Теплопровідність представляє собою фізичну величину, яка визначає здатність матеріалів проводити тепло. Іншими словами, теплопровідність представляє собою здатність субстанцій передавати кінетичну енергію атомів і молекул іншим речовинам, що знаходяться в безпосередньому контакті з ними. В СІ ця величина вимірюється у Вт / (К * м) (Ватт на Кельвін-метр), що еквівалентно Дж / (с * м * К) (Джоуль на секунду-Кельвін-метр).

поняття теплопровідності

Вона є інтенсивної фізичної величиною, тобто величиною, яка описує властивість матерії, що не залежить від кількості останньої. Інтенсивними величинами також є температура, тиск, електропровідність, тобто ці характеристики однакові в будь-якій точці одного і того ж речовини. Інший групою фізичних величин є екстенсивні, які визначаються кількістю речовини, наприклад, маса, обсяг, енергія та інші.

Протилежної величиною для теплопровідності є теплосопротівляемость, яка відображає здатність матеріалу перешкоджати переносу проходить через нього тепла. Для ізотропного матеріалу, тобто матеріалу, властивості якого однакові у всіх просторових напрямах, теплопровідність є скалярною величиною і визначається, як відношення потоку тепла через одиничну площу за одиницю часу до градієнту температури. Так, теплопровідність, що дорівнює одному вату на метр-Кельвін, означає, що теплова енергія в один Джоуль переноситься через матеріал:

  • за одну секунду;
  • через площу один метр квадратний;
  • на відстань один метр;
  • коли різниця температур на поверхнях, що знаходяться на відстані один метр один від одного в матеріалі, дорівнює один Кельвін.

Зрозуміло, що чим більше значення теплопровідності, тим краще матеріал проводить тепло, і навпаки. Наприклад, значення цієї величини для міді дорівнює 380 Вт / (м * К), і цей метал в 10 000 разів краще переносить тепло, ніж поліуретан, теплопровідність якого становить 0, 035 Вт / (м * К).

Перенесення тепла на молекулярному рівні

Коли матерія нагрівається, збільшується середня кінетична енергія складових її частинок, тобто збільшується рівень безладу, атоми і молекули починають більш інтенсивно і з більшою амплітудою коливатися біля своїх рівноважних положень в матеріалі. Перенесення тепла, який на макроскопічному рівні можна описати законом Фур'є, на молекулярному рівні є обмін кінетичної енергією між частинками (атомами і молекулами) речовини, без перенесення останнього.

Це пояснення механізму теплопровідності на молекулярному рівні відрізняє його від механізму термічної конвекції, при якому має місце перенесення тепла за рахунок перенесення речовини. Всі тверді тіла мають здатність до теплопровідності, в той час як теплова конвекція можлива тільки в рідинах і газах. Дійсно, тверді речовини переносять тепло в основному за рахунок теплопровідності, а рідини і гази, якщо є температурні градієнти в них, переносять тепло в основному за рахунок процесів конвекції.

теплопровідність матеріалів

Яскраво вираженою здатністю проводити тепло мають метали. Для полімерів властива невисока теплопровідність, а деякі з них практично не проводять тепло, наприклад, скловолокно, такі матеріали називаються теплоизоляторами. Щоб існував той чи інший потік тепла через простір, необхідна наявність певної субстанції в цьому просторі, тому у відкритому космосі (порожній простір) теплопровідність дорівнює нулю.

Кожен гомогенний (однорідний) матеріал характеризується коефіцієнтом теплопровідності (позначається грецькою буквою лямбда), тобто величиною, яка визначає, скільки тепла потрібно передати через площу 1 м², щоб за одну секунду, пройшовши через товщу матеріалу в один метр, температура на його кінцях змінилася на 1 К. Ця властивість властива кожному матеріалу і змінюється в залежності від його температури, тому цей коефіцієнт вимірюють, як правило, при кімнатній температурі (300 К) для порівняння характеристики різних речовин.

Якщо матеріал є неоднорідним, наприклад, залізобетон, тоді вводять поняття корисного коефіцієнта теплопровідності, який вимірюється відповідно до коефіцієнтів однорідних речовин, що складають цей матеріал.

У таблиці нижче наведені коефіцієнти теплопровідності деяких металів і сплавів під Вт / (м * К) для температури 300 К (27 ° C):

  • сталь 47-58;
  • алюміній 237;
  • мідь 372, 1-385, 2;
  • бронза 116-186;
  • цинк 106-140;
  • титан 21, 9;
  • олово 64, 0;
  • свинець 35, 0;
  • залізо 80, 2;
  • латунь 81-116;
  • золото 308, 2;
  • срібло 406, 1-418, 7.

У наступній таблиці наведено дані для неметалічних твердих речовин:

  • скловолокно 0, 03-0, 07;
  • скло 0, 6-1, 0;
  • азбест 0, 04;
  • дерево 0, 13;
  • парафін 0, 21;
  • цегла 0, 80;
  • алмаз 2300.

Із запропонованих даних видно, що теплопровідність металів набагато перевищує таку для неметалів. Виняток становить алмаз, який має коефіцієнт теплопередачі в п'ять разів більше, ніж мідь. Це властивість алмазу пов'язана з сильними ковалентними зв'язками між атомами вуглецю, які утворюють його кристалічну решітку. Саме завдяки цій властивості людина відчуває холод при дотику до алмазу губами. Властивість алмазу добре переносити теплову енергію використовується в мікроелектроніці для відводу тепла з мікросхем. А також це властивість використовується в спеціальних приладах, що дозволяють відрізнити справжній алмаз від підробки.

У деяких індустріальних процесах намагаються збільшити здатність передачі тепла, чого досягають або за рахунок хороших провідників, або за рахунок збільшення площі контакту між складовими конструкції. Прикладами таких конструкцій є теплообмінники й розсіювачі тепла. В інших же випадках, навпаки, намагаються зменшити теплопровідність, чого досягають за рахунок використання утеплювачів, пустот в конструкціях і зниження площі контакту елементів.

Коефіцієнти теплопередачі сталей

Здатність передавати тепло для сталей залежить від двох основних чинників: складу і температури.

Прості вуглецеві стали при збільшенні вмісту вуглецю знижують свою питому вагу, відповідно до якого також зменшується і їх здатність переносити тепло від 54 до 36 Вт / (м * К) при зміні відсотка вуглецю в стали від 0, 5 до 1, 5%.

Нержавіючі сталі містять в своєму складі хром (10% і більше), які разом з вуглецем утворює складні карбіди, що перешкоджають окисленню матеріалу, а також підвищує електродний потенціал металу. Теплопровідність нержавійки невелика в порівнянні з іншими сталями і коливається від 15 до 30 Вт / (м * К) в залежності від її складу. Жароміцні хромонікелеві сталі володіють ще більш низькими значеннями цього коефіцієнта (11-19 Вт / (м * К).

Іншим класом є оцинковані стали з питомою вагою 7 850 кг / м3, які отримують шляхом нанесення покриттів на сталь, що складаються з заліза і цинку. Так як цинк легше проводить тепло, ніж залізо, то і теплопровідність оцинкованої сталі буде відносно високою в порівнянні з іншими класами стали. Вона коливається від 47 до 58 Вт / (м * К).

Теплопровідність стали при різних температурах, як правило, не змінюється сильно. Наприклад, коефіцієнт теплопровідності стали 20 при збільшенні температури від кімнатної до 1200 ° C знижується від 86 до 30 Вт / (м * К), а для марки стали 08Х13 збільшення температури від 100 до 900 ° C не змінює її коефіцієнт теплопровідності (27-28 Вт / (м * К).

Фактори, що впливають на фізичну величину

Здатність проводити тепло залежить від ряду факторів, включаючи температуру, структуру і електричні властивості речовини.

температура матеріалу

Вплив температури на здатність проводити тепло різниться для металів і неметалів. В металах провідність головним чином пов'язана з вільними електронами. Відповідно до закону Видемана-Франца теплопровідність металу пропорційна добутку абсолютної температури, вираженої в Кельвіна, на його електропровідність. В чистих металах зі збільшенням температури зменшується електропровідність, тому теплопровідність залишається приблизно постійною величиною. У разі сплавів електропровідність мало змінюється з ростом температури, тому теплопровідність сплавів зростає пропорційно температурі.

З іншого боку, передача тепла в неметалах головним чином пов'язана з коливаннями решітки та обміні граткову фононами. За винятком кристалів високої якості і низьких температур, шлях пробігу фононів в решітці значно не зменшується при високих температурах, тому і теплопровідність залишається постійною величиною у всьому температурному діапазоні, тобто є незначною. При температурах нижче температури Дебая здатність неметалів проводити тепло, поряд з їх теплоємністю, значно зменшується.

Фазові переходи і структура

Коли матеріал відчуває фазовий перехід першого роду, наприклад, з твердого стану в рідке або з рідкого в газ, то його теплопровідність може змінитися. Яскравим прикладом такої зміни є різниця цієї фізичної величини для льоду (2, 18 Вт / (м * К) і води (0, 90 Вт / (м * К).

Зміни кристалічної структури матеріалів також впливають на теплопровідність, що пояснюється анізотропними властивостями різних аллотропних модифікацій речовини одного і того ж складу. Анізотропія впливає на різну інтенсивність розсіювання граткових фононів, основних переносників тепла в неметалах, і в різних напрямках в кристалі. Тут яскравим прикладом є сапфір, провідність якого змінюється від 32 до 35 Вт / (м * К) в залежності від напрямку.

електрична провідність

Теплопровідність в металах змінюється разом з електропровідністю відповідно до закону Видемана-Франца. Це пов'язано з тим, що валентні електрони, вільно переміщаючись по кристалічній решітці металу, переносять не тільки електричну, а й теплову енергію. Для інших матеріалів кореляція між цими типами провідності не є яскраво вираженою, через незначного вкладу електронної складової в теплопровідність (в неметалах основну роль в механізмі передачі тепла грають граткових фонони).

процес конвекції

Повітря та інші гази є, як правило, хорошими утеплювачами при відсутності процесу конвекції. На цьому принципі заснована робота багатьох теплоізолюючих матеріалів, що містять велику кількість невеликих пустот і пір. Така структура не дозволяє конвекції поширюватися на великі відстані. Прикладами таких матеріалів, отриманих людиною, є полістирол і силіцидних аерогель. У природі на тому ж принципі працюють такі утеплювачі, як шкура тварин і оперення птахів.

Легкі гази, наприклад, водень і гель, мають високі значення теплопровідності, а важкі гази, наприклад, аргон, ксенон і радон, є поганими провідниками тепла. Наприклад, аргон, інертний газ, який важчий за повітря, часто використовується в якості теплоізоляційного газового наповнювача в подвійних вікнах і в електричних лампочках. Винятком є ​​гексафторид сірки (елегаз), який є важким газом і володіє високою теплопровідністю, зважаючи на його велику теплоємності.

Категорія:

Технології