладкая.Обратите внимание, что r c в приведенном выше уравнении — это контактный радиус идеальных сфер без шероховатости поверхности. Параметр ξ имеет значение, аналогичное отношению реальной площади контакта к кажущейся, используемой при изучении трения и теплопроводности между твердыми материалами. 22–24 22. Б. Н. Дж. Перссон, Трение скольжения – физические принципы и приложения , 2-е изд. (Спрингер, Нью-Йорк, 2000 г.).23. Дж. Дитрих и Б. Д. Килгор, «Визуализация контактов на поверхности: распределение контактов по степенному закону и контактные напряжения в кварце, кальците, стекле и акриловом пластике», Tectonophysics 256 , 219–239 (1996).https://doi.org/10.1016/0040-1951(95)00165-424. CV Madhusudana, Тепловая контактная проводимость , 2-е изд. (Springer, New York, 2014). Координационное число C зависит от пористости. Здесь мы используем модель Suzuki et al., 25 25. Судзуки М., Макино К., Ямада М., Иноя К. Исследование координационного числа в случайно упакованной системе моноразмерных сферических частиц (в японский)», Kagaku Kogaku Ronbunshu 6 , 59–64 (1980). https://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.6.59, который предсказывает, что C уменьшается с пористостью ϕ as, 26 26. H. Masuda, K. Higashitani, and H. Yoshida, Справочник по технологии порошков , 3rd ed. (CRC Press, Лондон, 2006 г.).
          C=2,812(1−ϕ)−1/3f2(1+f2), (13)
          , где сфере, H s , мы аппроксимируем сферу кубом с объемом, эквивалентным объему сферы.В этом случае для неконсолидированных частиц вклад H s в проводимость H пренебрежимо мал по сравнению с H c,total , поскольку Hc,total ≪Hs. Радиус контакта между двумя сферами, r c в уравнении. (12) моделируется следующим образом. Когда два шара приходят в соприкосновение внешней нормальной силой F , радиус области контакта соответствует теории Герца, 27 27. С.П. Тимошенко и Ю.Н.Goodier, Theory of Elasticity (McGraw-Hill Book Company, Inc., Нью-Йорк, 1951). где радиус контакта r c записывается как — модуль Юнга. Помимо внешней силы F между частицами может действовать сила сцепления, которая также создает конечную площадь контакта. Джонсон и др. 28 28.Джонсон К.Л., Кендалл К., Робертс А.Д. Поверхностная энергия и контакт упругих твердых тел // Proc. Р. Соц. Лонд. А. Мет. физ. науч. 324 , 301–313 (1971). https://doi.org/10.1098/rspa.1971.0141 расширил теорию Герца, включив эффект силы сцепления как Rp]1/3, (16) где γ — поверхностная энергия твердого материала. Эта модель называется теорией JKR (Джонсона, Кендалла и Робертса).Когда γ=0, уравнение (16) становится эквивалентным теории Герца, представленной уравнением. (15). Внешняя сила F , действующая на частицу, рассчитывается через сжимающее напряжение σ как
          F=σNA=2πRp26(1−ϕ)σ. (17)
          Коэффициент 1/ N A соответствует средней площади поперечного сечения частицы, включая окружающее пустотное пространство. Когда сжимающее напряжение σ в порошкообразных средах вызвано собственным весом частиц, оно может быть представлено гидростатическим давлением как где ρm — истинная плотность твердой частицы, г, — ускорение свободного падения, z – глубина захоронения материалов под поверхностью.Таким образом, пренебрегая H s в уравнении. (7), наш расчет для твердой проводимости: (13) и r c по уравнению. (16). Это уравнение означает, что проводимость твердого тела пропорциональна отношению радиуса контакта r c к радиусу частицы R p . Когда поверхностная энергия равна нулю, радиус контакта пропорционален радиусу частицы (см.15 и 17), поэтому проводимость твердого тела не зависит от размера частиц. Напротив, проводимость твердого тела уменьшается с увеличением размера частиц, когда γ>0, потому что сила сцепления оказывает большее влияние на более мелкие частицы.

