Теплопроводность зависит от: Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица
Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица
Дмитрий Крылов
Эксперт по частным домам. Опыт загородного проживания: 30 лет.
Теплопроводность строительных материалов стала популярной темой в последние годы. Это связано с тем, что люди стали чаще задумываться о том, как сэкономить на отоплении дома зимой, либо сделать их более экологичными (если они отапливаются на угле, мазуте или другом неэкологичном топливе).
Полагаем, многие из вас уже слышали, что одни материалы хорошо проводят тепло, а другие — не очень. Соответственно из одних дома получаются сразу теплыми, а из других — их обязательно нужно утеплять. Но как же все это считают? По каким критериям и формулам? Об этом мы расскажем вам в данной статье.
Коэффициент теплопроводности Лямбда. Что это такое?
Коэффициент λ (лямбда) — это, пожалуй, наиболее важный параметр всех теплоизоляционных материалов. Его значение указывает на то, сколько тепла материал может пропускать через себя.
То есть его показатель теплопроводности.
Чем ниже значение коэффициента λ (лямбда), тем меньше проводимость материала и, следовательно, он лучше изолирован от тепловых потерь. Это означает, что при одинаковых условиях больше тепла будет проходить через вещество с большей теплопроводностью.
Как же высчитывается этот коэффициент? Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда уходит в область более низкой температуры. Для тела в форме теплопроводного кубоида в стационарных условиях количество передаваемого тепла зависит от вещества, пропорционально поперечному сечению тела, разности температур и времени теплопередачи.
Таким образом формула расчет будет выглядеть так:
Q = λ (S ΔTt / d)
отсюда лямбда:
λ = (Q / t) · (d / S ΔT)
где:
- λ (лямбда) — коэффициент теплопроводности;
- ΔQ — количество тепла, протекающего через тело;
- t — время;
- L — длина тела;
- S — площадь поперечного сечения корпуса;
- ΔT — разность температур в направлении теплопроводности;
- d — толщина перегородки.
За единицу измерения теплопроводности принимается система СИ — [Вт / (м · К)]. Она выражает количество теплового потока через единицу поверхности материала заданной толщины, если разница температур между двумя его сторонами составляет 1 Кельвин. Измеряют все эти показатели в специальных строительных лабораториях.
От чего зависит теплопроводность?
Итак, как мы уже убедились, коэффициент теплопроводности λ (лямбда) характеризует интенсивность теплопередачи через конкретный материал.
Так, например, наиболее теплопроводными являются металлы, а самыми слабыми — газы. Еще все проводники электричества, такие как медь, алюминий, золото или серебро, также хорошо пропускают через себя тепло, в то время как электрические изоляторы (дерево, пластик, резина) наоборот задерживают его.
Что может повлиять на этот показатель, кроме самого материала? Например, температура. Теплопроводность изоляционных материалов увеличивается с повышением температуры, а у металлов — напротив, уменьшается.
Еще может повлиять наличие примесей. Сплавы разнородных металлов обычно имеют более низкую теплопроводность, чем их легирующие элементы.
В целом, теплопроводность веществ зависит, в основном, от их структуры, пористости, и прежде всего от их плотности. Поэтому, если производитель заявляет о низком значении лямбда при низкой плотности материала, — эта информация, как правило, не имеет ничего общего с действительностью и просто рекламный ход.
Значения теплопроводности для различных материалов
Сравнить, насколько тот или иной материал может пропускать тепло, вы можете воспользовавшись данной таблицей:
Материал | Теплопроводность [Вт / (м · К)] |
Полиуретановая пена | 0,025 — 0,045 |
Воздух | 0,03 |
Минеральная вата | 0,031 — 0,045 |
Пенополистирол | 0,032 — 0,045 |
Войлок, маты и плиты из минеральной ваты | 0,042 — 0,045 |
Дерево | 0,16 — 0,3 (сосна и ель), 0,22 — 0,4 (дуб) |
Кирпич | 0,15 – 1,31 |
Портландцемент | 0,29 |
Вода | 0,6 |
Обычный бетон | 1 — 1,7 |
Железобетон | 1,7 |
Стекло | 0,8 |
Армированное стекло | 1,15 |
Полиэфирная смола | 0,19 |
Гипсовая штукатурка | 0,4 — 0,57 |
Мрамор | 2,07 – 2,94 |
Нержавеющая сталь | 17 |
Чугун | 50 |
Применение коэффициента теплопроводности в строительстве
В строительстве действует одно простое правило — коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже.
Все потому, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньше можно сделать толщину изоляционного слоя, чтобы обеспечить конкретное значение коэффициента теплопередачи через стены или перегородки.
В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирол, графитовые плиты или минеральная вата) стремятся минимизировать толщину изделия за счет уменьшения коэффициента λ (лямбда), например, для полистирола он составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 у кирпича.
Что касается строительных материалов, то при их производстве коэффициент теплопроводности не имеет столь большого значения, однако в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким показателем λ (например, керамических блоков, структурных изоляционных панелей, блоков из ячеистого бетона). Такие материалы позволяют построить однослойную стену (без утеплителя) или с минимально возможной толщиной утеплительного слоя.
Важно: коэффициент теплопроводности лямбда зависит от плотности материала, поэтому при покупке, к примеру, пенополистирола, обратите внимание на вес продукта.
Если вес слишком мал, значит плиты не имеют заявленной теплоизоляции. Добавим, что производитель обязан указывать заявленное значение коэффициента теплопроводности на каждой упаковке.Какой же строительный материал самый теплый?
В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная (базальтовая, каменная) вата. Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и сегодня широко применяются в утеплении домов.
Для наглядности о том, насколько эффективны эти материалы, покажем вам следующую иллюстрацию. На ней отображено какой толщины материала достаточно, чтобы удерживать тепло в стене дома:
А как же воздух и газообразные вещества? — спросите вы. Ведь у них коэффициент Лямбда еще меньше? Это верно, Но если мы имеем дело с газами и жидкостями, помимо теплопроводности, здесь надо также учитывать и перемещение тепла внутри них — то есть конвекции (непрерывного движения воздуха, когда более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный — опускается).
Подобное явление имеет место в пористых материалах, поэтому они имеют более высокие значения теплопроводности, чем сплошные материалы. Все дело в том, что небольшие частички газа (воздух, углекислый газ) скрываются в пустотах таких материалов. Хотя такое может случится и с другими материалами — в случае если воздушные поры в них будут слишком большими, в них может также начать происходить конвекция.
Разница между теплопроводностью и теплопередачей
Помимо коэффициента теплопроводности Лямбда существует также коэффициент теплопередачи U . Они звучат похоже, но обозначают совершенно разные вещи.
Так, если коэффициент теплопроводности является характеристикой определенного материала, то коэффициент теплопередачи U определяет степень теплоизоляции стены или перегородки. Проще говоря — коэффициент теплопроводности является исходным и напрямую влияет на значение коэффициента теплоотдачи U.
Если вам интересно получить больше информации на эту тему, а также узнать: какими материалами лучше всего утеплить ваш дом, в чем отличия между разными типами утеплителей, мы советуем прочитать эту статью.
Была ли эта статья для вас полезной? Пожалуйста, поделитесь ею в соцсетях:
Не забудьте добавить сайт Недвио в Закладки. Рассказываем о строительстве, ремонте, загородной недвижимости интересно, с пользой и понятным языком.
Что такое теплопроводность и коэффициент теплопроводности. |
Теплопроводность.
Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).
Можно сказать проще, теплопроводность – это способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества.
Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.
На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем «абстрактный дом». В «абстрактном доме» стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.
Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.
Коэффициент теплопроводности.
Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному — интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.
Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас в качестве материалов для утепления зданий наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов. Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами — Неопор.
Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда) и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии.
Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт. Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.
Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.
В строительных нормах и расчетах часто используется понятие «тепловое сопротивление материала». Это величина обратная теплопроводности. Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см — 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.
Коэффициент теплопроводности материалов.
Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.
