Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Коэф теплопроводности: Коэффициент теплопроводности, формула и примеры

Содержание

Коэффициент теплопроводности, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплопроводности

Коэффициентом теплопроводности является физическая величина, которая характеризует способность вещества проводить тепло.

Обозначают коэффициент теплопроводности по-разному. Встречаются обозначения: K, и некоторые другие.

Коэффициент теплопроводности газа

В соответствии с кинетической теорией для газа коэффициент теплопроводности равен:

   

где — средняя скорость теплового движения молекул, — средняя длин свободного пробега молекулы, — плотность газа, — удельная теплоемкость газа в изохорном процессе.

Коэффициент теплопроводности металлов

Металлы являются хорошими проводниками тепла. Теплопроводность в металлах реализуется при помощи (в основном) посредством того, что энергию переносят свободные электроны. Коэффициент электронной теплопроводности металлов вычисляют при помощи формулы:

   

где — постоянная Больцмана, — концентрация электронов в металле, — длина свободного пробега, которая соответствует границе энергии Ферми () для распределения электронов по температурам при T=0K, — масса электрона, — средняя скорость свободного пробега для тех же условий, что и .

Для идеального электронного газа выражение (2) преобразуется к виду:

   

где — средняя длина свободного пробега, — средняя скорость теплового движения электронов.

Надо отметить, что теплопроводность, которая осуществляется кристаллической решеткой металлов существенно меньше, чем электронная. Ее можно рассчитать для кристаллов, рассматривая перемещение фотонов по кристаллу, при помощи формулы:

   

где с — теплоемкость единицы объема, — скорость звука, — длина свободного пробега фотона

Коэффициент теплопроводности и уравнение Фурье

Коэффициент теплопроводности входит в основное уравнение, которое описывает явление переноса тепла или уравнение Фурье. Явление теплопроводности появляется , если имеется градиент температуры. В одномерном стационарном случае уравнение Фурье можно записать как:

   

где помимо коэффициента теплопроводности () имеются: — количество теплоты, которое переносится через площадку в направлении, которое совпадает с направлением нормали к , в направлении уменьшения температуры, — градиент температуры. В нашем случае

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплопроводности в системе СИ является:

=Вт/м•К

Примеры решения задач

Коэффициенты теплопроводности изоляции

1

Асбестовый матрац, заполненный совелитом

0,087+0,00012* tт

2

Асбестовый матрац, заполненный стекловолокном

0,058+0,00023* tт

3

Асботкань в несколько слоев

0,13+0,00026* tт

4

Асбестовый шнур

0,12+0,00031* tт

5

Асбестовый шнур (ШАОН)

0,13+0,00026* tт

6

Асбопухшнур (ШАП)

0,093+0,0002* tт

7

Асбовермикулитовые изделия марки 250

0,081+0,00023* tт

8

Асбовермикулитовые изделия марки 300

0,087+0,00023* tт

9

Битумоперлит

0,12+0,00023* tт

10

Битумокерамзит

0,13+0,00023* tт

11

Битумовермикулит

0,13+0,00023* tт

12

Вулканитовые плиты марки 300

0,074+0,00015* tт

13

Диатомовые изделия марки 500

0,116+0,00023* tт

14

Диатомовые изделия марки 600

0,14+0,00023* tт

15

Известково-кремнеземистые изделия марки 200

0,069+0,00015* tт

16

Маты минераловатные прошивные марки 100

0,045+0,0002* tт

17

Маты минераловатные прошивные марки 125

0,049+0,0002* tт

18

Маты и плиты из минеральной ваты марки 75

0,043+0,00022* tт

19

Маты и полосы из непрерывного стекловолокна

0,04+0,00026* tт

20

Маты и плиты стекловатные марки 50

0,042+0,00028* tт

21

Пенобетонные изделия

0,11+0,0003* tт

22

Пенопласт ФРП-1 и резопен группы 100

0,043+0,00019* tт

23

Пенополимербетон

0,07

24

Пенополиуретан

0,05

25

Перлитоцементные изделия марки 300

0,076+0,000185* tт

26

Перлитоцементные изделия марки 350

0,081+0,000185* tт

27

Плиты минераловатные полужесткие марки 100

0,044+0,00021* tт

28

Плиты минераловатные полужесткие марки 125

0,047+0,000185* tт

29

Плиты и цилиндры минераловатные марки 250

0,056+0,000185* tт

30

Плиты стекловатные полужесткие марки 75

0,044+0,00023* tт

31

Полуцилиндры и цилиндры минераловатные марки 150

0,049+0,0002* tт

32

Полуцилиндры и цилиндры минераловатные марки 200

0,052+0,000185* tт

33

Совелитовые изделия марки 350

0,076+0,000185* tт

34

Совелитовые изделия марки 400

0,078+0,000185* tт

35

Скорлупы минераловатные оштукатуренные

0,069+0,00019* tт

36

Фенольный поропласт ФЛ монолит

0,05

37

Шнур минераловатный марки 200

0,056+0,000185* tт

38

Шнур минераловатный марки 250

0,058+0,000185* tт

39

Шнур минераловатный марки 300

0,061+0,000185* tт

Теплопроводность минераловатных плит — Комплекс градостроительной политики и строительства города Москвы

В подавляющем большинстве случаев для тепловой изоляции используются минераловатные (из каменной ваты или стекловолокна) и пенополистирольные плиты. Производители теплоизоляционной продукции выпускают ее, как правило, по собственным ТУ или ТС, в которых методы определения технических показателей могут быть как по ГОСТ, так и по ГОСТ ЕН, а значения не могут быть хуже приведенных в ГОСТ.

Основные производители и поставщики минераловатных плит, поступающих на строительные площадки города: ЗАО «Минеральная Вата» и ЗАО «Термостек», г. Железнодорожный МО, Компания «Технониколь», «Завод Техно», г. Рязань, ЗАО «ИЗОРОК», г. Тамбов, ОАО «ИЗОВОЛ», г. Белгород, ООО «ИЗОВЕР», г. Егорьевск МО, ОАО «ПАРОК», пос. Изоплит Тверской обл., ООО «УРСА», г. Серпухов МО и г. Чудово Новгородской обл., ООО «ИЗОМИН» и ООО «КНАУФ Инсулейшн», г. Ступино МО.

В рамках выполнения государственной работы № 836001 специалисты ГБУ «ЦЭИИС» осуществляют в лабораторных условиях контроль плотности и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных изделий, отобранных непосредственно из строящегося здания или складированных на строительной площадке.

В качестве основного средства измерения коэффициента теплопроводности используется λ-Meter EP500e германского производства в комплекте с ноутбуком DELL.


Внешний вид измерителя теплопроводности.

Измеритель теплопроводности внесен в Государственный реестр средств измерений РФ и поверен в ФБУ «РОСТЕСТ-МОСКВА». Теплопроводность минераловатных плит определяется при средней температуре 250С.

Используется абсолютный метод определения теплопроводности; центральный нагреватель 250 х 250 мм защищен от внешнего воздействия тремя охранными нагревателями, два из них при температуре центрального нагревателя, внешний — при несколько меньшей температуре для препятствия проникновения в испытываемый образец атмосферной влаги. Размер образцов от 250 × 250 мм до 500 × 500 мм, толщина от 10 до 200 мм, погрешность измерения не более 1%, диапазон измеряемой теплопроводности 3 — 250 мВт/мК при средней температуре от 100С до 500С.

Для минераловатных изделий используется дополнительно приобретенный эталон теплопроводности из стекловолокна, размеры 500 × 500 мм, толщина 34,8 мм, плотность 74 кг/м3. Коэффициент теплопроводности, как функция средней температуры испытаний (100С — 500С), представлен полиномом третьей степени;

λ = 0.029 394 9 + 0.000106× Т + (2.047×107)×Т2.

В указанной формуле λ измеряется в мВт/мК, Т в град.С.

При проведении измерений ноутбук DELL строит график «теплопроводность — время», что позволяет точно определить выход на стационарный режим, получить надежный результат измерений и сократить время измерений. На рис. 3 представлен график «теплопроводность — время».

Наличие двух образцовых мер теплопроводности дает уверенность в получении точных результатов, однако в плане обеспечения единства измерений приведенные в НД значения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных изделий должны быть представлены с неменьшей точностью.

Первая попытка провести сличительные испытания увенчалась успехом. Работа выполнена совместно с ЗАО «МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА».

Результаты испытаний представлены в таблице 1. Испытанные образцы — в полной сохранности; представляется целесообразным продолжить подобную работу с другими крупными производителями, поставляющими теплоизоляционные изделия московскому строительству. Коэффициенты теплопроводности, измеренные посредством ЕР500е, с хорошей степенью точности можно представить полиномом четвертой степени:

λ10 = 990.9666/ρ — 9.25148 + 0.5284176×ρ — 0.001837539×ρ2.

Формула справедлива для теплоизоляционных плит из каменной ваты плотностью от 44 до 151 кг/м3.

Результаты сличительных испытаний по показателю теплопроводности плит минераловатных производства ЗАО «МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА».

В процессе эксплуатации прибора наблюдалась тенденция получения более высоких значений коэффициента теплопроводности с ростом толщины испытываемого образца. Так, для плиты из минеральной (каменной) ваты плотностью 30 кг/м3 при δ =75 мм λ = 38.83 мВт/мК, δ = 54 мм λ = 37.96 мВт/м3; плотностью 150 кг/м3: δ = 150 мм λ = 39. 75 мВт/мК, δ = 50 мм λ = 38.00 мВт/мК; для плиты пенополистирольной плотностью 30 кг/м3 при δ = 73.5 мм λ = 45.41 мВт/мК, δ = 18.2 мм λ = 41.49 мВт/мК. Лучшая точность измерений при хорошей представительности образца — от 30 до 60 мм толщиной. При испытании двух и трехслойных минераловатных плит или плит с неравномерной по толщине плотностью они должны резаться послойно, а коэффициент теплопроводности плиты должен вычисляться по значениям термических сопротивлений слоев. Например, так, как это выполнено для трехслойной фасадной плиты.

рис. 3. Процесс выхода в стационарно-тепловой режим.

Общая толщина испытанных образцов — 187 мм, суммарная величина термического сопротивления — 4.93 м2 0С/Вт. Коэффициент теплопроводности λ = 0.038 Вт/(м0С), плотность ρ = 132 кг/м3.

Для проведения исследований в основном использовался λ-Meter EP500e — как базовый прибор контроля теплопроводности. Дополнительно использовались следующие средства измерения коэффициента теплопроводности, дающие возможность в сомнительных случаях перепроверить результаты измерений, провести измерения по образцам неподходящих для ЕР500е размеров и формы:

Всего в рамках выполнения государственной работы (за период январь — май) было проведено 100 испытаний минераловатных и пенополистирольных плит.

По мере развития ГБУ «ЦЭИИС» перечень контролируемых технических показателей, влияющих на прочностную и экологическую безопасность, может быть расширен. В первую очередь это касается модуля кислотности и водостойкости каменной ваты, от их величины зависит долговечность минераловатных плит. От сверхнормативного количества незаполимеризованного связующего — онкологическая угроза жильцам и «высолы» на стенах. Паропроницаемость — стена должна «дышать». Предел прочности на отрыв слоев — важный показатель фасадных плит.

По данным канд. техн. наук В.Б. Пономарева из ОАО «Теплопроект» на тепловую защиту зданий (СНиП 23-02-2003) расходуется 60% теплоизоляционных изделий, 20% на тепловые сети (СНиП 41-02-2003), 20% — на изоляцию оборудования и трубопроводов (СНиП 41-03-2003). Данные документы — в Перечне национальных стандартов и сводов правил по безопасности зданий и сооружений.

В интересах Москвы иметь надежные и экономичные тепловые сети!

В.В. Фетисов

Таблица коэффициентов теплопроводности газов

Общие сведения о теплопередаче

Теория теплопередачи выделяет три вида передачи тепла в пространстве (или теплообмена):

  • теплопроводность;
  • конвекция;
  • термоизлучение.

Теплопроводность – это молекулярный процесс, который характеризуется передачей тепла при непосредственном соприкосновении тел с разницей температур за счёт обмена энергией движения структурных частиц.

Конвекция – это движение в пространстве частей среды с разницей температур, причём за счёт переноса самой среды.

Термоизлучение – это теплообмен посредством электромагнитного излучения.

Часто наблюдается совместное протекание всех процессов вместе.

Способность вещества проводить тепло зависит от интенсивности теплового движения его микрочастиц в случаях, когда возникновение конвективных механизмов невозможно. Этот вид теплообмена возникает при разной температуре соприкасающихся веществ.

Совокупность тепловых значений в различных точках вещества называют температурным полем. Такое поле может быть стационарным – если тепловой показатель всех точек не изменяется с течением времени. И стационарным – при изменяющейся температуре в точках в течение какого-нибудь промежутка времени.

Понятие коэффициента теплопередачи

С точки зрения физики явление передачи тепла можно объяснить стремлением любой системы занять положение равновесия, при котором затраты энергии будут минимальными. Система, выведенная из равновесия посредством теплового изменения какой-либо её части, стремится в кратчайшее время восстановить равновесие, выравнивая температуру в разных точках. Микрочастицы переносят тепло, выравнивая температурный показатель– это и есть теплопередача.

Явление переноса тепла мы наблюдаем в твёрдых телах, в жидкостях и в меньшей мере – в газах.

Возьмём некий объём идеального газа, заключённый между двумя плоскими стенками. При различающейся температуре этих стенок Т1 и Т2 для каждой из них соответственно, создастся тепловой поток микрочастиц, который переносит тепло от более тёплой стенки к более холодной, выравнивая разницу температур. На этом явлении строится, например, утепляющий эффект окна. Стёкла имеют высокую способность передавать тепло, но заключённый между ними воздух является проводником тепла, в 160 худшим, чем стекло.

Коэффициент теплопередачи – это величина, которую нам помогает вычислить полуэмпирическая формула, она характеризует способность вещества переносить определённое количество тепла за единицу времени.

Для различного рода расчётов существует таблица теплопроводности материалов, поскольку это имеет огромное практическое значение. От этой величины зависит, как можно использовать вещество – как термоизолятор или как теплопроводник.

Коэффициент теплопроводности газов в природе

Формула говорит о том, что идеальный газ прямо пропорционален температуре.То же самое мы наблюдаем у метана, углекислоты, гелия и других природных веществ.

В таблице 1 приведены коэффициенты теплопередачи различных веществ при разных температурах.

Исследования способности проводить тепло в различных условиях проводились, как правило, на примере метана и углекислоты. Это объясняется тем, исследования метана, как самого распространённого в природе, представляют большой интерес. Использование же в экспериментах углекислоты объясняется дешевизной и тем, что её свойства заметно отличаются от свойств прочих природных веществ.

Коэффициент теплопередачи идеального газа не зависит от давления. Способность переносить тепло у природных веществ при различных показаниях давления в умеренном диапазоне тоже будет практически одинаковой. Но это справедливо, если речь идёт не о вакууме или не о слишком высоких давлениях. При крайне низких или крайне высоких давлениях теплопроводность газа будет расти вместе с уровнем теплоты.

 

В таблице 2 мы видим значения коэффициента теплопроводности для различных газов. Обратите внимание, что величина коэффициента заметно отличается – например, у метана она практически в два раза больше, чем у углекислого газа. Это говорит о том, что применение углекислого газа в качестве термоизолятора будет более обоснованным, чем применение метана или любого другого газа с высокой способностью передавать тепло.

Высокая теплозащита

Надежную теплозащиту обеспечивает коэффициент теплопроводности, который обозначается знаком – λ (лямбда). Показатель теплопроводности напрямую влияет на количество материала необходимого для утепления стен, кровли или фундамента, и как следствие на стоимость решения по утеплению дома. У эффективного утеплителя λ (лямбда) = 0,032 Вт/м-К.

Так, например, дешевого утеплителя с плохим (высоким) коэффициентом теплопроводности потребуется гораздо больше для того, чтобы обеспечить требуемую теплозащиту.

Коэффициент теплопроводности нельзя «пощупать руками», но от его значения, безусловно, зависит эффективность утеплителя. Производители указывают коэффициент теплопроводности в ТУ на продукцию и на своих интернет-сайтах, обращайте внимание на значение λ (лямбды).

Обратите внимание, что существуют такие параметры как λА и λБ (А — сухой климат, Б — влажный климат). Большинство регионов нашей страны находится во влажном климате, поэтому, выбирая теплоизоляцию, стоит больше ориентироваться на значения показателя λБ. 

Именно λБ отражает коэффициент теплопроводности в условиях, приближенных к реальным, а не лабораторным (т.е. с учетом того, что теплоизоляция будет впитывать определенное количество влаги из окружающей среды). Если показатели λА и λБ утеплителя существенно различаются, то это говорит о высоком водопоглощении теплоизоляции.

Утеплитель должен ГРЕТЬ, а не гореть!

Горючий утеплитель или нет – это не имеет значения, если он находится внутри конструктива. Пожаробезопасность совершенно не играет никакой роли, если, например, утеплитель закапывают в землю при утеплении фундамента или кладут под стяжкой при утеплении пола. При строительстве кирпичного дома стеновой утеплитель будет находиться внутри так называемой «колодезной кладки», где горючесть так же не имеет никакого значения.

Доверяйте жизненной логике, а не советам маркетологов. К примеру, мы с вами хорошо понимаем, что такое жить в деревянном доме, а по их логике такие строения давно пора было бы запретить — это же скопление самых настоящих дров!

Таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты

ПОДЕЛИТЕСЬ
В СОЦСЕТЯХ

Любое строительство независимо от его размера всегда начинается с разработки проекта. Его цель – спроектировать не только внешний вид будущего строения, еще и просчитать основные теплотехнические характеристики. Ведь основной задачей строительства считается сооружение прочных, долговечных зданий, способных поддерживать здоровый и комфортный микроклимат, без лишних затрат на отопление. Несомненную помощь при выборе сырья, используемого для возведения постройки, окажет таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты.

Тепло в доме напярямую зависит от коэффициента теплопроводности строительных материалов

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность – это процесс передачи энергии тепла от нагретых частей помещения к менее теплым. Такой обмен энергией будет происходить, пока температура не уравновесится. Применяя это правило к ограждающим системам дома, можно понять, что процесс теплопередачи определяется промежутком времени, за который происходит выравнивание температуры в комнатах с окружающей средой. Чем это время больше, тем теплопроводность материала, применяемого при строительстве, ниже.

Отсутствие теплоизоляции дома скажется на температуре воздуха внутри помещения

Для характеристики проводимости тепла материалами используют такое понятие, как коэффициент теплопроводности. Он показывает, какое количество тепла за одну единицу временного промежутка пройдет через одну единицу площади поверхности. Чем выше подобный показатель, тем сильнее теплообмен, значит, постройка будет остывать значительно быстрее. То есть при сооружении зданий, домов и прочих помещений необходимо использовать материалы, проводимость тепла которых минимальна.

Сравнительные характеристики теплопроводности и термического сопротивления стен, возведенных из кирпича и газобетонных блоков

Что влияет на величину теплопроводности?

Тепловая проводимость любого материала зависит от множества параметров:

  1. Пористая структура. Присутствие пор предполагает неоднородность сырья. При прохождении тепла через подобные структуры, где большая часть объема занята порами, охлаждение будет минимальным.
  2. Плотность. Высокая плотность способствует более тесному взаимодействию частиц друг с другом. В результате теплообмен и последующее полное уравновешивание температур происходит быстрее.
  3. Влажность. При высокой влажности окружающего воздуха или намокании стен постройки, сухой воздух вытесняется капельками жидкости из пор. Теплопроводность в подобном случае значительно увеличивается.

Теплопроводность, плотность и водопоглощение некоторых строительных материалов

Применение показателя теплопроводности на практике

В строительстве все материалы условно подразделяются на теплоизоляционные и конструкционные. Конструкционное сырье отличается наибольшими показателями теплопроводности, но именно его применяют для постройки стен, перекрытий, прочих ограждений. Согласно таблице теплопроводности строительных материалов, при возведении стен из железобетона, для низкого теплообмена с окружающей средой толщина конструкции должна быть около 6 метров. В таком случае строение получится огромным, громоздким и потребует немалых затрат.

Наглядный пример — при какой толщине различных материалов их коэффициент теплопроводности будет одинаковым

Поэтому при возведении постройки следует отдельное внимание уделять дополнительным теплоизолирующим материалам. Слой теплоизоляции может не понадобиться только для построек из дерева или пенобетона, но даже при использовании подобного низкопроводного сырья толщина конструкции должна быть не менее 50 см.

Нужно знать! У теплоизоляционных материалов значения показателя теплопроводности минимальны.

Теплопроводность готового здания. Варианты утепления конструкций

При разработке проекта постройки необходимо учесть все возможные варианты и пути потери тепла. Большое его количество может уходить через:

  • стены – 30%;
  • крышу – 30%;
  • двери и окна – 20%;
  • полы – 10%.

Теплопотери неутепленного частного дома

При неверном расчете теплопроводности на этапе проектирования, жильцам остается довольствоваться только 10% тепла, получаемого от энергоносителей. Именно поэтому дома, возведенные из стандартного сырья: кирпича, бетона, камня рекомендуют дополнительно утеплять. Идеальная постройка согласно таблице теплопроводности строительных материалов должна быть выполнена полностью из теплоизолирующих элементов. Однако малая прочность и минимальная устойчивость к нагрузкам ограничивает возможности их применения.

Нужно знать! При обустройстве правильной гидроизоляции любого утеплителя высокая влажность не повлияет на качество теплоизоляции и сопротивление постройки теплообмену будет значительно выше.

Сравнительный график коэффициентов теплопроводности некоторых строительных материалов и утеплителей

Самым распространенным вариантом сочетание несущей конструкции из высокопрочных материалов с дополнительным слоем теплоизоляции. Сюда можно отнести:

  1. Каркасный дом. При его постройке каркасом из древесины обеспечивается жесткость всей конструкции, а укладка утеплителя производится в пространство между стойками. При незначительном уменьшении теплообмена в некоторых случая может потребоваться утепление еще и снаружи основного каркаса.
  2. Дом из стандартных материалов. При выполнении стен из кирпича, шлакоблоков, утепление должно проводиться по наружной поверхности конструкции.

Необходимая тепло- и гидроизоляция для сохранения тепла в частном доме

Таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты

В этой таблице собраны показатели теплопроводности самых распространенных строительных материалов. Пользуясь подобными справочниками, можно без проблем рассчитать необходимую толщину стен и применяемого утеплителя.

Таблица коэффициента теплопроводности строительных материалов:

Таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты

Теплопроводность строительных материалов (видео)

ОЦЕНИТЕ
МАТЕРИАЛ

Загрузка. ..

ПОДЕЛИТЕСЬ
В СОЦСЕТЯХ

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ

REMOO В ВАШЕЙ ПОЧТЕ

Теплопроводность газобетона: показатели, сравнение


Газобетон – строительный материал, используемый повсеместно. Его популярность объясняется сочетанием цены и хороших потребительских свойств, главное из которых – теплопроводность. Особая пористая структура, технология производства, сочетание компонентов позволяют материалу хорошо удерживать тепло. От чего зависит теплопроводность газобетона – объясним в этой статье.

Понятие теплопроводности и ее значение


Теплопроводность – физические свойства строительного материала сохранять температуру. Если показатель высокий – зимой траты на отопление сооружения будут больше, так как тепло будет просачиваться наружу, температура внутри помещения будет быстро снижаться.


Давайте рассмотрим, насколько целесообразно возводить жилые, коммерческие, промышленные объекты из газобетона.

Показатели теплопроводности газобетона


Требования, предъявляемые к качеству газобетона, прописаны в государственном стандарте ГОСТ 25485-89. Нормативный документ определяет плотность изделия, тип кремнеземистого компонента, что и оказывает влияние на теплопроводность.



Государственный стандарт требует от производителей газобетона, чтобы показатель теплопроводности готовой продукции не отличался более чем на 20%. Из таблицы видно, что строительный материал на золе лучше удерживает температуру в помещении.


К примеру, у конструктивно-теплоизоляционных блоков марки 500 теплопроводность блоков на золе будет выше, чем у аналогов с добавлением песка. Разница коэффициента в 0,2 Вт/м*К может быть вполне ощутимой.


При выборе материала стоит учитывать, что теплопроводность строительных материалов ухудшается при изменении уровня влажности. Газобетон способен интенсивно впитывать влагу, важно учитывать этот факт.


Например, газобетон D500 имеют коэффициент теплопроводности при стандартных эксплуатационных условиях 0,12 Вт/м*К. Если на улице повышенная влажность, значение вырастет минимум на 0,2 Вт/м*К.

Сравнение теплопроводности газобетонного блока с другими материалами


Теплопроводность строительного материала, включая газобетон, указывает на его способность пропускать тепло. В физических показателях коэффициент указывает на плотность теплопотока при определённом температурном режиме. На потребительские свойства строительных блоков влияет целый ряд факторов:


  • Плотность газобетона;


  • Коэф. водопоглощения;


  • Способность к паропроницаемости;


  • Способность поглощать тепло.


 

Чем обусловлена теплопроводность


На коэффициент теплопроводности большое влияние оказывает структура материал, из которого изготавливаются блоки. Газобетон имеет пористое строение, более 80% — камеры, заполненные воздухом. Воздух – один из лучших утеплителей, способный радикально менять физические свойства камня. Влажность – ещё один внешний факто, влияющий на теплопроводность газобетонного блока – чем суше климат, тем ниже коэффициент.


Среди моментов, влияющих на теплопроводность стен готового сооружения, не только марка строительного материала, но и особенность кладки.


Перед началом строительства следует провести теплотехнические расчёты, на основании которых можно будет подобрать оптимальную марку газобетонного блока. Если допустить ошибку – проживание в доме будет некомфортным, а иногда и невозможным. К тому же, неправильный выбор марки газобетона негативно скажется на счетах за отопление. Полученные при расчётах результаты округляются к большей толщине кладки, марке газобетона.


Теплопроводность готовой стены не сопоставима с теплопроводностью выбранной марки газобетона. Например, показатель буде отличаться, если блоки марки D400 уложены на раствор или на клей. Застывшая кладка из песка и цемента обладает теплопроводностью 0,76 Вт/м*С, что существенно ниже расчётного коэффициента самого строительного материала (0,12 Вт/м*С).


Разница в теплопроводности значительна. Связано это с тем, что тепло уходит не только через газобетонные блоки, но и через технологические стыки. В итоге – чем тоньше слой клея, пескоцементной смеси, тем лучше. Идеально выполнять кладку с применением тонкослойного клея.


Аналогичная ситуация и с армирующим поясом. Чтобы тяжёлый бетон не стал местом основной теплопотери, его лучше заливать по несъёмной опалубке. Лучше организовать её из U-блоков из газобетона, в которые заправляется арматура.

Коэффициент теплопроводности газобетона: важно сравнить


Отличные показатели теплопроводности блоков из газобетона позволяют сэкономить не только на строительных материалах, оплате услуг. Коэффициент влияет и на стоимость эксплуатации готового объекта. Ведь для создания комфортной обстановки необходимо меньше теплоносителя, газа, электричества. Наглядно сравнить преимущества газобетона перед другими строительными материалами можно в таблице:



Как видно, теплопроводность блоков из газобетона сопоставима показателям древесины. Если сравнивать с другими современными строительными материалами, единственными конкурентами будут выступать полистиролбетон и пенобетон. Это позволяет заявить, что дом из газобетона – комфортный вариант, позволяющий сэкономить.

Что такое теплопроводность? Обзор

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, в то время как материалы с высокой теплопроводностью идеально подходят для приложений, где необходимо быстро и эффективно перемещать тепло из одной области. к другому, 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 молекулярное движение 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 понимать влияние температуры на теплопроводность имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы продукты вели себя должным образом при воздействии термического 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 между материалами 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 твердых металлических тел снова 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

Приготовление пористой муллитовой керамики с низкой теплопроводностью

В этом исследовании анализируется муллитовая керамика, образованная в результате вспенивания и отверждения крахмалом порошка муллита, а также то, как изменяется ее теплопроводность в зависимости от пористости керамики. Теплопроводность измерялась с помощью метода плоскостного источника (TPS) Hot Disc с помощью TPS 2500 S. 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•К

Каталожные номера:

Неф, Р. Гиперфизика. «Теплопроводность». Государственный университет Джорджии.
Доступно по адресу: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html#c1

Учебный материал по неразрушающему контролю. «Теплопроводность». Ресурсный центр по неразрушающему контролю.
Доступно по адресу: https://www.ndeed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Physical_Chemical/ThermalConductivity. htm

Уильямс, М. «Что такое теплопроводность?». Физ.Орг. 9 декабря 2014 г.
Доступно по ссылке: http://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html

Что вы подразумеваете под теплопроводностью? Получено из определения теплопроводности

.

Thermtest База данных тепловых свойств материалов. Перечень теплопроводностей

Теплопроводность и закон Видемана-Франца

Теплопередача путем теплопроводности включает передачу энергии внутри материала без какого-либо движения материала в целом.Скорость теплопередачи зависит от градиента температуры и теплопроводности материала. Теплопроводность — это довольно простое понятие, когда вы обсуждаете потери тепла через стены вашего дома, и вы можете найти таблицы, характеризующие строительные материалы и позволяющие сделать разумные расчеты.

Более фундаментальные вопросы возникают, когда вы исследуете причины больших изменений теплопроводности. Газы передают тепло за счет прямых столкновений между молекулами, и, как и следовало ожидать, их теплопроводность низка по сравнению с большинством твердых тел, поскольку они являются разбавленными средами. Неметаллические твердые тела передают тепло за счет колебаний решетки, так что нет чистого движения среды при распространении энергии. Такой теплообмен часто описывают в терминах «фононов», квантов колебаний решетки. Металлы являются гораздо лучшими теплопроводниками, чем неметаллы, потому что те же самые подвижные электроны, которые участвуют в электропроводности, принимают участие и в передаче тепла.

Концептуально теплопроводность можно рассматривать как контейнер для свойств, зависящих от среды, которые связывают скорость потери тепла на единицу площади со скоростью изменения температуры.

Для идеального газа скорость теплопередачи пропорциональна средней молекулярной скорости, длине свободного пробега и молярной теплоемкости газа.

Для неметаллических твердых тел теплопередача рассматривается как передача через колебания решетки, поскольку атомы, вибрирующие более энергично в одной части твердого тела, передают эту энергию соседним атомам с меньшей энергией. Это может быть усилено кооперативным движением в виде распространяющихся волн решетки, которые в квантовом пределе квантуются как фононы.На практике для неметаллических твердых тел существует такая большая изменчивость, что мы обычно просто характеризуем вещество с помощью измеренной теплопроводности при выполнении обычных расчетов.

Для металлов теплопроводность довольно высока, и те металлы, которые являются лучшими проводниками электричества, также являются лучшими проводниками тепла. При заданной температуре тепло- и электропроводность металлов пропорциональны, но повышение температуры увеличивает теплопроводность при уменьшении электропроводности.Это поведение количественно определяется законом Видемана-Франца:

, где константа пропорциональности L называется числом Лоренца. Качественно это соотношение основано на том факте, что перенос тепла и электричества связан со свободными электронами в металле. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью частиц, поскольку это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электрическая проводимость уменьшается с увеличением скорости частиц, потому что столкновения отклоняют электроны от прямого переноса заряда.Это означает, что отношение теплопроводности к электропроводности зависит от квадрата средней скорости, которая пропорциональна кинетической температуре.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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


Настройка браузера на прием файлов cookie

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

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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


Что сохраняется в файле cookie?

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

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

Теплопроводность металлов и сплавов

В этой статье приводятся данные по теплопроводности для ряда металлов и сплавов. Теплопроводность измеряет способность материалов пропускать через себя тепло посредством проводимости.

Теплопроводность измеряет способность материалов пропускать через себя тепло посредством проводимости. Теплопроводность материала сильно зависит от состава и структуры. Вообще говоря, плотные материалы, такие как металлы и камень, являются хорошими проводниками тепла, в то время как вещества с низкой плотностью, такие как газ и пористая изоляция, плохо проводят тепло.

Теплопроводность материалов требуется для анализа сетей термического сопротивления при изучении теплообмена в системе.

Дополнительную информацию см. в статье «Значения теплопроводности для других распространенных материалов».

В следующих таблицах показана теплопроводность для ряда металлов и сплавов при различных температурах.

2 Антимония

-165

7,90

14,7

монель -250

11,98

15.86

8 Nickel

68

41,0

6,85

10,2

13,1

7,51

15,1

14,3

21,8

SS ANSI 440

8

Материал Температура Теплопроводность Температура Теплопроводность
Адмиралтейская латунь 20 96.1 68 55,5
100 103,55 212 59,8
238 116,44 460 67,3
Алюминий 20 225 68 130
100 218 212 212 126
192 70084 700 111
111
20 183 68 10,6
100 16,8 212 9,69
Бериллий 20 139 68 80,1
100 132 212 76,2
371 109 700 63,0
Латунь 106 -265 61,0
20 144 68 83. 0
182 177 360 102
Бронзовый 20 189 68 109
Cadmiuim 20 92,8 68 53,6
100 90,3 212 52,2
Медь 20 401 68 232
100 377 212 218
371 367 700 700 212
Gold 20 317 68 183
Germium 20 58.8 68 34,0
Инконель Х -3

13,2 27 7,62
20 13,7 68
577 25. 5 1070
Железо 20 71,9 68 41,6
100 65,7 212 38,0
371 44.6 700 25,8
Железо (кованое) 20 60,4 68 34,9
100 59,9 212 34,6
Железо (литой) 53 48.0 48.0 127 27.7
0 35.1 32 32
20 English 34.8 68 20.1
260 30,3 500 17,5
магния 20 170 68 98,5
100 167 212 96,3
188 163 163 370 93. 9 93.9
0 0 137 32 79,0
20 136 68 78.4
427 115 800 66,7
20,73 -418
20 27,5 68
800 46.9 46.9 1472 1472 27.1
20 62.4 68 36,0
100 58.0 212 33,5
293 47,5 560 27,4
Палладий 20 67,5 68 39,0
Платиновый 20 71,0
100 70,6 212 40,8
427 69,2 800 40,0
Плутоний 20 8. 65 68 5,00
родий 20 152 68 88,0
Серебро 20 419 68 242
100 405 212 234 234
316 366 6006 600 211
211
20 45.3 68 26.2
100 44,8 212 25,9
SS ANSI 301, 302, 303, 304 35 14,0 95 8,08
100 15,0 212 8,69
900 28,0 1652 16,2
SS ANSI 310 0 11,9 32
20 12. 3 68 7,11
900 32,0 тысяча шестьсот пятьдесят две 18,5
SS ANSI 314 30 17,3 86 10,0
100 17,6 212
300 18,4 572 10,6
900 22,6 1652
SS ANSI 316 -50 13. 0 -58
20 13.9 68 8,04
950 26,1 1742
SS ANSI 321, 347, 348 — 70 -94 8,25
20 15.7 68 9,06
900 29,4 +1652 17,0
SS ANSI 403, 410, 416 , 420 -70 26. 0 -94 15,0
20 26,0 68 15,0
1000 26,0 тысячу восемьсот тридцать два 15,0
SS ANSI 430 50 122 122 12.6
900 25.0 1652 14.4
100 22.1 212 12.8
500 27,5 932 15,9
SS ANSI 446 0 22,4 32 13,0
20 22,7 68 13,1
1000 3000 38.0 1832 22.0
, 502 30 37,0 86 21.4
100 36. 2 212 20,9
830 27,8 1526 16,0
Тантал 20 55,0 68 31,8
таллия 0 50,2 32 29.0 29.0
20 29.4 29.4 68 17,0
100 30.5 212 17.6
299 33,3 570 19,3
Олово 20 62,1 68 35,9
100 58,8 212 33,9
Titanium 20 20 15.6 68 68 9008
100 15.3 212 8,86
14. 7 570 8,50
Вольфрам 20 159 68 92,0
100 154 212 89,2
299 142 570 82.0
24.2 68 14.0
100
100 26.0 212 15.0
770 40.6 +1418 23,4
Ванадий 20 34,6 68 20,0
Цинк 20 112 68 64,9
100 111 212 63.9
Zirconium 0 19.0 32 32 11.0

Статья Создана: 5 ноября 2013 г.

0 Статья Теги

Введение в теплопроводность и электропроводность (все контент)

Примечание. Учебно-обучающие пакеты DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP.Например, отсутствуют какие-либо видеоролики и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. д.) печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержимое

  • Цели
  • Прежде чем начать
  • Введение
  • Введение в дирижирование
  • Металлы: модель электропроводности Друде
  • Факторы, влияющие на электропроводность
  • Металлы с теплопроводностью
  • Электропроводность: неметаллы
  • Неметаллы: тепловые фононы
  • Приложения
  • Резюме
  • Вопросы
  • Идем дальше

Цели

По завершении этого пакета TLP вы должны:

  • Понимание основных механизмов и моделей тепло- и электропроводности в металлах и неметаллах.
  • Помните о некоторых факторах, влияющих на оба типа проводимости.
  • Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед началом работы

Этот TLP является вводным, поэтому никаких специальных предварительных знаний не требуется. Однако существуют и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе «Дополнительная литература».

Введение

Электрическая проводимость охватывает невероятно большой порядок величин (30!) от изоляторов до металлов, а в сверхпроводниках может быть даже бесконечной.Знание того, как управлять им, позволило совершить компьютерную революцию и постоянно увеличивать миниатюризацию

Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических полетов до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, необходимо иметь представление о том, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; существуют тесные параллели между теплопроводностью и электропроводностью в металлах, тогда как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

Введение в дирижирование

Электропроводность

Важно не путать проводимость, проводимость, сопротивление и удельное сопротивление.

Свойства материалов: электропроводность, σ , и удельное электрическое сопротивление, ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

, где J — плотность тока (ток на единицу площади), а E — градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще формулируется как \(V = I R \).

Для изотропного материала:

\[ \sigma = \frac 1 \rho \]

Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметры ( Ом м ), а для проводимости — обратные ( Ом -1 м -1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается как:

\[ R = \rho \frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя это , а не означает, что сами электроны движутся так же быстро.Вместо этого типичная скорость дрейфа электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с -1 . Это расширено в разделе модели Drude.

Еще одно уместное напоминание касается потенциала и тока: ток — это поток электронов, а потенциал — это движущая сила, которая заставляет их течь. При достаточном потенциале электроны могут нести заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшими электрическими проводниками (кроме сверхпроводников) являются чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 28 нОм, отличающееся на 27 порядков!

Теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно ознакомиться с концепцией теплопередачи, которая представляет собой перемещение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит в нескольких случаях:

  • Когда температура объекта отличается от температуры окружающей среды;
  • Когда температура объекта отличается от температуры другого объекта, находящегося с ним в контакте;
  • Когда внутри объекта существует градиент температуры.

Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, не находящейся в тепловом равновесии, имеет тенденцию к увеличению со временем, приближаясь к максимальному значению при равновесии. Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Передача тепловой энергии происходит только тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. Каждая мода имеет свой механизм и скорость теплопередачи, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость теплопередачи зависит от того, насколько преобладает конкретная мода.
 
Проводимость включает передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний – применимо к твердым телам.

Конвекция связана с передачей тепловой энергии в движущейся среде – горячий газ/жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за различий в плотности).

Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце — хороший пример передачи энергии через (почти) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, К,  – это свойство материалов, которое указывает на способность проводить тепло.Первый закон Фурье дает тепловой поток, пропорциональный разности температур, площади поверхности и длине образца:

\[ H = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \kappa A\frac {\Delta T}{l}\]

, где ΔQ / Δt — скорость теплопередачи, A — площадь поверхности, а l — длина.

Лучшими металлическими теплопроводниками являются чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт·м -1 К -1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт·м -1 К -1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов преобладает над теплопроводностью.

Сыпучий материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, неожиданно, является неметаллом: чистым монокристаллическим алмазом, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт·м -1 K -1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности бриллианта. Сильные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло проводится фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, замещающие атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. е. проводимости) потребует рассмотрения не только всех ядер положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном, , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с помощью продвинутых моделей это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию, используя классическую механику, и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся прямолинейно, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
τ , среднее время между столкновениями ( время рассеяния ), и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями ( среднее свободное путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E и, таким образом, получают ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v 0 , скорость после времени t определяется как:

\[v =v_{0} — \frac{eEt}{m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v 0 будет равно нулю.{2}\tau E}{м} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ — подвижность , которая определяется как

\[ \mu = \frac{|v|}{E} = \frac{eE\tau}{mE} = \frac{e\tau}{m} \]

Конечным результатом всей этой математики является разумная аппроксимация проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре с использованием кинетической теории газов для оценки скорости дрейфа модель Друде дает σ ~ 10 6 Ω -1 м -1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ   ~ 2,13 × 10 5 Ω -1 м -1 ).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. Без приложенного поля видно, что электроны движутся хаотично. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском терпит неудачу. Чтобы иметь возможность более точно предсказывать проводимость этих материалов, необходимы квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Они выходят за рамки данного TLP

.

Сверхпроводники также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти в TLP по сверхпроводимости.

Факторы, влияющие на электропроводность

Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) легко вычислить.Есть три важных случая:

Чистые и почти чистые металлы

Для чистых металлов при комнатной температуре удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

\[ \rho_2 = \rho_1 [1 + \alpha(T_2 — T_1)]\]

Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой правилом Маттисена:

\[ \ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {дефект}}}} + {\ rho _ {{\ rm {тепловой}}}} \]

Низкотемпературное удельное сопротивление ( \({\rho _{{\rm{defect}}}}\)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы. Следовательно, она ниже в отожженных образцах металла с большими кристаллами и выше в сплавах и нагартованных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах у электронов будет больше энергии, чтобы они могли двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (и, следовательно, уменьшается проводимость) при повышении температуры. Причина этого в том, что при повышении температуры электроны чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что вызывает увеличение удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается как ρ тепловое .

Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематически показана в следующем моделировании. Используйте ползунок, чтобы изменить температуру, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув внутри решетки.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Сплавы — Твердый раствор

Как и прежде, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордгейма:

\[ \rho = \chi_{\alpha}\rho_{\alpha} +  \chi_{\beta}\rho_{\beta} + C\chi_{\alpha}\chi_{\beta} \]

, где C — константа, а CA и CB — атомные доли металлов A и B, удельное сопротивление которых равно ρA и ρB соответственно.2 \]

, где ΔZ — разница валентности растворенного вещества и растворителя.

Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут оказывать большее влияние на удельное сопротивление.

Многофазные сплавы

Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

\[ \rho = \chi_\alpha\rho_\alpha +  \chi_\beta\rho_\beta \]

Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордгейма и смешанное правило.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Металлы с теплопроводностью

Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но ее эффект перекрывается электронной проводимостью.

Следующее моделирование показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы применить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить теплоотвод к противоположной стороне образца, используя кнопку «sink».

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Закон Видемана-Франца

Поскольку преобладающий метод проводимости в металлах одинаков для теплопроводности и электропроводности (т. {- 2}}\]

Закон можно объяснить тем, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса как тепла, так и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, поскольку это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электрическая проводимость уменьшается с увеличением скорости частиц, потому что столкновения отклоняют электроны от прямого переноса заряда.

Электропроводность: неметаллы

Хотя модель друда достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не позволяет предсказать свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

Ионная проводимость

Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они все же проводят электричество.

Механизм представляет собой ионную проводимость, при которой некоторые заряженные ионы могут двигаться через объемную решетку (посредством обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры составляют от 500 до 1000 градусов Цельсия.Поскольку они проводят по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывает простая модель Друде.

Напряжение пробоя

Существует важный и потенциально смертельный механизм, с помощью которого изолятор может стать проводящим. В воздухе это обычно можно распознать как молнию. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», делая его временно более проводящим.

Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

Для первоначального возбуждения паров ртути в лампе люминесцентного типа необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такой лампочки как внезапное зажигание с сопутствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приведет к небольшому свечению на концах.

Под высоким напряжением даже оргстекло может проводить ток. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» Берт Хикман

Более подробная информация доступна на странице TLP диэлектриков по поломке

.

Неметаллы: тепловые фононы

Как упоминалось ранее, у металлов есть два режима теплопроводности: электронный и фононный. Для неметаллов свободных электронов относительно немного, поэтому преобладает фононный метод.

Теплоту можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и во всех вещах на атомном уровне, существуют квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантуется (и пропорциональна частоте). Фонон — это квант колебательной энергии, и при сочетании (суперпозиции) многих фононов макроскопически наблюдается тепло.

Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантуется в квазичастицу, называемую фононом . Это аналогично фотону в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые могут быть связаны с термически возбужденными фотонами.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и тепловую проводимость материала.

Фонон — это квантово-механическая адаптация нормальных модальных колебаний в классической механике. Ключевым свойством фононов является корпускулярно-волновой дуализм; нормальные моды имеют волнообразные явления в классической механике, но приобретают корпускулярное поведение в квантовой механике.

Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

\[\varepsilon = (n + \frac{1}{2})\hbar \omega \]

с квантовым числом n .Член \(\frac{1}{2}\hbar \omega \) – это энергия нулевой точки моды. Это определяется как наименьшая возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов близка к частоте звука, а оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, потому что в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

Если кристаллическая решетка находится при нулевой температуре, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетку нагревают и выдерживают при ненулевой температуре, ее энергия не постоянна, а случайным образом флуктуирует около некоторого среднего значения. Эти колебания энергии вызваны случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку эти фононы порождаются температурой решетки, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут быть созданы или уничтожены случайными флуктуациями энергии.

Принято считать, что фононы также обладают импульсом и поэтому могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, здесь происходит суммарное движение фононов — от более горячей к более холодной части решетки, где они и разрушаются. Электроны должны поддерживать нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

Следующая симуляция схематически показывает оптические и акустические фононы в двумерной решетке и имеет возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого прямоугольника.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Рассеивание Умклаппа

При столкновении двух фононов результирующий фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ квантово-механической обработки частиц, движущихся в решетке, в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки этой TLP, но более подробно исследуется в TLP «Зоны Бриллюэна») приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (вне первой зоны Бриллюэна), то результирующий фонон движется почти в противоположном направлении. Это рассеяние Умклаппа , и оно преобладает при более высоких температурах, уменьшая теплопроводность при повышении температуры.

Приложения

Кремниевые чипы

Поскольку электрические свойства зависят от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый оперативной памятью с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 ).

Аморфное состояние является полупроводниковым, а в (поли)кристаллической форме — металлическим.Нагрев выше температуры стеклования, но ниже точки плавления кристаллизует ранее полупроводниковую аморфную ячейку. Точно так же полное плавление, а затем быстрое охлаждение ячейки оставляет ее в металлическом кристаллическом состоянии.

Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Изменяя условия нагрева, различная доля каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной — применяется правило смеси, поскольку она фактически состоит из двух фаз. Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления на ячейку, повышая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.
 

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, техпроцесс 22 нм). Охладитель должен рассеивать указанное количество тепла с поверхности кристалла, которая обычно составляет менее 10 см 2 . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно изготавливается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, гораздо хуже, чем большинство металлов, поэтому она используется только в виде тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

Теплопроводность — не самый эффективный метод передачи тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубы, обычно изготовленные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

Космос

Существует множество применений теплоизоляторов, развитие которых связано с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т. е. не пропускать тепло, но не плавиться)

Особенно известным применением теплоизоляции являются (теперь снятые с производства) плитки космического челнока, которые отвечают за защиту шаттла во время входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи могут раскалить докрасна, а внутри шаттла астронавты все еще живы.

Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

Аэрогель представляет собой твердотельный материал чрезвычайно низкой плотности, изготовленный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое вещество с чрезвычайно низкой плотностью, что делает его эффективным теплоизолятором.

Одно из применений аэрогеля — сборщик легких микрометеоритов, использовался аэрогель.Несмотря на то, что он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большое количество блоков аэрогеля готово к запуску в космос, а полученная космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

Аэрогели могут быть изготовлены из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нанопены» с открытыми порами). Однако наиболее распространенным материалом является силикат. Аэрогели кремнезема были впервые обнаружены в 1931 году.

Аэрогели имеют экстремальную структуру и экстремальные физические свойства. Высокопористая природа структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг м 3 .

Аэрогели являются хорошими теплоизоляторами, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами из-за того, что воздух не может циркулировать по решетке.Аэрогель кремнезема является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло, а металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, поскольку углерод способен поглощать инфракрасное излучение, передающее тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучшим аэрогелем является кремнезем, легированный углеродом.

Силовая передача

Одним из самых масштабных применений электрических проводников является передача электроэнергии.

К сожалению, свойства, желательные для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

Алюминиевые сплавы

могут быть очень прочными для своей плотности, но, следуя правилу Нордгейма, являются гораздо худшими проводниками.

Существует огромное разнообразие сталей, но опять же, внедренные атомы углерода повышают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим трос большего диаметра, который из-за плотности стали получается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные опоры, что составляет большую часть стоимости.

Медь

, хотя и подходит для домашней электропроводки, имеет большую плотность и становится все более дорогой.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Для большинства воздушных кабелей решение состоит в использовании двух материалов: стального сердечника, окруженного множеством отдельных алюминиевых сердечников. Это позволяет получить легкие, высокопрочные кабели с приемлемой электропроводностью.

Сверхпроводники были опробованы для передачи энергии, но только под землей и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект – это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрический прибор создает напряжение, когда на каждой стороне прибора разная температура. Он также может работать «назад», поэтому при подаче на него напряжения создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электроэнергии, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании (постоянного) тока через переход металл-полупроводник тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различна, и тепло компенсирует эту разницу.

Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, которая более подробно рассматривается в TLP по полупроводникам.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Резюме

Теперь мы рассмотрели основы электро- и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности с температурой.Вы должны понимать, что у металлов больше механизмов теплопередачи, чем у их неметаллических аналогов, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных областей применения тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, установлена ​​связь между теплопроводностью и электропроводностью в металлах, включая закон Видемана-Франца.

Подводя итог факторам, влияющим на проводимость:

  • Температура – ​​при повышении температуры средняя энергия на фонон увеличивается, а благодаря механизму рассеяния с перебросом теплопроводность снижается.Фононы также больше рассеивают электроны.
  • Электронная плотность (в металлах) – если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.
  • Легирование – междоузлия рассеивают электроны и снижают проводимость. Границы фаз, примеси, дислокации и т. д. снижают проводимость даже при низкой температуре.

Вопросы

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения этого TLP.Если нет, то вы должны пройти через это снова!

  1. Для фононов нормальные моды

  2. Используя предположения модели свободных электронов, как кристаллические решетки влияют на электроны?

  3. Рассеяние Умклаппа:

  4. Согласно закону Видемана-Франца, что из следующего верно?

  5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

  6. Какой из них является правильным порядком с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что чистые материалы)?

    Nb 3 Sn при 4К, Ag при 300К, Au при 300К, Nb 3 Sn при 300К, Cu при 300К.
    б Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
    с Nb 3 Sn при 4К, Ag при 300К, Cu при 300К, Au при 300К, Nb 3 Sn при 300К.
    д Nb 3 Sn при 300К, Cu при 300К, Ag при 300К, Au при 300К, Nb 3 Sn при 4К.
    е Nb 3 Sn при 4К, Cu при 300К, Nb 3 Sn при 300К, Ag при 300К, Au при 300К.

Идем дальше

Книги

Курс NST IB по химии A и/или курс NST IB Physics A также более подробно рассматривает проводимость.

Веб-сайты

Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Уитти
Фото и видео:
Веб-разработка: Лиан Сэллоуз и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией
Центр материального образования и кафедра
Материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

Что такое теплопроводность? — Matmatch

Теплопроводность — это мера способности определенного материала передавать или проводить тепло. Проводимость возникает, когда в материале присутствует градиент температуры. Его единицы измерения (Вт/мК) обозначаются либо λ, либо k.

Второй закон термодинамики определяет, что тепло всегда будет течь от более высокой температуры к более низкой температуре.

Уравнение теплопроводности рассчитывается по следующей формуле:

представляет собой тепловую энергию, передаваемую в единицу времени через материал. Это выражается в джоулях в секунду или ваттах.

    • k – константа теплопроводности.
    • A – площадь поверхности, через которую течет тепловая энергия, измеряется в м2.
    • ∆T — разница температур, измеренная в кельвинах.
    • L относится к толщине материала, через который передается тепло, и измеряется в метрах.
    • Для расчета константы теплопроводности можно использовать следующее уравнение:

Теплопроводность конкретного материала зависит от его плотности, содержания влаги, структуры, температуры и давления.

Как измеряется?

Некоторые распространенные методы измерения теплопроводности:

Метод защищенной горячей плиты:

Метод защищенной горячей пластины — это широко используемый стационарный метод измерения теплопроводности. Материал, который необходимо протестировать, помещают между горячей и холодной пластинами. Параметрами, используемыми для расчета теплопроводности, являются установившиеся температуры, тепло, используемое для более теплой пластины, и толщина материала.Его можно использовать в диапазоне температур от 80 до 1500 К и для таких материалов, как пластик, стекло и изоляционные образцы. Это очень точно, но для проведения теста требуется значительное количество времени.

Метод горячей проволоки:

Метод горячей проволоки является переходным методом и может использоваться для определения теплопроводности жидкостей, твердых тел и газов. Стандартный метод с горячей проволокой, используемый для жидкостей, заключается в том, что в образец помещается нагретая проволока. Теплопроводность определяется сравнением зависимости температуры проволоки от логарифма времени, когда заданы плотность и емкость.

В случае с твердыми телами требуется небольшая модификация этого метода, при которой горячая проволока поддерживается на подложке, чтобы не было проникновения в твердое тело. Он работает в диапазоне температур 298–1800 К и является быстрым и точным методом, но имеет ключевое ограничение, заключающееся в том, что он работает только с материалами с низкой проводимостью.

Сравнительный метод реза:

Сравнительный метод отрезных стержней представляет собой стационарный метод и может использоваться для испытаний металлов, керамики и пластмасс.Тепловой поток проходит через образцы, теплопроводность которых известна и неизвестна, следовательно, можно провести сравнение температурных градиентов. Он работает в диапазоне температур 293 – 1573 К, но измерения относительно неопределенны.

Метод лазерной вспышки:

Метод лазерной вспышки представляет собой переходный метод, при котором лазерный импульс доставляет короткий тепловой импульс к переднему концу образца, а изменение температуры измеряется на заднем конце образца. Он работает в диапазоне температур 373 – 3273 К и может использоваться как для твердых, так и для жидких тел. Его преимущество в том, что он быстрый и имеет высокую точность, но довольно дорогой.

Метод измерения теплового потока:

Метод измерения теплового потока представляет собой стационарный метод и аналогичен методу защищенной горячей пластины, за исключением того, что для измерения теплового потока через образец используются датчики теплового потока, а не основной нагреватель. Тепловой поток определяется на основе падения температуры внутри терморезистора.Измерители теплового потока используются в диапазоне температур 373–573 К и могут использоваться для пластмасс, керамики, изоляционных материалов и стекла. Основным преимуществом теплосчетчиков является то, что они относительно просты в настройке, однако измерения не отличаются особой точностью.

Какие материалы имеют самую высокую/самую низкую теплопроводность?

Как и ожидалось, материалы, которые хорошо проводят тепло, такие как металлы, имеют более высокую константу теплопроводности, чем материалы, которые не так эффективно проводят тепло, такие как полимеры и дерево.

В группе металлов серебро имеет самую высокую константу теплопроводности, а висмут — самую низкую.

Теплопроводность неметаллических жидкостей значительно ниже теплопроводности металлов, а наименьшая теплопроводность наблюдается у газов. Среди газов водород и гелий обладают относительно высокой теплопроводностью.

Для каких приложений требуется высокая/низкая теплопроводность?

Материалы с фазовым переходом, используемые для хранения тепловой энергии, таких как системы отопления и охлаждения, должны иметь высокую теплопроводность, чтобы максимизировать эффективность, тогда как материалы с низкой теплопроводностью обычно используются для теплоизоляции.

Теплопроводность, теплопередача

Теплопроводность газов Таблица

Проектирование и проектирование теплопередачи

На этой диаграмме показана зависимость теплопроводности газов от температуры.

Если не указано иное, значения относятся к давлению 100 кПа (1 бар) или к давлению насыщенного пара, если оно меньше 100 кПа.

Обозначение P = 0 указывает, что задано предельное значение низкого давления.В целом значения P = 0 и P = 100 кПа отличаются менее чем на 1%.

Единицы: мВт/м·К ( милливатт на метр-кельвин).

МФ

Имя

100 К

200 К

300 К

400 К

500 К

600 К

Воздух

9.4

18,4

26,2

33,3

39,7

45,7

Ar

Argon

6,2

12,4

17,9

22,6

26,8

30,6

BF 3

Бор трехфтористый

19. 0

24,6

H 2

Водород (P = 0)

68,6

131,7

186,9

230,4

F 6 S

Гексафторид серы (P = 0)

13.0

20,6

27,5

33,8

H 2 O

Вода

18,7

27,1

35,7

47.1

H 2 S

Сероводород

14. 6

20,5

26,4

32,4

NH 3

Аммиак

24,4

37,4

51,6

66,8

He

Гелий (P = 0)

75.5

119,3

156,7

190,6

222,3

252,4 8

Кр

Криптон (P = 0)

3,3

6,4

9,5

12,3

14,8

17.1

НЕТ

Оксид азота

17. 8

25,9

33,1

39,6

46.2

N 2

Азот

9,8

18,7

26,0

32,3

38,3

44.0

N 2 O

Закись азота

9.8

17,4

26,0

34,1

41,8

Ne

Неон (P = 0)

22,3

37,6

49,8

60,3

69,9

78.7

O 2

Кислород

9. 3

18,4

26,3

33,7

41,0

48.1

O 2 S

Диоксид серы

9,6

14,3

20,0

25.6

Xe

Ксенон (P = 0)

2,0 ​​

3,6

5,5

7,3

8,9

10.4

CCl 2 F 2

Дихлордифторметан

9.9

15,0

20,1

25,2

CF 4

Тетрафторметан (P = 0)

16,0

24,1

32,2

39,9

СО

Оксид углерода (P = 0)

25.0

32,3

39,2

45,7

CO 2

Двуокись углерода

9,6

16,8

25,1

33,5

41,6

CHCl 3

Трихлорметан

7.5

11.1

15,1

CH 4

Метан

22,5

34,1

49,1

66,5

84.1

CH 4 O

Метанол

26.2

38,6

53.0

С 2 Н 2

Ацетилен

21,4

33,3

45,4

56.8

C 2 H 4

Этилен

11.1

20,5

34,6

49,9

68,6

С 2 Н 6

Этан

11,0

21,3

35,4

52,2

70,5

С 2 Н 6 О

Этанол

14.4

25,8

38,4

53.2

C 3 H 6 O

Ацетон

11,5

20,2

30,6

42,7

С 3 Н 8

Пропан

18.0

30,6

45,5

61.9

C 4 H 10

Бутан

16,4

28,4

43,0

59.1

C 5 H 12

Пентан

14.4

24,9

37,8

52,7

C 6 H 14

Гексан

23,4

35,4

48.7

Газы. Тепловые свойства газов
Свойства газов при атмосферном давлении

Газ

Температура
°C

Проводимость
Вт/м-°C

Плотность
кг/м 3

Удельная теплоемкость
Дж/кг-°C

Динамическая вязкость
кг/м-с

Кинематическая вязкость
м 2

Температуропроводность
м 2

Гелий

-129.0

0,0928

0,3379

5,2 x 10 3

12,55 x 10 -6

37,11 x 10 -6

52,75 x 10 -6

Гелий

-73,0

0,1177

0,2435

5,2 x 10 3

15.66 x 10 -6

64,38 x 10 -6

92,88 x 10 -6

Гелий

-18,0

0,1357

0,1906

5,2 x 10 3

18,17 x 10 -6

95,5 x 10 -6

136,75 x 10 -6

Гелий

93.0

0,1691

0,1328

5,2 x 10 3

23,05 x 10 -6

173,6 x 10 -6

244,9 x 10 -6

Гелий

204,0

0,197

0,10204

5,2 x 10 3

27.5 х 10 -6

269,3 x 10 -6

371,6 x 10 -6

Гелий

316,0

0,225

0,08282

5,2 x 10 3

31,13 x 10 -6

375,8 x 10 -6

521,5 x 10 -6

Гелий

427.0

0,251

0,07032

5,2 x 10 3

34,75 x 10 -6

494,2 x 10 -6

666,1 x 10 -6

Гелий

527,0

0,275

0,06023

5,2 x 10 3

38.17 x 10 -6

634,1 x 10 -6

877,4 x 10 -6

Водород

-123,0

0,0981

0,16371

12,602 x 10 3

5,595 x 10 -6

34,18 x 10 -6

47.5 х 10 -6

Водород

-73,0

0,1282

0,1227

13,54 x 10 3

6,813 x 10 -6

55,53 x 10 -6

77,2 x 10 -6

Водород

-23,0

0.1561

0,09819

14,059 x 10 3

7,919 x 10 -6

80,64 x 10 -6

113,0 x 10 -6

Водород

27,0

0,182

0,08185

14,314 x 10 3

8.963 x 10 -6

109,5 x 10 -6

155,4 x 10 -6

Водород

77,0

0,206

0,07016

14,436 x 10 3

9,954 x 10 -6

141,9 x 10 -6

203.1 x 10 -6

Водород

127,0

0,228

0,06135

14,491 x 10 3

10,864 x 10 -6

177,1 x 10 -6

256,8 x 10 -6

Водород

177,0

0.251

0,05462

14,499 x 10 3

11,779 x 10 -6

215,6 x 10 -6

316,4 x 10 -6

Водород

227,0

0,272

0,04918

14,507 x 10 3

12.636 x 10 -6

257,0 x 10 -6

381,7 x 10 -6

Водород

277,0

0,292

0,04469

14,532 x 10 3

13,475 x 10 -6

301,6 x 10 -6

451.6 х 10 -6

Водород

327,0

0,315

0,04085

14,537 x 10 3

14,285 x 10 -6

349,7 x 10 -6

530,6 x 10 -6

Водород

427,0

0.351

0,03492

14,574 x 10 3

15,89 x 10 -6

455,1 x 10 -6

690,3 x 10 -6

Водород

527,0

0,384

0,0306

14,675 x 10 3

17.4 x 10 -6

569,0 x 10 -6

856,3 x 10 -6

Водород

527,0

0,412

0,02723

14,821 x 10 3

18,78 x 10 -6

690,0 x 10 -6

0.0010217

Кислород

-123,0

0,01367

2,619

917,8

11,49 x 10 -6

4,387 x 10 -6

5,688 x 10 -6

Кислород

-73,0

0,01824

1.9559

913.1

14,85 x 10 -6

7,593 x 10 -6

10,214 x 10 -6

Кислород

-23,0

0,02259

1,5618

915,7

17,87 x 10 -6

11.45 х 10 -6

15,794 x 10 -6

Кислород

27,0

0,02676

1.3007

920,3

20,63 x 10 -6

15,86 x 10 -6

22,353 x 10 -6

Кислород

77.0

0,0307

1.1133

929.1

23,16 x 10 -6

20,8 x 10 -6

29,68 x 10 -6

Кислород

127,0

0,03461

0,9755

942,0

25.54 x 10 -6

26,18 x 10 -6

37,68 x 10 -6

Кислород

177,0

0,03828

0,8682

956,7

27,77 x 10 -6

31,99 x 10 -6

46,09 x 10 -6

Кислород

227.0

0,04173

0,7801

972,2

29,91 x 10 -6

38,34 x 10 -6

55,02 x 10 -6

Кислород

277,0

0,04517

0,7096

988.1

31.97 x 10 -6

45,05 x 10 -6

64,1 x 10 -6

Азот

-73,0

0,01824

1.7108

1,0429 x 10 3

12,947 x 10 -6

7,568 x 10 -6

10.224 x 10 -6

Азот

27,0

0,0262

1.1421

1,0408 x 10 3

17,84 x 10 -6

15,63 x 10 -6

22,044 x 10 -6

Азот

127,0

0.03335

0,8538

1,0459 x 10 3

21,98 x 10 -6

25,74 x 10 -6

37,34 x 10 -6

Азот

227,0

0,03984

0,6824

1,0555 x 10 3

25.7 x 10 -6

37,66 x 10 -6

55,3 x 10 -6

Азот

327,0

0,0458

0,5624

1,0756 x 10 3

29,11 x 10 -6

51,19 x 10 -6

74.86 x 10 -6

Азот

427,0

0,05123

0,4934

1,0969 x 10 3

32,13 x 10 -6

65,13 x 10 -6

94,66 x 10 -6

Азот

527,0

0.05609

0,4277

1,1225 x 10 3

34,84 x 10 -6

81,46 x 10 -6

116,85 x 10 -6

Азот

627,0

0,0607

0,3796

1,1464 x 10 3

37.49 х 10 -6

91,06 x 10 -6

139,46 x 10 -6

Азот

727,0

0,06475

0,3412

1,1677 x 10 3

40,0 x 10 -6

117,2 x 10 -6

162.5 х 10 -6

Азот

827,0

0,0685

0,3108

1,1857 x 10 3

42,28 x 10 -6

136,0 x 10 -6

185,91 x 10 -6

Азот

927,0

0.07184

0,2851

1,2037 x 10 3

44,5 x 10 -6

156,1 x 10 -6

209,32 x 10 -6

Углекислый газ

-53,0

0,010805

2,4733

783,0

11.105 x 10 -6

4,49 x 10 -6

5,92 x 10 -6

Углекислый газ

-23,0

0,012884

2.1657

804.0

12,59 x 10 -6

5,813 x 10 -6

7,401 x 10 -6

Углекислый газ

27.0

0,016572

1,7973

871,0

14,958 x 10 -6

8,321 x 10 -6

10,588 x 10 -6

Углекислый газ

77,0

0,02047

1,5362

900,0

17.205 x 10 -6

11,19 x 10 -6

14,808 x 10 -6

Углекислый газ

127,0

0,02461

1.3424

942,0

19,32 x 10 -6

14,39 x 10 -6

19,463 x 10 -6

Углекислый газ

177.0

0,02897

1.1918

980,0

21,34 x 10 -6

17,9 x 10 -6

24,813 x 10 -6

Углекислый газ

227,0

0,03352

1.0732

1,013 x 10 3

23.26 х 10 -6

21,67 x 10 -6

30,84 x 10 -6

Углекислый газ

277,0

0,03821

0,9739

1,047 x 10 3

25,08 x 10 -6

25,74 x 10 -6

37.5 х 10 -6

Углекислый газ

327,0

0,04311

0,8938

1,076 x 10 3

26,83 x 10 -6

30,02 x 10 -6

44,83 x 10 -6

Аммиак, NH 3

0,0

0.022

0,7929

2,177 x 10 3

9,353 x 10 -6

11,8 x 10 -6

13,08 x 10 -6

Аммиак, NH 3

50,0

0,027

0,6487

2,177 x 10 3

11.035 х 10 -6

17,0 x 10 -6

19,2 x 10 -6

Аммиак, NH 3

100,0

0,0327

0,559

2,236 x 10 3

12,886 x 10 -6

23,0 x 10 -6

26.19 х 10 -6

Аммиак, NH 3

150,0

0,0391

0,4934

2,315 x 10 3

14,672 x 10 -6

29,7 x 10 -6

34,32 x 10 -6

Аммиак, NH 3

200,0

0.0467

0,4405

2,395 x 10 3

16,49 x 10 -6

37,4 x 10 -6

44,21 x 10 -6

Водяной пар

107,0

0,0246

0,5863

2,06 x 10 3

12.71 x 10 -6

21,6 x 10 -6

20,36 x 10 -6

Водяной пар

127,0

0,0261

0,5542

2,014 x 10 3

13,44 x 10 -6

24,2 x 10 -6

23.38 x 10 -6

Водяной пар

177,0

0,0299

0,4942

1,98 x 10 3

15,25 x 10 -6

31,1 x 10 -6

30,7 x 10 -6

Водяной пар

227,0

0.0339

0,4405

1,985 x 10 3

17,04 x 10 -6

38,6 x 10 -6

38,7 x 10 -6

Водяной пар

277,0

0,0379

0,4005

1,997 x 10 3

18.84 x 10 -6

47,0 x 10 -6

47,5 x 10 -6

Водяной пар

327,0

0,0422

0,3652

2,026 x 10 3

20,67 x 10 -6

56,6 x 10 -6

57.3 x 10 -6

Водяной пар

377,0

0,0464

0,338

2,056 x 10 3

22,47 x 10 -6

66,4 x 10 -6

66,6 x 10 -6

Водяной пар

427,0

0.0505

0,314

2,085 x 10 3

24,26 x 10 -6

77,2 x 10 -6

77,2 x 10 -6

Водяной пар

477,0

0,0549

0,2931

2,119 x 10 3

26.04 х 10 -6

88,8 x 10 -6

88,3 x 10 -6

Водяной пар

527,0

0,0592

0,2739

2,152 x 10 3

27,86 x 10 -6

102,0 x 10 -6

100.1 x 10 -6

Водяной пар

577,0

0,0637

0,2579

2,186 x 10 3

29,69 x 10 -6

115,2 x 10 -6

113,0 x 10 -6

Ссылки:

  • Кадоя, К. Мацунага, Н.и Нагасима А., Вязкость и теплопроводность сухого воздуха в газовой фазе, J. Phys. хим. Ссылка Data, 14, 947, 1985.
  • Younglove, B.A. and Hanley, HJM, Коэффициенты вязкости и теплопроводности газообразного и жидкого аргона, J. ​​Phys. хим. Ссылка Data, 15, 1323, 1986.
  • Holland, P.M., Eaton, B.E., and Hanley, H.J.M., Корреляция данных по вязкости и теплопроводности газообразного и жидкого этилена, J. ​​Phys. хим. Ссылка Данные, 12, 917, 1983.

.