Какая теплопроводность у металла? - VITC33.RU

Какая теплопроводность у металла?

Теплопроводность чистых металлов

Теплопроводность металлов в зависимости от температуры

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 также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).

  • Теплофизические свойства и температура замерзания водных растворов NaCl и CaCl2
  • Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

Читайте также

Добавить комментарий Отменить ответ

Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость

Плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость строительных и других популярных материалов. Более 400 материалов в таблице!

Плотность воды, теплопроводность и физические свойства H2O

Подробные таблицы значений плотности воды, ее теплопроводности и других теплофизических свойств в зависимости от температуры…

Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость

Таблицы физических свойств воздуха: плотность воздуха, его удельная теплоемкость и вязкость в зависимости от температуры…

Теплопроводность стали и чугуна. Теплофизические свойства стали

Теплопроводность стали и чугуна, физические свойства стали в таблицах при различной температуре…

Оргстекло: тепловые и механические характеристики

Рассмотрены тепловые, механические, оптические и электрические характеристики органического стекла…

Физические свойства технической соли

Насыпная плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и другие физические свойства технической соли…

Характеристики теплоизоляционных плит Изорок (Isoroc)

Плотность, коэффициент теплопроводности и другие важнейшие характеристики теплоизоляционных плит Изорок различных модификаций…

Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок при температурах от 0 до 1350°С…

Плотность урана и его теплофизические свойства при различных температурах

Представлены значения плотности урана различной чистоты и его теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость и т. д.) при температуре от -253 до 1227°С…

Температура замерзания вина и виноматериалов. Плотность вина

Температура замерзания некоторых сортов вина. Плотность вина В таблице представлены значения температуры замерзания вина tзам…

Теплофизические свойства, теплопроводность сахарных растворов

Плотность сахарного раствора Дана таблица значений плотности сахарного раствора в зависимости от температуры и содержания сахара…

Физические свойства технической соли

Насыпная плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и другие физические свойства технической соли…

Теплопроводность термопаст, сравнение термопаст по теплопроводности и вязкости

Рассмотрены виды термопаст, составлен рейтинг термопаст по теплопроводности, указана их вязкость, цвет и производитель…

Характеристики теплоизоляционных плит Изорок (Isoroc)

Плотность, коэффициент теплопроводности и другие важнейшие характеристики теплоизоляционных плит Изорок различных модификаций…

Теплофизические свойства и температура замерзания водных растворов NaCl и CaCl2

Теплофизические свойства раствора CaCl2 (кальций хлористый) В таблице представлены теплофизические свойства раствора хлористого кальция CaCl2…

Плотность молибдена, его теплопроводность и удельная теплоемкость

Плотность, теплопроводность и теплоемкость молибдена в твердом и жидком состояниях в широком диапазоне температуры (в интервале от -271 до 3127°С)…

Свойства сахара, плотность и температура плавления сахара

Теплофизические свойства сахарозы (сахара) В таблице представлены следующие физические свойства сахара (или сахарозы): плотность сахара,…

Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди

Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.

  • Что такое теплопроводность
    • Показатели для стали
  • Влияние концентрации углерода
  • Значение в быту и производстве

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

  1. Молекул.
  2. Атомов.
  3. Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

  1. Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
  2. У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
  3. Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

  1. Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
  2. Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
  3. У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

  1. При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях. При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
  2. При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод. Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии.
  3. При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

Читайте также  Как считать оплату за воду по счетчику?

Какие показатели теплопроводности металла считаются нормой?

У каждого металла есть ряд параметров, характеризующие его как материал. Их нужно учитывать при изготовления различных предметов, заготовок, повышения эксплуатационных характеристик. Один из главных параметров — теплопроводность металлов. Этот показатель учитывают производители при изготовлении термодатчиков, радиаторов, холодильных установок.

Металлообрабатывающий завод

Определение и значение

Теплопроводность — способность материалов переносить энергию тепла от разогретых поверхностей к холодным участкам. Теплопроводящими могут быть жидкости, газы, твердые вещества. Это способность тела проводить тепловую энергию через себя, передавать ее другим предметам.

Коэффициент теплопроводности — величина, равняющаяся количеству теплоты, которая переносится через определенную площадь поверхности за 1 секунду.

Впервые этот параметр был установлен в 1863 году. Ученые доказали, что передача теплоты осуществляется за счет движения свободных электронов. В металлических заготовках их больше, чем в предметах из другим материалов.

Какие факторы влияют на показатель?

Чтобы понять, как повысить или понизить показатель разных видов металла, нужно знать какие факторы влияют на этот параметр:

  • размеры изделия, площадь поверхности;
  • форму заготовки;
  • химический состав;
  • пористость материала;
  • вид материала;
  • изменение температуры воздействия.

Также внимание нужно уделить строению кристаллической решетки.

Металлические листы (Фото: Instagram / metall61_armatura_dostavka)

Какие показатели считаются нормой?

Коэффициент учитывается в различных сферах производства. Этот параметр нужно учитывать при изготовлении:

  • утюгов;
  • нагревательных приборов;
  • холодильных камер;
  • подшипников скольжения;
  • оборудования для нагревания воды;
  • отопительных приборов.

Изучая свойства различных материалов, специалисты составили таблицы с показателями теплопроводности для каждого из них. Их можно найти в специализированных справочниках.

Для стали

Справочники объединяют в себе расчетные данные для разных материалов:

  • стали, которая используется при изготовлении режущего инструмента;
  • сплавов для производства пружин;
  • стали, насыщенной легирующими добавками;
  • сплавов, стойких в образованию ржавчины;
  • материалов, устойчивых к высокой температуре.
Сталь Теплоемкость Дж (кг*°C)
Сталь 45 469
Сталь 40 Х 620
9Х2МФ 500
60Х2СМФ 660
Х12МФ 580
40Х13 452
15ХМ 486

Данные в таблицы собирались для стали, которая подвергалась термической обработке при температуре от -263°C до +1200°C.

Термообработка (Фото: Instagram / energomashvologda)

Для меди, никеля, алюминия и их сплавов

Показатель для металлов и сплавов будет отличаться для цветных и черных металлов. У железа и цветных металлов разная структура, температура плавления, строение кристаллической решетки.

В таблицах можно найти информацию о химическом составе меди, никеля, алюминия. Особенности:

  • самая высокая теплопроводность у никеля, магния, меди и сплавов на их основе.
  • самая низкая теплопроводность у инвара, нихрома, алюминия, олова.

Можно ли повысить показатель?

Ученые провели эксперимент по увеличение параметра с использованием графена. Они наносили слой графена на медные поверхности. Для этого применялась технология осаждения графеновых частиц из газа.

Показатель теплопроводности медной заготовки увеличился, поскольку зерна в структуре стали больше. Благодаря этому повысилась проходимость свободных электронов. При нагревании меди без графенового напыления размер зерен не был увеличен.

Также внимание нужно уделить влиянию концентрации углерода на показатель. У стали с высоким содержанием углерода он выше. Благодаря этому из высокоуглеродистой стали изготавливаются трубы, запорная арматура.

Графен (Фото: Instagram / kalabs_lab)

Методы изучения и измерения

Прежде чем начинать изучение и измерение показателя теплопроводности нужно выбрать материал, узнать технологию его какой технологии получения. Например, металлические заготовки одинакового размера, формы, изготовленные литьем или порошковой металлургии будут отличаться основными параметрами. То же самое касается сырых металлов в сравнении с тем, которые прошли термическую обработку.

Чтобы получить точные данные, нужно выбирать заготовки прошедшие одинаковые этапы обработки. Они должны быть одного размера, формы, похожи по химическому составу.

Специалисты выделяют ряд актуальных методик измерения коэффициента теплопроводности, применяемыми предприятиями:

  1. TCT (Методика разогретой проволоки).
  2. HFM (Методика теплового потока).
  3. GHP (Технология раскаленной охранной зоны).
  4. Релакционно-динамический способ. С его помощью проводятся массовые измерения технических характеристик. При измерении нужно выбирать заготовки с одинаковой отражающей способностью поверхностей.

При изготовлении различных предметов, деталей, оборудования из металла, специалисты учитывают отдельные технические характеристики. Например, при производстве теплообменников, радиаторов, систем охлаждения, нагрева воды, главный параметр — коэффициент теплопроводности. На него влияет химическое строение материала, кристаллическая решетка, пористость, форма, размеры заготовки.

Теплопроводность цветных металлов, теплоемкость и плотность сплавов

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.
Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда.

По данным таблицы видно, что высокую теплопроводность (при комнатной температуре) имеют магниевые сплавы и никель. Низкая же теплопроводность свойственна нихрому, инвару и сплаву Вуда.

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

  1. Молекул.
  2. Атомов.
  3. Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

  1. Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
  2. У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
  3. Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Теплопроводность металлов, алюминиевых, медных и никелевых сплавов в таблице дана в интервале температуры от 0 до 600°С в размерности Вт/(м·град). Металлы и сплавы: алюминий, алюминиевые сплавы, дюралюминий, латунь, медь, монель, нейзильбер, нихром, нихром железистый, сталь мягкая. Алюминиевые сплавы имеют большую теплопроводность, чем латунь и сплавы никеля.

Какие показатели считаются нормой?

Коэффициент учитывается в различных сферах производства. Этот параметр нужно учитывать при изготовлении:

  • утюгов;
  • нагревательных приборов;
  • холодильных камер;
  • подшипников скольжения;
  • оборудования для нагревания воды;
  • отопительных приборов.

Изучая свойства различных материалов, специалисты составили таблицы с показателями теплопроводности для каждого из них. Их можно найти в специализированных справочниках.

Для стали

Справочники объединяют в себе расчетные данные для разных материалов:

  • стали, которая используется при изготовлении режущего инструмента;
  • сплавов для производства пружин;
  • стали, насыщенной легирующими добавками;
  • сплавов, стойких в образованию ржавчины;
  • материалов, устойчивых к высокой температуре.
Сталь Теплоемкость Дж (кг*°C)
Сталь 45 469
Сталь 40 Х 620
9Х2МФ 500
60Х2СМФ 660
Х12МФ 580
40Х13 452
15ХМ 486

Данные в таблицы собирались для стали, которая подвергалась термической обработке при температуре от -263°C до +1200°C.


Термообработка (Фото: Instagram / energomashvologda)

Читайте также  Чем отличается природный и сжиженный газ?

Для меди, никеля, алюминия и их сплавов

Показатель для металлов и сплавов будет отличаться для цветных и черных металлов. У железа и цветных металлов разная структура, температура плавления, строение кристаллической решетки.

В таблицах можно найти информацию о химическом составе меди, никеля, алюминия. Особенности:

  • самая высокая теплопроводность у никеля, магния, меди и сплавов на их основе.
  • самая низкая теплопроводность у инвара, нихрома, алюминия, олова.

Коэффициенты теплопроводности сплавов

В таблице даны значения теплопроводности сплавов в интервале температуры от 20 до 200ºС. Сплавы: алюминиевая бронза, бронза, бронза фосфористая, инвар, константан, манганин, магниевые сплавы, медные сплавы, сплав Розе, сплав Вуда, никелевые сплавы, никелевое серебро, платиноиридий, сплав электрон, платинородий.

Удельная теплоемкость цветных сплавов

В таблице приведены величины удельной (массовой) теплоемкости двухкомпонентных и многокомпонентных цветных сплавов, не содержащих железа, при температуре от 123 до 1000К. Теплоемкость указана в размерности кДж/(кг·град). Дана теплоемкость следующих сплавов: сплавы, содержащие алюминий, медь, магний, ванадий, цинк, висмут, золото, свинец, олово, кадмий, никель, иридий, платина, калий, натрий, марганец, титан, сплав висмут — свинец — олово, сплав висмут-свинец, висмут — свинец — кадмий, алюмель, сплав липовица, нихром, сплав розе.

Также существует отдельная таблица, где представлена удельная теплоемкость металлов при различных температурах.

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов приведена в таблице при температуре от 0 до 1300ºС. Размерность теплоемкости кал/(г·град). Теплоемкость специальных сплавов: алюмель, белл-металл, сплав Вуда, инвар, липовица сплав, манганин, монель, сплав Розе, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb — Bi, Pb — Bi — Sn, Zn — Sn — Ni — Fe — Mn.

Плотность сплавов

Представлена таблица значений плотности сплавов при комнатной температуре. Приведены следующие сплавы: бронза, оловянистая, фосфористая, дюралюминий, инвар, константан, латунь, магналиум, манганин, монель — металл, платино — иридиевый сплав, сплав Вуда, сталь катаная, литая.

ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте внимательны! Плотность сплавов в таблице указана в степени 10-3. Не забудьте умножить на 1000! Например, плотность катанной стали изменяется в пределах от 7850 до 8000 кг/м3.

  1. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи.
  2. Физические величины. Справочник. А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др.; Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
  3. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И. К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с.
  4. Шелудяк Ю. Е., Кашпоров Л. Я. и др. Теплофизические свойства компонентов горючих систем. М.: 1992. — 184 с.
  5. Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.

Основные характеристики современных отопительных радиаторов

Рынок теплового оборудования изобилует современными моделями, отличающимися форматом и теплоотдачей, которые выпускаются из разного металла:

  • алюминий;
  • медь (труба для теплоносителя) и алюминий (внешний кожух);
  • сталь и алюминий;
  • сталь;
  • чугун.

Чугунные батареи считаются «классикой» обогревательных приборов. Тяжелые громоздкие «гармошки» всем известны со времен советской эпохи. Они постепенно вытесняются новыми моделями в стиле ретро из того же чугуна. Покупатели все чаще отдают предпочтение более современным биметаллическим радиаторам.

Хотя чугун долго разогревается, такие батареи пользуются популярностью и завидным спросом потребителей. Новые модели чугунного радиатора типа МС 140 надежные, дешевые, стойкие к перепадам давления в системе, при условии надежного сочленения с трубами при монтаже. При отключении чугунные «гармошки» долго держат тепло, хотя прогреваются дольше других разновидностей. У новых разработок улучшенный дизайн, часто есть ножки для напольного монтажа. Сравнение тепловой инертности (темпов прогревания) и общих показателей представлено в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры / металл Чугун Сталь панельные Сталь трубчатые Биметалл Алюминий
Формат Секции Цельные Цельные Секции Секции
Тепловая инертность Высокая Низкая Низкая Низкая Низкая
Стойкость к коррозии Высокая Средняя Средняя Средняя Средняя

Изделия из алюминия со стальной трубкой под теплоноситель – рекордсмены по КПД. На сегодня 1 секция биметаллического радиатора намного быстрее прогревается и отдает больше тепла в атмосферу помещения, чем изделиях из других материалов. При предельной температуре наполнителя слышен характерный треск, поскольку у алюминия и стали разная теплопроводность и степень расширения при нагревании.

Биметаллические радиаторы могут состоять из меди и алюминия с покрытием и без

Также есть батареи на основе медной трубки в алюминиевом кожухе – это самые дорогие биметаллические блоки. У них самые лучшие характеристики, высокая тепловая отдача и наиболее продолжительный срок эксплуатации. Недостатки – высокая стоимость и сложности в монтаже (лучше его доверить профессионалам).

Полезный совет! Оценивая эффективность разных моделей из одного металла, учитывают толщину стенки секции или трубки. Эти параметры должны быть указаны в описании к модели.

Радиаторы отопления из алюминия легче и дешевле, хотя немного уступают биметаллу по основным параметрам, включая мощность секции на1 квадратный метр. Трубчатые модели отличаются приятным дизайном, их легко перекрашивать под цвет помещения. Основной недостаток – вероятность деформации и протечки в мечтах сочленения при гидроударах и предельном давлении. По этой причине специалисты рекомендуют приобретать их для отопления частного сектора.

Стальной корпус отлично противостоит перепадам температур, меньше загрязняется, имея гладкую оцинкованную внутреннюю поверхность. Относительно небольшая цена, высокие темпы разогрева и хороший КПД – определяющие показатели, объясняющие их популярность. Однако со временем внутренний защитный слой разрушается под воздействием абразивных частиц теплоносителя.

Коэффициент теплопроводности и теплопередачи стали, сплавов

Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло. Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними. В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).

Понятие теплопроводности

Она является интенсивной физической величиной, то есть величиной, которая описывает свойство материи, не зависящей от количества последней. Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, то есть эти характеристики одинаковы в любой точке одного и того же вещества. Другой группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, например, масса, объем, энергия и другие.

Противоположной величиной для теплопроводности является теплосопротивляемость, которая отражает способность материала препятствовать переносу проходящего через него тепла. Для изотропного материала, то есть материала, свойства которого одинаковы во всех пространственных направлениях, теплопроводность является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры. Так, теплопроводность, равная одному ватту на метр-Кельвин, означает, что тепловая энергия в один Джоуль переносится через материал:

  • за одну секунду;
  • через площадь один метр квадратный;
  • на расстояние один метр;
  • когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.

Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот. Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).

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.

Читайте также  Какие существуют группы по электробезопасности?

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

Каждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

  • сталь 47—58;
  • алюминий 237;
  • медь 372,1—385,2;
  • бронза 116—186;
  • цинк 106—140;
  • титан 21,9;
  • олово 64,0;
  • свинец 35,0;
  • железо 80,2;
  • латунь 81—116;
  • золото 308,2;
  • серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

  • стекловолокно 0,03—0,07;
  • стекло 0,6—1,0;
  • асбест 0,04;
  • дерево 0,13;
  • парафин 0,21;
  • кирпич 0,80;
  • алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.

Простые углеродные стали при увеличении содержания углерода снижают свой удельный вес, в соответствии с которым также уменьшается и их способность переносить тепло от 54 до 36 Вт/(м*К) при изменении процента углерода в стали от 0,5 до 1,5%.

Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла. Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: