Теплопровідність заліза висока чи низька. Фізичні характеристики, склад та особливості металу заліза

Висока теплопровідність міді та інші її корисні характеристикипослужили однією з причин раннього освоєння цього металу людиною. І донині знаходять застосування майже в усіх сферах нашого життя.

Трохи про теплопровідність

Під теплопровідністю у фізиці розуміють переміщення енергії в об'єкті від більш нагрітих. найдрібніших частинокменш нагрітим. Завдяки цьому процесу вирівнюється температура предмета, що розглядається в цілому. Розмір здатності проводити тепло характеризується коефіцієнтом теплопровідності. Даний параметр дорівнює кількості тепла, що пропускає через себе матеріал завтовшки 1 метр через площу поверхні 1 м2 протягом однієї секунди при одиничній різниці температур.

Мідь має коефіцієнт теплопровідності 394 Вт/(м*К) при температурі від 20 до 100 °С. Суперничати з нею може лише срібло. А у сталі та заліза цей показник нижче в 9 та 6 разів відповідно (див. таблицю). Варто зазначити, що теплопровідність виробів, виготовлених із міді, значною мірою залежить від домішок (втім, це стосується інших металів). Наприклад, швидкість провідності тепла знижується, якщо в мідь потрапляють такі речовини, як:

залізо;
миш'як;
кисень;
селен;
алюміній;
сурма;
фосфор;
сірка.

Якщо додати до міді цинк, то вийде латунь, яка має коефіцієнт теплопровідності набагато нижчий. У той же час додавання інших речовин в мідь дозволяє суттєво знизити вартість готових виробів та надати їм такі характеристики, як міцність та зносостійкість. Наприклад, для латуні характерні вищі технологічні, механічні та антифрикційні характеристики.

Оскільки для високої теплопровідності характерне швидке поширення енергії нагріву по всьому предмету, мідь отримала широке застосуванняу системах теплообміну. на даний моментз неї виготовляють радіатори та трубки для холодильників, вакуумних установок та автомашин для швидкого відведення тепла. Також мідні елементи застосовують у опалювальних установках, але вже для обігріву.

Щоб підтримувати теплопровідність металу на високому рівні(А значить, робити роботу пристроїв з міді максимально ефективною), у всіх системах теплообміну використовують примусове обдування вентиляторами. Таке рішення викликане тим, що при підвищенні температури середовища теплопровідність будь-якого матеріалу значно знижується, адже тепловіддача сповільнюється.

Алюміній та мідь – що краще?

У алюмінію є один мінус порівняно з міддю: його теплопровідність у 1,5 рази менша, а саме 201-235 Вт/(м*К). Однак, порівняно з іншими металами, це достатньо високі значення. Алюміній так само, як і мідь, має високі антикорозійні властивості. Крім того, він має такі переваги, як:

мала щільність (питома вага у 3 рази менше, ніж у міді);
низька вартість (у 3,5 рази менша, ніж у міді).

Завдяки простим розрахункам виходить, що алюмінієва деталь може виявитися дешевшою за мідну практично в 10 разів, адже вона важить набагато менше і виготовлена з дешевшого матеріалу. Цей факт поряд з високою теплопровідністю дозволяє використовувати алюміній як матеріал для посуду та харчової фольги для духових шаф. Головний недолікалюміній полягає в тому, що він є більш м'яким, тому його можна використовувати тільки у складі сплавів (наприклад, дюралюмінію).

Для ефективного теплообміну важливу рольграє швидкість віддачі тепла в навколишнє середовище, і цьому активно сприяє обдуву радіаторів. В результаті менша теплопровідність алюмінію (щодо міді) нівелюється, а вага та вартість обладнання знижуються. Ці важливі плюсидозволяють алюмінію поступово витісняти мідь із використання у системах кондиціювання.

У деяких галузях, наприклад, у радіопромисловості та електроніці, мідь є незамінною. Справа в тому, що цей метал за своєю природою дуже пластичний: його можна витягнути вкрай тонкий дріт (0,005 мм), а також створити інші специфічні струмопровідні елементи для електронних приладів. А висока теплопровідність дозволяє міді вкрай ефективно відводити тепло, що неминуче виникає при роботі електроприладів, що дуже важливо для сучасної високоточної, але в той же час компактної техніки.

Актуальне використання міді в тих випадках, коли потрібно зробити наплавлення певної формина сталеву деталь. При цьому застосовується шаблон з міді, який не з'єднується з елементом, що приварюється. Використання алюмінію для цих цілей неможливе, оскільки він буде розплавлений або пропалений. Варто також згадати, що мідь здатна виконати роль катода при зварюванні вугільною дугою.

1 — шестерня, 2 — кріплення шаблонів, 3 — зуб шестерні, що наплавляється, 4 — мідні шаблони

Недоліки високої теплопровідності міді та її сплавів

Мідь має куди більш високу вартість, ніж латунь або алюміній. При цьому у даного металує свої недоліки, що безпосередньо пов'язані з його достоїнствами. Висока теплопровідність призводить до необхідності створювати спеціальні умовипід час різання, зварювання та паяння мідних елементів. Так як нагрівати мідні елементи потрібно набагато концентрованіше порівняно зі сталлю. Також часто потрібний попередній та супутній підігрів деталі.

Не варто забувати і про те, що мідні труби вимагають ретельної ізоляції в тому випадку, якщо їх складається магістраль або розведення системи опалення. Що призводить до збільшення вартості монтажу мережі у порівнянні з варіантами, коли використовуються інші матеріали.

Складнощі виникають і з міді: для цього процесу будуть потрібні потужніші пальники. При зварюванні металу товщиною 8-10 мм потрібно два-три пальники. Поки один пальник використовується для зварювання, іншими ведеться підігрів деталі. Загалом зварювальні роботи з міддю вимагають підвищених витрат на витратні матеріали.

Слід сказати і необхідність використання спеціальних інструментів. Так, для різання товщиною до 15 см знадобиться різак, здатний працювати з високохромистою сталлю товщиною 30 см. Причому цього ж інструменту вистачить для роботи з товщиною лише 5 см.

Висока теплопровідність міді поряд з іншими чудовими властивостямивизначила цьому металу значуще місцеісторія розвитку людської цивілізації. Вироби із міді та її сплавів використовуються практично у всіх сферах нашого життя.

1

Теплопровідністю називають процес перенесення енергії частинок (електронів, атомів, молекул) нагрітіших ділянок тіла до частинок менш нагрітих його ділянок. Такий теплообмін призводить до вирівнювання температури. Уздовж тіла переноситься лише енергія, речовина не переміщається. Характеристикою здатності проводити тепло є коефіцієнт теплопровідності, чисельно рівний кількості теплоти, яка проходить через матеріал площею 1 м 2 завтовшки 1 м, за 1 секунду при одиничному градієнті температури.

Коефіцієнт теплопровідності міді за нормальної температури 20–100 °З становить 394 Вт/(м * К) – вище лише у срібла. поступається міді за цим показником майже в 9 разів, а залізо – у 6. Різні домішки по-різному впливають на Фізичні властивостіметалів. У міді швидкість передачі тепла знижується при додаванні до матеріалу або потраплянні в результаті технологічного процесутаких речовин, як:

алюміній;
залізо;
кисень;
миш'як;
сурма;
сірка;
селен;
фосфор.

Висока теплопровідність характеризується швидким поширенням енергії нагріву по всьому об'єму предмета. Ця здатність забезпечила міді широке застосування у будь-яких системах теплообміну. Її використовують при виготовленні трубок та радіаторів холодильників, кондиціонерів, вакуумних установок, автомашин для відведення надлишкового тепла охолоджуючої рідини. У опалювальних приладах такі вироби з міді служать для обігріву.

Здатність міді проводити тепло знижується при нагріванні. Значення коефіцієнта теплопровідності міді у повітрі залежить від температури останнього, що впливає на тепловіддачу (охолодження). Чим вище температура навколишнього середовища, тим повільніше остигає метал і нижче його теплопровідність. Тому у всіх теплообмінниках використовують примусове обдування вентилятором – це підвищує ефективність роботи пристроїв і одночасно підтримує теплову провідність на оптимальному рівні.

2

Теплопровідність алюмінію та міді різна – у першого вона менша, ніж у другого, в 1,5 раза. У алюмінію цей параметр становить 202-236 Вт/(м * К) і є досить високим порівняно з іншими металами, але нижчими, ніж у золота, міді, срібла. Область застосування алюмінію та міді, де потрібна висока теплопровідність, залежить від інших властивостей цих матеріалів.

Алюміній не поступається міді за антикорозійними властивостями і перевищує наступні показники:

щільність (питома вага) алюмінію менша в 3 рази;
вартість – нижче у 3,5 рази.

Аналогічний виріб, але виконаний з алюмінію, значно легший, ніж із міді. Так як за вагою металу потрібно менше в 3 рази, а ціна його нижче в 3,5 рази, то алюмінієва деталь може бути дешевшою приблизно в 10 разів. Завдяки цьому та високій теплопровідності алюміній знайшов широке застосування при виробництві посуду, харчової фольги для духовок. Так як цей метал м'який, то чистому виглядіне використовується – поширені переважно його сплави (найвідоміший – дюралюміній).

У різних теплообмінниках головне – це швидкість віддачі надлишкової енергії у довкілля. Це завдання вирішується інтенсивним обдуванням радіатора за допомогою вентилятора. При цьому менша теплопровідність алюмінію практично не відбивається на якості охолодження, а обладнання, пристрої виходять значно легше і дешевше (наприклад, комп'ютерна та побутова техніка). У Останнім часому виробництві намітилася тенденція до заміни в системах кондиціювання мідних трубок на алюмінієві.

Мідь практично незамінна в радіопромисловості, електроніці як струмопровідний матеріал. Завдяки високій пластичності з неї можна витягувати дріт діаметром до 0,005 мм і робити інші дуже тонкі струмопровідні з'єднання, які використовуються для електронних приладів. Вища, ніж у алюмінію, провідність забезпечує мінімальні втрати та менший нагрів радіоелементів. Теплопровідність дозволяє ефективно відводити тепло, що виділяється при роботі зовнішні елементипристроїв – корпус, що підводять контакти (наприклад, мікросхеми, сучасні процесори).

Шаблони з міді використовують при зварюванні, коли необхідно на сталеву деталь зробити наплавлення потрібної форми. Висока теплопровідність не дозволить мідному шаблону з'єднатися із привареним металом. Алюміній у таких випадках застосовувати не можна, тому що велика ймовірність його розплавлення чи пропалювання. Мідь також використовують при зварюванні вугільною дугою - стрижень з цього матеріалу служить катодом, що неплавиться.

3

Низька теплопровідність у багатьох випадках є необхідною властивістю – на цьому ґрунтується теплоізоляція.Використання мідних труб у системах опалення призводить до значно великим втраттепла, ніж при застосуванні магістралей та розводок з інших матеріалів. Мідні трубопроводи вимагають ретельнішої теплоізоляції.

У міді висока теплопровідність, що зумовлює досить складний процес монтажних та інших робіт, що мають свою специфіку. Зварювання, паяння, різання міді вимагає більш концентрованого нагріву, ніж для сталі, і найчастіше попереднього та супутнього підігріву металу.

При газовому зварюванні міді необхідно використання пальників потужністю на 1–2 номери вище, ніж для сталевих деталей такої ж товщини. Якщо мідь товща 8-10 мм, рекомендується працювати з двома або навіть трьома пальниками (часто зварювання роблять одним, а іншими здійснюють підігрів). Зварювальні роботи на змінному струміелектродами супроводжуються підвищеним розбризкуванням металу. Різак, достатній для товщини високохромистої сталі 300 мм, підійде для різання латуні, бронзи (сплави міді) товщиною до 150 мм, а чистої міді всього 50 мм. Усі роботи пов'язані із значно більшими витратами на витратні матеріали.

4

Мідь – один із головних компонентів в електроніці, що використовується у всіх мікросхемах. Вона відводить і розсіює тепло, що утворюється під час проходження струму. Обмеження швидкодії комп'ютерів обумовлено збільшенням нагрівання процесора та інших елементів схем у разі зростання тактової частоти. Розбиття на кілька ядер, що працюють одночасно, та інші способи боротьби з перегрівом вичерпали себе. Нині ведуться розробки, створені задля отримання провідників із вищою електропровідністю і теплопровідністю.

Відкритий нещодавно вченими графен здатний значно збільшити теплопровідність мідних провідників та їхню можливість до розсіювання тепла. Під час проведення експерименту шар міді покрили графеном з усіх боків. Це покращило тепловіддачу провідника на 25%. Як пояснили вчені, нова речовина змінює структуру передачі тепла та дозволяє енергії рухатися в металі вільніше. Винахід знаходиться на стадії доопрацювання - при експерименті використовувався мідний провідник. великих розмірівніж у процесорі.

Метали – це речовини, що мають кристалічну структуру. При нагріванні вони здатні плавитись, тобто переходити в плинний стан. Одні мають невисоку температуру плавлення: їх можна розплавити, помістивши в звичайну ложку і тримаючи над полум'ям свічки. Це свинець та олово. Інші можна розплавити тільки в спеціальних печах. Високу мають мідь і залізо. Для її зниження метал вводять добавки. Отримані сплави (сталь, бронза, чавун, латунь) мають температуру плавлення нижче вихідного металу.

Від чого залежить температура плавлення металів? Усі вони мають певні характеристики- теплоємність та теплопровідність металів. Теплоємністю називають здатність при нагріванні поглинати теплоту. Її чисельний показник - питома теплоємність. Під нею мається на увазі кількість енергії, яку здатна поглинути одиниця маси металу, що нагрівається на 1°С. Від цього показника залежить витрата палива нагрівання металевої заготовки до потрібної температури. Теплоємність більшості металів знаходиться в межах 300-400 Дж/(кг*К), металевих сплавів – 100-2000 Дж/(кг*К).

Теплопровідність металів - це перенесення тепла від гарячіших частинок до холоднішим за законом Фур'є за їх макроскопічної нерухомості. Вона залежить від структури матеріалу, його хімічного складута типу міжатомного зв'язку. У металах передача тепла здійснюється електронами, в інших твердих матеріалах- фононами. Теплопровідність металів тим вища, що більш досконалу кристалічну структуру вони мають. Чим більше метал має домішок, тим більше спотворені кристалічні грати, і тим нижча теплопровідність. Легування вносить такі спотворення структуру металів і знижує теплопровідність щодо основного металу.

У всіх металів хороша теплопровідність, але в одних вища, ніж в інших. Приклад таких металів – золото, мідь, срібло. Більше низька теплопровідність- В олова, алюмінію, заліза. Підвищена теплопровідність металів є перевагою чи недоліком, залежно від сфери їх використання. Наприклад, вона необхідна металевому посуду для швидкого нагрівання їжі. У той же час застосування металів з високою теплопровідністю для виготовлення ручок посуду ускладнює її використання - ручки дуже швидко нагріваються, і до них неможливо торкнутися. Тому тут використовують теплоізолюючі матеріали.

Ще одна характеристика металу, що впливає на його властивості. теплове розширення. Воно виглядає як збільшення в об'ємі металу при нагріванні і зменшення - при охолодженні. Це обов'язково необхідно враховувати під час виготовлення металевих виробів. Так, наприклад, кришки каструль роблять накладними, у чайників теж передбачений проміжок між кришкою і корпусом, щоб при нагріванні кришку не заклинило.

Для кожного металу обчислено коефіцієнт Його визначають нагріванням на 1°С дослідного зразка, що має довжину 1 м. Найбільший коефіцієнт мають свинець, цинк, олово. Менше він у міді та срібла. Ще нижче - залізо та золото.

за хімічним властивостямметали поділяються на кілька груп. Існують активні метали (наприклад, калій чи натрій), здатні миттєво вступати у реакцію із повітрям чи водою. Шість найактивніших металів, що становить першу групу періодичної таблиціназивають лужними. Вони мають невелику температуру плавлення і настільки м'які, що можуть бути розрізані ножем. З'єднуючись із водою, вони утворюють лужні розчини, звідси та їхню назву.

Другу групу складають лужноземельні метали- кальцій, магній та ін. Вони входять до складу багатьох мінералів, більш тверді та тугоплавкі. Прикладами металів наступних, третьої та четвертої груп, можуть бути свинець і алюміній. Це досить м'які метали і часто використовуються в сплавах. Перехідні метали(залізо, хром, нікель, мідь, золото, срібло) менш активні, більш ковкі і часто застосовуються у промисловості у вигляді сплавів.

Положення кожного металу у низці активності характеризує його здатність вступати в реакцію. Чим активніший металтим легше він забирає кисень. Їх дуже важко виділити зі сполук, у той час як малоактивні можна зустріти в чистому вигляді. Найактивніші з них - калій і натрій - зберігають у гасі, поза ним вони відразу ж окислюються. З металів, які у промисловості, найменш активним є мідь. З неї роблять резервуари та труби для гарячої води, а також електричні дроти.

Вступ

Визначення коефіцієнта теплопровідності металів відіграє у деяких галузях, наприклад у металургії, радіотехніці, машинобудуванні, будівництві. Нині існує безліч різних методів, з допомогою яких можна визначити коефіцієнт теплопровідності металів.

Ця робота присвячена вивченню основної якості металів - теплопровідності, і навіть вивченню методів дослідження теплопровідності.

Об'єктом дослідження є теплопровідність металів, а також різні методилабораторні дослідження.

Предмет дослідження – коефіцієнти теплопровідності металів.

Запланований результат - постановка лабораторної роботи"Визначення коефіцієнта теплопровідності металів" на основі калориметричного методу.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

Вивчення теорії теплопровідності металів;

Вивчення методів визначення коефіцієнта теплопровідності;

Підбір лабораторного обладнання;

Експериментальне визначення коефіцієнта теплопровідності металів;

Постановка лабораторної роботи "Визначення коефіцієнта теплопровідності металів".

Робота складається з трьох розділів, у яких розкрито поставлені завдання.

Теплопровідність металів

Закон Фур'є

Теплопровідність - це молекулярне перенесення теплоти між безпосередньо стикаються тілами або частинками одного тіла з різною температурою, при якому відбувається обмін енергією руху структурних частинок (молекул, атомів, вільних електронів).

Теплопровідність визначається тепловим рухом мікрочастинок тіла.

Основним законом передачі тепла теплопровідністю є закон Фур'є. Згідно з цим законом, кількість тепла dQ, що передається за допомогою теплопровідності через елемент поверхні dF, перпендикулярний тепловому потоку, за час dф прямо пропорційно температурному градієнту, поверхні dF і часу dф.

Коефіцієнт пропорційності л називається коефіцієнтом теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності – теплофізична характеристика речовини, що характеризує здатність речовини проводити теплоту.

Знак мінус у формулі (1) вказує на те, що теплота передається у напрямку зменшення температури.

Кількість теплоти, що пройшла в одиницю часу через одиницю ізотермічної поверхні, називається тепловим потоком:

Закон Фур'є застосовується для опису теплопровідності газів, рідин і твердих тіл, відмінність буде лише у коефіцієнтах теплопровідності.

Коефіцієнт теплопровідності металів та його залежність від параметрів стану речовини

Коефіцієнт теплопровідності – теплофізична характеристика речовини, що характеризує здатність речовини проводити теплоту.

Коефіцієнт теплопровідності - кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярно grad t.

Для різних речовинКоефіцієнт теплопровідності різний і залежить від структури, щільності, вологості, тиску та температури. Ці обставини повинні враховуватися під час використання довідкових таблиць.

Найбільше значення має коефіцієнт теплопровідності металів, котрим. Найбільш теплопровідним металом є срібло, потім йде чиста мідь, золото, алюміній і т.д. Більшість металів зростання температури призводить до зменшення коефіцієнта теплопровідності. Ця залежність може бути приблизно апроксимована рівнянням прямої лінії

тут л, л0 - відповідно коефіцієнти теплопровідності при даній температурі t і при 00C, - температурний коефіцієнт. Коефіцієнт теплопровідності металів дуже чутливий до домішок.

Наприклад, з появою в міді навіть слідів миш'яку її коефіцієнт теплопровідності знижується з 395 до 142; для сталі при 0,1% вуглецю л = 52, при 1,0% - л = 40, при 1,5% вуглецю л=36.

На коефіцієнт теплопровідності впливає і теплова обробка. Так, у загартованої вуглецевої сталі л на 10 - 25% нижче, ніж у м'якої. З цих причин коефіцієнти теплопровідності торгових зразків металу за однакових температур можуть істотно відрізнятися. Слід зазначити, що з сплавів, на відміну чистих металів, характерне збільшення коефіцієнта теплопровідності зі зростанням температури. На жаль, встановити якісь загальні кількісні закономірності, яким підпорядковується коефіцієнт теплопровідності сплавів, поки не вдалося.

Величина коефіцієнта теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів - діелектриків у багато разів менше, ніж у металів і становить 0,02 - 3,0. Для переважної більшості з них (виняток становить магнезитова цегла) зі зростанням температури коефіцієнт теплопровідності зростає. При цьому можна користуватися рівнянням (3), маючи на увазі, що для твердих тіл - діелектриків>0.

Багато будівельних і теплоізоляційні матеріалимають пористу будову (цегла, бетон, азбест, шлак та ін.). Для них і порошкоподібних матеріалів коефіцієнт теплопровідності суттєво залежить від об'ємної щільності. Це зумовлено тим, що зі зростанням пористості, більша частинаобсягу заповнюється повітрям, коефіцієнт теплопровідності якого дуже низький. Разом з тим чим вище пористість, тим нижче об'ємна щільність матеріалу. Таким чином, зменшення об'ємної щільності матеріалу, за інших рівних умов, призводить до зменшення л.

Наприклад, для азбесту зменшення об'ємної щільності з 800 кг/м до 400 кг/м призводить до зменшення з 0,248 до 0,105 . Дуже великий вплив вологості. Наприклад, для сухої цегли л = 0,35, для рідини 0,6, а для вологої цегли л = 1,0.

На ці явища слід звертати увагу щодо і технічних розрахунках теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності краплинних рідин лежить у межах 0,08 - 0,7. При цьому для переважної більшості рідин з підвищенням температури коефіцієнт теплопровідності зменшується. Виняток становлять вода та гліцерин.

Коефіцієнт теплопровідності газів ще нижче.

Коефіцієнт теплопровідності газів зростає із підвищенням температури. У межах від 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), тобто. в області, яка найчастіше зустрічається на практиці, від тиску не залежить. Слід пам'ятати, що з суміші газів (димові гази, атмосфера термічних печей тощо.) розрахунковим шляхом визначити коефіцієнт теплопровідності неможливо. Тому за відсутності довідкових даних достовірну величину л можна знайти лише досвідченим шляхом.

При значенні л< 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Для вирішення завдань теплопровідності необхідно розташовувати відомості про деякі макроскопічні властивості (теплофізичні параметри) речовини: коефіцієнт теплопровідності, щільності, питомої теплоємності.

Пояснення теплопровідності металів

Теплопровідність металів дуже велика. Вона не зводиться до теплопровідності решітки, отже тут має діяти ще один механізм передачі тепла. Виявляється, що в чистих металах теплопровідність здійснюється практично повністю за рахунок електронного газу, і лише в сильно забруднених металах і сплавах, де провідність мала, внесок теплопровідності грат виявляється суттєвим.

Чисельну характеристику теплопровідності матеріалу можна визначити кількістю теплоти, що проходить крізь матеріал певної товщини. певний час. Чисельна характеристикаважлива під час розрахунку теплопровідності різних профільних виробів.

Коефіцієнти теплопровідності різних металів

Для здійснення теплопровідності обов'язково потрібний безпосередній фізичний контакт, що здійснюється між двома тілами. Отже, передача тепла здійсненна лише між твердими тілами та нерухомими рідинами. Безпосередній контакт дає можливість кінетичної енергії перейти від молекул найбільш теплої речовинидо найхолоднішого. Обмін тепла відбувається при безпосередньому дотику різних за температурою тіл один до одного.

Тут слід звернути увагу, що молекули теплого тіла не можуть проникати в холодне тіло. Відбувається лише передача кінетичної енергії, що дає рівномірний розподілтепла. Така передача енергії продовжуватиметься, поки тіла, що стикаються, не стануть рівномірно теплими. У такому разі досягається теплова рівновага. На підставі цих знань можна розрахувати, який утеплювальний матеріал буде потрібно для влаштування теплоізоляції тієї чи іншої будівлі.

Теплопровідність є фізичну величинуяка визначає здатність матеріалів проводити тепло. Іншими словами, теплопровідність є здатністю субстанцій передавати кінетичну енергію атомів і молекул іншим субстанціям, що знаходяться в безпосередньому контакті з ними. У СІ ця величина вимірюється у Вт/(К*м) (Ват на Кельвін-метр), що еквівалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвін-метр).

Поняття теплопровідності

Вона є інтенсивною фізичною величиною, тобто величиною, яка визначає властивість матерії, яка залежить від кількості останньої. Інтенсивними величинами є температура, тиск, електропровідність, тобто ці характеристики однакові в будь-якій точці однієї і тієї ж речовини. Іншою групою фізичних величин є екстенсивні, які визначаються кількістю речовини, наприклад, маса, об'єм, енергія та інші.

Протилежною величиною для теплопровідності є теплоопірність, яка відображає здатність матеріалу перешкоджати перенесенню тепла, що проходить через нього. Для ізотропного матеріалу, тобто матеріалу, властивості якого однакові у всіх просторових напрямках, теплопровідність є скалярною величиноюі визначається як відношення потоку тепла через одиничну площу за одиницю часу до градієнта температури. Так, теплопровідність, що дорівнює одному вату на метр-Кельвін, означає, що теплова енергія в один Джоуль переноситься через матеріал:

за одну секунду;
через площу один квадратний метр;
на відстань один метр;
коли різниця температур на поверхнях, що знаходяться на відстані один метр один від одного в матеріалі, дорівнює один Кельвін.

Зрозуміло, що чим більше значеннятеплопровідності, тим краще матеріалпроводить тепло, і навпаки. Наприклад, значення цієї величини для міді дорівнює 380 Вт/(м*К), і цей метал у 10 000 разів краще переносить тепло, ніж поліуретан, теплопровідність якого становить 0,035 Вт/(м*К).

Перенесення тепла на молекулярному рівні

Коли матерія нагрівається, збільшується середня кінетична енергія складових її частинок, тобто збільшується рівень безладу, атоми і молекули починають інтенсивніше і з більшою амплітудою коливатися біля своїх рівноважних положень у матеріалі. Перенесення тепла, яке на макроскопічному рівні можна описати законом Фур'є, на молекулярному рівніявляє собою обмін кінетичною енергієюміж частинками (атомами та молекулами) речовини, без перенесення останньої.

Це пояснення механізму теплопровідності на молекулярному рівні відрізняє його механізму термічної конвекції, у якому має місце перенесення тепла з допомогою переносу речовини. всі тверді тіламають здатність до теплопровідності, в той час як теплова конвекціяможлива тільки в рідинах та газах. Справді, тверді речовинипереносять тепло в основному за рахунок теплопровідності, а рідини та гази, якщо є температурні градієнти в них, переносять тепло в основному за рахунок процесів конвекції.

Теплопровідність матеріалів

Яскраво вираженою здатністю проводити тепло мають метали. Для полімерів властива невисока теплопровідність, а деякі з них практично не проводять тепло, наприклад скловолокно, такі матеріали називаються утеплювачами. Щоб існував той чи інший потік тепла через простір, необхідна наявність деякої субстанції в цьому просторі, тому відкритому космосі(Порожній простір) теплопровідність дорівнює нулю.

Кожен гомогенний (однорідний) матеріал характеризується коефіцієнтом теплопровідності (позначається грецькою літероюлямбда), тобто величиною, яка визначає, скільки тепла потрібно передати через площу 1 м², щоб за одну секунду, пройшовши через товщу матеріалу в один метр, температура на його кінцях змінилася на 1 К. Ця властивість властива кожному матеріалу і змінюється залежно від його температури, тому цей коефіцієнт вимірюють, як правило, при кімнатній температурі(300 К) порівняння характеристики різних речовин.

Якщо матеріал є неоднорідним, наприклад залізобетон, тоді вводять поняття корисного коефіцієнтатеплопровідності, що вимірюється згідно з коефіцієнтами однорідних речовин, що становлять цей матеріал.

У таблиці нижче наведено коефіцієнти теплопровідності деяких металів і сплавів у Вт/(м*К) для температури 300 К (27 °C):

сталь 47-58;
алюміній 237;
мідь 372,1-385,2;
бронза 116–186;
цинк 106-140;
титан 21,9;
олово 64,0;
свинець 35,0;
залізо 80,2;
латунь 81-116;
золото 308,2;
срібло 406,1-418,7.

У наступній таблиці наведено дані для неметалічних твердих речовин:

скловолокно 0,03-0,07;
скло 0,6-1,0;
азбест 0,04;
дерево 0,13;
парафін 0,21;
цегла 0,80;
алмаз 2300.

З даних видно, що теплопровідність металів набагато перевищує таку для неметалів. Виняток становить алмаз, який має коефіцієнт теплопередачі в п'ять разів більше, ніж мідь. Ця властивість алмазу пов'язана з сильними ковалентними зв'язкамиміж атомами вуглецю, які утворюють його кристалічну решітку Саме завдяки цій властивості людина відчуває холод при дотику до алмазу губами. Властивість алмазу добре переносити теплову енергіювикористовується в мікроелектроніці для відведення тепла із мікросхем. А також ця властивість використовується в спеціальних приладах, що дозволяють відрізнити алмаз від підробки.

У деяких індустріальних процесах намагаються збільшити здатність передачі тепла, чого досягають або за рахунок добрих провідників, або за рахунок збільшення площі контакту між складовими конструкції. Прикладами таких конструкцій є теплообмінники та розсіювачі тепла. В інших випадках, навпаки, намагаються зменшити теплопровідність, чого досягають за рахунок використання утеплювачів, порожнин в конструкціях і зниження площі контакту елементів.

Коефіцієнти теплопередачі сталей

Здатність передавати тепло для сталей залежить від двох основних чинників: складу та температури.

Прості вуглецеві сталі при збільшенні вмісту вуглецю знижують свою питому вагу, відповідно до якої також зменшується та їх здатність переносити тепло від 54 до 36 Вт/(м*К) при зміні відсотка вуглецю сталі від 0,5 до 1,5%.

Нержавіючі сталі містять у своєму складі хром (10% і більше), які разом з вуглецем утворюють складні карбіди, що перешкоджають окисленню матеріалу, а також підвищують. електродний потенціалметалу. Теплопровідність нержавіючої сталі невелика в порівнянні з іншими сталями і коливається від 15 до 30 Вт/(м*К) залежно від її складу. Жароміцні хромонікелеві сталі мають ще більше низькими значеннямицього коефіцієнта (11-19 Вт/(м*К)).

Іншим класом є оцинковані сталі з питомою вагою 7850 кг/м3, які отримують шляхом нанесення покриттів на сталь, що складаються із заліза та цинку. Так як цинк легше проводить тепло, ніж залізо, то і теплопровідність оцинкованої сталі буде відносно високою в порівнянні з іншими класами сталі. Вона коливається від 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопровідність сталі за різних температур, зазвичай, не змінюється сильно. Наприклад, коефіцієнт теплопровідності сталі 20 зі збільшенням температури від кімнатної до 1200 °C знижується від 86 до 30 Вт/(м*К), а марки стали 08Х13 збільшення температури від 100 до 900 °C змінює її коефіцієнт теплопровідності (27-28 Вт/(м*К).

Чинники, що впливають на фізичну величину

Здатність проводити тепло залежить від ряду факторів, включаючи температуру, структуру та електричні властивостіречовини.

Температура матеріалу

Вплив температури на здатність проводити тепло відрізняється для металів та неметалів. У металах провідність головним чином пов'язана з вільними електронами. Відповідно до закону Відемана-Франця теплопровідність металу пропорційна добутку. абсолютної температури, Виражена в Кельвінах, на його електропровідність. У чистих металах зі збільшенням температури зменшується електропровідність, тому теплопровідність залишається приблизно постійною величиною. У разі сплавів електропровідність мало змінюється зі зростанням температури, тому теплопровідність сплавів зростає пропорційно до температури.

З іншого боку, передача тепла в неметаллах головним чином пов'язана з коливаннями решітки та обміну фононами. За винятком кристалів високої якостіі низьких температуршлях пробігу фононів у решітці значно не зменшується при високих температурахтому теплопровідність залишається постійною величиною у всьому температурному діапазоні, тобто є незначною. При температурах нижче температури Деба здатність неметалів проводити тепло, поряд з їх теплоємністю значно зменшується.

Фазові переходи та структура

Коли матеріал випробовує фазовий перехідпершого роду, наприклад, з твердого стану в рідке або з рідкого в газ, його теплопровідність може змінитися. Яскравим прикладом такої зміни є різниця цієї фізичної величини для льоду (2,18 Вт/(м*К) та води (0,90 Вт/(м*К)).

Зміни кристалічної структуриматеріалів також впливають на теплопровідність, що пояснюється анізотропними властивостями різних алотропних модифікаційречовини того самого складу. Анізотропія впливає на різну інтенсивність розсіювання ґратових фононів, основних переносників тепла в неметаллах, та в різних напрямкаху кристалі. Тут яскравим прикладомє сапфір, провідність якого змінюється від 32 до 35 Вт/(м*К) залежно від напрямку.

Електрична провідність

Теплопровідність у металах змінюється разом із електропровідністю відповідно до закону Відемана-Франця. Це зв'язано з тим що валентні електронивільно переміщаючись по кристалічні гратиметалу, переносять як електричну, а й теплову енергію. Для інших матеріалів кореляція між цими типами провідності не є яскраво вираженою, зважаючи на незначний вклад електронної складової в теплопровідність (у неметаллах основну роль у механізмі передачі тепла відіграють ґраткові фонони).

Процес конвекції

Повітря та інші гази є, як правило, хорошими утеплювачами за відсутності процесу конвекції. На цьому принципі засновано роботу багатьох теплоізолюючих матеріалів, що містять велика кількістьневеликих порожнеч і пір. Така структура не дозволяє конвекції поширюватися на великі відстані. Прикладами таких матеріалів, отриманих людиною, є полістирен та силіцидний аерогель. У природі на тому ж принципі працюють такі утеплювачі, як шкіра тварин та оперення птахів.

Легкі гази, наприклад, водень і гель мають високі значення теплопровідності, а важкі гази, наприклад, аргон, ксенон і радон, є поганими провідниками тепла. Наприклад, аргон, інертний газ, який важчий за повітря, часто використовується як теплоізолюючий газовий наповнювач у подвійних вікнах і в електричних лампочках. Винятком є гексафторид сірки (елегаз), який є важким газом і має відносно високу теплопровідність через його велику теплоємність.