Пример металлов теплопроводности: Теплопроводность металлов и сплавов, коэффициент теплопроводности

Теплопроводность металлов и ее применение

Металлы –  это вещества, имеющие кристаллическую структуру. При нагревании они способны плавиться, то есть переходить в текучее состояние. Одни из них имеют невысокую температуру плавления: их можно расплавить, поместив в обычную ложку и держа над пламенем свечи. Это свинец и олово. Другие возможно расплавить только в специальных печах. Высокой температурой плавления обладают медь и железо. Для ее понижения в металл вводят добавки. Полученные сплавы (сталь, бронза, чугун, латунь) имеют температуру плавления ниже, чем исходный металл.

От чего же зависит температура плавления металлов? Все они имеют определенные характеристики – теплоемкость и теплопроводность металлов. Теплоемкостью называют способность при нагревании поглощать теплоту. Ее численный показатель –  удельная теплоемкость. Под ней подразумевается количество энергии, которое способна поглотить единица массы металла, нагреваемая на 1°С. От этого показателя зависит расход топлива на нагревание металлической заготовки до нужной температуры. Теплоемкость большинства металлов находится в пределах 300-400 Дж/(кг*К), металлических сплавов – 100-2000 Дж/(кг*К).

Теплопроводность металлов –  это перенос тепла от более горячих частиц к более холодным по закону Фурье при их макроскопической неподвижности. Она зависит от структуры материала, его химического состава и типа межатомной связи. В металлах передача тепла производится электронами, в других твердых материалах – фононами. Теплопроводность металлов тем выше, чем более совершенную кристаллическую структуру они имеют. Чем больше металл имеет примесей, тем более искажена кристаллическая решетка, и тем ниже теплопроводность. Легирование вносит такие искажения в структуру металлов и понижает теплопроводность относительно основного металла.

У всех металлов хорошая теплопроводность, но у одних выше, чем у других. Пример таких металлов –  золото, медь, серебро. Более низкая теплопроводность –   у олова, алюминия, железа. Повышенная теплопроводность металлов является достоинством либо недостатком, в зависимости от сферы их использования. Например, она необходима металлической посуде для быстрого нагрева пищи. В то же время применение металлов с высокой теплопроводностью для изготовления ручек посуды затрудняет ее использование –  ручки слишком быстро нагреваются, и до них невозможно дотронуться. Поэтому здесь используют теплоизолирующие материалы.

Еще одна характеристика металла, влияющая на его свойства – тепловое расширение. Оно выглядит как увеличение в объеме металла при его нагревании и уменьшение –  при охлаждении. Это явление обязательно необходимо учитывать при изготовлении металлических изделий. Так, например, крышки кастрюль делают накладными, у чайников тоже предусмотрен зазор между крышкой и корпусом, чтобы при нагревании крышку не заклинило.

Для каждого металла вычислен коэффициент теплового расширения. Его определяют нагреванием на 1°С опытного образца, имеющего длину 1 м. Самый большой коэффициент имеют свинец, цинк, олово. Поменьше он у меди и серебра. Еще ниже – железа и золота.

По химическим свойствам металлы делятся на несколько групп. Существуют активные металлы (например, калий или натрий), способные мгновенно вступать в реакцию с воздухом или водой. Шесть самых активных металлов, составляющий первую группу периодической таблицы, называют щелочными. Они имеют маленькую температуру плавления и так мягки, что могут быть разрезаны ножом. Соединяясь с водой, они образуют щелочные растворы, отсюда и их название.

Вторую группу составляют щелочноземельные металлы –  кальций, магний и пр. Они входят в состав многих минералов, более твердые и тугоплавкие. Примерами металлов следующих, третьей и четвертой групп, могут служить свинец и алюминий. Это довольно мягкие металлы и они часто используются в сплавах. Переходные металлы (железо, хром, никель, медь, золото, серебро) менее активны, более ковки и часто применяются в промышленности в виде сплавов.

Положение каждого металла в ряду активности характеризует его способность вступать в реакцию. Чем активнее металл, тем легче он забирает кислород. Их очень трудно выделить из соединений, в то время, как малоактивные виды металлов можно встретить в чистом виде. Самые активные из них – калий и натрий – хранят в керосине, вне его они сразу же окисляются. Из металлов, используемых в промышленности, наименее активным является медь. Из нее делают резервуары и трубы для горячей воды, а также электрические провода.

Что такое теплопроводность в физике?

Явление теплопроводности заключается в передаче энергии в виде тепла при непосредственном контакте двух тел без какого-либо обмена материей или с ее обменом. При этом энергия переходит из одного тела или области тела, имеющего более высокую температуру, в тело или область с более низкой температурой. Физической характеристикой, которая определяет параметры передачи тепла, является теплопроводность. Что такое теплопроводность, и как ее описывают в физике? На эти вопросы ответит данная статья.

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Если отвечать простыми словами на вопрос о том, что такое теплопроводность в физике, то следует сказать, что передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело (молекулы, атомы, электроны и ионы). Сама внутренняя энергия состоит из двух важных частей: из кинетической и из потенциальной энергии.

Что такое теплопроводность в физике с точки зрения природы этой величины? На микроскопическом уровне способность материалов проводить тепло зависит от их микроструктуры. Например, для жидкостей и газов указанный физический процесс происходит за счет хаотичных столкновений между молекулами, в твердых телах основная доля переносимого тепла приходится на обмен энергией между свободными электронами (в металлических системах) или фононами (неметаллические вещества), которые представляют собой механические колебания кристаллической решетки.

Математическое представление теплопроводности

Ответим на вопрос о том, что такое теплопроводность, с математической точки зрения. Если взять однородное тело, тогда количество тепла, переданного через него в данном направлении, будет пропорционально площади поверхности, перпендикулярной направлению теплопередачи, теплопроводности самого материала и разнице температур на концах тела, а также будет обратно пропорционально толщине тела.

В итоге получается формула: Q/t = kA(T₂-T₁)/x, здесь Q/t — теплота (энергия), переданная через тело за время t, k — коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлено рассматриваемое тело, A — площадь поперечного сечения тела, T₂-T₁ — разница температур на концах тела, причем T₂>T₁, x — толщина тела, через которую передается тепло Q.

Способы передачи тепловой энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое теплопроводность материалов, следует упомянуть о возможных способах передачи тепла. Тепловая энергия может передаваться между различными телами с помощью следующих процессов:

• проводимость — этот процесс идет без переноса материи;
• конвекция — перенос тепла непосредственно связан и с движением самой материи;
• излучение — передача тепла осуществляется за счет электромагнитного излучения, то есть с помощью фотонов.

Чтобы тепло было передано с помощью процессов проводимости или конвекции, необходим непосредственный контакт между различными телами с тем отличием, что в процессе проводимости не существует макроскопического движения материи, а в процессе конвекции это движение присутствует. Отметим, что микроскопическое движение имеет место во всех процессах теплопередачи.

Для обычных температур в несколько десятков градусов Цельсия можно сказать, что на долю конвекции и проводимости приходится основная часть передаваемого тепла, а количество энергии, переданной в процессе излучения, является незначительным. Однако излучение начинает играть главную роль в процессе теплопередачи при температурах в несколько сотен и тысяч Кельвин, поскольку количество энергии Q, передаваемой этим способом, растет пропорционально 4-й степени абсолютной температуры, то есть ∼ T⁴. Например, наше солнце теряет большую часть энергии именно за счет излучения.

Теплопроводность твердых тел

Так как в твердых телах каждая молекула или атом находятся в определенном положении и не могут его покинуть, то передача тепла с помощью конвекции оказывается невозможной, и единственным возможным процессом является проводимость. При увеличении температуры тела кинетическая энергия составляющих его частиц увеличивается, и каждая молекула или атом начинают интенсивнее колебаться. Этот процесс приводит к их столкновению с соседними молекулами или атомами, в результате таких столкновений передается кинетическая энергия от частицы к частице до тех пор, пока все частицы тела не будут охвачены этим процессом.

В результате описанного микроскопического механизма при нагреве одного конца металлического стержня температура через некоторое время выравнивается по всему стержню.

Тепло не передается одинаково в различных твердых материалах. Так, существуют материалы, которые обладают хорошей теплопроводностью. Они легко и быстро проводят тепло через себя. Но также существуют плохие теплопроводники или изоляторы, через которые тепло практически не проходит.

Коэффициент теплопроводности для твердых тел

Коэффициент термической проводимости для твердых тел k имеет следующий физический смыл: он указывает на количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности в каком-либо теле единичной толщины и бесконечной длины и ширины при разнице температур на его концах, равной одному градусу. В международной системе единиц СИ коэффициент k измеряется в Дж/(с*м*К).

Данный коэффициент в твердых веществах зависит от температуры, поэтому его принято определять при температуре 300 K с целью сравнения способности проводить тепло различными материалами.

Коэффициент теплопроводности для металлов и неметаллических твердых материалов

Все металлы без исключения являются хорошими проводниками тепла, за перенос которого в них отвечает электронный газ. В свою очередь ионные и ковалентные материалы, а также материалы, имеющие волокнистую структуру, являются хорошими теплоизоляторами, то есть плохо проводят тепло. Для полноты раскрытия вопроса о том, что такое теплопроводность, следует заметить, что этот процесс требует обязательного наличия вещества, если он осуществляется за счет конвекции или проводимости, поэтому в вакууме тепло может передаваться только за счет электромагнитного излучения.

В списке ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых металлов и неметаллов в Дж/(с*м*К):

• сталь — 47-58 в зависимости от марки стали;
• алюминий — 209,3;
• бронза — 116-186;
• цинк — 106-140 в зависимости от чистоты;
• медь — 372,1-385,2;
• латунь — 81-116;
• золото — 308,2;
• серебро — 406,1-418,7;
• каучук — 0,04-0,30;
• стекловолокно — 0,03-0,07;
• кирпич — 0,80;
• дерево — 0,13;
• стекло — 0,6-1,0.

Таким образом, теплопроводность металлов на 2-3 порядка превышает значения теплопроводности для изоляторов, которые являются ярким примером ответа на вопрос о том, что такое низкая теплопроводность.

Значение теплопроводности играет важную роль во многих индустриальных процессах. В одних процессах стремятся увеличить ее, используя хорошие теплопроводники и увеличивая площадь контакта, в других же стараются уменьшить теплопроводность, уменьшая площадь контакта и применяя теплоизолирующие материалы.

Конвекция в жидкостях и газах

Передача тепла в текучих средах осуществляется за счет процесса конвекции. Этот процесс предполагает перемещение молекул вещества между зонами с различной температурой, то есть при конвекции происходит перемешивание жидкости или газа. Когда текучая материя отдает тепло, ее молекулы теряют часть кинетической энергии, и материя становится более плотной. Наоборот, когда текучая материя нагревается, ее молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, их движение становится более интенсивным, соответственно, объем материи увеличивается, а плотность уменьшается. Именно поэтому холодные слои материи стремятся опуститься вниз под действием силы тяжести, а горячие слои пытаются подняться вверх. Этот процесс приводит к перемешиванию материи, способствуя передачи тепла между ее слоями.

Коэффициент теплопроводности некоторых жидкостей

Если отвечать на вопрос о том, что такое теплопроводность воды, то следует понимать, что она обусловлена конвекционным процессом. Коэффициент теплопроводности для нее равен 0,58 Дж/(с*м*К).

Для других жидкостей эта величина приведена в списке ниже:

• этиловый спирт — 0,17;
• ацетон — 0,16;
• глицерол — 0,28.

То есть значения теплопроводности для жидкостей сравнимы с таковыми для твердых теплоизоляторов.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики.

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

показатели нормы для стали, меди, никеля и алюминия

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

Металлообрабатывающий завод

Определение и значение

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

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

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

Какие факторы влияют на показатель?

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

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

Также внимание нужно уделить строению кристаллической решетки.

Металлические листы (Фото: Instagram / metall61_armatura_dostavka)

Какие показатели считаются нормой?

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

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

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

Для стали

Справочники объединяют в себе расчетные данные для разных материалов:

• стали, которая используется при изготовлении режущего инструмента;
• сплавов для производства пружин;
• стали, насыщенной легирующими добавками;
• сплавов, стойких в образованию ржавчины;
• материалов, устойчивых к высокой температуре.

Сталь	Теплоемкость Дж (кг*°C)
Сталь 45	469
Сталь 40 Х	620
9Х2МФ	500
60Х2СМФ	660
Х12МФ	580
40Х13	452
15ХМ	486

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

Термообработка (Фото: Instagram / energomashvologda)

Для меди, никеля, алюминия и их сплавов

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

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

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

Можно ли повысить показатель?

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

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

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

Графен (Фото: Instagram / kalabs_lab)

Методы изучения и измерения

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

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

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

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

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

Что такое теплопроводность и теплопередача. Теплопроводность металлов и других материалов.

• написать лс
• профиль

5.0

Оценка статьи

Всего голосов: 1

Репутация автора

• повысить репутацию
• история репутации

Тепло — это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:
 
Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры.) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта — тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала — например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик — гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.
 
Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой — при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный  конец будет помещён в воду со льдом — таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее — мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из  вышенаписанного, в Дж*м/К*м

2*с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.
 

Материал	Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз	1001—2600
Серебро	430
Медь	401
Оксид бериллия	370
Золото	320
Алюминий	202—236
Кремний	150
Латунь	97—111
Хром	107
Железо	92
Платина	70
Олово	67
Оксид цинка	54
Сталь	47
Оксид алюминия	40
Кварц	8
Гранит	2,4
Бетон сплошной	1,75
Базальт	1,3
Стекло	1-1,15
Термопаста КПТ-8	0,7
Вода при нормальных условиях	0,6
Кирпич строительный	0,2—0,7
Древесина	0,15
Нефтяные масла	0,12
Свежий снег	0,10—0,15
Стекловата	0,032-0,041
Каменная вата	0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)	0,022

 
Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.
 
Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата — нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и «всплывает» наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C
 
Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух.  Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт.ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.
 
Ещё один способ теплопередачи — это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (~600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая — порядка 40мВт с 1см². В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (~1м²) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T

4) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.
 
В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме — именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.
 
 

---

 

• Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:

• «Физические величины» под ред.  И. С. Григорьева
• CRC Handbook of Chemistry and Physics

• Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Материал с высокой теплопроводностью — Морской флот

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку.

Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

• твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, н

Какой металл самый теплопроводный

Теплопроводность металлов в зависимости от температуры

В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).

Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.

Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).

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

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

Читайте также

Добавить комментарий Отменить ответ

Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость

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

Плотность воды, теплопроводность и физические свойства h3O

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

Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость

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

Теплопроводность стали и чугуна. Теплофизические свойства стали

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

Оргстекло: тепловые и механические характеристики

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

Физические свойства технической соли

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

Характеристики теплоизоляционных плит Изорок (Isoroc)

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

Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах

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

Плотность азота, свойства жидкого и газообразного N2

Плотность азота N2 и его теплофизические свойства В таблице указана плотность азота и его теплофизические…

Таблица плотности веществ

Представлена таблица плотности веществ при комнатной температуре: плотность более 500 веществ и материалов (пластик, металлы, минералы, пищевые продукты…

Свойства маргарина

Свойства маргарина распространенных сортов Плотность, теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность представлены для животного, безмолочного и сливочного…

Теплопроводность, теплоемкость, вязкость, свойства масла АМТ-300

В таблице представлены теплофизические свойства масла АМТ-300 такие, как давление паров, плотность масла, теплопроводность, удельная…

Теплоизоляционные материалы: виды, свойства, теплопроводность

Представлены виды, свойства и теплопроводность теплоизоляционных материалов, их состав, и плотность. Теплопроводность теплоизоляции изменяется в…

Теплопроводность и плотность теплоизоляции. Максимальная рабочая температура

Плотность и теплопроводность теплоизоляции в виде плит и сегментов В таблице даны значения плотности и…

Плотность жидкостей

Приведена таблица плотности жидкостей при различных температурах и атмосферном давлении для наиболее распространенных жидкостей. Значения…

Теплопроводность пенобетона различной плотности

Таблицы значений коэффициента теплопроводности и плотности пенобетона и других ячеистых материалов при комнатной температуре…

Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов

Таблицы удельной теплоты сгорания топлива и горючих материалов (уголь, дрова, кокс, торф, керосин, нефть, спирт, бензин, природный газ, метан, водород и т. д.)

Источник: thermalinfo.ru

Какой металл самый теплопроводный

Именно серебро лидирует в этом негласном конкурсе, имея теплопроводность в 408 Ватт на метр помноженный на Кельвин, опережая по этому показателю такие элементы с высоким коэффициентом удельной теплопроводности, как медь (384 Вт/(м*К), золото (312 Вт/(м*К) и алюминий (203 Вт/(м*К).

Будучи обладателем пальмы первенства, самый теплопроводный металл имеет наиболее широкое применение в различных сферах производства, причем, список того, где можно использовать серебро, можно продолжать до чуть ли не до бесконечности. Примечательно, что благодаря своим уникальным качествам, наиболее теплопроводный металл в мире использовался с самых давних времен, ведь согласно сохранившихся исторических очерков, еще воины древнего Египта широко использовали серебро для максимального ускорения процесса заживления ран и увечий, полученных в жестоких боях. Так, изготавливая тоненькие пластинки из чистого серебра и прикладывая их к ранам различны типов, они с удивлением отмечали целебные свойства, которыми обладал этот благородный металл.

Нельзя не уделить внимание той огромной роли серебра, которую оно играло для православия, ведь в большинстве русских церквей все сосуды и атрибутику старались изготавливать именно из него и ни для кого не секрет, что посеребренная вода, именуемая святой, способна сохранятся годами в закрытых емкостях, не меняя при этом свой цвет и запах. А все потому, что серебро способно выступать, как своеобразное средство для дезинфекции, применимое не только для воды. Однако, на этом полезные свойства данного металла отнюдь не заканчиваются, ведь помимо высокой теплопроводности, он обладает отличной электропроводностью, а также совершенно не подвержен процессам окисления даже при длительном контакте с влажной средой. Благодаря своим многочисленным уникальным свойствам, серебро широко используется для изготовления мелких комплектующих для различного рода электроприборов, и именно поэтому техника с деталями из этого благородного металла пользуется таким большим спросом.

Рассуждая на тему о сферах применения серебра, невозможно упустить из внимания тот вклад, который продолжает вносить этот металл в ювелирное искусство, ведь оно пользуется не меньшей популярностью, чем золото. Причем, помимо всевозможных колец, сережек и браслетов, серебро используется для изготовления изысканных столовых приборов и различного рода декоративных элементов, в том числе интерьерных. И речь идет не только о красоте, но и о функциональности. В качестве примера можно привести зеркала, которые вместо традиционного алюминия покрывают тончайшим слоем серебра, чтобы улучшить их отражающую способность. Кроме того, серебро прекрасно подходит для изготовления целого ряда вспомогательных инструментов и довольно сложно придумать лучший материал, с помощью которого можно будет выполнять чеканку монет и орденов. При этом использовать его можно не только в чистом виде, но и во всевозможных сплавах и соединениях.

Так, определенные химические соединения, в которых принимает непосредственное участие аргентум, активно используются для изготовления зарядных батарей аккумуляторов, которые славятся своей способностью при относительно малом внутреннем сопротивлении генерировать большой ток.

Источник: samogoo.net

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Источник: prompriem.ru

Редактировать статью Что такое теплопроводность и теплопередача. Теплопроводность металлов и других материалов.

Тепло — это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:

Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры.) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта — тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала — например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик — гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.

Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой — при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный конец будет помещён в воду со льдом — таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее — мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из вышенаписанного, в Дж*м/К*м 2 *с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.

Материал

Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз	1001—2600
Серебро	430
Медь	401
Оксид бериллия	370
Золото	320
Алюминий	202—236
Кремний	150
Латунь	97—111
Хром	107
Железо	92
Платина	70
Олово	67
Оксид цинка	54
Сталь	47
Оксид алюминия	40
Кварц	8
Гранит	2,4
Бетон сплошной	1,75
Базальт	1,3
Стекло	1-1,15
Термопаста КПТ-8	0,7
Вода при нормальных условиях	0,6
Кирпич строительный	0,2—0,7
Древесина	0,15
Нефтяные масла	0,12
Свежий снег	0,10—0,15
Стекловата	0,032-0,041
Каменная вата	0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)	0,022

Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.

Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата — нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и «всплывает» наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C

Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух. Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт.ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.

Ещё один способ теплопередачи — это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (

600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая — порядка 40мВт с 1см 2 . В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (

1м 2 ) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T 4 ) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.

В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме — именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.

• Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:

• «Физические величины» под ред. И. С. Григорьева
• CRC Handbook of Chemistry and Physics

• Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Источник: chemiday.com

Теплопроводность металлов и сплавов

Теплопроводность изменяется в диапазоне: . Самая большая теплопроводность у серебра, а наименьшая у висмута. С увеличение температуры теплопроводность металлов и сплавов уменьшается.

Общая зависимость значений коэффициентов теплопроводности веществ, приведена на Рис. 9.2.

Рис. 9.2 Значения коэффициентов теплопроводности веществ

Уравнение Фурье-Кирхгофа устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке тела. Схема площади поверхности тела, воспринимаемая тепловой поток и принятая система координат приведены на Рис. 9.3.

Рис. 9.3 Тело и принятая система координат

При постоянной теплопроводности уравнение упрощается:

,

где — коэффициент температуропроводности, м2/с.

Физический смысл этого коэффициента означает что тела, имеющие большую температуропроводность, нагреваются (охлаждаются) более быстрее по сравнению с телами, имеющими меньшую температуропроводность.

Дифференциальное уравнение описывает множество явлений теплопроводности. Чтобы из бесчисленного количества этих явлений выделить одно и дать его полное математическое описание, к дифференциальному уравнению теплопроводности необходимо добавить условия однозначности, которые содержат геометрические, физические, временные и граничные условия.

Геометрические условия определяют форму и размеры тела, в котором протекает изучаемый процесс.

Физические условия задаются теплофизическим параметрами λ, сv, и распределением внутренних источников теплоты.

Временные (начальные) условия содержат распределение температуры тела и его параметров в начальный момент времени.

Граничные условия определяют особенности протекания процесса на поверхности тела. Граничные условия могут быть заданы несколькими способами.

Граничные условия I рода.В этом случае задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени: .

— температура поверхности тела; координаты поверхности тела; — время.

Граничные условия II рода. В этом случае заданной является величина плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела в любой момент времени: .

Граничные условия III рода. В этом случае задается температура среды и условия теплообмена этой среды с поверхностью тела.

Для описания интенсивности теплообмена между поверхностью тела и средой используется гипотеза Ньютона — Рихмана, согласно которой:

. Здесь — коэффициент теплоотдачи Вт/(м 2 К).

Количественно коэффициент теплоотдачи — количество теплоты, отдаваемая (или воспринимаемая) единицей поверхности при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой в один градус.

С учетом этого Граничные условия III рода запишется в виде:

Граничные условия IV рода формируются на основании равенства тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения тел:

При совершенном тепловом контакте оба тела на поверхности соприкосновения имеют одинаковую температуру.

Дифференциальное уравнение теплопроводности совместно с условиями однозначности дает полную математическую формулировку конкретной задачи теплопроводности, решение которой, может быть выполнено аналитически, численным или экспериментальным (подобий и аналогий) методами.

Стационарная теплопроводность через однослойную плоскую стенку при граничных условиях I рода

При стационарном режиме температурное поле не зависит от времени, соответственно дифференциальное уравнение теплопроводности примет вид:

Рис.9.4 Схема однослойной плоской стенки (теплопроводность)

Для случая неограниченной плоской стенки Рис.9.4, при граничных условиях 1-го рода, дифференциальное уравнение теплопроводности запишется в виде: . Считая, что внутренний источник теплоты , для конечных размеров стенки уравнение примет вид:

где q – плотность теплового потока, [Вт/м 2 ];

l — коэффициент теплопроводности вещества ; l/d — тепловая проводимость. d/l =R – термическое сопротивление (м·К)/Вт.

Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.

1). Однородная цилиндрическая стенка.

Рассмотрим однородный однослойный цилиндр длиной l, внутренним диаметром d1и внешним диаметром d2 Рис.9.5.

Рис.9.5 Схема однослойной цилиндрической стенки

Температуры поверхностей стенки –tст1 и tст2.

Уравнение теплопроводности по закону Фурье в цилиндрических координатах: Q = — λ·2·π·r ·l· ∂t / ∂r или Q = 2·π·λ·l·Δt/ln(d2/d1), где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор; λ – κоэффициент теплопроводности стенки.

Для цилиндрических поверхностей вводят понятия тепловой поток единицы длины l цилиндрической поверхности (линейная плотность теплового потока), для которой расчетные формулы будут: ql = Q/l =2·π·λ·Δt /ln(d2/d1), [Вт/м].

Температура тела внутри стенки с координатой dх:

tx = tст1 – (tст1 – tст2) ln(dx/d1) / ln(d2/d1).

Допустим, цилиндрическая стенка состоит из трех плотно прилегающих слоев Рис.9.6 —многослойная цилиндрическая стенка.

Рис.9.6 Схема многослойной цилиндрической стенки

Температура внутренней поверхности стенки – tст1, температура наружной поверхности стенки –tст2, коэффициенты теплопроводности слоев -λ1, λ2, λ3, диаметры слоев d1, d2, d3, d4. Тепловые потоки для слоев будут:

1-й слой Q = 2·π· λ1·l·(tст1 – tсл1)/ ln(d2/d1),

2-й слой Q = 2·π·λ2·l·(tсл1 – tсл2)/ ln(d3/d2),

3-й слой Q = 2·π·λ3·l·(tсл2 – tст2)/ ln(d4/d3),

Решая полученные уравнения, получаем для теплового потока через многослойную стенку:

Q = 2·π·l·(tст1 – tст2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3].

Для линейной плотности теплового потока имеем:

ql = Q/l = 2·π· (t1 – t2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3].

Температуру между слоями находим из следующих уравнений:

tсл1 = tст1 – ql·ln(d2/d1) / 2·π·λ1. tсл2 = tсл1 – ql·ln(d3/d2) / 2·π·λ2.

Однородный полый шар Рис.9.7.

Рис.9.7 Однородная шаровая стенки

Внутренний диаметр d1, внешний диаметр d2, температура внутренней поверхности стенки – tст1, температура наружной поверхности стенки –tст2, коэффициент теплопроводности стенки -λ. Уравнение теплопроводности по закону Фурье в сферических координатах: Q = — λ·4·π·r 2 ∂t / ∂r или

Q =4·π·λ·Δt/(1/r2 — 1/r1) =2·π·λ·Δt/(1/d1 — 1/d2) =

= 2·π·λ·d1·d2·Δt /(d2 — d1) = π·λ·d1·d2·Δt / δ,

где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор; δ –толщина стенки.

Нестационарная теплопроводность характеризуется изменением температурного поля во времени и связана с изменением энтальпии тела при его нагреве или охлаждении. Безразмерная температура тела Θ определяется с помощью числа Био и Фурье и безразмерной координаты, обозначаемой для пластины , а для цилиндра .

Для дальнейшего рассмотрения вопроса примем, что охлаждение (нагревание) тел происходит в среде с постоянной температурой , при постоянном коэффициенте теплоотдачи . — теплопроводность и температуропроводность материала тела, — характерный размер тела, для пластины , для цилиндра , — соответственно текущие координаты.Рассмотрим тела с одномерным температурным полем на примере пластины толщиной 2δ. Безразмерная температура пластины:

.

Здесь T – температура в пластине для момента времени t в точке с координатой x; T0 – температура пластины в начальный момент времени.

Если , то температура на поверхности пластины (X=1):

температура в середине толщины пластины (X=0):

температура внутри пластины на расстоянии х от ее средней плоскости:

.

Соответствующие значения P, N, μ1 μ12 – определяются как f(Bi) по справочным таблицам и графикам. Аналогичные операции выполняются и для цилиндра. Схема нестационарной теплопроводности тел конечных размеров Рис. 9.8.

Рис.9.8 Схема нестационарной теплопроводности тел конечных размеров

Температура в телах конечных размеров определяется на основе теоремы о перемножении решений: безразмерная температура тела конечных размеров при нагревании (охлаждении) равна произведению безразмерных температур тел с бесконечным размером, при пересечении которых образовано данное конечное тело. Соответственно для параллелепипеда, образованного пересечением плоских пластин безразмерная температура определится как: .

Значения средних температур входящих в выражения определяются по вышеизложенной методике для каждой стороны, образованной бесконечной пластины с учетом места расположения интересующей нас точки в параллелепипеде.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9746 — | 7647 — или читать все.

188.64.173.93 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Источник: studopedia.ru

Теплопроводность металлов — Закон проводимости, использование и решенные примеры

Проводимость металлов

Проводимость — важное понятие в физике. Это одна из трех концепций, с помощью которых тепло и энергия могут передаваться из одного места в другое внутри материала или из одного материала в другой. Проводимость происходит за счет прямого контакта, тогда как конвекция происходит за счет движения или потока тепла. С другой стороны, излучение происходит с помощью электромагнитных волн.Проводимость в основном происходит в металлах, а проводимость металлов отличается друг от друга. Когда дело доходит до металла, лучшего по теплопроводности, в идеале это серебро, но вместо него используется медь. Причина в том, что серебро слишком дорогое и его невозможно использовать. С другой стороны, медь доступна в изобилии, доступна по цене и может использоваться в любом приложении.

Закон проводимости

Список, содержащий электропроводность различных металлов, используется для сравнения и, соответственно, использования металла для определенной цели.Расчет теплопроводности металлического стержня был одним из первых и важных экспериментов, которые проводились для измерения электропроводности металлов.

Закон проводимости или закон Фурье гласит, что время, необходимое для передачи тепла через металл, пропорционально отрицательному градиенту площади и температуре. Этот закон применим в двух формах; дифференциальная форма и интегральная форма.

Для измерения теплопередачи можно производить различные расчеты.Например, тепловой поток — это количество теплового потока на единицу площади. Точно так же можно вычислить противоположность теплопроводности, а именно удельное тепловое сопротивление.

Термическое сопротивление — это способность материала не проводить тепло. Это свойство присутствует в материалах, которые не проводят тепло. Их используют как изоляторы. Некоторые из них — резина, ткань, пробка, керамика, пенополистирол и т. Д.

Теплопередача неизбежна, когда два материала с разными температурами вступают в контакт друг с другом.Теплоизоляция сделана так, чтобы минимизировать тепло, передаваемое от одного материала к другому. Этот процесс также зависит от плотности продукта и удельной теплоемкости используемого изоляционного материала.

Теплопроводность металлов: использование

Металлы классифицируются и используются для конкретных применений в зависимости от их скорости проводимости. Если металл имеет высокую теплопроводность, он используется в теплоотводах. С другой стороны, если металл имеет низкую теплопроводность, он используется в теплоизоляционных материалах.

Изоляция препятствует передаче тепла, тогда как теплоотвод способствует этому. Если вы рассмотрите некоторые металлы, такие как сталь и медь, то теплопроводность стали и меди составляет 45 Вт / м-К, то есть 45 Вт / м-Кельвин и 385 Вт / м-К, то есть 385 Вт на метр-Кельвин соответственно.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Теплопроводность жидких металлов

1. Введение

Знание теплофизических свойств металлов и сплавов, на которые влияет температура, представляет не только академический, но и глубокий интерес важен для промышленности и торговли.Отливка металлических предметов, например, из стали или алюминия, склонна к дефектам и дефектам литья. Поэтому в большинстве современных производственных процессов компьютерное моделирование выполняется для уменьшения количества дефектов и дефектов, а также для общей оптимизации производственных процессов. Получаемые выгоды от такого моделирования часто ограничиваются недостаточным доступом или отсутствием доступа к экспериментально полученным данным. Особенно интересна жидкая фаза металлов и сплавов, так как такие производственные процессы, как, например,г., разливки, естественно, проходят в жидкой фазе.

Термин теплофизические свойства включает различные свойства: теплопроводность, температуропроводность, тепловое объемное расширение, теплоемкость, плотность, вязкость и так далее. Многие из этих свойств важны в промышленных процессах; однако именно теплопроводность, точнее теплопроводность жидких металлов и сплавов, и будет обсуждаться в этой главе.

Естественно, количество экспериментальных методов измерения желаемых величин, разработанных за последние десятилетия, разнообразно.Цель данной работы — дать краткий обзор наиболее распространенных или практических методов в разделе 2, но лишь некоторые из этих методов подходят для проведения измерений в жидкой фазе. Эти методы будут описаны в Разделе 2.

В группе термо- и металлофизики Технологического университета Граца проводятся эксперименты по быстрому импульсному нагреву для измерения теплофизических свойств жидких металлов и сплавов. Закон Видемана-Франца применяется для расчета температуропроводности и теплопроводности по измеренным величинам.Эти упомянутые расчеты кратко объясняются в разделе 3, а использованное экспериментальное оборудование описано в разделе 4.

2. Обзор методов измерения теплопроводности жидких металлов

В принципе, существует три различных класса методов измерения:

• Методы устойчивого состояния

• Методы нестационарного режима

• Переходные методы

Однако не всегда так просто классифицировать определенный метод.В частности, может быть сложно провести различие между методами нестационарного режима и методами переходных процессов.

Методы установившегося состояния определяются как методы, при которых градиент температуры остается постоянным по всему образцу. Эти методы требуют точного контроля температуры на протяжении всего эксперимента, чтобы свести к минимуму эффекты конвекции, что особенно трудно достичь для металлов с высокими температурами плавления.

Методы переходных процессов и методы нестационарного режима используют очень короткие временные рамки для завершения измерений до того, как конвекция сыграет свою роль.Нестационарные методы достигают этих условий из-за очень высоких скоростей нагрева до 1000 Ks ⁻¹ с довольно большими градиентами температуры, превышающими 100 K.

Температурный градиент в переходных методах значительно ниже (порядка 5 K), чем в нестационарных методах, что сводит к минимуму возможность возникновения эффектов конвекции при измерениях. В новейшей истории значение переходных методов возросло, и они начали заменять нестационарные методы.

2.1. Методы установившегося состояния

2.1.1. Метод осевого теплового потока

Известный тепловой поток q прикладывается к одному концу образца и рассеивается на другом конце радиатором. Теплопроводность можно рассчитать по формуле

λ = qA ∙ ΔzΔTE1

, где q — приложенный тепловой поток, A — поперечное сечение образца, а ΔzΔT — обратный градиент температуры в двух точках zq и z ₂ .

Таким образом, условиями для определения теплопроводности этим методом являются определение геометрии A и Δ z , гарантия того, что тепловой поток является однонаправленным, измерение теплового потока q, и измерение температуры минимум две точки zq и z2 (обычно термопары).

Хотя этот метод в основном нацелен на твердые материалы, его можно использовать для различных жидких металлов с низкой температурой плавления, таких как ртуть, свинец, индий и галлий [1].

Диапазон температур составляет 90–1300 K, а точность в этом диапазоне оценивается от ± 0,5 до ± 2% [2].

2.1.2. Метод радиального теплового потока

Другим методом измерения теплопроводности как твердых, так и жидких материалов является метод концентрических цилиндров.

Твердый образец помещается между двумя концентрическими цилиндрами, и через внутренний цилиндр подается известный тепловой поток.Внешний цилиндр охлаждается водой для обеспечения температурного градиента между двумя цилиндрами.

Разница температур между датчиками температуры (часто термопарами) в двух цилиндрах определяется, когда достигается установившееся состояние. Зная радиусы двух цилиндров и их длину, можно рассчитать теплопроводность:

λ = qL ∙ lnr2r12 ∙ π ∙ T1 − T2E2

, где q — приложенный тепловой поток, L — длина цилиндров, r ₁ как радиус внутреннего цилиндра, r ₂ как радиус внешнего цилиндра и T ₁ и T ₂ как соответствующие температуры.

Более подробное объяснение этого метода можно найти в [2].

Метод может быть адаптирован для жидких металлов путем размещения контейнера для жидкого образца между двумя концентрическими цилиндрами. За исключением этого контейнера, принцип измерения остается таким же для жидких металлических образцов.

Метод радиального теплового потока работает в диапазоне температур 4–1000 K, а погрешность этого метода оценивается примерно в ± 2% [3].

2.2. Методы прямого нагрева

Термин «метод прямого электрического нагрева» обобщает все те методы измерения, при которых образец нагревается путем пропускания через него тока без дополнительной печи.Примером такого метода, но динамического, а не стационарного, является метод омического импульсного нагрева, который будет обсуждаться позже в этой главе.

Таким образом, методы прямого электрического нагрева ограничиваются образцами, которые являются хорошими электрическими проводниками. Форма образцов может варьироваться от проволоки, стержней, листов до трубок. Преимущество таких методов заключается, во-первых, в отсутствии печи и, во-вторых, в возможности одновременного измерения множества теплофизических свойств.

Методы прямого нагрева позволяют достичь высоких температур около 4000 K и поэтому подходят для измерения теплопроводности в жидкой фазе металлов с высокими температурами плавления.

2.2.1. Охраняемая горячая пластина

В этом установившемся методе используются две пластины с регулируемой температурой, между которыми находится твердый образец в форме диска. Нагревание одной пластины при охлаждении другой создает равномерно распределенный тепловой поток через образец, достигая постоянной температуры на каждой пластине.Методика считается установившимся методом с высочайшей точностью.

Устройство с защищенной горячей плитой может быть выполнено в одностороннем или двустороннем режиме. При работе в двухстороннем режиме имеется всего три пластины, а также два образца: пластина центрального нагревателя вместе с двумя охлаждающими пластинами, между которыми находятся два образца. Падение температуры на двух образцах измеряется термопарами, расположенными на расстоянии L . Тогда теплопроводность можно определить по формуле

λ = q ∙ L2 ∙ A ∙ ΔTE3

, где q — тепловой поток через образец, A — поперечное сечение, L — пространственное расстояние между двумя термопары, Δ T — разность температур.

В одностороннем режиме удаляется одна из охлаждающих пластин, а также второй образец. Таким образом, градиент температуры в одном направлении исчезает, что приводит к потере коэффициента 2 в уравнении. (3)

λ = q ∙ LA ∙ ΔTE4

Более подробно экспериментальная установка и расчет теплопроводности описаны в [4].

Коммерчески доступные устройства с защищенной горячей плитой (GHP), такие как NETZSCH GHP 456 Titan [5], работают в диапазоне температур 110–520 К и обеспечивают точность ± 2%.

Следует отметить, что метод GHP применим только для твердых образцов и не подходит для определения теплопроводности тугоплавких металлов.

2.2.2. Калориметрический метод

Калориметрический метод является прямым измерением закона Фурье. Он состоит из источника нагрева (обычно элементов SiC или MoSi ₂ ) и пластины SiC для распределения температурного градиента. Образец заключен в два изоляционных защитных кирпича, которые, как и образец, находятся в тепловом контакте с водоохлаждаемым медным основанием.Как следует из названия, центральной частью системы является калориметр, окруженный охраной. Устройство сконструировано таким образом, что тепловой поток в калориметр является одномерным.

Две термопары, которые находятся на расстоянии L друг от друга и лежат вертикально друг относительно друга, заключаются в образец, и измеряется разница температур T ₂ — T ₁ между ними.

Теплопроводность может быть определена как

λ = dqdt ∙ LAT2 − T1E5

, где A — поперечное сечение калориметра, L — расстояние между двумя термопарами, dqdtas — скорость теплового потока в калориметр и T ₂ — T ₁ как разность температур между двумя термопарами.

2.3. Переходные методы

2.3.1. Переходный метод горячей проволоки и переходный метод горячей полосы

Простые экспериментальные схемы и короткое время измерения обеспечиваются переходным процессом горячей проволоки (THW) вместе с переходным методом горячей полосы (THS).

Метод переходной горячей проволоки чаще всего используется для измерения теплопроводности λ и температуропроводности a . Электрически нагреваемая проволока, которая действует как самонагревающийся термометр, помещается в материал и распределяет радиальный тепловой поток в образце.Сам образец действует как теплоотвод для системы, в то время как проволока действует как источник тепла, а также обеспечивает механизм для измерения свойств теплопереноса из-за зависящего от температуры падения напряжения вдоль провода. Решение основного уравнения теплопроводности дает

ΔTrt = q4 ∙ π ∙ λ ∙ ln4 ∙ a ∙ tr2 ∙ eγ, E6

с q тепловложение на единицу длины провода, r радиус провода , a температуропроводность, γ постоянная Эйлера, t время, и λ, конечно, теплопроводность.

Подробное объяснение этого метода определения теплопроводности дано в [6, 7].

Переходный метод горячей прокатки (THS) дополнительно улучшает метод THW. Вместо проволоки в качестве источника тепла и измерительного прибора используется тонкая полоска металлической фольги. Металлическая фольга обеспечивает большую поверхность, а также меньшую толщину, чем нагретая проволока, что приводит к более низкой плотности теплового потока и, следовательно, меньшему сопротивлению теплового контакта с образцом.

Хотя метод THW применим только к жидкостям и некоторым твердым телам, которые можно обернуть вокруг нагревательного провода таким образом, чтобы тепловое сопротивление было достаточно низким, метод THS является наиболее подходящим методом для выполнения измерений на твердых телах.

Примечание: эта работа посвящена методам измерения теплопроводности жидкостей. Измерения THS проводятся также на газах (см. [8]).

В Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Брауншвейг, была разработана модернизированная версия THS и THW метода, метода переходного горячего моста. В этом методе всего восемь полос развернуты таким образом, что они образуют мост Уитстона, обеспечивая эффективную тепловую и электрическую самокомпенсацию [9].

Сообщалось о неопределенностях метода THW (например,g., см. [10]) для определения теплопроводности составляет ± 5,8%. Однако этот метод также был описан как еще более точный [11], с погрешностями менее ± 1% для газов, жидкостей и твердых тел. При максимальной температуре около 1000 K этот метод подходит только для легкоплавких металлов.

2.3.2. Метод 3ω

Метод 3ω восходит к работе, выполненной Кэхиллом [12] в 1987 году. Этот метод имеет сходство с методами THS и THW, поскольку он также использует один элемент в качестве источника тепла, а также термометр.В то время как методы THS и THW измеряют температуру в зависимости от времени, метод 3ω регистрирует амплитуду и фазу сопротивления в зависимости от частоты возбуждения.

Он чаще всего используется в качестве метода измерения теплопроводности твердых тел или жидкостей, но был усовершенствован, чтобы его можно было применять и на тонких пленках [12, 13]. На образец подается проводящий провод, и через него пропускается переменное напряжение с частотой ω . Из-за электрического сопротивления образец нагревается, что приводит к изменению температуры.Частота изменения температуры 2ω. Произведение колебания сопротивления 2ω и частоты возбуждения ω дает напряжение с частотой 3ω, которое измеряется и отвечает за название метода 3ω.

Измерение напряжения 3ω на двух частотах f1 и f2 , теплопроводность составляет

λ = V3lnf2 / f14 ∙ π ∙ l ∙ R2V3,1 − V3,2dRdTE7

с напряжением 3ω V3,1 на частоте f ₁ , V3,2 напряжение 3ω на частоте f2 , а R — среднее сопротивление металлической линии длиной l .

В оригинальной работе Кэхилла [13] температурный диапазон метода 3ω составляет 30–750 К, что не подходит для тугоплавких металлов. Этот метод часто применяется для наножидкостей, и в публикациях указывается погрешность около ± 2% [14].

2.3.3. Метод лазерной вспышки

При использовании метода лазерной вспышки (LFM) непосредственно измеряемой величиной является коэффициент температуропроводности, а не теплопроводность. Однако теплопроводность можно определить, зная удельную теплоемкость, а также плотность образца.

λT = aT ∙ ρT ∙ cPT, E8

с a (T ) температуропроводность, ρ ( T ) плотность и c _P ( T ) удельная теплоемкость .

В LFM образец подвергается воздействию лазерного импульса высокой интенсивности на одной стороне, который генерирует тепло на указанной поверхности. На задней поверхности, которая не подвергается воздействию лазерного импульса, инфракрасный датчик обнаруживает сигнал повышения температуры из-за теплопередачи через образец.

Для адиабатических условий коэффициент температуропроводности можно получить как

a = 0.1388l2t0.5, E9

с l толщиной образца и t _0,5 временем при 50% повышении температуры.

LFM, как было представлено Parker et al. [15], был удобным методом для определения температуропроводности a и теплопроводности λ твердых тел при умеренных температурах. С тех пор этот метод был дополнительно усовершенствован и применим в широком диапазоне температур, примерно до 2500 ° C.

В 1972 году Шримпф [16] применил LFM для определения температуропроводности жидких металлов при высоких температурах.Жидкий металл должен быть помещен в подходящую емкость для правильной установки. Проблемы возникают с жидкостями с низкой теплопроводностью. Когда теплопроводность образца того же порядка, что и у контейнера, это приводит к нежелательному тепловому току через контейнер. Поэтому в [17] было предложено не помещать жидкий образец в контейнер, а помещать его между металлическим диском, на который воздействует лазерный импульс.

Коммерчески доступные устройства лазерной вспышки, такие как NETZSCH LFA 427 [18], работают в диапазоне температур от -120 до 2800 ° C, в зависимости от печи, и поэтому применимы также для металлов с более высокой температурой плавления.

Kaschnitz [19] оценивает погрешности теплопроводности для LFM от ± 3 до ± 5% в твердой фазе и от ± 8 до ± 15% в жидкой фазе.

Хэй [20] провел оценку неопределенности для своего оборудования в Национальном метрологическом бюро (BNM) и потребовал оценки неопределенности от ± 3 до ± 5%.

Hohenauer [21] провел оценку неопределенности своего устройства лазерной вспышки и указал на расширенную неопределенность с измерением температуропроводности в диапазоне температур от 20 до 900 ° C, равном 3.98%.

3. Расчеты по закону Видемана-Франца

В некоторых случаях это более применимо для измерения электропроводности или удельного электрического сопротивления. Для переноса тепла и, следовательно, теплопроводности через металл или сплав необходимы носители. Следует различать составляющую λe теплопроводности, обусловленную электронами, и составляющую λl , которая представляет собой решеточный вклад, обусловленный фононами. Естественно, что для жидких металлов и сплавов в теплопроводности преобладает электронный вклад.Общая теплопроводность тогда была бы суммой компонентов λ = λe + λl.

Теплопроводность жидкого алюминия исследовалась в Технологическом университете Граца. Здесь единственный учет электронного вклада дал многообещающие результаты для жидкой фазы [22]. Подробный вывод решеточного вклада в теплопроводность можно найти в работе Клеменса [23].

Пример, когда необходимо учитывать вклад кристаллической решетки при расчете теплопроводности сплава Inconel 718, приведен в [24].

Закон Видемана-Франца гласит, что для проводящих металлов электронная составляющая теплопроводности λe составляет

λe = L0TρTE10

с ρT — удельное электрическое сопротивление, зависящее от температуры, и L = π23 · kB / e2 = 2,45 · 10-8 Вт · Ω · K − 2 — (теоретическое) число Лоренца.

С учетом теплового расширения удельное электрическое сопротивление, зависящее от температуры, составляет

ρT = ρIGdT2d02, E11

при d ₀ диаметр при эталонной температуре (комнатная температура), ρIG удельное электрическое сопротивление при исходной геометрии и d ( Т ) диаметр при повышенной температуре Т .Поэтому для расчета теплопроводности необходимо также измерить объемное тепловое расширение.

Оценка температуропроводности a ( T ) может быть найдена как

aT = L0 ∙ TcpT ∙ DT ∙ ρTE12

с cpT теплоемкость и D ( T ) в зависимости от температуры. плотность. С помощью установки омического импульсного нагрева в Технологическом университете Граца (как объясняется далее в этой работе) обеспечивается радиальное сверх продольное расширение (см.г., [25]). Учитывая уравнение. (12) и радиальное расширение дает

aT = L0 ∙ TcpT ∙ DT ∙ ρT = L0 ∙ TcpT ∙ D ∙ 0ρIGE13

с D ₀ плотностью при комнатной температуре.

Таким образом, уравнения. (10) и (12) позволяют нам определять теплопроводность и температуропроводность на основе экспериментов с омическим импульсным нагревом и предоставлять результаты, которые находятся в том же диапазоне, что и результаты измерений лазерной вспышки, как показано во взаимных сравнениях температуропроводности NPL — Report CBTLM S30 [26].С отклонением всего 3% наши результаты были значительно близки к среднему определенному.

Экспериментальная установка в Технологическом университете Граца описана в следующем разделе.

4. Измерения в Технологическом университете Граца

В экспериментах по омическому импульсному нагреву электропроводящий образец нагревается путем пропускания через него большого импульса тока. Из-за удельного сопротивления материала образец нагревается от комнатной температуры до точки плавления и далее через жидкую фазу до точки кипения за период примерно 50–70 мкс.

Образец обычно имеет форму проволоки с диаметром от нескольких сотен микрометров до нескольких миллиметров, прямоугольную форму для материалов, которые не могут быть вытянуты в проволоку, фольгу или трубки. Как следствие узких временных рамок, в которых проводятся эти эксперименты, жидкая фаза не разрушается из-за гравитационных сил, что позволяет проводить исследования всей жидкой фазы вплоть до точки кипения. Кроме того, можно считать, что образец не контактирует с окружающей средой, что делает эксперимент безконтейнерным методом.

4.1. Установка

Типичный эксперимент по импульсному нагреву состоит из следующих частей: накопитель энергии (в основном конденсатор или аккумуляторная батарея) с зарядным устройством, главный коммутирующий блок (например, высоковольтные трубки для зажигания паров ртути) и экспериментальная камера с окна для оптической диагностики и возможность поддерживать контролируемую окружающую атмосферу. Эксперименты по импульсному нагреву в основном проводятся в инертной атмосфере, например, в азоте или аргоне при атмосферном давлении или в вакууме.Схема устройства импульсного нагрева в Технологическом университете Граца представлена ​​на рисунке 1.

Рисунок 1.

Схема экспериментальной установки. HG: источник питания высокого напряжения; S: выключатель нагрузки конденсаторной батареи C; RCROW: ломовой резистор; IG1: главный игнитрон; IG2: ломик-игнитрон; RV: согласующий резистор; RC, LC, RS, LS: сопротивление и индуктивность цепи и / или образца; R1-R4: делители напряжения; KE1, KE2: остроконечные щупы; PP: зонд Пирсона; DC: разрядная камера; PY: пирометр; L: линза; IF: интерференционный фильтр; F: волокно; D: фотодиод; А: усилитель; PG: генератор импульсов; AD: аналого-цифровой преобразователь; ПК: персональный компьютер; I, UHOT, UCOLD, J: сигналы измерения тока, напряжения и интенсивности излучения; PSG: генератор состояний поляризации; PSD: детектор состояния поляризации; LWL: световод.

Установка подробно описана в предыдущих публикациях [27, 28, 29].

4.2. Измерение тока и напряжения

Импульс тока, которому подвергается образец, измеряется с помощью индукционной катушки (Pearson Electronics, номер модели 3025). Для измерения падения напряжения к образцу прикрепляют два молибденовых ножа для измерения напряжения. Падение напряжения относительно общей земли измеряется для обоих ножей напряжения, что позволяет измерить падение напряжения между двумя точками контакта образца и соответствующими ножами напряжения (Рисунок 2).

Рис. 2.

Типичные необработанные измерительные сигналы эксперимента по омическому импульсному нагреву, выполненного на Iridium. Черная и красная линия — сигналы напряжения, зеленая линия — сигнал тока, а синяя линия — сигнал пирометра. Обратите внимание, что температура солидуса (TS) и температура ликвидуса (Tl) видны не только в сигнале пирометра, но и в сигналах напряжения.

4.3. Измерение температуры

Быстрый пирометр обеспечивает определение температуры.Пирометр измеряет спектральную яркость поверхности образца, по которой можно рассчитать температуру, используя закон Планка.

Lλ, BλT = c1π ∙ λ5 ∙ 1ec2λ ∙ T − 1, E14

с Lλ, BλT — яркость, излучаемая черным телом при температуре T и длине волны λ и двух постоянных излучения c1 = 2π ∙ h ∙ c2 и c2 = h ∙ ckB ( h — постоянная Планка, c — скорость света и kB — постоянная Больцмана). Следует учитывать, что практически никакой настоящий материал не является идеальным черным телом.Отклонение от излучения абсолютно черного тела учитывается коэффициентом излучения ε (λ, T) . Таким образом, коэффициент излучения, испускаемого реальным материалом, составляет

LλλT = ελT ∙ Lλ, BλT.E15

Следует также отметить, что измеряемая величина пирометра представляет собой сигнал напряжения UPyro (T) , который зависит от геометрии измерения, пропускания оптической измерительной установки, ширины спектрального диапазона и чувствительности детектора. При суммировании большинства не зависящих от температуры величин в константе C , сигнал пирометра равен

UPyroT = C ∙ ελT ∙ ec2λ ∙ T − 1−1E16

4.4. Температуропроводность и теплопроводность

При полученных значениях зависящего от времени тока I (t) , зависящего от времени падения напряжения U (t) , радиуса образца r ( t ) и поверхностное излучение L (t) теперь можно рассчитать желаемые тепловые свойства, то есть теплопроводность λ (T) , температуропроводность a (T) , а также удельную теплоемкость cp (T ). Это было кратко показано во втором разделе этой главы и подробно обсуждается в [30, 31].

Данные для твердой фазы и жидкой фазы подбираются линейно (для твердой фазы) и квадратично (для жидкой фазы). В наших публикациях (например, [22]) мы приводим коэффициенты для линейных аппроксимаций, а также оценки неопределенности. Схематические данные, представленные в этой главе, относятся к алюминию; поэтому диапазон температур довольно низкий. С помощью устройства омического импульсного нагрева также можно исследовать металлы с высокой температурой плавления, такие как вольфрам, ниобий и тантал.

На рисунках 3 и 4 показаны типичные результаты определения теплопроводности и температуропроводности с помощью устройства для омического импульсного нагрева алюминия.

Рисунок 3.

Результаты определения теплопроводности алюминия. Данные взяты из [22].

Рисунок 4.

Результаты определения температуропроводности алюминия. Данные взяты из [22].

Данные показывают твердую фазу (примерно до 900 K) и жидкую фазу (до 1500 K). Теплопроводность в этом случае можно описать квадратично с положительной крутизной в жидкой фазе.

4.5. Неопределенность для метода омического импульсного нагрева

Неопределенности были оценены согласно GUM [32] с коэффициентом охвата k = 2 (95%).

Погрешности для теплопроводности λT для алюминия были оценены в ± 6% в твердой фазе и ± 5% в жидкой фазе. Погрешности температуропроводности a (T) для алюминия были оценены в ± 8% в твердой фазе и ± 5% в жидкой фазе. См. Также [22].

5. Выводы

В этой главе было рассмотрено множество распространенных методов определения теплопроводности жидких металлов. Эти методы можно разделить на методы установившегося, нестационарного и переходного режимов.Однако не все рассмотренные методы подходят для жидкой фазы тугоплавких металлов.

В заключение этой главы кратко излагаются методы, подходящие для определения теплопроводности тугоплавких металлов в жидкой фазе.

Метод лазерной вспышки (LFM) применим также для тугоплавких металлов, поскольку, как сообщается, диапазон температур составляет от -120 до 2800 ° C. Погрешности этого метода измерения составляют от ± 3 до ± 15% [16, 17, 18, 19].

Другим подходящим методом определения теплопроводности даже тугоплавких металлов в жидкой фазе является метод омического импульсного нагрева в сочетании с законом Видемана-Франца. Этот метод позволяет легко достичь температуры около 4000 К и выше и поэтому подходит для всех тугоплавких металлов (металл с самой высокой температурой плавления — вольфрам с температурой 3695 К). Погрешности для теплопроводности алюминия были оценены в ± 6% в твердой фазе и ± 5% в жидкой фазе [22].

Метод омического импульсного нагрева оказался очень точным, особенно в жидкой фазе, где вкладом решетки в определение теплопроводности можно пренебречь. Это было показано во взаимном сравнении с измерениями лазерной вспышки в [26].

Теплопроводность металлов — Скачать PDF бесплатно

Теплообмен и энергия

Что такое тепло? Теплообмен и энергия Тепло — это энергия в пути.Вспомните Первый закон из термодинамики. U = Q — W Что мы подразумевали под всеми терминами? Что такое U? Что такое Q? Что такое W? Что такое теплопередача?

Подробнее

Устойчивая теплопроводность

Устойчивая теплопроводность. В термодинамике мы рассматривали количество теплопередачи, когда система претерпевает процесс перехода из одного состояния равновесия в другое.Гермодинамика не указывает, как долго

Подробнее

ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

MEL242 ТЕПЛО И МАССОПЕРЕДАЧА Прабал Талукдар Доцент кафедры машиностроения g ИИТ Дели [email protected] MECH / IITD Координатор курса: д-р Прабал Талукдар Номер комнаты: III,

Подробнее

Глава 18 Температура, тепло и первый закон термодинамики.Проблемы: 8, 11, 13, 17, 21, 27, 29, 37, 39, 41, 47, 51, 57

Глава 18 Температура, тепло и первый закон термодинамических задач: 8, 11, 13, 17, 21, 27, 29, 37, 39, 41, 47, 51, 57 Изучение термодинамики и применение величины температуры тепловой энергии

Подробнее

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ ВЕЩЕСТВА

КИНЕТИЧЕСКАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ ВЕЩЕСТВА Кинетико-молекулярная теория основана на идее, что частицы материи всегда находятся в движении.Теория может быть использована для объяснения свойств твердых тел, жидкостей,

Подробнее

Кинетическая теория и идеальный газ

1 из 6 Термодинамика Лето 2006 г. Кинетическая теория и идеальный газ Изучение термодинамики обычно начинается с понятий температуры и тепла, и большинство людей считает, что температура объекта

Подробнее

Химия 13: Состояния материи

Химия 13: Состояния материи Название: Период: Дата: Стандарт содержания химии: Газы и их свойства Кинетическая молекулярная теория описывает движение атомов и молекул и объясняет свойства

Подробнее

Глава 12 — Жидкости и твердые тела

Глава 12 — Жидкости и твердые вещества 12-1 Жидкости I.Свойства жидкостей и кинетическая молекулярная теория A. Жидкости 1. Вещества, которые могут течь и, следовательно, принимать форму своего контейнера B. Относительный

Подробнее

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА 1. Основные идеи Кинетическая теория, основанная на экспериментах, которые доказали, что а) материя содержит частицы и довольно много пространства между ними б) эти частицы всегда движутся

Подробнее

ИДЕАЛЬНЫЕ И НЕИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ

2/2016 Идеальный газ 1/8 ИДЕАЛЬНЫЕ И НЕИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ НАЗНАЧЕНИЕ: Измерение того, как давление газа низкой плотности изменяется в зависимости от температуры, определение абсолютного нуля температуры путем линейной аппроксимации

Подробнее

ОБЗОР КЛАССИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ 8

ОБЗОР КЛАССИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ 8 Кинетическая теория Информация, касающаяся начальных движений каждого из атомов макроскопических систем, недоступна, и у нас нет вычислительных возможностей даже с

Подробнее

Испарение жидкого азота

Испарение жидкого азота. Цели и введение. Поскольку система обменивается тепловой энергией с окружающей средой, температура системы обычно повышается или понижается в зависимости от направления

Подробнее

Основы термоэлектрики

Основы термоэлектричества Бакалаврский лабораторный практикум Содержание 1 Введение в термоэлектрику 1 2 Термопара 4 3 Устройство Пельтье 5 3.1 элементы Пельтье n- и p-типа ………………

Подробнее

Модуль 2.2. Механизмы теплопередачи

Модуль 2.2 Механизмы теплопередачи Результаты обучения После успешного завершения этого модуля слушатели смогут: — Описывать 1-й и 2-й законы термодинамики. — Опишите механизмы теплопередачи.

Подробнее

Температура.Температура

Глава 8 Температура Температура Число, которое соответствует теплу или холоду объекта, измеренному термометром, является свойством каждой частицы без верхнего предела определенный предел на нижнем конце Температура

Подробнее

Глава 4 Практическая викторина

Глава 4 Практический тест 1. Пометьте каждую коробку соответствующим состоянием материи. A) I: Газ II: Жидкость III: Твердое тело B) I: Жидкость II: Твердое вещество III: Газ C) I: Твердое вещество II: Жидкость III: Газ D) I: Газ II: Твердое вещество III:

Подробнее

CHEM 120 Online Глава 7

CHEM 120 Online Глава 7 Дата: 1.Какое из следующих утверждений не является частью кинетической молекулярной теории? А) Материя состоит из частиц, находящихся в постоянном движении. Б) Скорость частиц увеличивается

Подробнее

Глава 10 Температура и тепло

Глава 10 Температура и тепло Что такое температура и тепло? Они одинаковы? Что вызывает жар? Что такое температура? Как мы измеряем температуру? Что мы на самом деле измеряем? Температура и ее

Подробнее

Глава 13 — ЖИДКОСТЬ И ТВЕРДЫЙ

Глава 13 — ЖИДКОСТЬ И ТВЕРДЫЕ ВЕЩЕСТВА Задачи, которые стоит попробовать в конце главы: ответы в Приложении I: 1,3,5,7b, 9b, 15,17,23,25,29,31,33,45,49,51,53 , 61 13.1 Свойства жидкостей 1. Жидкости принимают форму своего контейнера,

Подробнее

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики Второй закон термодинамики утверждает, что процессы происходят в определенном направлении и что энергия имеет не только количество, но и качество. Первый закон не накладывает ограничений

Подробнее

Что такое тепло? Что такое тепло?

Что такое тепло? Пол вздрогнул в деревянной хижине.На улице было холодно, а в каюте не намного теплее. Пол слышал, как дождь стучит по крыше. Каждые несколько минут будет

Подробнее

Эксперимент № 4, Омическое тепло

Эксперимент № 4, Омическое тепло 1 Цель Физика 18 — Осень 013 — Эксперимент № 4 1 1. Продемонстрировать преобразование электрической энергии в тепло. Продемонстрировать, что скорость генерации тепла в электрическом

Подробнее

Первый закон термодинамики

Первые aw термодинамики Q и W зависят от процесса (пути).(Q W) = E int не зависит от процесса. E int = E int, f E int, i = Q W (первый закон) Q: + тепло в систему; потеря тепла от

Подробнее

ИНДЕКС ВРЕМЕНИ ОТВЕТА Дождевателей

, Номер l, стр.1-6, 29 ИНДЕКС ВРЕМЕНИ ОТВЕТА СПРИНКЛЕРОВ C.K. Sze Кафедра инженерных систем зданий, Гонконгский политехнический университет, Гонконг, Китай РЕЗЮМЕ Тест на погружение будет проведен

Подробнее

Естественная конвекция.Сила плавучести

Естественная конвекция При естественной конвекции движение жидкости происходит за счет естественных средств, таких как плавучесть. Поскольку скорость жидкости, связанная с естественной конвекцией, относительно мала, коэффициент теплопередачи

Подробнее

Формы энергии. Семинар для первокурсников

Формы энергии Семинар для первокурсников Энергия Энергия Способность и способность выполнять работу Энергия может принимать разные формы Энергия может быть определена количественно Закон сохранения энергии Любое изменение одной формы

Подробнее

Глава 1 Чтение учащихся

Глава 1 Чтение учащимися Химия — это изучение материи. Можно сказать, что химия — это наука, изучающая все вещества во всем мире.Более научный термин для обозначения вещей — это материя. Так химия

Подробнее

Тема Страница Содержание Страница

Тепловая энергия (11-16) Содержание Тема Страница Содержание Страница Тепловая энергия и температура 3 Скрытая тепловая энергия 15 Интересные температуры 4 Проводимость тепловой энергии 16 Кривая охлаждения 5 Конвекция 17 Расширение

Подробнее

теплопроводность

В физике теплопроводность , k, это свойство материала, которое указывает на его способность проводить тепло.Он используется в основном в законе Фурье для теплопроводности. Он определяется как количество тепла Δ Q , передаваемое за время Δ t через толщину L в направлении, нормальном к поверхности площадью A , из-за разницы температур Δ T , в стационарных условиях и когда теплопередача зависит только от температурного градиента. теплопроводность = скорость теплового потока × расстояние / (площадь × разница температур) С другой стороны, это можно рассматривать как поток тепла (энергия на единицу площади в единицу времени), деленный на градиент температуры (разность температур на единицу длины) Стандартные единицы — СИ: Вт / (м · К) и английские единицы: БТЕ · фут / (час · фут² · ° F).Для преобразования между ними используйте соотношение 1 Британские тепловые единицы · фут / (ч · фут² · ° F) = 1,730735 Вт / (м · К). [Справочник инженеров-химиков Perry, 7-е издание, таблица 1-4] Рекомендуемые дополнительные знания Примеры В металлах теплопроводность приблизительно соответствует электропроводности в соответствии с законом Видемана-Франца, поскольку свободно движущиеся валентные электроны переносят не только электрический ток, но и тепловую энергию.Однако общая корреляция между электропроводностью и теплопроводностью не сохраняется для других материалов из-за повышенного значения фононных носителей для тепла в неметаллах. Как показано в таблице ниже, серебро с высокой электропроводностью менее теплопроводно, чем алмаз, который является электрическим изолятором. Теплопроводность зависит от многих свойств материала, особенно от его структуры и температуры. Например, чистые кристаллические вещества демонстрируют очень разную теплопроводность вдоль разных осей кристалла из-за различий в фононном взаимодействии вдоль данной оси кристалла.Сапфир является ярким примером переменной теплопроводности в зависимости от ориентации и температуры, для которой в справочнике CRC указана теплопроводность 2,6 Вт / (м · К), перпендикулярная оси c при 373 K, но 6000 Вт / ( м · К) при 36 градусах от оси c и 35 К (возможна опечатка?). Воздух и другие газы обычно являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. Следовательно, многие изоляционные материалы функционируют просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию.Их примеры включают вспененный и экструдированный полистирол (обычно называемый «пенополистиролом») и аэрогель кремнезема. Природные биологические изоляторы, такие как мех и перья, достигают аналогичного эффекта, резко подавляя конвекцию воздуха или воды вблизи кожи животного. Теплопроводность важна для теплоизоляции зданий и смежных областей. Однако материалы, используемые в таких отраслях, редко подвергаются стандартам химической чистоты. Ниже перечислены значения k для некоторых строительных материалов.Их следует считать приблизительными из-за неопределенностей, связанных с определениями материалов. Следующая таблица предназначена в качестве небольшой выборки данных для иллюстрации теплопроводности различных типов веществ. Более полный перечень измеренных значений k см. В справочных материалах. Список значений теплопроводности Основная статья: Список значений теплопроводности Это список приблизительных значений теплопроводности k для некоторых распространенных материалов.Пожалуйста, обратитесь к списку теплопроводности для получения более точных значений, справочных материалов и подробной информации. Измерение Для получения хороших проводников тепла можно использовать метод стержня Серла. [1] Для плохих проводников тепла можно использовать дисковый метод Лиза. [2] Альтернативный традиционный метод с использованием реальных термометров описан в [3]. Краткий обзор новых методов измерения теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости в рамках одного измерения доступен в [4].Тестер теплопроводности, один из инструментов геммологии, определяет, являются ли драгоценные камни настоящими алмазами, используя уникально высокую теплопроводность алмаза. Стандартные методы измерения Стандарт IEEE 442-1981, «Руководство IEEE по измерениям теплового сопротивления почвы» [5] Стандарт IEEE 98-2002, «Стандарт подготовки процедур испытаний для термической оценки твердых электроизоляционных материалов», ISBN 0-7381-3277-2 [6] Стандарт ASTM D5470-06, «Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов» [7] Стандарт ASTM E1225-04, «Стандартный метод испытания теплопроводности твердых тел с помощью метода защищенного сравнительного продольного теплового потока» [8] Стандарт ASTM D5930-01, «Стандартный метод испытания теплопроводности пластмасс с помощью метода нестационарного линейного источника» [9] Стандарт ASTM D2717-95, «Стандартный метод испытаний теплопроводности жидкостей» [10] Связанные термины Обратная величина теплопроводности равна , удельное тепловое сопротивление , измеренное в кельвин-метрах на ватт (К · м · Вт -1 ). При работе с известным количеством материала можно описать его теплопроводность и взаимное свойство тепловое сопротивление . К сожалению, у этих терминов есть разные определения. Первое определение (общее) Для общего научного использования, теплопроводность — это количество тепла, которое проходит за единицу времени через пластину с определенной площадью и толщиной , когда ее противоположные стороны отличаются по температуре на один градус.Для пластины с теплопроводностью к , площадью A и толщиной L это составляет кА / л , измеренное в Вт · К −1 . Это соответствует соотношению между электропроводностью (А · м -1 · В -1 ) и электрической проводимостью (А · В -1 ). Существует также показатель, известный как коэффициент теплопередачи: количество тепла, которое проходит за единицу времени через единицу площади пластины определенной толщины, когда ее противоположные стороны различаются по температуре на один градус.Ответная — , теплоизоляция . В итоге: теплопроводность = кА / L , измеренная в Вт · К −1 тепловое сопротивление = L / кА , измеренное в К · Вт −1 коэффициент теплопередачи = k / L , измеренный в Вт · K -1 · м -2 теплоизоляция = L / k , измеренная в K · м² · Вт −1 . Коэффициент теплопередачи также известен как теплопроводность Второе определение (здания) Когда речь идет о зданиях, термическое сопротивление или R-value означает то, что описано выше как теплоизоляция, а теплопроводность означает обратное. Для материалов, соединенных последовательно, эти тепловые сопротивления (в отличие от проводимости) можно просто сложить, чтобы получить тепловое сопротивление для всего. Третий член, коэффициент теплопередачи , включает теплопроводность конструкции наряду с теплопередачей за счет конвекции и излучения. Он измеряется в тех же единицах, что и теплопроводность, и иногда известен как композитный коэффициент теплопроводности . Еще один синоним — термин , U-значение . Таким образом, для пластины с теплопроводностью k (значение k [1] ), площадь A и толщина L : теплопроводность = к / L , измеренная в Вт · К −1 · м −2 ; термическое сопротивление ( значение R ) = л / к , измеряется в К · м² · Вт −1 ; коэффициент теплопередачи ( значение U ) = 1 / (Σ ( L / k )) + конвекция + излучение, измеряется в Вт · К −1 · м −2 . Текстильная промышленность В текстильных изделиях значение тог может указываться как мера теплового сопротивления вместо меры в единицах СИ. Истоки Теплопроводность системы определяется тем, как взаимодействуют атомы, составляющие систему. Нет простых и правильных выражений для теплопроводности. Существует два разных подхода к расчету теплопроводности системы. Первый подход использует отношения Грина-Кубо.Хотя это выражение является точным *, для расчета теплопроводности плотной жидкости или твердого тела с использованием этого соотношения требуется использование компьютерного моделирования молекулярной динамики. Термин «точный» означает, что уравнения разрешимы. Второй подход основан на подходе времени релаксации. Известно, что из-за ангармонизма внутри кристаллического потенциала фононы в системе рассеиваются. Есть три основных механизма рассеяния: Граничное рассеяние, попадание фонона на границу системы; Рассеяние на дефекте массы, фонон, ударяющийся о примесь внутри системы, и рассеяние; Фонон-фононное рассеяние, фонон распадается на два фонона с более низкой энергией или фонон сталкивается с другим фононом и сливается с одним фононом с более высокой энергией. Определение значения k от Plastics New Zealand Каллистер, Уильям (2003). «Приложение B», Материаловедение и инженерия — Введение . John Wiley & Sons, INC, 757. ISBN 0-471-22471-5 . Холлидей, Дэвид; Резник, Роберт; И Уокер, Джерл (1997). Основы физики (5-е изд.). John Wiley and Sons, INC., NY ISBN 0-471-10558-9 . TM 5-852-6 AFR 88-19, Volume 6 (издание Army Corp of Engineers) Шривастава Г.П (1990), «Физика фононов». Адам Хилгер, IOP Publishing Ltd, Бристоль.

Управление температурой | Приложения | Indium Corporation

Приработка и тест

Металлические обожженные материалы имеют ряд преимуществ:

• Высокая теплопроводность
• Простота обращения и очистки
• Нет откачки и отжига
• Возможность обработки нескольких вставок
• Доступны в стандартной или нестандартной конфигурации

Силовой полупроводник

Indium Corporation производит паяльную пасту для прикрепления штампов, такую ​​как Indium8.9-LDA, для вакуумной пайки. Паяльную пасту для прикрепления кристаллов IGBT от Indium Corporation можно распечатать по трафарету или по трафарету, и ее легко чистить.

Indium Corporation также предлагает ленту припоя и заготовки припоя для монтажа штампов. Лента и рулонная упаковка позволяют продвигать и размещать преформы быстро и точно. Лента и преформы полупроводникового качества изготавливаются из сверхчистых сплавов и имеют адаптируемую упаковку, такую ​​как лента и катушка, нестандартные катушки и картриджи, для повышения производительности, производительности и эффективности.

Все материалы подлежат вторичной переработке и переработке.

ТИМ1, ТИМ1.5, ТИМ2

Indium Corporation продолжает лидировать в разработке передовых материалов для термоинтерфейса (TIM) и процессов, включая приложения для TIM1, TIM1.5 и TIM2.

• TIM1 : Заготовки припоя используются в качестве термоинтерфейса припоя между кристаллом процессора и теплораспределителем на уровне TIM1.
• TIM1.5 : В мобильных приложениях или приложениях с голым кристаллом, таких как ноутбуки или видеокарты, теплораспределителя нет. Вместо этого матрица находится в прямом контакте с охлаждающим раствором. Поэтому мы называем этот тепловой интерфейс уровнем TIM1.5. Здесь мы рекомендуем наши сжимаемые термические материалы, такие как Heat-Springs ^® или жидкий металл
.
• TIM2 : на уровне TIM2 между теплоотводом и радиатором мы также рекомендуем наш сжимаемый интерфейсный материал. — Тепловые источники ^® или жидкий металл

Список тепловых значений K

Обозначает материалы, которые Indium Corporation может предоставить

химическое соединение | Определение, примеры и типы

Химическое соединение , любое вещество, состоящее из идентичных молекул, состоящих из атомов двух или более химических элементов.

молекула метана

Метан, в котором четыре атома водорода связаны с одним атомом углерода, является примером основного химического соединения. На структуру химических соединений влияют сложные факторы, такие как валентные углы и длина связи.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Британская викторина

По химии

Возможно, вы знаете, что элементы составляют воздух, которым мы дышим, и воду, которую мы пьем, но знаете ли вы о них больше? Какой элемент почти такой же легкий, как водород? Что вы называете смесью двух химических элементов? Узнайте ответы в этой викторине.

Вся материя Вселенной состоит из атомов более чем 100 различных химических элементов, которые встречаются как в чистом виде, так и в сочетании в химических соединениях. Образец любого данного чистого элемента состоит только из атомов, характерных для этого элемента, и атомы каждого элемента уникальны. Например, атомы углерода отличаются от атомов железа, которые, в свою очередь, отличаются от атомов золота. Каждый элемент обозначается уникальным символом, состоящим из одной, двух или трех букв, возникающих либо из текущего имени элемента, либо из его исходного (часто латинского) имени.Например, символы углерода, водорода и кислорода — это просто C, H и O соответственно. Символ железа — Fe, от латинского названия ferrum . Фундаментальный принцип химической науки состоит в том, что атомы различных элементов могут объединяться друг с другом с образованием химических соединений. Известно, что, например, метан, который образован из элементов углерода и водорода в соотношении четыре атома водорода на каждый атом углерода, содержит отдельные молекулы CH ₄ .Формула соединения, такая как CH ₄ , указывает типы присутствующих атомов, с нижними индексами, представляющими относительное количество атомов (хотя цифра 1 никогда не записывается).

молекула воды

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Один атом кислорода содержит шесть электронов в своей внешней оболочке, которая может содержать в общей сложности восемь электронов. Когда два атома водорода связаны с атомом кислорода, внешняя электронная оболочка кислорода заполняется.

Encyclopædia Britannica, Inc.

• Исследуйте магнитоподобную ионную связь, образующуюся при передаче электронов от одного атома к другому

  Ионы — атомы с положительным или отрицательным суммарным зарядом — связываются вместе, образуя ионные соединения.

  Encyclopædia Britannica, Inc. См. Все видео для этой статьи
• Посмотрите, как работают молекулярные связи, когда два атома водорода присоединяются к атому серы, образуя сероводород

  Молекулярные соединения образуются при образовании молекул, таких как молекулы метана или воды , соединяются вместе, деля электроны.

  Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье

Вода, которая представляет собой химическое соединение водорода и кислорода в соотношении два атома водорода на каждый атом кислорода, содержит молекулы H ₂ O. Хлорид натрия — это химическое соединение, образованное из натрия (Na) и хлора (Cl) в соотношении 1: 1. Хотя формула хлорида натрия — NaCl, соединение не содержит реальных молекул NaCl. Скорее, он содержит равное количество ионов натрия с положительным зарядом (Na ⁺ ) и ионов хлора с отрицательным зарядом (Cl ^— ).( См. Ниже Тенденции химических свойств элементов, где обсуждается процесс превращения незаряженных атомов в ионы [т.е. частицы с положительным или отрицательным суммарным зарядом].) Упомянутые выше вещества служат примером двух основных типов химических веществ. соединения: молекулярные (ковалентные) и ионные. Метан и вода состоят из молекул; то есть они являются молекулярными соединениями. С другой стороны, хлорид натрия содержит ионы; это ионное соединение.

Атомы различных химических элементов можно сравнить с буквами алфавита: так же, как буквы алфавита объединяются в тысячи слов, атомы элементов могут объединяться различными способами, образуя бесчисленное множество соединений. .На самом деле известны миллионы химических соединений, и многие миллионы возможны, но еще не открыты или синтезированы. Большинство веществ, встречающихся в природе, таких как древесина, почва и камни, представляют собой смеси химических соединений. Эти вещества могут быть разделены на составляющие их соединения физическими методами, которые не изменяют способ агрегирования атомов в соединениях. Соединения можно разделить на составные элементы путем химических изменений.Химическое изменение (то есть химическая реакция) — это изменение, при котором организация атомов изменяется. Пример химической реакции — горение метана в присутствии молекулярного кислорода (O ₂ ) с образованием диоксида углерода (CO ₂ ) и воды. CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O В этой реакции, которая является примером реакции горения, происходят изменения в том, как атомы углерода, водорода и кислорода связаны друг с другом. в соединениях.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Химические соединения обладают поразительным набором характеристик. При обычных температурах и давлениях некоторые из них являются твердыми телами, некоторые — жидкостями, а некоторые — газами. Цвета различных составных частей совпадают с цветами радуги. Некоторые соединения очень токсичны для человека, тогда как другие необходимы для жизни. Замена только одного атома в соединении может быть причиной изменения цвета, запаха или токсичности вещества.Чтобы понять это огромное разнообразие, были разработаны системы классификации. В приведенном выше примере соединения классифицируются как молекулярные или ионные. Соединения также подразделяются на органические и неорганические. Органические соединения ( см. Ниже. Органические соединения), названные так потому, что многие из них были изначально изолированы от живых организмов, обычно содержат цепи или кольца атомов углерода. Из-за большого разнообразия способов связывания углерода с самим собой и с другими элементами существует более девяти миллионов органических соединений.Соединения, которые не считаются органическими, называются неорганическими соединениями ( см. Ниже Неорганические соединения).

ртуть (Hg)

Ртуть (химический символ: Hg) — единственный металлический элемент, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре.

© marcel / Fotolia

В рамках широкой классификации органических и неорганических веществ существует множество подклассов, в основном основанных на конкретных элементах или группах присутствующих элементов. Например, среди неорганических соединений оксиды содержат ионы O ^2- или атомы кислорода, гидриды содержат ионы H ^— или атомы водорода, сульфиды содержат ионы S ^2- и так далее.Подклассы органических соединений включают спирты (содержащие группу OH), карбоновые кислоты (характеризующиеся группой COOH), амины (содержащие группу NH ₂ ) и так далее.

Различные способности различных атомов объединяться с образованием соединений лучше всего можно понять с точки зрения периодической таблицы. Периодическая таблица Менделеева была первоначально построена для представления закономерностей, наблюдаемых в химических свойствах элементов ( см. химическая связь). Другими словами, по мере развития химии было замечено, что элементы можно сгруппировать в соответствии с их химической реакционной способностью.Элементы с подобными свойствами перечислены в вертикальных столбцах периодической таблицы и называются группами. По мере раскрытия деталей атомной структуры стало ясно, что положение элемента в периодической таблице коррелирует с расположением электронов, которыми обладают атомы этого элемента ( см. Атом ). В частности, было замечено, что электроны, которые определяют химическое поведение атома, находятся в его внешней оболочке. Такие электроны называются валентными электронами.

Таблица Менделеева

Периодическая таблица элементов.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Например, атомы элементов в группе 1 периодической таблицы все имеют один валентный электрон, атомы элементов в группе 2 имеют два валентных электрона, и так далее, до группы 18 , элементы которого содержат восемь валентных электронов. Самое простое и самое важное правило для предсказания того, как атомы образуют соединения, состоит в том, что атомы имеют тенденцию объединяться таким образом, чтобы они могли либо опустошить свою валентную оболочку, либо завершить ее (т.е., заполните его), в большинстве случаев всего с восемью электронами. Элементы в левой части таблицы Менделеева имеют тенденцию терять свои валентные электроны в химических реакциях. Натрий (в Группе 1), например, имеет тенденцию терять свой одинокий валентный электрон с образованием иона с зарядом +1. Каждый атом натрия имеет 11 электронов ( e ^—), каждый с зарядом -1, чтобы просто уравновесить заряд +11 на его ядре. Потеря одного электрона оставляет его с 10 отрицательными зарядами и 11 положительными зарядами, что дает суммарный заряд +1: Na → Na ⁺ + e ^—.Калий, расположенный непосредственно под натрием в Группе 1, также образует в своих реакциях +1 ион (K ⁺ ), как и остальные члены Группы 1: рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr). Атомы элементов в правом конце периодической таблицы имеют тенденцию вступать в реакции, в результате которых они получают (или разделяют) достаточно электронов, чтобы завершить свою валентную оболочку. Например, кислород в группе 16 имеет шесть валентных электронов и, следовательно, нуждается в двух дополнительных электронах для завершения своей внешней оболочки. Кислород достигает этого за счет реакции с элементами, которые могут терять или делиться электронами.Атом кислорода, например, может реагировать с атомом магния (Mg) (в группе 2), принимая два валентных электрона магния, образуя ионы Mg ²⁺ и O ^2-. (Когда нейтральный атом магния теряет два электрона, он образует ион Mg ²⁺ , а когда нейтральный атом кислорода получает два электрона, он образует ион O ^2-.) Получающийся в результате Mg ²⁺ и O ^2- затем объединяют в соотношении 1: 1 с получением ионного соединения MgO (оксид магния). (Хотя составной оксид магния содержит заряженные частицы, он не имеет чистого заряда, поскольку содержит равное количество ионов Mg ²⁺ и O ^2-.) Аналогичным образом кислород реагирует с кальцием (чуть ниже магния в группе 2) с образованием CaO (оксид кальция). Кислород аналогичным образом реагирует с бериллием (Be), стронцием (Sr), барием (Ba) и радием (Ra), остальными элементами группы 2. Ключевым моментом является то, что, поскольку все элементы в данной группе имеют одинаковое количество валентных электронов, они образуют аналогичные соединения.

Химические элементы можно классифицировать по-разному. Наиболее фундаментальное разделение элементов — на металлы, которые составляют большинство элементов, и неметаллы.Типичные физические свойства металлов — это блестящий внешний вид, пластичность (способность растираться в тонкий лист), пластичность (способность вытягиваться в проволоку) и эффективная тепло- и электропроводность. Самым важным химическим свойством металлов является склонность отдавать электроны с образованием положительных ионов. Например, медь (Cu) — типичный металл. Он блестящий, но легко тускнеет; это отличный проводник электричества и обычно используется для электрических проводов; и из него легко превращаться в изделия различной формы, такие как трубы для систем водоснабжения.Медь содержится во многих ионных соединениях в форме иона Cu ⁺ или Cu ²⁺ .

Металлические элементы находятся слева и в центре таблицы Менделеева. Металлы групп 1 и 2 называются типичными металлами; те, что находятся в центре периодической таблицы, называются переходными металлами. Лантаноиды и актиноиды, показанные под периодической таблицей, представляют собой особые классы переходных металлов.

металлических элементов в периодической таблице

Металлы, неметаллы и металлоиды представлены в различных частях периодической таблицы.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Неметаллы, которых относительно мало, находятся в верхнем правом углу таблицы Менделеева, за исключением водорода, единственного неметаллического члена группы 1. Физические свойства, характерные для металлы в неметаллах отсутствуют. В химических реакциях с металлами неметаллы приобретают электроны с образованием отрицательных ионов. Неметаллические элементы также реагируют с другими неметаллами, в этом случае образуя молекулярные соединения. Хлор — типичный неметалл.При обычных температурах элементарный хлор содержит молекулы Cl ₂ и реагирует с другими неметаллами с образованием таких молекул, как HCl, CCl ₄ и PCl ₃ . Хлор реагирует с металлами с образованием ионных соединений, содержащих ионы Cl ^— .

Разделение элементов на металлы и неметаллы является приблизительным.

No related posts.