          B. Модель радиационной проводимости

          Радиационная теплопередача через пустоты в порошкообразных средах моделируется одномерным тепловым излучением между множеством бесконечно тонких параллельных плоскостей, как показано на фиг. 10. Как и в модели твердотельной проводимости, радиационная проводимость эквивалентна полной теплопроводности этой многослойной среды в пределах единичного куба.Предполагается, что две соседние плоскости имеют разность температур ΔT и плоскости или частицы непрозрачны для теплового излучения. Теплопроводность между двумя плоскостями по тепловому излучению, H r , может быть рассчитана как, где ε — коэффициент излучения, σSB (= 5,67×10−8 Вт · м −2 K −4 ) — постоянная Стефана-Больцмана, а T — температура более холодной плоскости.Поскольку L r — это расстояние между двумя соседними плоскостями, количество слоев на единицу длины равно 1/ L r . Тогда радиационная проводимость многослойных сред может быть выражена как 1/ L r последовательных соединений лучистой проводимости H r as,
          крад=LrHr=4ε2−εσSBLrT3. (21)
          где L r представляет собой эффективное расстояние для теплопередачи излучением.Это можно масштабировать по характерной длине пустот в порошкообразных средах. В однородно упакованных сферах одинакового размера объем пустот на частицу рассчитывается по радиусу частицы R p и пористости ϕ as,
          V=ϕN=43πRp3ϕ1−ϕ, (22)
          где N — количество сфер в единице объема, определяемое уравнением (9). Аппроксимируя этот типичный объем пустоты как объем сферы диаметром D v , геометрическую длину пустоты можно сформулировать на основе Пике и Кристенсена, 17 17.S. Piqueux и P.R. Christensen, «Модель теплопроводности планетарных почв: 1. теория рыхлых почв», J. Geophys. Рез. 114 (2009). https://doi.org/10.1029/2008JE003308 Мы вводим коэффициент ζ для масштабирования средней геометрической длины пустоты D v к эффективному расстоянию для переноса тепла излучением L r .
          Lr=ζDv=2ζ(ϕ1−ϕ)1/3Rp. (24)
          Повышение радиационной проводимости, вызванное агрегацией, как следует из наших экспериментов с использованием стеклянных шариков ЭМП, представлено значением ζ больше единицы.Подставляя уравнение (24) в уравнение. (21) радиационная проводимость может быть получена из
          крад=8ε2−εσSBζ(ϕ1−ϕ)1/3RpT3. (25)

          C. Сравнение модели с экспериментальными данными

          Полученные выше модели твердотельной и радиационной проводимости можно непосредственно сравнить с экспериментальными данными, представленными в разделе . Физические параметры образцов ФГБ и ЭМБ, использованных для модельных расчетов, приведены в табл. IV. К сожалению, поверхностная энергия используемых нами стеклянных шариков неизвестна.Наши экспериментальные результаты показали, что стеклянные шарики EMB обладают высокой адгезией, а стеклянные шарики FGB – нет (см. Раздел ). Поэтому поверхностная энергия 0,02 Дж · м −2 принята для стеклянных шариков EMB в качестве типичного значения для SiO 2 (ссылка 1313. B. Gundlach and J. Blum, система – II: перенос тепла в сухих, пористых поверхностных слоях пыли», Icarus 219 , 618–629 (2012). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2012.03.013 и ссылки в нем), и поверхностная энергия стеклянных шариков FGB была установлена ​​​​на ноль, так что радиус контакта был представлен законом Герца (уравнение).(15). Для обоих типов стеклянных шариков использовали модуль Юнга 55,1 ГПа и коэффициент Пуассона 0,22. 6 6. C.K.Chan и C.L.Tien, “Проводимость упакованных сфер в вакууме”, J. Heat Transfer 95 , 302-308 (1973). https://doi.org/10.1115/1.3450056 Коэффициент излучения 0,9 был измерен устройством измерения коэффициента излучения (A&D AERD, Kyoto Electronics Manufacturing Co. Ltd., Токио, Япония).

          ТАБЛИЦА IV. Параметры модели для стеклянных шариков ФГБ и ЭМБ.

          + р
          Параметр Символ ФГБ EMB
          Диаметр частиц 2 R переменная (53-1000 мкм) 5 мкм
          Пористость ϕ 0.40 Переменная (0.495-0.862)
          True Fronty ρm 2480 кг м -3 2600 кг м -3
          глубина Z 1 см 1 см 1 см
          Материал проводимости к м 0 0 W M -1 K -1 K -1 1.406 W M -1
          д к м Т 8.50 × 10 -4 W M -1 K -1 K -2 -2 5.10 × 10 -4 K -2 K -2 K -2
          Энергия поверхности γ 0.0 J м -2 0,02 Дж м -2
          модуль Юнга Е
          коэффициент 55,1 ГПа 55,1 ГПа Пуассона ν 0,22 0,22
          Коэффициент излучения ε 0.9 0,9
          РИС. 11(a) показаны модельные оценки проводимости твердого тела при 300 K с использованием параметров стеклянных шариков FGB, где ξ установлено на 1,0, 0,5 и 0,2. Для сравнения также показана средняя проводимость четырех измерений, полученных с использованием контейнеров с одним и тремя датчиками, где вертикальные планки погрешностей представляют собой максимальное и минимальное значения четырех измерений (такие же, как заштрихованный диапазон на фиг. 5). Как обсуждалось в разделе , проводимость твердого тела не зависит от размера частиц, если сила сцепления не принимается во внимание.Оно оценивается в 0,00341 Вт·м −1 K −1 , если ξ = 1,0, что означает сферы с гладкой поверхностью. Эта оценка по модели выше, чем любое измерение стеклянных шариков ФГБ. Разумным объяснением такой более высокой твердотельной проводимости, полученной с использованием модели, является то, что поверхность стеклянных шариков ФГБ была шероховатой и не чистой, поэтому значение ξ было меньше единицы. Предпочтительные значения ξ для стеклянных шариков FGB находятся в диапазоне от 0,29 до 0.83 (см. Таблицу V).

          ТАБЛИЦА V. Сводка значений ξ и ζ, применимых к нашим образцам стеклянных шариков. Отметим, что для стеклянных шариков ФГБ было принято γ=0 Дж·м –2 , а для стеклянных шариков ЭМБ γ=0,02 Дж·м –2 .

          92 750 Пример
          ξ ζ +
          ФГБ-20 0,34 – 0,83 0.7 – 1.2
          ФГБ-40 0,30 – 0,65 1,1 – 1.9
          FGB-80 0,36 – 0,46 1.2 – 1.7
          FGB-180 0,36 – 0,44 0,36 – 0,8 – 2.6 1,8 – 2.6
          FGB-300 0,29 – 0,33 2.5 – 4,0
          EMB ~1 ~15
          На фиг. 12(а) электропроводность твердого тела, рассчитанная с использованием параметров стеклянных шариков EMB, показана как функция пористости наряду с экспериментальными данными.Модель с ξ = 1,0 согласуется с экспериментальными данными. Например, при пористости 0,862 предсказана твердотельная проводимость 0,00062 Вт·м -1 К -1 , что согласуется с экспериментальными данными. Поскольку стеклянные шарики ЭМП имели гладкую поверхность, соответствие между значениями, предсказанными моделью с ξ = 1,0, и экспериментальными данными является разумным и предполагает применимость нашей твердотельной модели проводимости в этом случае. Кроме того, зависимость проводимости твердого тела от пористости зависела от N L и N A .Мы предварительно установили N L равным значению гранецентрированной кубической решетки, независимой от пористости, и влияние пористости было принудительно установлено на N A (уравнения 10 и 11). Согласованность между моделью и экспериментальными данными, показанная на фиг. 12(а) подразумевает, что это допущение применимо на практике. На фиг. 11(b) показана радиационная проводимость, предсказанная нашей моделью при температуре 300 K для стеклянных шариков FGB, наряду с экспериментальными данными. Наша модель предсказывает, что радиационная проводимость изменяется линейно с размером частиц.При ζ = 1,0 расчетная радиационная проводимость при 300 К составляет 0,00429 Вт м -1 К -1 при диаметре частиц 1000 мкм м, что согласуется с экспериментальным результатом для самых больших стеклянных шариков. Меньшие по размеру стеклянные шарики имели относительно более высокую радиационную проводимость, чем оцененная моделью. Другими словами, значение ζ , которое является мерой отклонения длины свободного пробега фотонов от типичного размера пустоты, увеличивается с уменьшением размера частиц.Одно из возможных объяснений этой тенденции состоит в том, что более мелкие частицы не были непрозрачны для теплового излучения. При температурах около 300 К тепловое излучение черного тела имеет спектральный пик на длинах волн около λmax 10 μ м. Когда λmax≪Dp, частицы можно аппроксимировать непрозрачными для теплового излучения. Этого не происходит, когда λmax≈Dp, при котором рассеяние вперед является обычным согласно теории рассеяния Ми. 29 29. М. Ф. Модест, Радиационная теплопередача , 3-е изд.(Академическая пресса, Нью-Йорк, 2013). Следовательно, более эффективное прямое рассеяние теплового излучения более мелкими частицами может способствовать увеличению расстояния лучистой теплопередачи по сравнению с типичным размером пустот. Влияние пористости на лучистую проводимость рассмотрено на фиг. 12(b) с использованием параметров стеклянных шариков EMB. На графике представлены экспериментальные данные для стеклянных шариков ЭМБ, за исключением данных для ЭМБ-49.5 и ЭМБ-58.5, для которых характерна большая неопределенность в отношении их радиационной проводимости (см. раздел ).Лучевая проводимость стеклянных шариков ЭМЗ с ζ=1 оказалась на порядок выше расчетной по модели. Как показано на фиг. 8, стеклянные шарики ЭМБ образовывали агрегаты крупнее размера зерен благодаря подготовке образцов с использованием сит. ЭМБ-86.2, ЭМБ-77.9 и ЭМБ-69.5 имели агрегаты размером около 50 мкм м, а ЭМБ-75.3 имели агрегаты размером 500 мкм м и менее. Эти образцы имели большие пустоты между агрегатами, а не между отдельными частицами.Через эти большие пустоты лучистое тепло может передаваться более эффективно. 13 13. Б. Гундлах и Дж. Блюм, «Выделение газа из ледяных тел в Солнечной системе – II: перенос тепла в сухих, пористых поверхностных слоях пыли», Icarus 219 , 618–629 (2012). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2012.03.013 Принимая постоянное значение ζ = 15, модель может быть хорошо приспособлена к экспериментальным данным для стеклянных шариков EMB. Поскольку образцы, просеянные с сеткой 53 μ мкм, имели агрегаты примерно в 10 раз больше по размеру, чем отдельные частицы, это подогнанное значение ζ является разумным.Кроме того, зависимость проводимости твердого тела от напряжения сжатия была проверена путем сравнения значений, предсказанных моделью, с нашими ранее опубликованными экспериментальными данными. 15 15. Н. Сакатани, К. Огава, Ю. Иидзима, М. Аракава и С. Танака, «Влияние напряжения сжатия на теплопроводность порошкообразных материалов: измерения и их влияние на лунный реголит», Icarus 267 , 1–11 (2016). https://doi.org/10.1016/j.icarus.2015.12.012 Мы измерили теплопроводность стеклянных шариков ФГБ-20 и ФГБ-180 в зависимости от напряжения сжатия.ИНЖИР. 13 показана модель твердотельной проводимости для стеклянных шариков FGB в терминах внешнего напряжения сжатия σ . Подобно результатам этого исследования, показанным на фиг. 11(а), модель с ξ=1 предсказывает более высокую проводимость твердого тела, чем по экспериментальным данным. Наиболее подходящие значения ξ составляют 0,69 и 0,42 для ФГБ-20 и ФГБ-180 соответственно. Они согласуются со значениями × для каждого образца, определенными из результатов, показанных на фиг. 11(а), где образцы не подвергались внешнему сжатию.В таблице V приведены значения ξ и ζ для исследованных стеклянных шариков. ξ колеблется от 0,29 до 1, а ζ — от 0,7 до 15. Для более точного применения модели следует тщательно подбирать значения ξ и ζ в зависимости от природы частиц и условий упаковки. . Хотя ξ и ζ рассматриваются как подходящие параметры в настоящих обстоятельствах, мы считаем, что можно рассчитать эти параметры с точки зрения шероховатости частиц, радиационного рассеяния и агрегации.Это выходит за рамки данной статьи, но должно быть рассмотрено в будущих исследованиях. Более того, мы продолжаем экспериментально проверять применимость модели к другим образцам порошков, в том числе к природным каменистым порошкам. изолятор

          | физика | Британика

          изолятор , любое из различных веществ, блокирующих или замедляющих прохождение электрических или тепловых токов.

          Хотя электрический изолятор обычно считается непроводящим материалом, на самом деле его лучше описывать как плохой проводник или вещество с высоким сопротивлением прохождению электрического тока.В этом отношении различные изоляционные и проводящие материалы сравниваются друг с другом с помощью постоянной материала, известной как удельное сопротивление. См. также полупроводник .

          Викторина Британника

          Электричество: короткие замыкания и постоянные токи

          В чем разница между электрическим проводником и изолятором? Кто изобрел аккумулятор? Почувствуйте, как ваши клетки горят, пока вы перезаряжаете свою умственную батарею, отвечая на вопросы этой викторины.

          Электрические изоляторы используются для удержания проводников на месте, отделяя их друг от друга и от окружающих конструкций. Они образуют барьер между частями электрической цепи, находящимися под напряжением, и ограничивают поток тока по проводам или другим проводящим путям по желанию. Изоляция электрических цепей является необходимым требованием для успешной работы всех электрических и электронных устройств. В качестве электрических изоляторов используются различные типы материалов, причем выбор делается, прежде всего, на основе конкретных требований каждого применения.Медные проводники, используемые в электропроводке жилых домов и промышленных предприятий, изолированы друг от друга и от здания резиной или пластмассой. Воздушные линии электропередач опираются на фарфоровые изоляторы, не подверженные воздействию внешней среды. Большие электрические генераторы и двигатели, работающие при высоких напряжениях и высоких температурах, часто изолируют слюдой. В некоторых случаях твердая изоляция используется в сочетании с жидкой или газообразной изоляцией. В высоковольтных трансформаторах, например, твердая изоляция обеспечивает механическую жесткость, а масло или другие жидкие вещества способствуют повышению прочности изоляции и служат для отвода тепла от оборудования.В микроскопических структурах интегральных схем могут использоваться изоляционные материалы, такие как нитрид кремния, толщиной до микрона.

          Теплоизоляционные материалы включают стекловолокно, пробку и минеральную вату, минеральную вату, которая производится путем продувки струей пара через расплавленную кремнистую породу или известняк или через шлак. Эти и другие вещества с низкой теплопроводностью замедляют скорость теплового потока. Они нарушают путь теплового потока своей непрозрачностью для лучистого тепла и наличием многочисленных воздушных пространств.Теплопроводность обычно непостоянна для любого данного материала, а зависит от температуры. Проводимость уменьшается с повышением температуры у большинства металлов и других кристаллических твердых тел, но увеличивается у аморфных веществ, таких как стекло.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *