Топлопроводимостта е физическо количество, което определя способността на материалите да провеждат топлина. С други думи, топлопроводимостта е способността на веществата да прехвърлят кинетичната енергия на атомите и молекулите към други вещества, които са в пряк контакт с тях. В SI тази стойност се измерва в W / (K * m) (ватове на метър Келвин), което е еквивалентно на J / (s * m * K) (джоул на секунда-метър Келвин).

Концепцията за топлопроводимост

Това е интензивно физическо количество, тоест количество, което описва свойството на материята, независимо от количеството на последната. Интензивните количества също са температура, налягане, електрическа проводимост, тоест тези характеристики са еднакви във всяка точка на едно и също вещество. Друга група физични величини са обширни, които се определят от количеството на веществото, например маса, обем, енергия и други.

Обратната стойност за топлопроводимостта е топлинната устойчивост, която отразява способността на материала да предотвратява преминаването на топлина през него. За изотропния материал, тоест материал, чиито свойства са еднакви във всички пространствени посоки, топлопроводимостта е скаларно количество и се определя като съотношението на топлинния поток през единица площ за единица време към температурния градиент. И така, топлопроводимостта, равна на един ват на метър-Келвин, означава, че топлинната енергия в един джоул се прехвърля чрез материала:

  • в една секунда;
  • на площ от един квадратен метър;
  • на разстояние един метър;
  • когато температурната разлика на повърхности, разположени на разстояние един метър един от друг в материала, е равна на един Келвин.

Ясно е, че колкото по-голяма е стойността на топлопроводимостта, толкова по-добре материалът провежда топлина и обратно. Например стойността на тази стойност за медта е 380 W / (m * K) и този метал предава топлината 10 000 пъти по-добре от полиуретана, чиято топлопроводимост е 0, 035 W / (m * K).

Молекулен топлопренос

Когато материята се нагрява, средната кинетична енергия на съставните й частици се увеличава, тоест нивото на разстройство се увеличава, атомите и молекулите започват да се колебаят по-интензивно и с по-голяма амплитуда около равновесните си позиции в материала. Топлинният пренос, който на макроскопско ниво може да бъде описан от закона на Фурие, на молекулно ниво е обмен на кинетична енергия между частици (атоми и молекули) на вещество, без да го прехвърля.

Това обяснение на механизма на топлопроводимост на молекулно ниво го отличава от механизма на термична конвекция, при който има пренос на топлина поради прехвърлянето на материята. Всички твърди частици имат способността да отвеждат топлина, докато топлинната конвекция е възможна само в течности и газове. Всъщност твърдите частици предават топлина главно благодарение на топлопроводимостта, а течностите и газовете, ако има температурни градиенти в тях, предават топлина главно поради конвекционните процеси.

Топлопроводимост на материалите

Металите притежават ясно изразена способност да отвеждат топлина. Полимерите се характеризират с ниска топлопроводимост, а някои от тях практически не провеждат топлина, например фибростъкло, такива материали се наричат ​​топлоизолатори. За да съществува този или онзи топлинен поток през пространството, е необходимо да има някаква субстанция в това пространство, следователно в открито пространство (празно пространство) топлопроводимостта е нула.

Всеки хомогенен (хомогенен) материал се характеризира с коефициент на топлопроводимост (обозначен с гръцката буква lambda), тоест стойност, която определя колко топлина трябва да бъде предадена през площ от 1 м², така че в една секунда, преминавайки през дебелината на материала с един метър, температурата в краищата му се променя от 1 K. Това свойство е присъщо на всеки материал и варира в зависимост от неговата температура, поради което този коефициент се измерва, като правило, при стайна температура (300 K), за да се сравнят характеристиките на различните вещества.

Ако материалът е хетерогенен, например стоманобетон, тогава се въвежда концепцията за полезен коефициент на топлопроводимост, който се измерва според коефициентите на хомогенните вещества, съставляващи този материал.

Таблицата по-долу показва топлопроводимостта на някои метали и сплави в W / (m * K) при температура 300 K (27 ° C):

  • стомана 47-58;
  • алуминий 237;
  • мед 372.1-385.2;
  • бронз 116-186;
  • цинк 106-140;
  • титан 21.9;
  • калай 64, 0;
  • олово 35.0;
  • желязо 80.2;
  • месинг 81-116;
  • злато 308, 2;
  • сребро 406.1-418.7.

Следващата таблица показва данни за неметални твърди вещества:

  • фибростъкло 0, 03-0, 07;
  • стъкло 0.6-1.0;
  • азбест 0, 04;
  • дърво 0, 13;
  • парафин 0, 21;
  • тухла 0, 80;
  • диамант 2300.

От разгледаните данни се вижда, че топлопроводимостта на металите далеч надвишава тази за неметалите. Изключение прави диамантът, който има коефициент на топлопреминаване пет пъти повече от мед. Това свойство на диаманта се свързва със силни ковалентни връзки между въглеродните атоми, които образуват кристалната му решетка. Благодарение на това свойство човек усеща студ, когато докосва диаманта с устни. Свойството на диаманта да пренася добре топлинната енергия се използва в микроелектрониката за отстраняване на топлината от микросхемите. И също така това свойство се използва в специални устройства за разграничаване на истински диамант от фалшив.

В някои индустриални процеси те се опитват да повишат способността за пренос на топлина, което се постига или благодарение на добрите проводници, или чрез увеличаване на контактната площ между компонентите на конструкцията. Примери за такива конструкции са топлообменници и разпределители на топлина. В други случаи, напротив, те се опитват да намалят топлопроводимостта, което се постига чрез използването на топлоизолатори, празнини в конструкциите и намаляване на контактната площ на елементите.

Коефициенти на топлопреминаване за стомани

Способността за прехвърляне на топлина към стомани зависи от два основни фактора: състав и температура.

Простите въглеродни стомани с повишено съдържание на въглерод намаляват тяхната специфична гравитация, според която способността им да пренасят топлина от 54 до 36 W / (m * K) също намалява с промяна в процента на въглерода в стоманата от 0, 5 на 1, 5%.

Неръждаемите стомани съдържат хром (10% или повече), който заедно с въглерода образува сложни карбиди, които предотвратяват окисляването на материала, а също така увеличават електродния потенциал на метала. Топлопроводимостта на неръждаемата стомана е малка в сравнение с други стомани и варира от 15 до 30 W / (m * K) в зависимост от нейния състав. Топлоустойчивите хром-никелови стомани имат дори по-ниски стойности на този коефициент (11-19 W / (m * K).

Друг клас е поцинкованата стомана със специфична тежест от 7 850 кг / м3, която се получава чрез покритие от стомана, състояща се от желязо и цинк. Тъй като цинкът пренася топлината по-лесно от желязото, топлопроводимостта на поцинкованата стомана ще бъде сравнително висока в сравнение с другите класове стомана. Тя варира от 47 до 58 W / (m * K).

Топлопроводимостта на стоманата при различни температури, като правило, не се променя много. Например, коефициентът на топлопроводимост на стомана 20 намалява от 86 на 30 W / (m * K), когато температурата се повиши от стайна температура до 1200 ° C, а за клас 08Kh13, увеличението на температурата от 100 на 900 ° C не променя коефициента на топлопроводимост (27–28 W / (m * K).

Фактори, влияещи на физическото количество

Способността за провеждане на топлина зависи от редица фактори, включително температура, структура и електрически свойства на веществото.

Температура на материала

Ефектът от температурата върху способността за провеждане на топлина варира за металите и неметалите. В металите проводимостта се свързва главно със свободните електрони. Според закона на Wiedemann - Franz, топлопроводимостта на метала е пропорционална на произведението на абсолютната температура, изразена в Келвин, и неговата електрическа проводимост. В чистите метали електрическата проводимост намалява с увеличаване на температурата, така че топлопроводимостта остава приблизително постоянна . В случай на сплави, електрическата проводимост варира малко с увеличаване на температурата, следователно, топлопроводимостта на сплавите се увеличава пропорционално на температурата.

От друга страна, преносът на топлина в неметалите се свързва главно с вибрациите на решетката и обмена на решетъчни фонони. С изключение на висококачествените кристали и ниските температури, средният свободен път на фонона в решетката не намалява значително при високи температури, следователно, топлопроводимостта остава постоянна през целия температурен диапазон, т.е. е незначителна. При температури под температурата на Debye способността на неметалите да провеждат топлина, заедно с техния топлинен капацитет, е значително намалена.

Фазови преходи и структура

Когато материал претърпи фазов преход от първи ред, например от твърдо в течно състояние или от течно в газ, неговата топлопроводимост може да се промени. Ярък пример за такава промяна е разликата на това физическо количество за лед (2.18 W / (m * K) и вода (0.90 W / (m * K)).

Промените в кристалната структура на материалите също влияят на топлопроводимостта, което се обяснява с анизотропните свойства на различни алотропни модификации на вещество със същия състав. Анизотропията засяга различната интензивност на разсейване на решетъчните фонони, основните топлоносители в неметалите и в различни посоки в кристал. Тук ярък пример е сапфирът, проводимостта на който варира от 32 до 35 W / (m * K) в зависимост от посоката.

Електрическа проводимост

Топлопроводимостта в металите варира в зависимост от електрическата проводимост според закона на Wiedemann - Franz. Това се дължи на факта, че валентните електрони, свободно движещи се по кристалната решетка на метал, предават не само електрическа, но и топлинна енергия. За други материали корелацията между тези видове проводимост не е ясно изразена, поради незначителния принос на електронния компонент към топлопроводимостта (решетъчните фонони играят основната роля в механизма на топлопредаване).

Процес на конвекция

Въздухът и другите газове обикновено са добри топлоизолатори при липса на конвекционен процес. Работата на много топлоизолационни материали, съдържащи голям брой малки празнини и пори, се основава на този принцип. Такава структура не позволява конвекцията да се разпространява на дълги разстояния. Примери за такива материали, получени от човека, са полистирол и силициден аерогел. В природата топлинните изолатори като животински кожи и оперение на птици работят на същия принцип.

Леките газове, като водород и гел, имат висока топлопроводимост, а тежките газове, като аргон, ксенон и радон, са лоши топлопроводници. Например аргонът, инертен газ, който е по-тежък от въздуха, често се използва като топлоизолационен газов пълнител в двойни прозорци и в електрически крушки. Изключение е серен хексафлуорид (SF6 газ), който е тежък газ и има сравнително висока топлопроводимост, поради високия си топлоемкост.

Категория:

На технологиите