Przewodność cieplna jest wielkością fizyczną, która określa zdolność materiałów do przewodzenia ciepła. Innymi słowy, przewodność cieplna to zdolność substancji do przenoszenia energii kinetycznej atomów i cząsteczek na inne substancje, które mają z nimi bezpośredni kontakt. W SI wartość ta jest mierzona w W / (K * m) (w watach na metr Kelvina), co jest równoważne J / (s * m * K) (dżul na sekundę-Kelvinomierz).

Pojęcie przewodnictwa cieplnego

Jest to intensywna wielkość fizyczna, to znaczy ilość, która opisuje właściwość materii, niezależnie od jej ilości. Intensywnymi ilościami są również temperatura, ciśnienie, przewodność elektryczna, to znaczy te cechy są takie same w dowolnym punkcie tej samej substancji. Inna grupa wielkości fizycznych jest rozległa, która zależy od ilości substancji, na przykład masy, objętości, energii i innych.

Przeciwną wartością przewodności cieplnej jest odporność na ciepło, która odzwierciedla zdolność materiału do zapobiegania przenoszeniu ciepła przez niego przechodzącego. W przypadku materiału izotropowego, to znaczy materiału, którego właściwości są takie same we wszystkich kierunkach przestrzennych, przewodność cieplna jest wielkością skalarną i jest zdefiniowana jako stosunek strumienia ciepła przez jednostkę powierzchni na jednostkę czasu do gradientu temperatury. Tak więc przewodność cieplna, równa jednemu watowi na metr Kelvina, oznacza, że energia cieplna w jednym dżulach jest przenoszona przez materiał:

  • w ciągu jednej sekundy;
  • na powierzchni jednego metra kwadratowego;
  • w odległości jednego metra;
  • gdy różnica temperatur na powierzchniach znajdujących się w materiale w odległości jednego metra od siebie jest równa jednemu Kelwinowi.

Oczywiste jest, że im większa wartość przewodności cieplnej, tym lepiej materiał przewodzi ciepło i na odwrót. Na przykład wartość tej wartości dla miedzi wynosi 380 W / (m * K), a ten metal przenosi ciepło 10 000 razy lepiej niż poliuretan, którego przewodność cieplna wynosi 0, 035 W / (m * K).

Molekularny transfer ciepła

Kiedy materia się nagrzewa, średnia energia kinetyczna jej cząsteczek rośnie, to znaczy wzrasta poziom nieporządku, atomy i cząsteczki zaczynają oscylować bardziej intensywnie iz większą amplitudą wokół ich pozycji równowagi w materiale. Przenikanie ciepła, które na poziomie makroskopowym można opisać prawem Fouriera, na poziomie molekularnym polega na wymianie energii kinetycznej między cząsteczkami (atomami i cząsteczkami) substancji, bez jej przenoszenia.

To wyjaśnienie mechanizmu przewodnictwa cieplnego na poziomie molekularnym odróżnia go od mechanizmu konwekcji termicznej, w której zachodzi przenoszenie ciepła w wyniku przenoszenia materii. Wszystkie ciała stałe mają zdolność przewodzenia ciepła, podczas gdy konwekcja termiczna jest możliwa tylko w cieczach i gazach. Rzeczywiście, ciała stałe przenoszą ciepło głównie z powodu przewodności cieplnej, a ciecze i gazy, jeśli występują w nich gradienty temperatury, przenoszą ciepło głównie z powodu procesów konwekcyjnych.

Przewodność cieplna materiałów

Metale mają wyraźną zdolność przewodzenia ciepła. Polimery charakteryzują się niską przewodnością cieplną, a niektóre z nich praktycznie nie przewodzą ciepła, na przykład włókno szklane, takie materiały nazywa się izolatorami cieplnymi. Aby istniał przepływ tego lub innego ciepła przez przestrzeń, konieczne jest, aby w tej przestrzeni była jakaś substancja, dlatego na otwartej przestrzeni (pustej przestrzeni) przewodność cieplna wynosi zero.

Każdy jednorodny (jednorodny) materiał charakteryzuje się współczynnikiem przewodności cieplnej (oznaczonym grecką literą lambda), to znaczy wartością, która określa, ile ciepła należy przepuścić przez powierzchnię 1 m², tak że w ciągu jednej sekundy, przechodząc przez grubość materiału o jeden metr, zmienia się temperatura na jego końcach o 1 K. Ta właściwość jest właściwa dla każdego materiału i zmienia się w zależności od jego temperatury, dlatego współczynnik ten mierzy się z reguły w temperaturze pokojowej (300 K) w celu porównania właściwości różnych substancji.

Jeśli materiał jest niejednorodny, na przykład żelbetowy, wówczas wprowadza się pojęcie użytecznego współczynnika przewodności cieplnej, który mierzy się zgodnie ze współczynnikami jednorodnych substancji, które tworzą ten materiał.

Poniższa tabela pokazuje przewodnictwo cieplne niektórych metali i stopów w W / (m * K) dla temperatury 300 K (27 ° C):

  • stal 47–58;
  • aluminium 237;
  • miedź 372, 1-385, 2;
  • brąz 116-186;
  • cynk 106-140;
  • tytan 21, 9;
  • cyna 64, 0;
  • ołów 35, 0;
  • żelazo 80, 2;
  • mosiądz 81-116;
  • złoto 308, 2;
  • srebro 406, 1–418, 7.

Poniższa tabela pokazuje dane dla ciał stałych niemetalicznych:

  • włókno szklane 0, 03-0, 07;
  • szkło 0, 6-1, 0;
  • azbest 0, 04;
  • drzewo 0, 13;
  • parafina 0, 21;
  • cegła 0, 80;
  • diament 2300.

Z rozważanych danych wynika, że ​​przewodnictwo cieplne metali znacznie przewyższa przewodnictwo niemetali. Wyjątkiem jest diament, który ma pięciokrotnie większy współczynnik przenikania ciepła niż miedź. Ta właściwość diamentu związana jest z silnymi wiązaniami kowalencyjnymi między atomami węgla, które tworzą jego sieć krystaliczną. To dzięki tej właściwości człowiek czuje się zimno, dotykając diamentem ustami. Właściwość diamentu do dobrego przenoszenia energii cieplnej jest wykorzystywana w mikroelektronice do usuwania ciepła z mikroukładów. A także ta właściwość jest używana w specjalnych urządzeniach do odróżnienia prawdziwego diamentu od podróbki.

W niektórych procesach przemysłowych starają się zwiększyć zdolność wymiany ciepła, co osiąga się albo dzięki dobrym przewodnikom, albo przez zwiększenie powierzchni styku między elementami konstrukcji. Przykładami takich konstrukcji są wymienniki ciepła i rozpraszacze ciepła. W innych przypadkach, wręcz przeciwnie, starają się zmniejszyć przewodność cieplną, co osiąga się poprzez zastosowanie izolatorów cieplnych, pustek w konstrukcjach i zmniejszenie powierzchni styku elementów.

Współczynniki przenikania ciepła dla stali

Zdolność do przenoszenia ciepła na stal zależy od dwóch głównych czynników: składu i temperatury.

Proste stale węglowe o rosnącej zawartości węgla zmniejszają ich ciężar właściwy, zgodnie z którym zmniejsza się ich zdolność do przenoszenia ciepła z 54 do 36 W / (m * K) wraz ze zmianą procentowej zawartości węgla w stali z 0, 5 do 1, 5%.

Stale nierdzewne zawierają chrom (10% lub więcej), który wraz z węglem tworzy złożone węgliki, które zapobiegają utlenianiu materiału, a także zwiększają potencjał elektrodowy metalu. Przewodność cieplna stali nierdzewnej jest niewielka w porównaniu do innych stali i wynosi od 15 do 30 W / (m * K) w zależności od jej składu. Żaroodporne stale chromowo-niklowe mają jeszcze niższe wartości tego współczynnika (11–19 W / (m * K).

Inną klasą jest stal ocynkowana o ciężarze właściwym 7850 kg / m3, który jest uzyskiwany przez powlekanie stali złożonej z żelaza i cynku. Ponieważ cynk przewodzi ciepło łatwiej niż żelazo, przewodność cieplna stali ocynkowanej będzie stosunkowo wysoka w porównaniu z innymi klasami stali. Wynosi od 47 do 58 W / (m * K).

Przewodność cieplna stali w różnych temperaturach z reguły niewiele się zmienia. Na przykład współczynnik przewodności cieplnej stali 20 spada z 86 do 30 W / (m * K), gdy temperatura wzrasta od temperatury pokojowej do 1200 ° C, a dla gatunku 08Kh13 wzrost temperatury od 100 do 900 ° C nie zmienia jego współczynnika przewodności cieplnej (27–28 W / (m * K).

Czynniki wpływające na wielkość fizyczną

Zdolność do przewodzenia ciepła zależy od wielu czynników, w tym od temperatury, struktury i właściwości elektrycznych substancji.

Temperatura materiału

Wpływ temperatury na zdolność przewodzenia ciepła jest różny dla metali i niemetali. W metalach przewodnictwo jest związane głównie z wolnymi elektronami. Zgodnie z prawem Wiedemanna-Franza przewodnictwo cieplne metalu jest proporcjonalne do iloczynu temperatury bezwzględnej wyrażonej w kelwinach i jego przewodności elektrycznej. W czystych metalach przewodność elektryczna maleje wraz ze wzrostem temperatury, więc przewodność cieplna pozostaje w przybliżeniu stała . W przypadku stopów przewodność elektryczna niewiele zmienia się wraz ze wzrostem temperatury, dlatego przewodność cieplna stopów wzrasta proporcjonalnie do temperatury.

Z drugiej strony przenoszenie ciepła w niemetalach jest związane głównie z drganiami sieci i wymianą fononów sieci. Z wyjątkiem wysokiej jakości kryształów i niskich temperatur, średnia swobodna ścieżka fononu w sieci nie zmniejsza się znacząco w wysokich temperaturach, dlatego przewodność cieplna pozostaje stała w całym zakresie temperatur, tj. Jest nieznaczna. W temperaturach poniżej temperatury Debye zdolność niemetali do przewodzenia ciepła wraz z ich pojemnością cieplną jest znacznie zmniejszona.

Przejścia fazowe i struktura

Gdy materiał doświadcza przejścia fazowego pierwszego rzędu, na przykład ze stanu stałego do ciekłego lub ze stanu ciekłego do gazu, jego przewodność cieplna może się zmienić. Uderzającym przykładem takiej zmiany jest różnica tej fizycznej wielkości dla lodu (2, 18 W / (m * K) i wody (0, 90 W / (m * K).

Zmiany w strukturze krystalicznej materiałów wpływają również na przewodnictwo cieplne, co tłumaczy się anizotropowymi właściwościami różnych modyfikacji alotropowych substancji o tym samym składzie. Anizotropia wpływa na różne intensywności rozpraszania fononów sieci, głównych nośników ciepła w niemetalach i w różnych kierunkach w krysztale. Żywym przykładem jest tutaj szafir, którego przewodność zmienia się od 32 do 35 W / (m * K) w zależności od kierunku.

Przewodnictwo elektryczne

Przewodność cieplna w metalach zmienia się wraz z przewodnością elektryczną zgodnie z prawem Wiedemann - Franz. Wynika to z faktu, że elektrony walencyjne, swobodnie poruszając się po krystalicznej sieci metalu, przekazują nie tylko energię elektryczną, ale także energię cieplną. W przypadku innych materiałów korelacja między tymi rodzajami przewodnictwa nie jest wyraźna, ze względu na nieznaczny wkład elementu elektronicznego w przewodnictwo cieplne (fonony sieci odgrywają główną rolę w mechanizmie przenoszenia ciepła).

Proces konwekcji

Powietrze i inne gazy są ogólnie dobrymi izolatorami ciepła przy braku procesu konwekcji. Praca wielu materiałów termoizolacyjnych zawierających dużą liczbę małych pustek i porów opiera się na tej zasadzie. Taka konstrukcja nie pozwala na rozprzestrzenianie się konwekcji na duże odległości. Przykładami takich materiałów otrzymywanych przez człowieka są polistyren i aerożel silikonowy. W naturze izolatory termiczne, takie jak skóry zwierząt i upierzenie ptaków, działają na tej samej zasadzie.

Gazy lekkie, takie jak wodór i żel, mają wysoką przewodność cieplną, a gazy ciężkie, takie jak argon, ksenon i radon, są słabymi przewodnikami ciepła. Na przykład argon, gaz obojętny, który jest cięższy od powietrza, jest często stosowany jako wypełniacz gazowy izolujący ciepło w podwójnych oknach i żarówkach. Wyjątkiem jest sześciofluorek siarki (gaz SF6), który jest ciężkim gazem i ma stosunkowo wysoką przewodność cieplną ze względu na swoją wysoką pojemność cieplną.

Kategoria:

Technologia