| Материал | Коэфф. тепл. Вт/(м2*К) |
| Алебастровые плиты | 0,470 |
| Алюминий | 230,0 |
| Асбест (шифер) | 0,350 |
| Асбест волокнистый | 0,150 |
| Асбестоцемент | 1,760 |
| Асбоцементные плиты | 0,350 |
| Асфальт | 0,720 |
| Асфальт в полах | 0,800 |
| Бакелит | 0,230 |
| Бетон на каменном щебне | 1,300 |
| Бетон на песке | 0,700 |
| Бетон пористый | 1,400 |
| Бетон сплошной | 1,750 |
| Бетон термоизоляционный | 0,180 |
| Битум | 0,470 |
| Бумага | 0,140 |
| Вата минеральная легкая | 0,045 |
| Вата минеральная тяжелая | 0,055 |
| Вата хлопковая | 0,055 |
| Вермикулитовые листы | 0,100 |
| Войлок шерстяной | 0,045 |
| Гипс строительный | 0,350 |
| Глинозем | 2,330 |
| Гравий (наполнитель) | 0,930 |
| Гранит, базальт | 3,500 |
| Грунт 10% воды | 1,750 |
| Грунт 20% воды | 2,100 |
| Грунт песчаный | 1,160 |
| Грунт сухой | 0,400 |
| Грунт утрамбованный | 1,050 |
| Гудрон | 0,300 |
| Древесина — доски | 0,150 |
| Древесина — фанера | 0,150 |
| Древесина твердых пород | 0,200 |
| Древесно-стружечная плита ДСП | 0,200 |
| Дюралюминий | 160,0 |
| Железобетон | 1,700 |
| Зола древесная | 0,150 |
| Известняк | 1,700 |
| Известь-песок раствор | 0,870 |
| Ипорка (вспененная смола) | 0,038 |
| Камень | 1,400 |
| Картон строительный многослойный | 0,130 |
| Каучук вспененный | 0,030 |
| Каучук натуральный | 0,042 |
| Каучук фторированный | 0,055 |
| Керамзитобетон | 0,200 |
| Кирпич кремнеземный | 0,150 |
| Кирпич пустотелый | 0,440 |
| Кирпич силикатный | 0,810 |
| Кирпич сплошной | 0,670 |
| Кирпич шлаковый | 0,580 |
| Кремнезистые плиты | 0,070 |
| Латунь | 110,0 |
| Лед 0°С | 2,210 |
| Лед -20°С | 2,440 |
| Липа, береза, клен, дуб (15% влажности) | 0,150 |
| Медь | 380,0 |
| Мипора | 0,085 |
| Опилки — засыпка | 0,095 |
| Опилки древесные сухие | 0,065 |
| ПВХ | 0,190 |
| Пенобетон | 0,300 |
| Пенопласт ПС-1 | 0,037 |
| Пенопласт ПС-4 | 0,040 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 0,050 |
| Пенопласт резопен ФРП | 0,045 |
| Пенополистирол ПС-Б | 0,040 |
| Пенополистирол ПС-БС | 0,040 |
| Пенополиуретановые листы | 0,035 |
| Пенополиуретановые панели | 0,025 |
| Пеностекло легкое | 0,060 |
| Пеностекло тяжелое | 0,080 |
| Пергамин | 0,170 |
| Перлит | 0,050 |
| Перлито-цементные плиты | 0,080 |
| Песок 0% влажности | 0,330 |
| Песок 10% влажности | 0,970 |
| Песок 20% влажности | 1,330 |
| Песчаник обожженный | 1,500 |
| Плитка облицовочная | 1,050 |
| Плитка термоизоляционная ПМТБ-2 | 0,036 |
| Полистирол | 0,082 |
| Поролон | 0,040 |
| Портландцемент раствор | 0,470 |
| Пробковая плита | 0,043 |
| Пробковые листы легкие | 0,035 |
| Пробковые листы тяжелые | 0,050 |
| Резина | 0,150 |
| Рубероид | 0,170 |
| Сланец | 2,100 |
| Снег | 1,500 |
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450…550 кг/куб. | 0,150 |
| Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности) | 0,230 |
| Сталь | 52,0 |
| Стекло | 1,150 |
| Стекловата | 0,050 |
| Стекловолокно | 0,036 |
| Стеклотекстолит | 0,300 |
| Стружки — набивка | 0,120 |
| Тефлон | 0,250 |
| Толь бумажный | 0,230 |
| Цементные плиты | 1,920 |
| Цемент-песок раствор | 1,200 |
| Чугун | 56,0 |
| Шлак гранулированный | 0,150 |
| Шлак котельный | 0,290 |
| Шлакобетон | 0,600 |
| Штукатурка сухая | 0,210 |
| Штукатурка цементная | 0,900 |
| Эбонит | 0,160 |
Что такое теплопроводность? Обзор
Теплопроводность (часто обозначаемая k, λ или κ) относится к внутренней способности материала передавать или проводить тепло.
Это один из трех способов передачи тепла, два других — конвекция и излучение. Процессы теплопередачи можно количественно определить с помощью соответствующих уравнений скорости. Уравнение скорости в этом режиме теплообмена основано на законе теплопроводности Фурье.
Определяется также как количество тепла в единицу времени на единицу площади, которое может быть проведено через пластину единичной толщины из данного материала, поверхности которой отличаются на одну единицу температуры.
Теплопроводность возникает за счет молекулярного перемешивания и контакта и не приводит к объемному движению самого твердого тела. Тепло движется по температурному градиенту из области с высокой температурой и высокой молекулярной энергией в область с более низкой температурой и более низкой молекулярной энергией. Этот перенос будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Скорость передачи тепла зависит от величины температурного градиента и конкретных тепловых характеристик материала.
{2}\))
\(T2{-}T1\) = градиент температуры (\(K\))
Изменение теплопроводности
Теплопроводность конкретного материала сильно зависит от ряда факторов. К ним относятся градиент температуры, свойства материала и длина пути, по которому следует тепло.
Теплопроводность окружающих нас материалов существенно различается: от материалов с низкой теплопроводностью, таких как воздух со значением 0,024 Вт/м•К при 0°C, до металлов с высокой проводимостью, таких как медь (385 Вт/м•К).
Теплопроводность материалов определяет, как мы их используем, например, материалы с низкой теплопроводностью отлично подходят для изоляции наших домов и предприятий, а материалы с высокой теплопроводностью идеально подходят для приложений, где необходимо быстро и эффективно перемещать тепло от одного области в другую, как в кухонной утвари и системах охлаждения в электронных устройствах. Выбирая материалы с теплопроводностью, соответствующей применению, мы можем добиться наилучших возможных характеристик.
Теплопроводность и температура
В связи с тем, что движение молекул является основой теплопроводности, температура материала оказывает большое влияние на теплопроводность. Молекулы будут двигаться быстрее при более высоких температурах, и поэтому тепло будет передаваться через материал с большей скоростью. Это означает, что теплопроводность одного и того же образца может резко измениться при повышении или понижении температуры.
Способность понять влияние температуры на теплопроводность имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы продукты вели себя должным образом при воздействии теплового стресса. Это особенно важно при работе с продуктами, выделяющими тепло, такими как электроника, и при разработке огнезащитных и теплозащитных материалов.
Теплопроводность и структура
Значения теплопроводности существенно различаются в зависимости от материала и сильно зависят от структуры каждого конкретного материала. Некоторые материалы будут иметь разные значения теплопроводности в зависимости от направления распространения тепла; это анизотропные материалы.
В этих случаях тепло легче перемещается в определенном направлении из-за того, как устроена структура.
При обсуждении тенденций теплопроводности материалы можно разделить на три категории; газы, неметаллические твердые вещества и металлические твердые вещества. Различные способности этих трех категорий с точки зрения передачи тепла можно объяснить различиями в их структурах и движениях молекул.
Газы имеют более низкую относительную теплопроводность, так как их молекулы не так плотно упакованы, как в твердых телах, и поэтому теплопередача сильно зависит от свободного движения молекул и молекулярной скорости.
Газы плохо передают тепло. Напротив, молекулы неметаллических твердых тел связаны в сеть решеток, и поэтому теплопроводность в основном возникает за счет колебаний в этих решетках. Непосредственная близость этих молекул по сравнению с молекулами газов означает, что неметаллические твердые вещества имеют более высокую теплопроводность из двух, однако внутри этой группы существуют большие различия.
Это изменение частично связано с количеством воздуха, присутствующего в твердом теле. Материалы с большим количеством воздушных карманов являются отличными изоляторами, а материалы с более плотной упаковкой будут иметь более высокое значение теплопроводности.
Теплопроводность металлических твердых тел еще раз отличается от предыдущих примеров. Металлы обладают самой высокой теплопроводностью среди всех материалов, за исключением графена, и обладают уникальным сочетанием тепло- и электропроводности. Оба этих атрибута передаются одними и теми же молекулами, и связь между ними объясняется законом Видемана-Франца. Этот закон свидетельствует о том, что при определенной температуре электропроводность будет пропорциональна теплопроводности, однако с повышением температуры теплопроводность материала будет расти, а электропроводность уменьшаться.
Испытание и измерение теплопроводности
Теплопроводность является важнейшим компонентом взаимосвязи между материалами, и способность понять ее позволяет нам добиться наилучших результатов от материалов, которые мы используем во всех аспектах нашей жизни.
Эффективное тестирование и измерение теплопроводности имеют решающее значение для этой цели. Методы измерения теплопроводности можно разделить на стационарные и переходные. Это разграничение является определяющей характеристикой того, как работает каждый метод. Методы стационарного состояния требуют, чтобы образец и эталонные образцы находились в тепловом равновесии до начала измерений. Переходные методы не требуют выполнения этого правила и поэтому дают результаты быстрее.
Исследовательские работы
Получение пористой муллитовой керамики с низкой теплопроводностью
В этом исследовании анализируется муллитовая керамика, образованная в результате вспенивания и отверждения крахмалом порошка муллита, и анализируется изменение ее теплопроводности в зависимости от пористости керамики. По мере увеличения пористости муллитовой керамики увеличивается и теплопроводность.
Нанографит/парафиновый материал с фазовым переходом и высокой теплопроводностью
Композиты нанографита (НГ)/парафина были приготовлены в качестве композиционных материалов с фазовым переходом.
Добавление ПГ повысило теплопроводность композиционного материала. Материал, содержащий 10% NG, имел теплопроводность 0,9362 Вт/м•K
Ссылки:
Nave, R. HyperPhysics. «Теплопроводность». Государственный университет Джорджии.
Доступно по адресу: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html#c1
Материалы курса NDT. «Теплопроводность». Ресурсный центр по неразрушающему контролю.
Доступно по адресу: https://www.ndeed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Physical_Chemical/ThermalConductivity.htm
Williams, M. «Что такое теплопроводность?». Физ.орг. 9 декабря 2014 г.
Доступно по адресу: http://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html
Что вы подразумеваете под теплопроводностью? Получено из базы данных термических свойств материалов Definition of Thermal Conductivity
Thermtest . Список теплопроводностей
Теплопроводность и диффузионная способность | от Lucid Learning
Что такое теплопроводность?
Когда система получает тепло, она сохраняет часть своей тепловой энергии и передает оставшуюся тепловую энергию какой-либо другой системе.
Способность системы передавать тепловую энергию называется теплопроводностью системы. По сути, это транспортное свойство системы.
Теплопроводность обозначается k. Единицей теплопроводности, как мы видели ранее, является Вт/м*К.
Что регулирует проводимость твердых тел, жидкостей и газов?
Прежде чем анализировать теплопроводность для различных фаз, давайте рассмотрим явления, которые управляют теплопроводностью через твердые тела, жидкости и газы.
В твердых телах тепло может передаваться двумя способами. Во-первых, это колебания решетки, а во-вторых, поток свободных электронов. Повышенные колебания решетки облегчают перенос тепловой энергии через среду. Поток свободных электронов увеличивает электропроводность. Это также помогает в процессе диффузии тепловой энергии через среду.
В жидкостях и газах теплопроводность осуществляется главным образом двумя механизмами. Во-первых, это столкновения между атомами, молекулами или ионами, а во-вторых, молекулярная диффузия.
По мере увеличения числа столкновений увеличивается обмен энергией между молекулами. Это помогает в транспортировке тепловой энергии через среду. Молекулярная диффузия — это случайное движение молекул в среде. По мере увеличения случайного движения молекул оно препятствует переносу тепловой энергии в определенном направлении.
От каких факторов зависит теплопроводность металлов, неметаллов и сплавов?
Как мы видели выше, проводимость тепла через твердые тела зависит от двух эффектов, а именно от колебаний решетки и потока свободных электронов. Теплопроводность достигается добавлением решетчатых и электронных компонентов.
где,
= теплопроводность за счет колебаний решетки
= теплопроводность за счет электронного эффекта
В чистых металлах электронный эффект играет доминирующую роль. Таким образом, они имеют относительно более высокие значения теплопроводности. Для чистых металлов k ~ ke.
В неметаллах доминирующую роль играет эффект колебаний решетки.
Неметаллы обычно имеют высокое электрическое сопротивление, которое препятствует потоку электронов. Поэтому для неметаллов k ~ kl.
Решеточная составляющая теплопроводности сильно зависит от того, как расположены молекулы. Например, древесина, представляющая собой аморфное твердое тело (молекулы расположены крайне беспорядочно), имеет относительно более низкие значения теплопроводности и действует как теплоизолятор. Теперь рассмотрим алмаз. Это высокоупорядоченное кристаллическое тело. Таким образом, он имеет самую высокую теплопроводность при комнатной температуре. Оксид бериллия (BeO), также неметалл, имеет относительно более высокую теплопроводность из-за своей кристалличности.
Металлы являются хорошими проводниками электричества и тепла, потому что они имеют свободные электроны, а также колебания решетки. С другой стороны, неметаллы не имеют свободных электронов, а это означает, что они являются электрически непроводящими материалами. И в целом неметаллы, такие как дерево, являются теплонепроводящими материалами.
Однако неметаллы, такие как алмаз и оксид бериллия, являются хорошими проводниками тепла. В результате такие материалы находят широкое применение в электронной промышленности. Например. алмазные радиаторы, используемые для охлаждения электронных компонентов.
Чистые сплавы обладают высокой теплопроводностью. Можно было бы ожидать, что сплав, состоящий из двух металлов с теплопроводностью k1 и k2, будет иметь проводимость k между k1 и k2. Удивительно, но это не так. Теплопроводность сплава двух металлов обычно намного ниже. Например, теплопроводность меди и алюминия составляет 401 Вт/м°C и 237 Вт/м°C соответственно.
От каких факторов зависит теплопроводность жидкостей и газов?
В газах доминирующую роль играет эффект молекулярного столкновения. Молекулярная диффузия, представляющая случайность в среде, играет второстепенную роль. Увеличение количества столкновений молекул увеличивает обмен энергией между молекулами. Это увеличивает теплопроводность газов.
В жидкостях молекулы относительно более плотно упакованы, чем в газах.
Поэтому теплопроводность жидкостей зависит преимущественно от эффекта молекулярной диффузии, т. е. хаотического движения молекул. Как мы видели ранее, усиление беспорядочного движения молекул препятствует потоку тепла через жидкости.
Сравнение теплопроводности твердых тел, жидкостей и газов
Как теплопроводность зависит от температуры?
В случае чистых металлов и сплавов теплопроводность преимущественно зависит от электронного эффекта. При повышении температуры увеличивается как количество свободных электронов, так и колебания решетки. Таким образом, ожидается увеличение теплопроводности металла. Однако повышенные колебания решетки препятствуют потоку свободных электронов через среду. Совместное действие этих явлений в большинстве случаев приводит к снижению теплопроводности с повышением температуры для металлов и сплавов. Есть некоторые исключения из этого правила. Для железа теплопроводность сначала уменьшается, а затем несколько увеличивается с повышением температуры.
Для платины теплопроводность увеличивается с повышением температуры.
В газах количество столкновений молекул увеличивается с повышением температуры. Таким образом, теплопроводность газа увеличивается с повышением температуры.
В жидкостях, как мы видели ранее, теплопроводность зависит преимущественно от эффекта молекулярной диффузии. С повышением температуры увеличивается хаотичность движений молекул. Это препятствует переносу тепла через жидкости. Таким образом, теплопроводность жидкостей уменьшается с повышением температуры. Однако есть одно исключение — чистая вода. В случае чистой воды теплопроводность сначала увеличивается с повышением температуры, а затем начинает уменьшаться.
(Источник: http://www1.lsbu.ac.uk/water/thermodynamic_anomalies.html)
Как теплопроводность зависит от давления?
Поскольку большинство твердых тел и жидкостей по своей природе несжимаемы, теплопроводность не зависит от давления.
В случае газов кинетическая теория газов предсказывает, а эксперименты подтверждают, что теплопроводность газов пропорциональна квадратному корню из температуры T и обратно пропорциональна квадратному корню из молекулярной массы M.
Однако тепловая проводимость газов не зависит от давления в широком диапазоне давлений, встречающихся на практике.
Что такое температуропроводность?
Когда система получает тепло, она сохраняет часть тепловой энергии и передает оставшуюся тепловую энергию какой-либо другой системе. Как мы видели, способность материала переносить тепловую энергию называется теплопроводностью. Теплоемкость материала называется теплоемкостью материала. Теплоемкость материала представлена Cp.
Температуропроводность показывает, насколько быстро тепло распространяется через материал. определяется как
Обратите внимание, что теплопроводность показывает, насколько хорошо материал проводит тепло, а теплоемкость Cp показывает, сколько энергии материал хранит на единицу объема. Следовательно, коэффициент температуропроводности материала можно рассматривать как отношение тепла, прошедшего через материал, к теплу, запасенному в единице объема.
Как это связано с теплопроводностью?
Материал с более высокой теплопроводностью или более низкой теплоемкостью будет иметь большой коэффициент температуропроводности.