Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс.
Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции.
Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.
Что такое теплопроводность и для чего нужна
Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача.
В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики.
Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.
Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве.
Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов.
Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.
Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности
Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.
Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.
Таблица 1
| Металл | Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С | ||||
| — 100 | 0 | 100 | 300 | 700 | |
| Алюминий | 2,45 | 2,38 | 2,30 | 2,26 | 0,9 |
| Бериллий | 4,1 | 2,3 | 1,7 | 1,25 | 0,9 |
| Ванадий | — | — | 0,31 | 0,34 | — |
| Висмут | 0,11 | 0,08 | 0,07 | 0,11 | 0,15 |
| Вольфрам | 2,05 | 1,90 | 1,65 | 1,45 | 1,2 |
| Гафний | — | — | 0,22 | 0,21 | — |
| Железо | 0,94 | 0,76 | 0,69 | 0,55 | 0,34 |
| Золото | 3,3 | 3,1 | 3,1 | — | — |
| Индий | — | 0,25 | — | — | — |
| Иридий | 1,51 | 1,48 | 1,43 | — | — |
| Кадмий | 0,96 | 0,92 | 0,90 | 0,95 | 0,44 (400°) |
| Калий | — | 0,99 | — | 0,42 | 0,34 |
| Кальций | — | 0,98 | — | — | — |
| Кобальт | — | 0,69 | — | — | — |
| Литий | — | 0,71 | 0,73 | — | — |
| Магний | 1,6 | 1,5 | 1,5 | 1,45 | — |
| Медь | 4,05 | 3,85 | 3,82 | 3,76 | 3,50 |
| Молибден | 1,4 | 1,43 | — | — | 1,04 (1000°) |
| Натрий | 1,35 | 1,35 | 0,85 | 0,76 | 0,60 |
| Никель | 0,97 | 0,91 | 0,83 | 0,64 | 0,66 |
| Ниобий | 0,49 | 0,49 | 0,51 | 0,56 | — |
| Олово | 0,74 | 0,64 | 0,60 | 0,33 | — |
| Палладий | 0,69 | 0,67 | 0,74 | — | — |
| Платина | 0,68 | 0,69 | 0,72 | 0,76 | 0,84 |
| Рений | — | 0,71 | — | — | — |
| Родий | 1,54 | 1,52 | 1,47 | — | — |
| Ртуть | 0,33 | 0,09 | 0.1 | 0,115 | — |
| Свинец | 0,37 | 0,35 | 0,335 | 0,315 | 0,19 |
| Серебро | 4,22 | 4,18 | 4,17 | 3,62 | — |
| Сурьма | 0,23 | 0,18 | 0,17 | 0,17 | 0,21 |
| Таллий | 0,41 | 0,43 | 0,49 | 0,25 (400 0) | |
| Тантал | 0,54 | 0,54 | — | — | — |
| Титан | — | — | 0,16 | 0,15 | — |
| Торий | — | 0,41 | 0,39 | 0,40 | 0,45 |
| Уран | — | 0,24 | 0,26 | 0,31 | 0,40 |
| Хром | — | 0,86 | 0,85 | 0,80 | 0,63 |
| Цинк | 1,14 | 1,13 | 1,09 | 1,00 | 0,56 |
| Цирконий | — | 0,21 | 0,20 | 0,19 | — |
От чего зависит показатель теплопроводности
Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:
- вида металла;
- химического состава;
- пористости;
- размеров.
Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.
Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.
Методы измерения
Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.
Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями.
Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину.
Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.
Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.
Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов
Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.
Таблица 2
Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град.
Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры.
Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.
Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.
Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град.
Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град.
А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.
Применение
Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.
Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий.
Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения.
Примером использования свойств металлических изделий является:
- кухонная посуда с различными свойствами;
- оборудование для пайки труб;
- утюги;
- подшипники качения и скольжения;
- сантехническое оборудование для подогрева воды;
- приборы отопления.
Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.
При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия.
В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации.
Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.
9 теплопроводников и их характеристики — Наука — 2022
9 теплопроводов и их характеристики — Наука
Содержание:
В проводники тепла Это те материалы, структура которых такова, что тепло может проходить через них очень легко. Следует помнить, что вся материя состоит из атомов и молекул, находящихся в постоянном колебательном движении, и что тепло приводит к еще большему возбуждению этих частиц.
Некоторые материалы проводят тепло лучше, чем другие, потому что их внутренняя конфигурация облегчает поток энергии. Например, дерево не является хорошим проводником тепла, потому что для его нагрева требуется много времени. Но с другой стороны, железо, медь и другие металлы есть, а это означает, что их частицы очень быстро приобретают кинетическую энергию.
Вот почему металлы являются фаворитом для изготовления кухонной утвари, такой как кастрюли и сковороды. Они быстро нагреваются и достигают температуры, достаточной для правильного приготовления пищи.
Однако ручки и ручки, контактирующие с руками пользователя, изготовлены из других теплоизоляционных материалов. Таким образом, с кастрюлями легко обращаться, даже если они горячие.
Типы проводников
В зависимости от способа отвода тепла материалы подразделяются на:
–Теплопроводники: алмаз и металлы, среди которых медь, железо, цинк и алюминий. Хорошие проводники электричества обычно также хорошо проводят тепло.
–Теплоизоляция: дерево, резина, стекловолокно, пластик, бумага, шерсть, аниме, пробка, полимеры — хорошие примеры. Газы тоже не являются хорошими проводниками.
Теплопроводность материалов
Свойство, которое по сути характеризует способ, которым каждый из них проводит тепло, называется Теплопроводность. Чем выше теплопроводность вещества, тем лучше оно проводит тепло.
Теплопроводность веществ определяется экспериментально. В Международной системе единиц SI теплопроводность измеряется в ватт / (метр x кельвин) или Вт / (м · К). Это трактуется следующим образом:
1 Вт / (м · К) эквивалентен 1 ватту мощности, передаваемой на длину, равную 1 метру, когда разница температур между двумя крайними значениями составляет 1 кельвин.
Другой единицей теплопроводности, используемой в англосаксонских странах, является BTUH / (ft.ºF), где инициалы BTUH соответствуют Британская тепловая единица в час.
Значения теплопроводности
Ниже приведены значения теплопроводности некоторых элементов и материалов, встречающихся в природе и часто используемых в промышленности.
Однако следует отметить, что есть синтетические соединения, все еще находящиеся на стадии экспериментов, чья теплопроводность намного превышает теплопроводность алмаза, который возглавляет таблицу.
Температура имеет решающее значение для теплопроводности металлов. С повышением температуры увеличивается и теплопроводность (хотя электропроводность уменьшается). Для неметаллов теплопроводность примерно постоянна в широком диапазоне температур.
Значения в таблице указаны при 25ºC и давлении 1 атмосфера.
При выборе материала по его тепловым свойствам необходимо учитывать, что он расширяется при нагревании. Эта емкость определяется Коэффициент температурного расширения.
Основные теплопроводы
Алмаз
Это лучший проводник тепла при комнатной температуре, намного лучше, чем медь и любой другой металл. В алмазе, который является электрическим изолятором, тепло течет не через электроны проводимости, а через распространение колебаний в его высокоорганизованной кристаллической структуре. Эти колебания называются фононами.
Также он имеет низкий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры при нагревании останутся близкими к исходным. Когда требуется хороший проводник тепла, который не проводит электричество, лучшим вариантом будет алмаз.
Из-за этого он широко используется для отвода тепла, выделяемого компьютерными схемами и другими электронными устройствами. Но у него есть серьезный недостаток: это очень дорого. Хотя есть синтетические алмазы, их нелегко сделать, и они также дороги.
Серебряный
Это очень ценный металл для украшения благодаря своей яркости, цвету и пластичности. Он устойчив к окислению и среди всех металлов имеет самую высокую теплопроводность, а также отличную электропроводность.
- По этой причине он имеет множество применений в промышленности, как отдельно, так и в сплавах с другими элементами, такими как никель и палладий.
- С помощью печатных схем из чистого серебра изготавливаются высокотемпературные сверхпроводящие кабели и покрываются проводники для использования в электронике, а также используются сплавы для создания электрических контактов.
- Его недостаток состоит в том, что он относительно редок и поэтому дорог, но уникальное сочетание физических свойств для этих применений делает его отличной альтернативой, поскольку он очень гибкий и с его помощью можно получить проводники хорошей длины.
Медь
Это один из наиболее часто используемых металлов, когда требуется хорошая теплопроводность, потому что он не подвержен коррозии, а его температура плавления довольно высока, что означает, что он не будет плавиться легко при воздействии тепла.
Другими преимуществами, которые он имеет, является его пластичность, а также отсутствие магнитных полей. Медь пригодна для вторичной переработки и намного дешевле серебра. Однако у него высокий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры заметно изменяются при нагревании.
Благодаря хорошим тепловым свойствам он широко используется в кухонной утвари, например, в медных горшках, покрытых сталью. Также для производства теплообменников в резервуарах для горячей воды, в системах центрального отопления, автомобильных радиаторах и для отвода тепла в электронных устройствах.
Золото
Это по преимуществу драгоценный металл, занимающий ведущее место в истории человечества. Помимо этого особого значения, золото является пластичным, прочным и отличным проводником тепла и электричества.
Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для переноса малых токов в твердотельные электронные компоненты. Эти токи настолько малы, что их можно легко прервать при малейшем признаке коррозии, поэтому золото гарантирует надежность электронных компонентов.
Он также используется для изготовления разъемов для наушников, контактов, реле и соединительных кабелей. Такие устройства, как смартфоны, калькуляторы, ноутбуки, настольные компьютеры и телевизоры, содержат небольшое количество золота.
Специальные стекла для помещений с кондиционированием воздуха также содержат диспергированное золото таким образом, что они помогают отражать солнечное излучение наружу, сохраняя свежесть внутри, когда очень жарко. Таким же образом они помогают поддерживать внутреннее тепло в доме зимой.
Литий
Это самый легкий из всех металлов, хотя он очень реактивен, поэтому легко подвергается коррозии. С ним также нужно обращаться с большой осторожностью, поскольку он легко воспламеняется. В связи с этим, хотя его много, он находится не в свободном состоянии, а в соединениях, для которых он должен быть выделен обычно электролитическими методами.
Его теплопроводность аналогична теплопроводности золота, но намного дешевле. Карбонат лития — это соединение, используемое при производстве термостойкого стекла и керамики.
Другое широко распространенное применение лития — производство долговечных и легких батарей, в которых хлорид лития используется для извлечения металлического лития. Добавленный при обработке алюминия, он увеличивает его электрическую проводимость и снижает рабочие температуры.
Алюминий
Этот легкий, недорогой, высокопрочный и простой в эксплуатации металл является одним из основных материалов, используемых для изготовления теплообменников в оборудовании для кондиционирования воздуха, таком как кондиционеры и обогреватели.
Как внутри страны, так и в промышленности алюминиевая посуда широко используется на кухнях по всему миру.
Алюминиевая посуда, такая как кастрюли, сковороды и противни, чрезвычайно эффективна. Они не меняют вкус пищи и позволяют теплу быстро и равномерно распространяться во время приготовления.
Тем не менее, алюминиевые кастрюли и сковороды были заменены нержавеющей сталью, которая не так хорошо проводит тепло. Это связано с тем, что нержавеющая сталь не вступает в реакцию с более сильными кислотами, например, с томатным соусом.
Вот почему предпочтительно делать томатные соусы в стальной посуде, чтобы предотвратить попадание алюминия в пищу, поскольку некоторые из них связывают алюминий — присутствующий в антацидах, тальках, дезодорантах и многих других продуктах — с появлением дегенеративных заболеваний, хотя большинство экспертов, а также FDA отвергают эту гипотезу.
Посуда из анодированного алюминия не имеет риска высвобождения частиц алюминия и, в принципе, может использоваться с большей безопасностью.
Бронза
Бронза — это сплав меди и олова, в меньшей степени, других металлов. Он присутствует в истории человечества с давних времен.
Это настолько важно, что период предыстории даже был назван бронзовым веком, временем, когда люди открыли и начали использовать свойства этого сплава.
Бронза устойчива к коррозии, с ней легко работать. Первоначально из него изготавливали различную утварь, инструменты, украшения, предметы искусства (например, скульптуры) и оружие, а также чеканили монеты. Сегодня он все еще используется для изготовления трубок, механических деталей и музыкальных инструментов.
Цинк
Это очень ковкий и пластичный голубовато-белый металл, с которым легко работать, хотя и с низкой температурой плавления. Он известен с древних времен, в основном используется в сплавах.
В настоящее время он используется для цинкования стали и защиты от коррозии. Также для производства батарей, пигментов и производства специальных цинковых листов для строительной индустрии.
Железо
Железо — еще один металл, имеющий большое историческое значение. Как и бронза, железо связано с периодом доисторической эпохи, когда произошел великий технический прогресс: железным веком.
Сегодня чугун по-прежнему находит широкое применение в производстве инструментов, посуды, в строительстве и в качестве материала для изготовления автомобильных деталей.
Как мы видели, железо является очень хорошим проводником тепла. Железные предметы очень хорошо распределяют тепло и сохраняют его надолго. Он также имеет высокую температуру плавления, что делает его устойчивым к высоким температурам, поэтому его можно использовать при производстве всех типов печей, как промышленных, так и бытовых.
Ссылки
- СК-12. Теплопроводники и изоляторы. Получено с: ck12.org.
- Медь: свойства и применение. Получено с: copperalliance.org.
- Эффунда. Свойства обычных твердых материалов. Получено с efunda.com
- Хилл Д. Тепловые свойства чугуна. Получено с: ehow.com.
- Кинг, Х. Многочисленные способы использования золота. Получено с: geology.com.
- Литий. Получено с: gob.mx.
- Рекреативная физика. Передача тепла. Получено с: fisicarecreativa.com.
- Википедия. Список теплопроводностей. Получено с: es.wikipedia.org.
Теплопроводность стали и алюминия. Коэффициенты теплопроводности основных строительных материалов в размерности Вт/(м*К)=Вт/(м*С) и плотность
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс.
Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции.
Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.
Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
Теплопроводность металлов можно охарактеризовать так – это способность материалов (газ, жидкость и пр.) переносить излишнюю тепловую энергию от разогретых участков тела к холодным. Перенос осуществляется свободно движущимися элементарными частицами, в число которых входят атомы электроны и пр.
Сам процесс теплообмена происходит в любых телах, но способ переноса энергии во многом зависит от агрегатного состояния тела.
Кроме этого теплопроводности можно дать еще одно определение – это количественный параметр возможности тела проводить тепловую энергию. Если сравнивать тепловые и электрические сети, то это понятие аналогично электрической проводимости.
Тепловое сопротивление
Способность физического тела не допускать распространение теплового колебания молекул называют тепловым сопротивлением. Кстати, некоторые, искренне заблуждаются, путая это понятие с теплопроводностью.
Перенос тепла на молекулярном уровне
Когда материя нагревается, увеличивается средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, то есть увеличивается уровень беспорядка, атомы и молекулы начинают более интенсивно и с большей амплитудой колебаться около своих равновесных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно описать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией между частицами (атомами и молекулами) вещества, без переноса последнего.
Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества.
Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах.
Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.
От чего зависит показатель теплопроводности
Теплопроводность – это физическая величина и по большей части зависит от параметров температуры, давления и типа вещества. Большая часть коэффициентов определяется опытным путем. Для этого разработано множество методов.
Результаты сводятся в справочные таблицы, которые потом используются при проведении различных научных и инженерных расчетов. Тела обладают разной температурой и при тепловом обмене она (температура) будет распределяться неравномерно.
Другими словами необходимо знать, как зависит коэффициент теплопроводности от температуры.
- Многочисленные опыты показывают то, что у многих материалов связь между коэффициентом и самой теплопроводностью является линейной.
- Коэффициент теплопроводности
- Теплопроводность металлов обусловлена формой его кристаллической решетки.
- Во многом коэффициент теплопроводности зависит от строения материала, размеров его пор и влажности.
Таблица тепловой эффективности материалов
Большинство сырья, которое используется при строительстве, не нуждается в самостоятельном измерении КТП. Для этого существует таблица теплопроводности материалов, которая показывает основные характеристики, требуемые для расчёта тепловой эффективности.
| Материал | Плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м*градусы) | ТеплоёмкостьДж/(кг*градусы) |
| Железобетон | 2500 | 1,7 | 840 |
| Бетон на гравии или щебне из природного камня | 2400 | 1,51 | 840 |
| Керамзитобетон лёгкий | 500-1200 | 1,19-0,45 | 840 |
| Кирпич строительный | 800-1500 | 0,24-0,3 | 800 |
| Силикатный кирпич | 1000-2200 | 0,51-1,29 | 750-840 |
| Железо | 7870 | 70-80 | 450 |
| Пенополистирол Пеноплэкс | 110-140 | 0,042-0,05 | 1600 |
| Плиты минераловатные | 150-250 | 0,043-0,063 | — |
Большинство материалов отличается по своему составу. Например, теплопроводность кирпича зависит от того, из чего он сделан. Клинкерный имеет КТП от 0,8 до 1,6, а кремнезёмный 0,15. Также есть отличия по методу изготовления и стандартам ГОСТ.
Пенополистирол разной толщины Источник cmp24.com.ua
Это может быть интересно! В статье по следующей ссылке читайте про деревянные перекрытия, какие они должны быть в домах с утеплением.
Когда учитывается коэффициент теплопроводности
Параметры теплопроводности в обязательном порядке учитывают во время выбора материалов для ограждающих конструкций – стен, перекрытий и пр.
В помещениях, где стены выполнены из материалов с высокой теплопроводностью в холодное время года будет довольно прохладно. Не поможет и отделка помещения.
Для того, чтобы этого избежать стены необходимо делать довольно толстыми. Это непременно повлечет повышение затрат на материалы и оплату труда.
Моторные масла для мотоблоков – виды и характеристики
Схема утепления деревянного дома
Именно поэтому в конструкции стен предусмотрено использование материалов с низкой теплопроводностью (минеральная вата, пенопласт и пр.).
Коротко о главном
Коэффициент теплопроводности – это скорость передачи тепла через материал в течение определённого времени.
Знание КТП нужно для улучшения тепловой эффективности конструкции. Например, если она должна быстро отдавать тепло, то её нужно делать из сырья с высокой передачей энергии, а для закрытых помещений наоборот нужны дополнительные утеплители. Это поможет сэкономить деньги на отоплении.
- На теплопроводность материала влияет его плотность, влажность и волокнистость.
- Оценок 0
- Прочитать позже
Показатели для стали
- В справочных материалах по теплопроводности различных материалов особое место занимают данные, представленные о сталях разных марок. Так, в справочных материалах собраны экспериментальные и расчетные данные следующих типов стальных сплавов: стойких к воздействию коррозии, повышенной температуры;
- предназначенных для производства пружин, режущего инструмента;
- насыщенных легирующими добавками.
В таблицах сведены показатели, которые были собраны для сталей в температурном диапазоне от -263 до 1200 градусов. Усредненные показатели составляют для:
- углеродистых сталей 50 – 90 Вт/(м×град);
- коррозионностойких, жаро- и теплостойких сплавов, относящимся к мартенситным — от 30 до 45 Вт/(м×град);
- сплавов, относящимся к аустенитным от 12 до 22 Вт/(м×град).
В этих справочных материалах размещена информация и свойствах чугунов.
Теплопередача деревянного окна
На рисунке 4 приведен график зависимости минимального коэффициента теплопередачи рамы деревянного окна, во-первых, от типа древесины (мягкая или твердая) и, во-вторых, от толщины рамы.
Рисунок 4 – Коэффициент теплопередачи деревянных рам 1 – твердые породы (700 кг/куб. м и 0,18 Вт/м К); 2 -мягкие породы (500 кг/куб. м и 0,13 Вт/м К)
Для типичной толщины деревянного окна 50 мм коэффициент теплопередачи рамы составляет для мягких пород 2,0 Вт/м2 К, а для твердых пород – 2,2 Вт/м2 К. С увеличением толщины рамы за 150 мм коэффициент теплопередачи рамы приближается к единице.
Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов
Во время проведения расчетов связанных с цветными металлами и сплавами проектировщики применяют справочные материалы, размещенные в специальных таблицах.
Таблица теплопроводности алюминиевых сплавов
В них представлены материалы о теплопроводности цветных металлов и сплавов, кроме этих данных указана информация о химическом составе сплавов. Исследования проводили при температурах от 0 до 600 °С.
По информации собранной в этих табличных материалах видно то, что к цветным металлам, обладающим высокой теплопроводностью сплавы на основе магния и никель. К металлам, у которых низкая теплопроводность относят нихром, инвар и некоторые другие.
У большинства металлов хорошая теплопроводность, у одних она больше, у других меньше. К металлам с хорошей теплопроводностью относят золото, медь и некоторые другие. К материалам с низкой теплопроводностью относят олово, алюминий и пр.
Таблица теплопроводности сплавов никеля
Высокая теплопроводность может быть и достоинством, и недостатком. Все зависит от сферы применения. К, примеру, высокая теплопроводность хороша для кухонной посуды. Материалы с низкой теплопроводностью применяют для создания неразъемных соединений металлических деталей. Существуют целые семейства сплавов, выполненных на основе олова.
Применение
Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.
Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий.
Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения.
Примером использования свойств металлических изделий является:
- кухонная посуда с различными свойствами;
- оборудование для пайки труб;
- утюги;
- подшипники качения и скольжения;
- сантехническое оборудование для подогрева воды;
- приборы отопления.
Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.
При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия.
В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации.
Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.
У какого металла самая высокая теплопроводность
- Новые статьи
- В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).
- Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.
Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).
Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).
Примечание: В таблице теплопроводности также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).
Источник: Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.
Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
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.
Закон теплопроводности Фурье
В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:
где q→ >> — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T) (T)> (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.
В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):
где P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ΔT — перепад температур граней, l — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.
Связь с электропроводностью
Связь коэффициента теплопроводности ϰ с удельной электрической проводимостью σ в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:
Коэффициент теплопроводности газов
В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле
где ρ — плотность газа, cv > — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯ >> — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как
где i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5 , для одноатомного i=3 ), k — постоянная Больцмана, μ — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).
Теплопроводность в сильно разреженных газах
Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда.
Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом.
При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P >rho c_ l >propto P>, где l — размер сосуда, P — давление.
Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло.
Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения.
Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.
Обобщения закона Фурье
Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело.
Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п.
Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:
Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.
Коэффициенты теплопроводности различных веществ
| Графен | 4840 ± 440 — 5300 ± 480 |
| Алмаз | 1001—2600 |
| Графит | 278,4—2435 |
| Арсенид бора | 200—2000 |
| Карбид кремния | 490 |
| Серебро | 430 |
| Медь | 401 |
| Оксид бериллия | 370 |
| Золото | 320 |
| Алюминий | 202—236 |
| Нитрид алюминия | 200 |
| Нитрид бора | 180 |
| Кремний | 150 |
| Латунь | 97—111 |
| Хром | 107 |
| Железо | 92 |
| Платина | 70 |
| Олово | 67 |
| Оксид цинка | 54 |
| Сталь нелегированная | 47—58 |
| Свинец | 35,3 |
| Сталь нержавеющая (аустенитная) | 15 |
| Кварц | 8 |
| Термопасты высокого качества | 5—6 |
| Гранит | 2,4 |
| Бетон сплошной | 1,75 |
| Бетон на гравии или щебне из природного камня | 1,51 |
| Базальт | 1,3 |
| Стекло | 1—1,15 |
| Термопаста КПТ-8 | 0,7 |
| Бетон на песке | 0,7 |
| Вода при нормальных условиях | 0,6 |
| Кирпич строительный | 0,2—0,7 |
| Силиконовое масло | 0,16 |
| Пенобетон | 0,05—0,3 |
| Газобетон | 0,1—0,3 |
| Древесина | 0,15 |
| Нефтяные масла | 0,12 |
| Свежий снег | 0,10—0,15 |
| Пенополистирол (горючесть Г1) | 0,038—0,052 |
| Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) | 0,029—0,032 |
| Стекловата | 0,032—0,041 |
| Каменная вата | 0,034—0,039 |
| Воздух (300 K, 100 кПа) | 0,022 |
| Аэрогель | 0,017 |
| Аргон (273—320 K, 100 кПа) | 0,017 |
| Аргон (240—273 K, 100 кПа) | 0,015 |
| Вакуум (абсолютный) | 0 (строго) |
Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.
Примечания
См. также
- Теплопередача
- Конвекция
- Равновесный градиент температуры
- Тепловое излучение
- Закон Ньютона — Рихмана
- Уравнение диффузии
- Теплоизоляция
Ссылки
- Теплопроводность воды и водяного пара
- Коэффициенты теплопроводности элементов
- Таблица теплопроводности веществ и материалов
Самый теплопроводный металл: общие характеристики
Именно серебро лидирует в этом негласном конкурсе, имея теплопроводность в 408 Ватт на метр помноженный на Кельвин, опережая по этому показателю такие элементы с высоким коэффициентом удельной теплопроводности, как медь (384 Вт/(м*К), золото (312 Вт/(м*К) и алюминий (203 Вт/(м*К).
Будучи обладателем пальмы первенства, самый теплопроводный металл имеет наиболее широкое применение в различных сферах производства, причем, список того, где можно использовать серебро, можно продолжать до чуть ли не до бесконечности.
Примечательно, что благодаря своим уникальным качествам, наиболее теплопроводный металл в мире использовался с самых давних времен, ведь согласно сохранившихся исторических очерков, еще воины древнего Египта широко использовали серебро для максимального ускорения процесса заживления ран и увечий, полученных в жестоких боях.
Так, изготавливая тоненькие пластинки из чистого серебра и прикладывая их к ранам различны типов, они с удивлением отмечали целебные свойства, которыми обладал этот благородный металл.
Нельзя не уделить внимание той огромной роли серебра, которую оно играло для православия, ведь в большинстве русских церквей все сосуды и атрибутику старались изготавливать именно из него и ни для кого не секрет, что посеребренная вода, именуемая святой, способна сохранятся годами в закрытых емкостях, не меняя при этом свой цвет и запах. А все потому, что серебро способно выступать, как своеобразное средство для дезинфекции, применимое не только для воды. Однако, на этом полезные свойства данного металла отнюдь не заканчиваются, ведь помимо высокой теплопроводности, он обладает отличной электропроводностью, а также совершенно не подвержен процессам окисления даже при длительном контакте с влажной средой. Благодаря своим многочисленным уникальным свойствам, серебро широко используется для изготовления мелких комплектующих для различного рода электроприборов, и именно поэтому техника с деталями из этого благородного металла пользуется таким большим спросом.
Рассуждая на тему о сферах применения серебра, невозможно упустить из внимания тот вклад, который продолжает вносить этот металл в ювелирное искусство, ведь оно пользуется не меньшей популярностью, чем золото.
Причем, помимо всевозможных колец, сережек и браслетов, серебро используется для изготовления изысканных столовых приборов и различного рода декоративных элементов, в том числе интерьерных. И речь идет не только о красоте, но и о функциональности.
В качестве примера можно привести зеркала, которые вместо традиционного алюминия покрывают тончайшим слоем серебра, чтобы улучшить их отражающую способность.
Кроме того, серебро прекрасно подходит для изготовления целого ряда вспомогательных инструментов и довольно сложно придумать лучший материал, с помощью которого можно будет выполнять чеканку монет и орденов. При этом использовать его можно не только в чистом виде, но и во всевозможных сплавах и соединениях.
Так, определенные химические соединения, в которых принимает непосредственное участие аргентум, активно используются для изготовления зарядных батарей аккумуляторов, которые славятся своей способностью при относительно малом внутреннем сопротивлении генерировать большой ток.
Загрузка...
