Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Теплопроводность это свойство материала

Теплопроводность

Способы передачи тепла

В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.

Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.

Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.

Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.

Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.

Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.

Теплопроводность

Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?

Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.

Читайте так же:
Неуказанная шероховатость на чертеже

Теплопроводность

Теплопрово́дность — способность материальных тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым телам, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Содержание

Закон теплопроводности Фурье [ править ]

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

vec<q data-lazy-src=

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=-varkappafrac<SDelta T data-lazy-src=

Связь с электропроводностью [ править ]

Связь коэффициента теплопроводности varkappaс удельной электрической проводимостью sigmaв металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

frac<varkappa data-lazy-src=

Коэффициент теплопроводности газов [ править ]

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле [2]

varkappa sim frac<1 data-lazy-src=

Читайте так же:
Песок для пескоструя своими руками

Теплопроводность в сильно разреженных газах [ править ]

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть обратно пропорционально давлению в системе): varkappa sim frac<1 data-lazy-src=

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье [ править ]

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл [4] , а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом: [5]

taufrac<partialmathbf<q data-lazy-src=

Коэффициенты теплопроводности различных веществ [ править ]

МатериалТеплопроводность, Вт/(м·K)
Графен4840±440 — 5300±480
Алмаз1001—2600
Графит278,4—2435
Карбид кремния490
Серебро430
Медь401
Оксид бериллия370
Золото320
Алюминий202—236
Нитрид алюминия200
Нитрид бора180
Кремний150
Латунь97—111
Хром107
Железо92
Платина70
Олово67
Оксид цинка54
Сталь47
Свинец35,3
Кварц8
Гранит2,4
Базальт1,3
Стекло1-1,15
Термопаста КПТ-80,7
Вода при нормальных условиях0,6
Кирпич строительный0,2—0,7
Силиконовое масло0,16
Пенобетон0,05—0,3
Древесина0,15
Нефтяные масла0,12
Свежий снег0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1)0,038-0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г1 и Г40,032-0,034
Стекловата0,032-0,041
Каменная вата0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)0,022
Вакуум (абсолютный)0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Читайте так же:
Подключить электродвигатель 380 на 220 через пускатель

Тепловые характеристики твёрдых материалов.

1. Плавкость – это свойство материала при нагревании переходит из твёрдого состояния в жидкое.

Температура плавления – это температура, при которой материал переходит из твёрдого состояния в жидкое.

Температура размягчения (для аморфных материалов) – это условная температура, при которой материал приобретает вязкотекучее состояние.

2. Нагревостойкость – это свойство материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухудшения его свойств.

Определяется по изменении электрических и механических характеристик в процессе выдержки при повышенной по сравнению с рабочей температуре.

Класс нагревостойкостиYAEBFHC
tнс, 0 С90105120130150180›180

3. Холодостойкость (морозостойкость) – это свойство материала длительно выдерживать низкую температуру без ухудшения его свойств.

Определяется в результате сравнения механических характеристик при отрицательной и нормальной температурах.

4. Теплостойкость – это свойство материала выдерживать кратковременный сильный нагрев без ухудшения его свойств.

Определяется по изменении электрических и механических характеристик при повышенной по сравнению с рабочей температуре.

Свойства 2, 3 и 4 характеризуются предельно допустимыми температурами, при которых изменения характеристик не превышают допустимые и материал не теряет своих свойств.

Тепловые характеристики жидких материалов.

1. Температура закипания – это температура, при которой жидкий материал кипит.

2. Температура застывания – это температура, при которой жидкий материал затвердевает.

3. Температура вспышки паров – это температура, при которой пары и газы, при соприкосновении с открытым пламенем вспыхивают.

При температурах, близких или больших критических температур материал, применять нельзя. Тепловые характеристики материалов общие.

1. Теплопроводность – это свойство материала проводить тепло.

Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙ 0 С)) – это количество теплоты, проходящее через единицу площади материала (1 м 2 ) в единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте (при длине материала 1м разность температур на его противоположных поверхностях равной 1 0 С).

2. Теплоотдача – это свойство материала к теплообмену (конвективный или лучистый) между поверхностью и окружающей средой.

Коэффициент теплоотдачи α (Вт/м 2 ∙ 0 С)) – это количество теплоты, отдаваемое с единицы площади поверхности (1 м²) за единицу времени (секунду) при единичном температурном напоре между средой и поверхностью (при разность температур двух сред 1 0 С).

3. Тепловое расширение – это свойство материала изменять объём (линейные размеры) при повышении температуры.

Коэффициент объёмного теплового расширения β ( 0 С -1 ) – показывает изменение начального объёма тела с увеличением температуры на 1 0 С

Физико-химические свойства и характеристики материалов

Физико-химические характеристики позволяют оценить стойкость материалов при воздействии агрессивной среды (вода, масло, соль, щелочь, кислота, газ, топливо) во время эксплуатации.

Физико-химические характеристики твёрдых материалов.

1. Водопоглащаемость – это свойство материала впитывать воду.

При определении водопоглащения образец выдерживают в дистиллированной воде в течение 24 часов, в процессе контролируют электрические характеристики (сопротивление, тангенс диэлектрических потерь, пробивное напряжение и др.).

где m –масса образца материала в высушенном состоянии, г;

mt – масса образца материала после выдержки в течение времени t, г.

2. Влагопоглащаемость (гигроскопичность) – это свойство материала впитывать влагу из окружающей среды (влажного воздуха).

Определяют по изменению таких же характеристик в процессе выдержки в воздухе повышенной влажности (относительной влажностью 96-98 %).

Читайте так же:
Подключение геркона к сигнализации

Чем больше W, тем больше воды впитает материал, это важно для диэлектриков, т.к. он потеряет электроизоляционные свойства и станет проводником.

3. Химостойкость (коррозийная стойкость) – это свойство материала не разрушаться при контакте с химически активными веществами (водой, кислотами, щелочами, солевыми растворами, маслами, топливом, газами и т.д.).

При определении химостойкости образец длительное время выдерживают в условиях близких к эксплуатационным, после чего определяют изменение его внешнего вида, массы, электрических и других характеристик.

Резина окисляется от меди. В нефтяных маслах при эксплуатации происходит коррозия погруженных в них металлов, изоляции и масло стареет.

4. Тропикостойкость – это свойство материала не разрушаться в условиях тропического климата (высокая температура, резкое изменение температуры, высокая влажность, солнечная радиация, плесневые грибки, насекомые и грызуны, воздух, содержащий соли и пыль).

Определяют по изменению таких же параметров под воздействием тропических климатических факторов (специальных испытаний).

Дата добавления: 2019-09-13 ; просмотров: 265 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Коэффициенты теплопроводности строительных материалов в таблицах

Теплопроводность газобетона - таблица значений.

Сегодня очень остро стоит вопрос рационального использования ТЭР. Непрерывно прорабатываются пути экономии тепла и энергии с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики как страны, так и каждой отдельной семьи.

Создание эффективных энергоустановок и систем теплоизоляции (оборудования, обеспечивающего наибольший теплообмен (например, паровых котлов) и, наоборот, от которого он нежелателен (плавильные печи)) невозможно без знания принципов теплопередачи.

Изменились подходы к тепловой защите зданий, возросли требования к строительным материалам. Любой дом нуждается в утеплении и системе отопления. Поэтому при теплотехническом расчёте ограждающих конструкций важен расчёт показателя теплопроводности.

Понятие теплопроводности

Теплопроводность – это такое физическое свойство материала, при которой тепловая энергия внутри тела переходит от самой горячей его части к более холодной. Значение показателя теплопроводности показывает степень потери тепла жилыми помещениями. Зависит от следующих факторов:

Влажность и теплопроводность - очень важные параметры при выборе материала.

  • плотности предмета: возрастает с её увеличением;
  • структуры: к примеру, дерево с поперечными волокнами отличается большим термическим сопротивлением, чем с продольными;
  • пористости: чем выше значение, тем меньше средняя плотность;
  • характера пустот и пор: материалы с сообщающимися порами имеют большую теплопроводность, с закрытыми мелкозернистыми порами – меньшую;
  • влажности: сухие предметы менее теплопроводны;
  • температуры – теплообмен уменьшается с её увеличением;
  • давления – показатель увеличивается с ростом давления.

Количественно оценить свойство предметов пропускать тепловую энергию можно посредством коэффициента теплопроводности. Очень важно сделать грамотный выбор строительных материалов, утеплителя для достижения наибольшего сопротивления теплопередачи. Просчёты или неразумная экономия в будущем могут привести к ухудшению микроклимата в помещении, сырости в здании, мокрым стенам, душным комнатам. А главное – к большим расходам на отопление.

Для сравнения ниже представлена таблица теплопроводностей материалов и веществ.

Материалы и веществаалюминийстальсталь нержавеющаябетонвоздухводаДСПрубероидкартонрезинаполиэтиленстекло
Коэффициент теплопроводности2215817,51,50,020,60,150,170,180,040,30,7

Самые высокие значения имеют металлы, низкие – теплоизоляционные предметы.

Классификация строительных материалов и их теплопроводность

Расчет теплоизоляции стен должен быть очень точным.

Теплопроводность железобетона, кирпичной кладки, керамзитобетонных блоков, обычно используемых для возведения ограждающих конструкций, отличается самыми высокими нормативными показателями. В строительной отрасли деревянные конструкции применяются значительно реже.

В зависимости от значения показателя теплопроводности, строительные материалы делятся на классы:

  • конструкционно-теплоизоляционные (от 0,210);
  • теплоизоляционные (до 0,082 – А, от 0,082 до 0,116 – Б и т.д.).
Читайте так же:
Редуктор давления природного газа

Эффективность многослойных конструкций

Плотность и теплопроводность

В настоящее время нет такого строительного материала, высокая несущая способность которого сочеталась бы с низкой теплопроводностью. Строительство зданий по принципу многослойных конструкций позволяет:

Термографик для частного дома рассчитывается на основе широкого перечня параметров.

  • соответствовать расчётным нормам строительства и энергосбережения;
  • оставлять размеры ограждающих конструкций в пределах разумного;
  • уменьшить материальные затраты на строительство объекта и его обслуживание;
  • добиться долговечности и ремонтопригодности (например, при замене одного листа минеральной ваты).

Комбинация конструкционного материала и теплоизоляционного позволяет обеспечить прочность и снизить потерю тепловой энергии до оптимального уровня. Поэтому при проектировании стен при расчётах учитывается каждый слой будущей ограждающей конструкции.

Важно также учитывать плотность при строительстве дома и при его утеплении.

Плотность вещества – фактор, влияющий на его теплопроводность, способность задерживать в себе основной теплоизолятор – воздух.

Расчёт толщины стен и утеплителя

Расчёт толщины стены зависит от следующих показателей:

  • плотности;
  • расчётной теплопроводности;
  • коэффициента сопротивления теплопередачи.

Согласно установленных норм, значение показателя сопротивления теплопередачи наружных стен должно быть не менее 3,2λ Вт/м •°С.

Расчёт толщины стен из железобетона и прочих конструкционных материалов представлен в таблице 2. Такие строительные материалы отличаются высокими несущими характеристиками, они долговечны, но в качестве тепловой защиты они неэффективны и требуют нерациональной толщины стены.

ПоказательБетоны, растворно-бетонные смеси
ЖелезобетонЦементно-песчаный растворСложный раствор (цементно-известково-песчаный)Известково-песчаный раствор
плотность, кг/куб.м2500180017001600
коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С)2,040,930,870,81
толщина стен, м6,532,982,782,59

Конструкционно-теплоизоляционные материалы способны подвергаться достаточно высоким нагрузкам, при этом значительно повышают теплотехнические и акустические свойства зданий в стеновых ограждающих конструкциях (таблица 3.1, 3.2).

ПоказательКонструкционно-теплоизоляционные м-лы
ПемзобетонКерамзитобетонПолистиролбетонПено- и газобетон (пено- и газосиликат)Кирпич глиняныйСиликатный кирпич
плотность, кг/куб.м80080060040018001800
коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С)0,680,3260,20,110,810,87
толщина стен, м2,1761,040,640,352,592,78
ПоказательКонструкционно-теплоизоляционные м-лы
Кирпич шлаковыйСиликатный кирпич 11-типустотныйКирпич силикатный 14-типустотныйСосна (поперечное расположение волокон)Сосна (продольное расположение волокон)Фанера клеёная
плотность, кг/куб.м150015001400500500600
коэффициент теплопроводности, Вт/(м•°С)0,70,810,760,180,350,18
толщина стен, м2,242,592,430,581,120,58

Значительно повысить теплозащиту зданий и сооружений позволяют теплоизоляционные строительные материалы. Данные таблицы 4 показывают, что наименьшие значения коэффициента теплопроводности имеют полимеры, минераловатные, плиты из природных органических и неорганических материалов.

ПоказательТеплоизоляционные м-лы
ППТПТ полистиролбетонныеМаты минераловатныеПлиты теплоизоляционные (ПТ) из минеральной ватыДВП (ДСП)ПакляЛисты гипсовые (сухая штукатурка)
плотность, кг/куб.м3530010001902001501050
коэффициент теплопро- водности, Вт/(м•°С)0,390,10,290,0450,070,1921,088
толщина стен, м0,120,320,9280,140,2240,2241,152

Значения таблиц теплопроводности строительных материалов применяются при расчётах:

Схема теплопроводности и толщины строительных материалов.

  • теплоизоляции фасадов;
  • общестроительной изоляции;
  • изоляционных материалов при устройстве кровли;
  • технической изоляции.

Задача выбора оптимальных материалов для строительства, конечно же, подразумевает более комплексный подход. Однако даже такие простые расчёты уже на первых этапах проектирования позволяют определить наиболее подходящие материалы и их количество.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector