Где применяется теплопроводность: ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ В БЫТУ

Содержание

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.

Виды теплопередачи – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

  

  • Участник: Ромашов Владимир Михайлович
  • Руководитель: Гурьянова Галина Александровна   

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно. 

Техника безопасности по теме «Тепловые явления»

  1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
  2. До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.
  3. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
  4. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
  5. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
  6. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
  7. При выполнение опытов нельзя пользоваться разбитой стеклянной посудой или посудой с трещинами.
  8. Стеклянные колбы при нагревании нужно ставить на асбестовые сетки. Воду можно нагревать до 60–70°С.
  9. Осколки стекла нельзя собирать со стола руками. Для этого нужно использовать щетку с совком.
  10. Нельзя оставлять без присмотра нагревательные приборы.
  11. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
  12. Будьте внимательны и осторожны при работе с колющими и режущимися  предметами.
  13. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
  14. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Виды теплопередачи» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: внутреннюю энергию тел можно изменять путем теплопередачи. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Опыт № 1. Теплопроводность

На примере этого опыта я хотел показать действие теплопроводности наглядно. При нормальных условиях тепло должно передаваться равномерно вследствие колебательных движений частиц.

К металлической линейке с помощью воска я прикрепил несколько кнопок. Закрепив линейку в штативе, я начал нагревать один конец линейки с помощью спиртовки. Линейка начала постепенно нагреваться, это можно доказать тем, что воск начал таять постепенно и кнопки поочерёдно начали отпадать.

Вывод из опыта № 1

Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура в следующей части линейки. При теплопроводности не происходит переноса самого вещества. Теплопроводность металла хорошая, у жидкостей невелика, у газов еще меньше.

Применения теплопроводности

  • Теплопроводность используется при плавлении металлов.
  • В электронике используют настолько плотное расположение плат, что теплоноситель проникает туда с трудом. Поэтому приходится тепло от электронных чипов отводить теплопроводностью.
  • Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. В кухонной посуде ручки чайников и кастрюль обычно делают деревянными или пластмассовыми в связи с тем, что у дерева и пластмассы плохая теплопроводность.
  • Поверхность утюга, которой гладят металлическая, чтобы хорошо прогревалась, а вся остальная часть утюга пластмассовая, чтобы не обжечься.
  • Плохую теплопроводность газов в основном используют, как теплоизоляцию, чтобы предохранять помещения от замерзания.
  • Плохая теплопроводность газов используется в окнах. Между двумя стёклами в окне находится воздух, поэтому воздух долгое время сохраняет тепло.
  • Термос работает по такому же принципу, что и окно. Между внутренними стенками и внешними находится воздух, и тепло очень медленно уходит.
  • Теплопроводность газов используется во многих строительных материалах, например, в кирпичах. В кирпиче находятся отверстия не просто так, а для сохранения тепла. Стены состоят из двух слоёв, между которыми находится воздух, это сделано для сохранения тепла.
  • Дома в зонах вечной мерзлоты строят на сваях.
  • Тонкой полиэтиленовой плёнкой можно защищать растения от холода, потому что полиэтилен – плохой проводник тепла.
  • Материалы, не пропускающие тепло, используются при космических полётах, чтобы пилоты не замерзали.
  • Горячие предметы лучше брать сухой тряпкой, нежели мокрой, потому что воздух хуже проводит тепло, чем вода.

Теплопроводность в природе

У многих не перелётных птиц температура лапок и тела может различаться до 30 °С. Это связано с тем, что им приходится ходить по холодной земле или по снегу, чтобы не замёрзнуть, низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу.

Образование ветра это тоже теплопроводность. Зарождаются ветра обычно около водоёмов. Днём суша нагревается быстрее чем вода, то есть над водой воздух более холодный, следовательно, его давление выше, чем у воздуха, который над сушей, и ветер начинает дуть в сторону суши. Ночью же суша остывает быстрее, чем над водой, и воздух над ней становится холоднее, чем тот, что над водой и ветер дует в сторону воды.

Мех животных обладает плохой теплопроводностью, что защищает их от перегрева и замерзания.

Снег, будучи плохим проводником тепла, предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Внешняя температура тела у человека держится постоянной благодаря теплопроводности и её свойству, согласно которому, при взаимодействии микрочастиц они передают друг другу тепло.

Интересные факты о теплопроводности

Самую большую теплопроводность имеет алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше чем у меди. Если алмазную ложечку опустить в горячий чай, то вы сразу обожжётесь из-за того, что тепло дошло до конца ложки.

Теплопроводность стекла настолько мала, что вы можете взять стеклянную палочку, раскаленную посередине, за концы, и при этом даже не почувствовать тепла.

Итальянские учёные изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Лето в ней не буде жарко, а зимой – холодно. Это связано с тем, что она сшита из специального материала, не пропускающего тепло.

Опыт № 2. Излучение

В этом опыте я хотел показать способ передачи тепла без взаимодействия двух тел. Тепло должно передаваться приёмнику, а тот в свою очередь пускать его через трубку в жидкостный манометр. Вследствие нагрева воздуха в колене соединённом с жидкостным манометром, жидкость должна опуститься.

Я соединил колено жидкостного манометра с теплоприемником. Зажёг спиртовку и поднёс к ней теплоприёмник светлой стороной, но на определённое расстояние. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, немного уменьшилась. Выровняв количество жидкости в манометре, я снова поднёс теплоприемник к источнику тепла, но уже тёмной стороной. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, уменьшилась, но значительно сильнее и быстрее. Воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился, стал давить на жидкость в колене манометра.

Вывод из опыта № 2

Энергия передавалась не теплопроводностью. Между нагретым телом и теплоприемником находился воздух – плохой проводник тепла. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.

Передача тепла излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться даже в полном вакууме.

Важным и отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если поместить тело в теплоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии. Часть тепла полученного излучением поглощается, а часть отражается.

Применения излучения

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолетов красят в серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем.

Лучевой нагрев помещения специальными инфракрасными радиаторами. Такой нагрев более эффективный, чем нагрев конвекцией, так как лучи свободно проходят сквозь воздух.

Излучение используют на космических аппаратах. Так как там нет воздуха, не получится по-другому передать тепло.

Если находиться рядом с лампой накаливания можно почувствовать тепло исходящее от неё.

Солнечные батареи работают по принципу излучения. Солнце испускает мощные тепловые лучи. Солнечные батареи принимают тепловые лучи и перерабатывают их в энергию. Такие батареи хорошие приёмники для солнечных лучей, потому что их поверхность тёмного цвета, и они хорошо нагреваются. Такие батареи используются на космических станциях и спутниках.

От компьютеров и мобильных телефонов тоже исходит тепловые лучи.

Приборы ночного видения. Такие приборы сделаны из материалов способных превращать тепловые излучения в видимые. Такие приборы используются для съёмки в абсолютной темноте. Они способны улавливать различные участки, температура которых различается на сотые доли градуса.

Интересные факты

Чем более тёмное тело, тем лучше оно поглощает тепло. Зеркальные поверхности отражают тепло полученное излучением. Абсолютно черное тело – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Когда объект нагревается до высокой температуры, он начинает светиться красным цветом. В процессе дальнейшего нагревания объекта, цвет его излучения меняется, проходя через оранжевый, желтый, и дальше по спектру, чем горячее — тем меньше длина волны излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Змеи отлично воспринимают тепловое излучение, но не глазами, а кожей. Поэтому и в полной темноте они способны обнаружить теплокровную жертву. Гремучие змеи и сибирские щитомордники реагируют на изменения температуры до тысячной доли градуса.

80 процентов тепла тела излучается головой человека.

Если бы не свойства излучения, то земля бы замёрзла. Так как земля постоянно излучает тепловые лучи в бесконечное пространство.

Глаза таракана чувствуют колебания температуры в сотую долю градуса.
На каждый квадратный метр земной поверхности попадает около 1 кВт тепловой энергии Солнца, что достаточно, чтобы вскипятить чайник за считанные минуты. 

Опыт № 3. Конвекция

Рассмотрю явление передачи тепла с помощью конвекции. Этим опытом я хочу показать, как действует конвекция. Если опыт пройдёт успешно, то тепло должно передаваться снизу вверх.

Я налил холодную воду в колбу и добавил туда марганцовокислого калия для того, чтобы видно было процесс нагрева. Зажег спиртовку и начал подогревать колбу. Видно, как струи подкрашенной воды поднимаются вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается.

Вывод из опыта № 3

При конвекции энергия переносится самими струями жидкости или газа. При конвекции происходит перенос вещества в пространстве. Для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу. Конвекция в твердых телах происходить не может.

Конвекция бывает двух видов: естественная – нагревание жидкости или газа и его самостоятельное движение; принудительная – смешивание жидкостей или газов с помощью насосов или вентиляторов.

Применение конвекции

Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. Далее тепло от дна кастрюли поступает в воду и распространяется по всему объему воды путем конвекции.

Конвекция используется в конвекционных печах или микроволновках. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон. 

В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным.

Батареи отопления в жилых помещениях располагаются снизу, а не сверху, потому что тёплый воздух поднимается вверх и помещение прогревается везде одинаково, если бы батареи располагались у потолка, то помещение бы не нагревалось вовсе.

Батареи располагаются именно под окнами, потому что горячий воздух поднимается и распространяется по комнате, а сам уступает место холодному воздуху, поступающему из окна.

Конвекция используется в двигателях внутреннего сгорания. Если воздух не будет поступать в камеру сгорания, то горение прекратится. Из-за горения воздух там расширяется, давление уменьшается и холодный воздух поступает внутрь. К двигателю внутреннего сгорания обязательно должен поступать воздух.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло препятствует движению тёплого воздуха вверх, то есть осуществлению конвекции. Таким образом, теплица является ловушкой энергии.

Вентилятор фена прогоняет воздух через трубу с тонкой длинной нагревательной спиралью. Спираль нагревается проходящим по ней электрическим током. Далее происходит передача тепла от разогретой спирали окружающему её воздуху. Здесь используется явление принудительной вентиляции воздуха и явление теплопередачи.

Конвекция в природе

Конвекция участвует в образовании ветра. Если бы работала только теплопроводность, то ветров бы почти не было, но благодаря конвекции теплый воздух поднимается над сушей и уступая холодному воздуху.

Благодаря конвекции появляются облака и тучи. Так как вода испаряется, конвекция подгоняет пар высоко вверх, и там образуются облака под воздействием холодного воздуха и низкого давления.

Конвекция участвует в возникновении волн. Волны появляются благодаря ветру, а ветер в свою очередь благодаря конвекции и теплопередачи, следовательно, без конвекции волн не могло бы быть.

Стекло начинает замерзать снизу раньше, чем сверху. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и опускается вниз и тем самым замораживает поверхность стекла.

Листья осины дрожат даже в безветренную погоду. У листьев осины длинные, тонкие и сплющенные черенки, имеющие очень малую изгибную жесткость, поэтому листья осины чувствительны к любым, незначительным потокам воздуха. Даже в безветренную погоду, особенно в жару, над землей имеются вертикальные конвекционные потоки. Они и заставляют дрожать осину.

Интересные факты

В сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Выводы из проделанных опытов

Если изменение внутренней энергии происходит путем теплопередачи, то переход энергии от одних тел к другим осуществляется теплопроводностью, конвекцией или излучением. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.

Теплопроводность металлов и сплавов: таблица

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.

Таблица 1

Металл

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

– 100

0

100

300

700

Алюминий

2,45

2,38

2,30

2,26

0,9

Бериллий

4,1

2,3

1,7

1,25

0,9

Ванадий

0,31

0,34

Висмут

0,11

0,08

0,07

0,11

0,15

Вольфрам

2,05

1,90

1,65

1,45

1,2

Гафний

 —

0,22

0,21

Железо

0,94

0,76

0,69

0,55

0,34

Золото

3,3

3,1

3,1

Индий

0,25

Иридий

1,51

1,48

1,43

Кадмий

0,96

0,92

0,90

0,95

0,44 (400°)

Калий

0,99

0,42

0,34

Кальций

0,98

Кобальт

0,69

Литий

0,71

0,73

Магний

1,6

1,5

1,5

1,45

 Медь

4,05

3,85

3,82

3,76

3,50

Молибден

1,4

1,43

 —

1,04 (1000°)

Натрий

1,35

1,35

0,85

0,76

0,60

Никель

0,97

0,91

0,83

0,64

0,66

Ниобий

0,49

0,49

0,51

0,56

Олово

0,74

0,64

0,60

0,33

Палладий

0,69

0,67

0,74

Платина

0,68

0,69

0,72

0,76

0,84

Рений

0,71

Родий

1,54

1,52

1,47

Ртуть

0,33

0,09

0.1

0,115

Свинец

0,37

0,35

0,335

0,315

0,19

Серебро

4,22

4,18

4,17

3,62

Сурьма

0,23

0,18

0,17

0,17

0,21

Таллий

 

0,41

0,43

0,49

0,25 (400 0)

Тантал

0,54

0,54

Титан

0,16

0,15

Торий

0,41

0,39

0,40

0,45

Уран

0,24

0,26

0,31

0,40

Хром

0,86

0,85

0,80

0,63

Цинк

1,14

1,13

1,09

1,00

0,56

Цирконий

0,21

0,20

0,19

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.

 

Таблица 2

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.

Оцените статью:

Рейтинг: 5/5 – 1 голосов

Измеритель теплопроводности стационарный ИТП-МГ4 250

Прибор ИТП-МГ4 “250” предназначен для измерения теплопроводности и определения термического сопротивления образцов строительных материалов и материалов, используемых для теплоизоляции, в стационарных условиях (длина и ширина образца – 250 мм, толщина – от 5 до 50 мм).

Выполнение измерений

Для выполнения измерений исследуемый образец помещается в нагревательную установку, обеспечивающую стационарный тепловой режим. В результате одностороннего нагрева создается тепловой поток, проходящий через образец материала. С датчиков, измеряющих плотность теплового потока и температуру противоположных поверхностей, результаты замеров предаются в электронный блок, в котором при помощи микропроцессорного вычислительного устройства рассчитывается эффективная теплопроводность (с учетом толщины образца). На одно измерение затрачивается не более 180 мин. В памяти электронного блока могут сохраняться результаты 200 замеров.

Применение

Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 “250” используется в лабораториях заводов строительных материалов для проверки качества выпускаемой продукции.

Многофункциональный измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 “250/ЗОНД”

Тепловой контроль в строительстве

Тепловой неразрушающий контроль, основой которого является регистрация температурных полей, может осуществляться различными методами. Для измерения теплопроводности строительных материалов используют активные методы контроля, при которых исследуемые образцы подвергаются нагреву. Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4 “250/ЗОНД” может выполнять измерения при стационарном (неизменном) тепловом режиме, в соответствии с ГОСТ 7076, а также с использованием зонда в нестационарном режиме, согласно ГОСТ 30256.

Возможности прибора

Прибор комплектуется цилиндрическим зондом и нагревательной камерой, поэтому с его помощью можно определять теплопроводность массива материала (с внедрением измерителя) и отдельных изделий в условиях стройплощадки, а также термосопротивление (с вычислением эффективной теплопроводности) образцов с размерами 250х250х5-50 мм, изготовленных из исследуемого материала, в стационарном режиме.

Отличия режимов измерения

Стационарные измерения обеспечивают лучшую точность, но более продолжительны по времени (до 3 часов). Зондовые измерения занимают не более 10 минут, но для повышения точности результатов необходимо обеспечить дополнительное термостатирование образцов (с использованием термокамеры).

Особенности модели

В памяти электронного блока могут сохраняться результаты измерений: с использованием зонда – 100 замеров, с использованием нагревательной камеры – 200 замеров. Данная модель имеет порт RS-232, благодаря которому может выполняться экспортирование данных из памяти прибора на ПК.

Теплопроводность меди – как влияет на свойства меди? + Видео

Высокая теплопроводность меди наряду с другими замечательными свойствами определила этому металлу значимое место в истории развития человеческой цивилизации. Изделия из меди и ее сплавов используются практически во всех сферах нашей жизни.  

1 Медь – коротко про теплопроводность

Теплопроводностью называют процесс переноса энергии частиц (электронов, атомов, молекул) более нагретых участков тела к частицам менее нагретых его участков. Такой теплообмен приводит к выравниванию температуры. Вдоль тела переносится только энергия, вещество не перемещается. Характеристикой способности проводить тепло является коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, которая проходит через материал площадью 1 м2, толщиной 1 м, за 1 секунду при единичном градиенте температуры.

Коэффициент теплопроводности меди при температуре 20–100 °С составляет 394 Вт/(м*К) – выше только у серебра. Стальной прокат уступает меди по этому показателю почти в 9 раз, а железо – в 6. Различные примеси по-разному влияют на физические свойства металлов. У меди скорость передачи тепла снижается при добавлении в материал или попадании в результате технологического процесса таких веществ, как:

  • алюминий;
  • железо;
  • кислород;
  • мышьяк;
  • сурьма;
  • сера;
  • селен;
  • фосфор.

Высокая теплопроводность характеризуется быстрым распространением энергии нагрева по всему объему предмета. Эта способность обеспечила меди широкое применение в любых системах теплообмена. Ее используют при изготовлении трубок и радиаторов холодильников, кондиционеров, вакуумных установок, автомашин для отвода избыточного тепла охлаждающей жидкости. В отопительных приборах подобные изделия из меди служат для обогрева.

Способность меди проводить тепло снижается при нагреве. Значения коэффициента теплопроводности меди в воздухе зависит от температуры последнего, которая влияет на теплоотдачу (охлаждение). Чем выше температура окружающей среды, тем медленнее остывает металл и ниже его теплопроводность. Поэтому во всех теплообменниках используют принудительный обдув вентилятором – это повышает эффективность работы устройств и одновременно поддерживает тепловую проводимость на оптимальном уровне.

2 Теплопроводность алюминия и меди – какой металл лучше?

Теплопроводность алюминия и меди различна – у первого она меньше, чем у второго, в 1,5 раза. У алюминия этот параметр составляет 202–236 Вт/(м*К) и является достаточно высоким по сравнению с другими металлами, но ниже, чем у золота, меди, серебра. Область применения алюминия и меди, где требуется высокая теплопроводность, зависит от ряда других свойств этих материалов.

Алюминий не уступает меди по антикоррозионным свойствам и превосходит в следующих показателях:

  • плотность (удельный вес) алюминия меньше в 3 раза;
  • стоимость – ниже в 3,5 раза.

Аналогичное изделие, но выполненное из алюминия, значительно легче, чем из меди. Так как по весу металла требуется меньше в 3 раза, а цена его ниже в 3,5 раза, то алюминиевая деталь может быть дешевле примерно в 10 раз. Благодаря этому и высокой теплопроводности алюминий нашел широкое применение при производстве посуды, пищевой фольги для духовок. Так как этот металл мягкий, то в чистом виде не используется – распространены в основном его сплавы (наиболее известный – дюралюминий).

В различных теплообменниках главное – это скорость отдачи избыточной энергии в окружающую среду. Эта задача решается интенсивным обдувом радиатора посредством вентилятора. При этом меньшая теплопроводность алюминия практически не отражается на качестве охлаждения, а оборудование, устройства получаются значительно легче и дешевле (к примеру, компьютерная и бытовая техника). В последнее время в производстве наметилась тенденция к замене в системах кондиционирования медных трубок на алюминиевые.

Медь практически незаменима в радиопромышленности, электронике в качестве токопроводящего материала. Благодаря высокой пластичности из нее можно вытягивать проволоку диаметром до 0,005 мм и делать другие очень тонкие токопроводящие соединения, используемые для электронных приборов. Более высокая, чем у алюминия, проводимость обеспечивает минимальные потери и меньший нагрев радиоэлементов. Теплопроводность позволяет эффективно отводить выделяемое при работе тепло на внешние элементы устройств – корпус, подводящие контакты (к примеру, микросхемы, современные микропроцессоры).

Шаблоны из меди используют при сварке, когда необходимо на стальную деталь сделать наплавку нужной формы. Высока теплопроводность не позволит медному шаблону соединиться с приваренным металлом. Алюминий в таких случаях применять нельзя, так как велика вероятность его расплавления или прожига. Медь также используют при сварке угольной дугой – стержень из этого материала служит неплавящимся катодом.

3 Минусы высокой теплопроводности

Низкая теплопроводность во многих случаях является нужным свойством – на этом основана теплоизоляция. Использование медных труб в системах отопления приводит к гораздо большим потерям тепла, чем при применении магистралей и разводок из других материалов. Медные трубопроводы требуют более тщательной теплоизоляции.

У меди высокая теплопроводность, что обуславливает достаточно сложный процесс монтажных и других работ, имеющих свою специфику. Сварка, пайка, резка меди требует более концентрированного нагрева, чем для стали, и зачастую предварительного и сопутствующего подогрева металла.

При газовой сварке меди необходимо использование горелок мощностью на 1–2 номера выше, чем для стальных деталей такой же толщины. Если медь толще 8–10 мм, рекомендуется работать с двумя или даже тремя горелками (часто сварку производят одной, а другими осуществляют подогрев). Сварочные работы на переменном токе электродами сопровождаются повышенным разбрызгиванием металла. Резак, достаточный для толщины высокохромистой стали в 300 мм, подойдет для резки латуни, бронзы (сплавы меди) толщиной до 150 мм, а чистой меди всего в 50 мм. Все работы связаны с значительно большими затратами на расходные материалы.

4 Как у меди повысить теплопроводность?

Медь – один из главных компонентов в электронике, используется во всех микросхемах. Она отводит и рассеивает тепло, образующееся при прохождении тока. Ограничение быстродействия компьютеров обусловлено увеличением нагрева процессора и других элементов схем при росте тактовой частоты. Разбиение на несколько ядер, работающих одновременно, и другие способы борьбы с перегревом себя исчерпали. В настоящее время ведутся разработки, направленные на получение проводников с более высокой электропроводимостью и теплопроводностью.

Открытый недавно учеными графен способен значительно увеличить теплопроводность медных проводников и их возможность к рассеиванию тепла. При проведении эксперимента слой меди покрыли графеном со всех сторон. Это улучшило теплоотдачу проводника на 25 %. Как объяснили ученые, новое вещество меняет структуру передачи тепла и позволяет энергии двигаться в металле свободнее. Изобретение находится на стадии доработки – при эксперименте использовался медный проводник гораздо больших размеров, чем в процессоре.

Каким должен быть коэффициент теплопроводности минеральной ваты

Оглавление:
  • Характеристика материала
    • Где применяется минеральная вата
  • Теплопроводность материала
    • Теплопроводность минеральной ваты
    • Теплопроводность и толщина материала
  • Токсичность материала

Строительство важная отрасль, которая охватывает практически все сферы деятельности людей. На сегодняшний день очень активно развивается частное строительство. Большое внимание уделяется вопросу утепления зданий и сооружений. От этого зависит их долговечность и другие эксплуатационные характеристики. В настоящее время известно множество теплоизоляционных средств. Немаловажное значение имеет такая характеристика, как коэффициент теплопроводности минеральной ваты.

Важным свойством минваты можно считать ее устойчивость к различного рода деформациям, высокую прочность на разрыв, при механических воздействиях.

На рынке имеется широкий ассортимент теплоизоляционных материалов. Он включает в себя стекловату, минеральную вату, асбест, пенопласт, пенополиуретан и многие другие. Минеральная вата является одним из самых доступных товаров. Ее используют уже несколько десятилетий. Несмотря на бурный научно-технический прогресс, она используется и по сей день. Она имеет свои положительные и отрицательные стороны при использовании. Рассмотрим более подробно, каково значение в строительном деле этого материала.

Характеристика материала

Минеральная вата представляет собой материал, в основе которого лежит минеральный компонент. Это собирательное понятие, которое включает в себя несколько разновидностей теплоизоляционного материала. В него входит каменная, шлаковая и стекловата. Все они значительно отличаются друг от друга. Для каждой разновидности характерна собственная волокнистость. Она может быть вертикальной, горизонтальной, гофрированной. От этого во многом зависит область ее применения в строительной сфере. К преимуществам ваты минеральной относится:

Виды минеральной ваты по плотности.

  • хорошая устойчивость к высокой и низкой температуре,
  • устойчивость к воздействию химических агентов,
  • высокие теплоизоляционные характеристики,
  • плохая проводимость звука.

Все это обеспечивает массовое распространение ее в строительстве. Не нужно забывать и про то, что она является экологически чистым продуктом. Это означает, что она безопасна в использовании. Она не выделяет в окружающий воздух вредных токсинов даже при нагревании. В процессе использования ее для внутренних работ огромное значение имеет такая характеристика, как способность пропускать пары. Она отлично пропускает пар, благодаря чему поддерживается оптимальная влажность в помещении. Несмотря на все это, есть у нее и недостатки. Основной минус этого материала невысокая устойчивость к механическим повреждениям.

Где применяется минеральная вата

Вата на минеральной основе имеет низкий коэффициент теплопроводности. Благодаря этому она может применяться практически везде. Во-первых, она нашла применение при изоляции горячих ограждающих конструкций. Обеспечивается это тем, что минеральная вата безопасна в пожарном отношении, опережая по данному показателю некоторые более дорогие изоляционные средства. Во-вторых, областью ее применения является изоляция ограждающих поверхностей различных зданий. Но здесь есть одно условие: изоляция должна быть не нагружаемой.

Структура минеральной ваты и эковаты.

В-третьих, она используется в системе утепления фасадов зданий. В-четвертых, очень часто ее используют в системе внутреннего утепления конструкций. В последнем случае речь идет о панелях из железобетона или простого бетона. В-пятых, минеральная вата применяется в системе отопления, в частности при возведении и эксплуатации трубопроводов. В-шестых, данный материал является утеплителем различного промышленного оборудования. В-седьмых, вата нашла применение при строительстве плоских кровель. Особенно часто это наблюдается при отсутствии бетонной стяжки. В-восьмых, бани, стены домов тоже возводятся с использованием ваты минеральной.

Теплопроводность материала

Известно, что любое нагретое тело способно отдавать свое тепло в окружающую среду или близко расположенным другим предметам. При этом отдача тепла (энергии) осуществляется с определенной скоростью. Чем выше скорость отдачи тепла, тем выше теплопроводность материала.

Сравнительные характеристики разных видов минеральной ваты.

Теплопроводность представляет собой свойство какого-либо тела пропускать через себя и отдавать определенное количество тепла. Все строительные материалы имеют свою теплопроводность. Она определяет качество материала и сферу его применения. Объем отдаваемой энергии можно оценить количественно. Для этого определяется коэффициент теплопроводности.

Твердые материалы (металлы и их сплавы) не в состоянии долго удерживать тепло, поэтому металлические сооружения требуется дополнительно утеплять. Существует такое понятие, как теплоизолятор. Это материал, который имеет низкий коэффициент теплопроводности. К таким материалам относится пенопласт, кирпич, минеральная вата. Интересен тот факт, что теплопроводность может варьировать в широких пределах. Коэффициент теплопроводности зависит от структуры материала, его плотности, влажности и некоторых других свойств.

Теплопроводность минеральной ваты

Теплопроводность ваты зависит от ее состава и марки. Коэффициент теплопроводности при этом составляет от 0,038 до 0,055 Вт/м*К. Если сравнивать его с таковым у воздуха, то последний равен 0,027 Вт/м*К. Известно, что воздух хорошо удерживает тепло. У него практически самый низкий коэффициент теплопроводности. Таким образом, минеральная вата по данному критерию является очень качественным материалом.

Важно, что коэффициент теплопроводности будет ниже у тех марок, которые имеют более рыхлую структуру.

Схема производства минеральной ваты.

Наблюдается это, потому что при хаотичном расположении минеральных волокон значительно повышается воздушная емкость материала, а воздух задерживает тепловую энергию.

Например, коэффициент теплопроводности легкой ваты равен 0,045 Вт/м*, а тяжелой 0,055 Вт/м*К. Такой же коэффициент теплопроводности имеет вата на основе хлопка. Все это отражается на ее эксплуатационных характеристиках. Несмотря на это, существуют теплоизоляционные материалы, имеющие более низкую теплопроводность. К ним относится пенополистирол. Коэффициент теплопроводности его составляет 0,034 Вт/м*К. Но если сравнивать каменную вату и пенополистирол по другим критериям, например, по пожаробезопасности, то минеральная вата здесь впереди.

Теплопроводность и толщина материала

Нетрудно догадаться, что теплопроводность определяет объем и толщину материала для осуществления теплоизоляционных работ. Если брать во внимание стекловату, то ее коэффициент теплопроводности равен 0,044 Вт/м*К. Благодаря несложным расчетам удалось установить, что при утеплении зданий и сооружений толщина этого материала должна быть равной 189 мм. Если сравнивать данный показатель с кирпичом, у которого теплопроводность намного выше, то кирпич уступает вате по способности удерживать тепло. При этом толщина кирпичной кладки должна равняться 1460 мм.

Высокая теплопроводность характерна и для всеми любимого бетона. Коэффициент теплопроводности для него равен 1,5 Вт/м*К. Все это свидетельствует о том, что бетонные и кирпичные конструкции нуждаются в дополнительном утеплении. Говоря о преимуществах минеральной ваты над другими материалами, нельзя не упомянуть то, что вата не дает усадки, имеет невысокую стоимость и большой срок эксплуатации. Нередко он достигает более 50 лет.

Токсичность материала

Рассматривая особенности этого изоляционного средства, нельзя не остановиться на его экологической безопасности. Как и многие изоляционные материалы, вата подвергалась многочисленным лабораторным исследованиям. На основании их было установлено, что изделия на основе минеральной ваты не являются канцерогенами для человека, то есть они не способны вызвать раковые заболевания. Всего было выделено 4 группы веществ в зависимости от их канцерогенного влияния на организм. Первая включала вещества, опасные для человека. Сюда входит всем известный асбест. Ко второй категории относятся потенциальные канцерогены. Вата минеральная включена в 3 категорию. Что же касается 4 группы, то в нее включены агенты, опасность которых еще до конца не изучена.

Таким образом, теплопроводность является важным критерием при выборе того или иного изоляционного материала. Рассматриваемый материал по данному показателю уступает немногим современным товарам. Коэффициент теплопроводности в большей степени зависит от химического состава и плотности изделий. Чем легче и рыхлее материал, тем хуже он пропускает воздух и тем теплее будет та или иная конструкция. Вата минеральная чаще всего выпускается в форме листов различного размера. Толщина листов подбирается в зависимости от типа конструкции. Если правильно организовать теплоизоляцию, то можно увеличить срок службы здания или сооружения, а также улучшить микроклиматические условия в помещении.

Урок естествознания тема: Как применяют теплопроводность.

(К) Актуализация знаний. Целепологание.

– Проверка домашнего задания.

Работа над лексической и грамматической темой урока.

Блиц-турнир

– В какую посуду наливают чай? (В стеклянную.)

– А если нальют в металлическую кружку, сможем ли мы из нее пить чай? (Да, только после остывания. Потому что теплопроводность металла выше, чем у стекла.)

– В какой кружке чай быстрее остывает? (В металлической.)

– Почему? (Потому что теплопроводность металла высокая и он быстро может передать тепло наружу.)

– Самая высокая теплопроводность у твердых тел.

Моя гипотеза … .

(К) Формулирование темы и цели урока. Мозговой штурм

– Рассмотри фотографии. Как ты думаешь, что их объединяет? Объясни почему.

«Что общего у фотографий?». (Если прозвучат такие важные слова, как «воздух», «тепло», «сохранение тепла», «не проводит тепло»,. Если учащиеся будут испытывать затруднения, то подведите их к правильному ответу своими наводящими вопросами.

– Каждый случай объясняется тем, что воздух плохо проводит тепло.

-Приведите примеры из своего опыта или с прошлых уроков. (Оконное стекло, замерзание ног в тесной обуви, шерсть животных, зимние одежды и т.п.)

Воздух и другие газы плохо проводят тепло.

(П) Работа в парах. На кухне

– Из чего делают посуду для приготовления пищи?

-Расскажи о посуде, изображённой на фотографиях.

– Из какого материала изготовлены основные части посуды?

– Какие материалы используют для изготовления ручек?

– Почему?

– Как следует держать горячий казан, чтобы не обжечь руки?

Задание :

Составить список кухонной посуды, разделить ее на две группы на основании свойств:

1) хорошо проводит тепло

2) плохо проводит тепло.

(Г) Работа в группе. Мозговой штурм

Дополнить свои списки.

В 1ГР -посуду из металла,

2 Г- .посуду из стекла, дерева, пластика – во вторую группу.

– Почему мамы не обжигают свои руки о посуду, которая хорошо проводит тепло. (У такой посуды ручки сделаны из другого материала, например, из прочного пластика. Что дерево и пластик плохо проводят тепло по сравнению с железом. Также, чтобы не обжечь руки, можно использовать специальные кухонные прихватки, сделанные из материала и синтепонового наполнителя, который плохо проводит тепло.)

– Знаете ли вы , какая посуда полностью сделана из одного материала.

– Как ее держат при приготовлении пищи? ( Чугунный казан. Его можно держать специаль ными прихватками. В слое синтепона внутри варежки содержится воздух, воздух не пропускает тепло. )

Подведение итога . В быту вещества и материалы применяют в зависимости от их теплопроводности. Теплопроводность веществ и материалов можно уменьшить разными способами.

(К) Динамическая пауза.

Начинается разминка.

Встали, подровняли спинки.

Вправо – влево наклонились и еще раз повторили.

(Наклоны в стороны.)

Приседаем мы по счету, раз, два, три, четыре, пять.

Это нужная работа – мышцы ног тренировать.

(Приседания.)

А теперь рывки руками выполняем вместе с вами.

(Рывки руками перед грудью

(Г) Работа в группе.

Исследуй. Какие материалы и вещества хорошо сохраняют тепло?

Каждой группе разданы одинаковые ресурсы.

Ресурсы. 1.три маленьких пластиковых стакана

2. три больших пластиковых стакана,

( чтобы в них свободно вместились маленькие стаканы,)

3.газета,

4.фольга

5.хлопок,

6.три целлофановые пленки,

7.три канцелярских резинки

.8три термометра.

Повторить ТБ .

Инструкция по проведению исследования:

1.На дно первого стакана положить скомканную фольгу. Затем маленький стакан поместить внутрь большого стакана. Их горловины должны быть на одном уровне (если уровни не равные, то добавить еще фольгу, пока уровни не сравняются). Теперь пространство между стенками внутреннего и наружного стаканов заполните фольгой.

2.На дно второго стакана положить вату. Затем маленький стакан поместить внутри большого стакана. Их горловины должны быть на одном уровне (если уровни не равные, то добавить еще вату, пока уровни не сравняются).

3. Теперь пространство между стенками внутреннего и наружного стаканов заполнить ватой.

4.На дно третьего стакана положить кусок скомкан ной газеты. Затем маленький стакан поместить внутри большого стакана. Их горловины должны быть на одном уровне (если уровни не равные, то добавить еще газету, пока уровни не сравняются). Теперь пространство между стенками стаканов заполните газетой.

5.Во все три стакана налить теплую воду.

6.Накрыть стаканы целлофановой пленкой и закрепить канцелярской резинкой.

7.Натянутую на поверхности стакана целлофановую пленку осторожно проткнуть и через это отверстие поместить термометр. Подождать 5–7 минут.

8.Записать результаты.

9.Сделать выводы.

(Насколько ниже теплопроводность материала, на-столько хорошо он будет защищать от холода и жары.)

Делают выводы, что исследование проводилось через эксперимент, так как он дает более точные результаты, чем наблюдение.

(К) Работа с учебником .Термос

Для чего нужен термос? Внимательно исследуй рисунок-схему и попытайся объяснить, почему не остывает напиток, налитый в термос.

Что будет, если в термос положить мороженое? Объясни.

Корпус термоса изготавливается из двойного металла или пластика. Воздух между стенками высасывают, то есть пространство между стенка вакуум. Вакуум плохо проводит тепло, поэтому горячая вода, налитая в термос, долгое время сохраняет свою температуру. Также внизу поддона есть изолированная опора. Крышка закрыта пластиковой пробкой. Эти ма- териалы тоже плохо проводят тепло.)

– А что будет, если в термос положить мороженое? (Мороженое долгое время не растает.)

-Что еще можно положить в термос.

Воздух плохо проводит тепло. Это часто встречается в природе и применяется в повседневной жизни. Например, зимой снег служит покровом для растений и защищает их от мороза, как тёплое одеяло. Шерсть, хлопок, вата, пробка хорошо сохраняют тепло. Материалы и вещества с плохой теплопроводностью хорошо защищают от холода. Одним из таких веществ является жир. Твёрдые тела с хорошей теплопроводностью тоже по-разному проводят тепло. Металлы, которые являются наилучшими теплопроводниками, — платина, медь, золото, серебро, железо, алюминий. Особое внимание уделяется теплопроводности металлов при изготовлении радиаторов для обогрева домов, гладкого основания утюга, кухонной посуды для приготовления пищи. Дерево, хотя и является твёрдым телом, имеет плохую теплопроводность. Это связано с тем, что в пористых слоях дерева находится воздух. Поэтому рукоятки и держатели кухонной посуды, инвентарь для бани изготавливают из дерева.

Запомни!

Если нужно защитить тело от переохлаждения или от перегрева, то применяются материалы с плохой теплопроводностью. А если нужно нагреть или охладить тело, то применяются материалы с высокой теплопроводностью.

Подумай!!!

В Антарктиде обитают теплокровные животные.

Как ты думаешь, благодаря чему они приспособились жить в таких условиях?

Покажите рисунки животных, которые обитают в условиях Крайнего Севера, в Антарктиде.

– Как они выдерживают сильные морозы. (Внутри шерсти этих животных присутствует воздух и он сохраняет тепло их тел. )

– Только ли из-за свойств шерсти они не замерзают.

Тела всех этих животных имеют жир. Обычный жир плохо проводит тепло. Толстый внутренний жировой слой этих животных, как скафандр с головы до ног, не пропускает тепло их тел наружу.

(К) Физминутка.

Раз, два – выше голова.

Три, четыре – руки шире.

Пять, шесть – тихо сесть.

Раз – подняться. Подтянуться.

Два – согнуться, разогнуться.

Три – в ладоши три хлопка, Головою три кивка.

На четыре – руки шире,

Пять – руками помахать,

Шесть – за стол тихонько сядь

(П) Работа в парах.

Знаешь ли ты?

-Что такое алмаз и какие его свойства дети знают? Учащиеся расскажут о твердости алмаза.

Что будет, если из алмаза сделать ложку для мороженого. Если обычную чайную ложку сделать из алмаза и опустить в горячий чай, то вы бы не смогли ее держать руками, потому что теплопроводность алмаза выше даже теплопроводности металлов.

(К) Первичное закрепление изученного материала.

Теплопроводность жидкостей ниже, чем у твердых и металлических веществ. Если теплопроводность вещества низкая, то это означает, что данное вещество хорошо защищает от холода и от жары. Например, обычный жир плохо проводит тепло. В подтверждение этого можно привести пример способности теплокровных животных выживать в условиях Северного Ледовитого океана или в Антарктиде. К ним относятся (белый медведь, тюлень, морской лев и морской котик). Толстый жировой слой этих животных, как скафандр с головы до ног, не пропускает тепло их тел наружу.

(К) Учитель предлагает ответить на вопросы:

– Почему нагретые детали охлаждаются в воде быстрее, чем на воздухе?

(Вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух)

– В какой обуви больше мерзнут ноги зимой: в просторной или тесной? (в тесной)

– Летом на улице стоят две бочки: металлическая и деревянная. Емкость бочек одинаковая. В какой из этих бочек вода нагреется быстрее? Почему?

(В металлической. Металлы лучше проводят тепло)

(И) Работа в тетради.

Классификация

Впишите номера рисунков в нужные столбцы.

Ответ

Высокая: 1, 4, 5.

Низкая: 2, 3, 6.

(П )Работа в парах.

В порядке возрастания

Расположите вещества и среды в порядке возрастания их

теплопроводности.

Вода, шерсть, железо, снег, вакуум, алмаз, воздух, серебро,

дерево.

______________________________________________________

Порядок возрастания. Ученики смогут расположить названия веществ и сред в порядке возрастания их теплопроводности.

Ответ

Вакуум, воздух, шерсть, снег, вода, дерево, железо, серебро, алмаз.

Теплопередача посредством теплопроводности

Силы, определяющие теплопроводность, и способы ее применения

Теплопередача является одной из основных физических сил, управляющих всеми реакциями на этой планете. Теплопередача, управляемая законами термодинамики, позволяет использовать энергию и применять ее для питания бесчисленных повседневных систем. Механизм теплообмена объясняется первым законом термодинамики. Этот закон гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а только передана между системами.Неизбежно, когда энергия передается между двумя системами, часть энергии теряется в окружающей среде. Эта потеря энергии происходит в виде тепла и может также упоминаться как тепловая энергия. Тепловая энергия, содержащаяся в системе, отвечает за температуру окружающей среды.

Методы теплопередачи

Существует три метода, облегчающих передачу тепла. Эти методы известны как проводимость, конвекция и излучение.

Излучение переносит тепло с помощью электромагнитных волн и не связано с каким-либо взаимодействием между веществами.Тепло, которое исходит от солнца, является примером излучения.

Конвекция происходит в жидкостях и газах и описывает перемещение тепла из одного места в другое, чему способствует движение жидкостей. При нагревании жидкости расширяются и становятся менее плотными. Горячая жидкость поднимается и вытесняет находящуюся над ней холодную жидкость, толкая ее вниз к источнику тепла. Эта холодная жидкость будет нагреваться и подниматься вверх, создавая постоянный поток жидкости из области с высокой температурой в область с низкой температурой. Конвекция объясняет, как плинтусные радиаторы могут обогреть всю комнату.Горячий воздух, вырабатываемый радиаторами, быстро поднимается вверх, толкая холодный воздух вниз к нагревателю на полу, создавая постоянный поток воздуха.

Теплопередача посредством теплопроводности включает передачу тепла между двумя материалами в результате поверхностного контакта. Между материалами не происходит обмена веществом, только энергией. Этот тип теплопередачи происходит в твердых материалах и вызывается колебаниями частиц. Под воздействием потока энергии частицы в твердом теле начинают покачиваться, вращаться и вибрировать, создавая кинетическую энергию.Типичным примером проводимости является процесс нагревания сковороды на плите. Тепло от горелки передается непосредственно на поверхность сковороды. Температура является мерой количества кинетической энергии, перерабатываемой частицами в образце вещества. Чем больше кинетическая энергия материала, тем выше будет его внутренняя температура.

Рисунок 1: Схема механизмов теплопередачи

Теплообмен в металлах

Вещество с высокой кинетической энергией также будет иметь высокую теплопроводность.Теплопроводность описывает, насколько эффективно материал может пропускать через себя тепло. Он определяется скоростью потока энергии на единицу площади по сравнению с градиентом температуры. Большинство значений электропроводности выражаются в ваттах на метр на градус Кельвина Вт/м•К.

Теплопроводность объясняет, почему ходьба босиком по холодному кафельному полу кажется намного прохладнее, чем ходьба по ковру, хотя оба они имеют комнатную температуру. Плитка и камни имеют более высокую теплопроводность, чем ковер и ткани, поэтому они могут отводить тепло от ног с гораздо большей скоростью, благодаря чему плитка кажется прохладной на ощупь.

Металлы являются примером материала с высокой теплопроводностью, который может быстро передавать тепло. Внутренняя структура молекулы металла содержит свободные электроны, которые могут свободно перемещаться в объеме материала. Эти свободные электроны быстро сталкиваются с другими частицами, заставляя внутреннюю структуру металла вибрировать быстрее и быстрее нагреваться. Эти быстрые вибрации способствуют потоку энергии и тепла по всему металлу.

Такие металлы, как медь, алюминий и серебро, часто используются для изготовления тепловых приборов и инструментов.Медные трубы — это провода, которые чрезвычайно популярны для использования в доме для быстрой передачи энергии и тепла из одной области в другую. Алюминий имеет чрезвычайно схожие тепловые свойства с медью и часто используется в качестве экономичной замены для выполнения тех же функций. Серебро является одним из наиболее широко используемых металлов для тепловых применений. Более 35% всего серебра, производимого в США, используется в электронике или электротехнике. Спрос на серебро продолжает расти, поскольку оно становится важнейшим компонентом в производстве солнечных батарей.Другие материалы с высокой теплопроводностью, такие как алмазы, также имеют множество практических применений. Алмазный порошок часто используется в электронике для отвода тепла от чувствительных участков и защиты их от перегрева.

Рисунок 2: Стандартные солнечные панели, которые часто изготавливаются из серебра

 

Теплопередача в неметаллах

Неметаллические материалы полагаются на фононы для передачи тепла по градиенту от холодной области к теплой. Пластмассы, пенопласт и дерево — все это примеры материалов с низкими значениями теплопроводности.Эти материалы известны как изоляторы и могут ограничивать поток тепла. Изоляторы имеют множество чрезвычайно полезных применений, которые могут защитить энергию от потери в окружающую среду. Пена является чрезвычайно полезным изоляционным материалом для дома и строительства. Более 50% всей бытовой энергии используется для обогрева или охлаждения дома. Использование материала с высокой теплопроводностью для изоляции дома может существенно снизить количество энергии, необходимой для обогрева или охлаждения здания. Цены на энергоносители во всем мире постоянно растут, что делает идеальным сохранение как можно большего количества электроэнергии и тепла для снижения счетов за электроэнергию.

Заключение

Теплопроводность является чрезвычайно важным свойством материала, которое позволяет тысячам производственных систем функционировать должным образом и эффективно. В каждой экосистеме постоянно происходит обмен теплом в виде потерянной энергии. Использование тепловой энергии для промышленных и практических процессов привело к созданию превосходных энергосберегающих технологий, которые используются ежедневно. Теплопроводность, излучение и конвекция — это разные способы прохождения тепла через систему.Структура, плотность и состав материала являются факторами, которые могут влиять на теплопроводность образца. Материалы с высокими или низкими значениями теплопроводности используются для различных повседневных применений. Хотя это сильно недооценено, жизнь не была бы такой же без теплопередачи и теплообмена.

Ссылки
Шинде, С., и Гоэла, Дж. (2006). Материалы с высокой теплопроводностью. Нью-Йорк: Спрингер. doi:10.1007/b106785]
Учебное пособие по физике. (н.д.). Получено с https://www.physicsclassroom.com/class/thermalP/Lesson-1/Methods-of-Heat-Transfer
Что такое тепловая энергия? (н.д.). Получено с https://www.khanacademy.org/science/physics/work-and-energy/work-and-energy-tutorial/a/what-is-thermal-energy

.

Избранное изображение: https://unsplash.com

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest

Проводимость | Центр научного образования

Энергия передается между поверхностью Земли и атмосферой различными способами, включая излучение, теплопроводность и конвекцию.

NOAA NWS

Теплопроводность является одним из трех основных способов перемещения тепловой энергии с места на место. Два других пути распространения тепла — это излучение и конвекция . Теплопроводность — это процесс, посредством которого тепловая энергия передается посредством столкновений между соседними атомами или молекулами. Проводимость легче возникает в твердых телах и жидкостях, где частицы расположены ближе друг к другу, чем в газах, где частицы находятся дальше друг от друга.Скорость передачи энергии за счет проводимости выше, когда существует большая разница температур между веществами, находящимися в контакте.

Подумайте о сковороде, поставленной на открытую походную печь. Тепло огня заставляет молекулы в кастрюле вибрировать быстрее, делая ее более горячей. Эти вибрирующие молекулы сталкиваются с соседними молекулами, заставляя их вибрировать быстрее. Когда эти молекулы сталкиваются, тепловая энергия передается через проводимость остальной части кастрюли. Если вы когда-нибудь прикасались к металлической ручке горячей сковороды без прихватки, вы имеете непосредственный опыт теплопроводности!

Некоторые твердые тела, такие как металлы, являются хорошими проводниками тепла.Неудивительно, что многие кастрюли и сковородки имеют изолированные ручки. Воздух (смесь газов) и вода являются плохими проводниками тепловой энергии. Их называют изоляторами.

Проводимость в атмосфере

Теплопроводность, излучение и конвекция играют роль в перемещении тепла между поверхностью Земли и атмосферой. Поскольку воздух является плохим проводником, большая часть передачи энергии за счет проводимости происходит непосредственно у поверхности Земли. Кондукция напрямую влияет на температуру воздуха всего на несколько сантиметров вглубь атмосферы.

В течение дня солнечный свет нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух непосредственно над ней посредством теплопроводности. Ночью земля охлаждается, и тепло передается от более теплого воздуха прямо над более прохладной землей посредством теплопроводности.

В ясные солнечные дни при слабом ветре или его отсутствии температура воздуха у самой земли может быть намного выше, чем над ней. Хотя солнечный свет нагревает поверхность, поток тепла от поверхности к находящемуся над ней воздуху ограничивается плохой проводимостью воздуха.Ряд термометров, установленных на разной высоте над землей, показал бы, что температура воздуха быстро падает с высотой.

© 2018 УКАР

Урок дирижирования для детей: определение и примеры – видео и расшифровка урока

Примеры теплопроводности

Есть два способа понять, как тепло движется теплопроводностью. Первый способ понять, как работает теплопроводность, состоит в том, что тепло передается от одного объекта к другому посредством прикосновения. Если вы прикасаетесь к горячей поверхности, ваша рука становится горячее, потому что тепло переходит от поверхности в вашу руку.Если вы поставите кастрюлю на электрическую плиту, как на изображении с змеевиком, катушки касаются кастрюли и нагревают кастрюлю в этой точке соприкосновения. Помните, что тепло всегда переходит от более горячих предметов к более холодным, поэтому тепло переходит от горячих змеевиков на плите прямо на дно более прохладной кастрюли.

Тепло перемещается от горячих змеевиков к более холодному котлу.

Второй способ понять, как работает теплопроводность, состоит в том, чтобы понять, что тепло проходит через сам объект.После того, как катушки нагревают дно кастрюли, тепло распространяется по всей кастрюле, нагревая и стенки кастрюли. Ручки многих кастрюль сделаны из пластика, потому что в противном случае тепло попадет и в ручку и обожжет вашу руку!

Другим примером может служить металлическая ложка в горячей жидкости, как на этом изображении.

Тепло переходит от горячей жидкости к металлической ложке.

Если вы оставите металлическую ложку в горячей кастрюле, тепло будет проходить через всю ложку, и когда вы коснетесь ручки ложки, она будет почти такой же горячей, как жидкость.Вот почему люди обычно используют пластиковые или деревянные ложки, когда готовят на кухне. Пластик и дерево не так хорошо проводят тепло, как металл.

Как движется тепло?

В примере с горячей кастрюлей с металлической ложкой, как тепло проходит через ложку к кончику? Ответ связан с тем, из чего сделана ложка и все остальное, что вы можете потрогать и ощутить: материя , которая просто состоит из атомов.

Когда атомы нагреваются, они начинают двигаться быстрее из-за тепловой энергии.Посмотрите, как кастрюля с водой когда-нибудь закипит. Ничто не движет воду — она движется сама, когда становится горячее. Это происходит потому, что атомы движутся все быстрее и быстрее по мере нагревания. Они начинают бить и натыкаться друг на друга, передавая всю эту энергию, как шары на бильярдном столе.

Поскольку атомы в металлической ложке продолжают ударяться снова и снова, они передают тепловую энергию дальше и, в конце концов, распределяют всю эту тепловую энергию по всей ложке. Атомы части ложки в горячем котле движутся быстрее всего, но они передают тепло до самого кончика ложки.

Вся материя может проводить тепло таким образом – через движение атомов. Некоторые предметы, такие как металл, очень хорошо проводят тепло, в то время как другие предметы, такие как пластик, не очень хорошо проводят тепло. Но даже пластик может проводить некоторое количество тепла. Если вы оставите пластиковую ложку на достаточно горячей кастрюле слишком долго, она растает!

Сводка урока

Хорошо, давайте уделим пару минут обзору. Все предметы проводят тепло. Когда один объект касается более теплого объекта, атомы более теплого объекта начинают сталкиваться с атомами более холодного объекта, перемещая эту тепловую энергию в более холодный объект.И помните, что материя состоит из атомов. Атомы в более холодном объекте начинают двигаться быстрее, распространяя эту тепловую энергию вокруг, нагревая объект. Итак, как мы это определяем, проводимость — это когда тепло переходит от одного объекта к другому через прямое прикосновение. Это действительно так просто!

Примеры проведения

Проводимость

Теплопроводность, часто называемая теплопроводностью или теплопроводностью, представляет собой передачу тепла через температурный градиент.Эта проводимость происходит через микроскопические частицы, диффундирующие и сталкивающиеся при этих изменениях температуры. Чтобы проводка имела место, два объекта должны находиться в контакте друг с другом прямо или косвенно. Проводимость может происходить во всех состояниях вещества: твердом, жидкость, газ и плазма.

Когда имеет место теплопроводность, это всегда вопрос передачи тепла от более горячего объекта к более холодному, то есть когда два объекта соприкасаются друг с другом — один горячий, а другой холодный — тепло всегда будет передаваться, создавая другой объект горячее, а не наоборот.

Примеры проведения:

1. Автомобильный двигатель:

Когда автомобиль заводится в холодный день, рекомендуется дать двигателю прогреться, прежде чем пытаться ехать. Это тепло помогает жидкостям в двигателе стать более жидкими и помогает таким компонентам, как вентилятор и приводные ремни должны быть более податливыми и менее склонными к разрыву. После того, как двигатель поработает несколько минут, капот автомобиля станет теплее на ощупь. Любой иней или снег на капоте может начать таять.Это пример теплопроводности, когда тепло, выделяемое двигателем, заполняет отсек, в котором он находится; металлические компоненты, которые удерживают двигатель на месте, также нагреваются из-за прямого контакта с источником тепла. Все отделение вытяжки становится теплее за счет теплопроводности через металлический контакт и температуры воздуха внутри вытяжки.

2. Жареный зефир

При приготовлении зефира на костре многие люди используют длинную деревянную палку, чтобы держать зефир близко к огню или углям.В крайнем случае, металлическая вешалка для одежды, которая была выпрямленный сделает свою работу. Однако будьте готовы к тому, что этот конец вешалки станет горячим на ощупь. Когда металлический конец вешалки, на которой держится зефир, начинает нагреваться из-за контакта с пламенем или теплом, выделяемым огнем, температура металлической вешалки повысится. Градиент температуры будет меняться по мере того, как тепло будет перемещаться от конца пламени к ручке. конец вешалки.

3.Подбирая монету

В холодный день монета на земле станет очень холодной из-за контакта с бетоном или асфальтом. Температура окружающего воздуха также сделает монету более холодной. Если кто-то поднимет эту монету. На ощупь он будет холодным, возможно, ужасно холодным из-за разницы в тепле тела человека и холодного металла монеты. Через мгновение или два монета начнет нагреваться в руке человека, поскольку тепло тела от руки изменяет температуру монеты посредством прямого контакта.

4. Спасение жизни с помощью тепла тела

Человек, оказавшийся в ловушке на открытом воздухе при очень низких температурах, может страдать от обморожения, переохлаждения и отказа органов, связанных с холодом. Эта крайне опасная ситуация может привести к летальному исходу. Когда человека спасают, его тело постепенно, но эффективно разогревается. В профессиональной спасательной ситуации пострадавшего перемещают внутрь и накрывают согревающими одеялами, которые по сути представляют собой тканевые листы с теплопроводящими катушками внутри.Этот контакт с нагревательными элементами медленно повышает температуру тела жертвы и позволяет крови снова двигаться к органам и мышцам. В случае, если профессиональная помощь недоступна, два человека могут согреться за счет теплообмена тел, когда тепло от одного человека передается другому, более холодному, и наоборот.

Примеры проведения

5.6 Методы теплопередачи – теплопроводность, конвекция и излучение. Введение – Колледж Дугласа, физика 1207

Глава 5 Температура, кинетическая теория и газовые законы

Резюме

  • Обсудите различные методы теплопередачи.

Не менее интересными, чем влияние теплопередачи на систему, являются методы, с помощью которых это происходит. Всякий раз, когда есть разница температур, происходит теплообмен. Теплопередача может происходить быстро, например, через кастрюлю для приготовления пищи, или медленно, например, через стенки ящика со льдом для пикника. Мы можем контролировать скорость теплопередачи, выбирая материалы (например, толстую шерстяную одежду для зимы), контролируя движение воздуха (например, используя уплотнитель вокруг дверей) или выбирая цвет (например, белая крыша, чтобы отражать лето). Солнечный свет).С передачей тепла связано так много процессов, что трудно представить себе ситуацию, при которой передача тепла не происходит. Однако каждый процесс, связанный с передачей тепла, происходит только тремя способами:

  1. Теплопроводность — передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте. (Материя неподвижна в макроскопическом масштабе — мы знаем, что существует тепловое движение атомов и молекул при любой температуре выше абсолютного нуля.) Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном кастрюли, передается теплопроводностью.
  2. Конвекция — это передача тепла макроскопическим движением жидкости. Этот тип переноса имеет место, например, в печи с принудительной подачей воздуха и в климатических системах.
  3. Теплопередача посредством излучения происходит при излучении или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого вида электромагнитного излучения. Очевидным примером является нагревание Земли Солнцем. Менее очевидный пример — тепловое излучение человеческого тела.
Рис. 1. В камине передача тепла осуществляется всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в помещение. Теплопередача также происходит за счет теплопроводности в помещение, но гораздо медленнее. Теплопередача конвекцией также происходит через холодный воздух, поступающий в помещение через окна, и горячий воздух, выходящий из помещения, поднимаясь вверх по дымоходу.

Мы подробно рассмотрим эти методы в трех следующих модулях.Каждый метод имеет уникальные и интересные характеристики, но у всех трех есть одна общая черта: они передают тепло исключительно за счет разницы температур. Рисунок 1.

Проверьте свое понимание

1: Назовите пример из повседневной жизни (отличный от текста) для каждого механизма теплопередачи.

  • Тепло передается тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Концептуальные вопросы

1: Каковы основные способы передачи тепла от горячего ядра Земли к ее поверхности? С поверхности Земли в космос?

2: Когда наши тела становятся слишком горячими, они реагируют на это выделением пота и увеличением циркуляции крови к поверхности, чтобы отвести тепловую энергию от ядра.Как это повлияет на человека в джакузи с температурой 40,0 o C?

3: На рис. 2 показан вид в разрезе термоса (также известного как сосуд Дьюара), который представляет собой устройство, специально предназначенное для замедления всех форм теплопередачи. Объясните функции различных частей, таких как вакуум, серебрение стенок, тонкостенная длинная стеклянная горловина, резиновая опора, воздушный слой и пробка.

Рисунок 2. Конструкция термоса разработана таким образом, чтобы подавлять все методы передачи тепла.

Глоссарий

проводимость
передача тепла через неподвижное вещество при физическом контакте
конвекция
перенос тепла макроскопическим движением жидкости
радиация
теплопередача, возникающая при испускании или поглощении микроволн, инфракрасного излучения, видимого света или другого электромагнитного излучения

Решения

Проверьте свое понимание

1: Теплопроводность: Тепло передается вашим рукам, когда вы держите чашку горячего кофе.

Конвекция: теплопередача, когда бариста «варит» холодное молоко для приготовления горячего какао .

Радиация: подогрев холодной чашки кофе в микроволновой печи.

 

Теплопроводность – определение, примеры и приложения

Примеры теплопроводности

Что такое теплопроводность?

Проводимость Перенос тепла – это передача внутренней энергии за счет микроскопических столкновений частиц и движения свободных электронов внутри тела.Сталкивающиеся частицы, которые содержат молекулы, атомы и электроны, передают кинетическую энергию и P.E, которые вместе называются внутренней энергией. Теплопроводность происходит во всех фазах вещества: твердом, жидком и газообразном.

Этот пост включает в себя:

  • Определение теплопередачи
  • Примеры теплопроводности
  • Приложения
  • Еще лот

Давайте нырнем прямо сейчас…

Скорость, с которой энергия передается в виде тепла между двумя телами, зависит от разницы температур между двумя телами, находящимися в контакте друг с другом.
Тепло автоматически переходит от более горячего тела к более холодному. Например, тепло перетекает от конфорки плиты ко дну соприкасающейся с ней кастрюли.
В процессе теплопроводности тепло течет внутри и через сам объект. С другой стороны, при передаче тепла тепловым излучением передача тепла часто происходит между телами, которые могут быть разделены в пространстве.
При конвективном теплообмене внутренняя энергия течет между телами за счет движущихся материальных носителей.В твердых телах проводимость осуществляется комбинацией столкновений и колебаний молекул.
В газах и жидкостях проводимость возникает за счет столкновений молекул при их неравномерном движении.

См. также : Разница между нагревом и температурой

Примеры проведения теплопередачи

Вот несколько примеров теплопроводности:

  • Посуда, используемая для работы с древесным углем или другими очень горячими веществами. Имейте в виду, что удлинение длинное, чтобы теплопередача была медленнее.
  • Лед, если положить его в чашку с кипящей водой, полностью растает.
  • Когда вы доводите воду до кипения, пламя газовой плиты передает тепло кастрюле, и в этот момент вода уже нагревается.
  • Тепло, которое исходит от кухонной утвари, когда вы оставляете ее на контейнере и переворачиваете суп, который практически горит.

Теплопроводность в твердых телах

В твердых телах атомы и молекулы расположены близко друг к другу. Они продолжают вибрировать относительно своего среднего положения.Что происходит, когда один из его концов нагревается? атома или молекул, присутствующих на этом конце, начинают вибрировать быстрее. Они также сталкиваются с соседними атомами или молекулами. При этом они передают часть своей энергии соседним атомам или молекулам, при столкновениях с ними их колебания усиливаются. Эти атомы или молекулы передают часть своей энергии соседним частицам. Таким образом, часть тепла достигает других частей твердых тел.Это медленный процесс, и в твердых телах происходит очень небольшая передача тепла от горячих частей к холодным.

Чем металлы отличаются от неметаллов с точки зрения теплопроводности?
Металлы имеют свободных электрона . Эти свободные электроны движутся с очень высокими скоростями внутри металлических объектов. Они переносят энергию с очень высокой скоростью от горячих частей объекта к холодным по мере своего движения. Таким образом, тепло достигает холодных частей металлических предметов от их твердых частей гораздо быстрее, чем неметаллов.

Все металлы являются хорошими проводниками тепла. Вещества, через которые тепло не проходит легко, называются плохими проводниками или изоляторами. Дерево, пробка, хлопок, шерсть, стекло, резина и т. д. являются плохими проводниками или изоляторами .

См. также: Отличие проводников от изоляторов

Примеры проводящих материалов

Чистое серебро Галлий
Закаленная медь (**) Никель
Алюминий Графит
Чистый цинк Тантал
Фосфористая бронза Бронза
Никель Сталь
Латунь Оцинкованный металл
Вольфрам Железо
Чугун Медь
Золото Ионизированный воздух

 

Применение теплопроводности в нашей повседневной жизни

Использование хороших проводников тепла

  • Кухонная утварь, кастрюли, чайники и бойлеры изготавливаются из металлов, в которых используется непосредственный нагрев.
  • Паяльник сделан из железа с наконечником из меди, потому что медь является гораздо лучшим проводником тепла, чем железо.

Использование изоляторов или плохих проводников
Приведены некоторые распространенные применения изоляторов:

  • Ручки чайников и ложек делают из пластмассы или дерева, так как дерево плохо проводит тепло. Таким образом, горячие чайники, посуду и ложки можно брать, не обжигая рук.
  • Шерстяная одежда или одеяла используются для согрева людей в холодные дни.
  • Опилки используются для покрытия ледяных глыб, поскольку они обладают хорошими изоляционными свойствами.

Связанные темы:
конвекционная теплопередача
радиационная теплопередача
Разница между кондуктивной конвекцией и излучением
Разница между проводниками и изоляторами

Кондуктивный теплообмен | Инженерная библиотека

На этой странице представлена ​​глава о кондуктивной теплопередаче из «Справочника по основам DOE: термодинамика, теплопередача и поток жидкости», DOE-HDBK-1012/2-92, U.С. Министерство энергетики, июнь 1992 г.

Другие связанные главы из «Справочника по основам Министерства энергетики: термодинамика, теплопередача и поток жидкости» можно увидеть справа.

Кондуктивный теплообмен

Кондуктивный теплообмен — это передача тепловой энергии за счет взаимодействий между соседними атомами и молекулами твердого тела.

Проводимость

Теплопроводность включает передачу тепла за счет взаимодействия между соседними молекулами материала.Теплопередача за счет теплопроводности зависит от движущей «силы» разницы температур и сопротивления теплопередаче. Сопротивление теплопередаче зависит от природы и размеров теплоносителя. Все проблемы теплообмена связаны с разностью температур, геометрией и физическими свойствами изучаемого объекта.

В задачах о кондуктивном теплообмене объектом исследования обычно является твердое тело. Проблемы конвекции связаны с жидкой средой.Проблемы теплопередачи излучением связаны с твердыми или жидкими поверхностями, разделенными газом, паром или вакуумом. Существует несколько способов соотнести геометрию, физические свойства и разность температур объекта со скоростью теплопередачи через объект. В кондуктивной теплопередаче наиболее распространенным средством корреляции является закон проводимости Фурье. Закон в форме уравнения чаще всего используется в прямоугольной или цилиндрической форме (трубы и цилиндры), обе из которых представлены ниже.

Прямоугольный $$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta x }\right) $$

(2-4)

Цилиндрический $$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta r }\right) $$

(2-5)

куда:

\ ( \ точка {Q} \) = скорость теплопередачи (БТЕ/час)
А = площадь поперечного сечения теплопередачи (фут 2 )
Δx = толщина плиты (футы)
Δr = толщина цилиндрической стенки (футы)
ΔT = разница температур (°F)
к = теплопроводность плиты (БТЕ/фут-час-°F)

Использование уравнений 2-4 и 2-5 для определения количества тепла, передаваемого теплопроводностью, продемонстрировано в следующих примерах.

Прямоугольные координаты проводимости

Пример:

1000 БТЕ/час проходит через участок изоляционного материала, показанный на рисунке 1, площадь поперечного сечения которого составляет 1 фут 2 . Толщина 1 дюйм, теплопроводность 0,12 БТЕ/час-фут-°F. Вычислите разницу температур по всему материалу.

Рисунок 1: Проводимость через плиту

Решение:

Используя уравнение 2-4:

$$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta x }\right) $$

Решение для ΔT:

$$ \begin{выравнивание} \Delta T &=& \dot{Q} \left({ \Delta x \over k ~A }\right) \nonumber \\ &=& { \left({ 1000 ~{\text{Btu} \over \text{hr}} }\right) \left({1 \over 12} ~\text{ft}\right) \over \left ({ 0.{\ circ} F \end{эквнаррай} $$

Пример:

Бетонный пол с проводимостью 0,8 БТЕ/час-фут-°F имеет размеры 30 футов на 40 футов и толщину 4 дюйма. Пол имеет температуру поверхности 70°F, а температура под ним 60°F. Каков тепловой поток и скорость теплопередачи через пол?

Решение:

Используя уравнения 2-1 и 2-4:

$$ \begin{выравнивание} \dot{Q}” &=& { \dot{Q} \over A } = k \left({ \Delta T \over \Delta x }\right) \nonumber \\ &=& \влево({ 0.2) \номер\\ &=& 28 800 ~{\text{Btu} \over \text{hr}} \end{эквнаррай} $$

Метод эквивалентного сопротивления

Теплопередачу можно сравнить с протеканием тока в электрических цепях. Скорость теплопередачи можно рассматривать как ток, а комбинацию теплопроводности, толщины материала и площади как сопротивление этому потоку. Разность температур представляет собой потенциальную или движущую функцию для теплового потока, в результате чего уравнение Фурье записывается в форме, аналогичной закону Ома теории электрических цепей.Если член теплового сопротивления Δx/k записать как член сопротивления, где сопротивление является обратной величиной теплопроводности, деленной на толщину материала, результатом будет уравнение проводимости, аналогичное электрическим системам или сетям. Электрическая аналогия может использоваться для решения сложных задач, связанных как с последовательными, так и с параллельными тепловыми сопротивлениями. Ученик обращается к рисунку 2, на котором показана схема эквивалентного сопротивления. Типичная задача проводимости в ее аналогичной электрической форме дается в следующем примере, где «электрическое» уравнение Фурье может быть записано следующим образом.

$$ \dot{Q}” = { \Delta T \over R_{th} } $$

(2-6)

куда:

\(\точка{Q}”\) = Тепловой поток (\( \dot{Q}/A \)) (Btu/hr-ft 2 )
ΔT = Разница температур (°F)
Р й = Термическое сопротивление (Δx/k) (час-фут 2 -°F/Btu)
Рисунок 2: Эквивалентное сопротивление

Электрическая аналогия

Пример:

Композитная защитная стена сформирована из 1-дюймового листа.медная пластина, слой асбеста толщиной 1/8 дюйма и слой стекловолокна толщиной 2 дюйма. Теплопроводность материалов в единицах БТЕ/час-фут-°F следующая: k Cu = 240, k asb = 0,048 и k fib = 0,022. Общая разница температур по всей стене составляет 500°F. {\ circ} \ text {F}} } \ nonumber \\ &=& 0.2} \end{эквнаррай} $$

Кондуктивно-цилиндрические координаты

Теплопередача через прямоугольное твердое тело является наиболее прямым применением закона Фурье. Теплопередачу через трубу или стенку трубы теплообменника оценить сложнее. Через цилиндрическую стенку площадь поверхности теплопередачи постоянно увеличивается или уменьшается. Фиг.3 представляет собой сечение трубы, изготовленной из однородного материала.

Рисунок 3: Площадь поперечного сечения цилиндрической трубы

Площадь поверхности (A) для передачи тепла по трубе (без учета концов трубы) прямо пропорциональна радиусу (r) трубы и длине (L) трубы.

А = 2πrL

По мере увеличения радиуса от внутренней стенки к внешней увеличивается площадь теплообмена.

Разработка уравнения, оценивающего теплопередачу через объект цилиндрической геометрии, начинается с закона Фурье (уравнение 2-5).

$$ \dot{Q} = k ~A \left({ \Delta T \over \Delta r }\right) $$

Из приведенного выше обсуждения видно, что никакое простое выражение для площади не является точным. Ни площадь внутренней поверхности, ни площадь внешней поверхности сами по себе не могут использоваться в уравнении.Для задачи с цилиндрической геометрией необходимо определить среднелогарифмическую площадь поперечного сечения (A lm ).

$$ A_{lm} = { A_{внешний} – A_{внутренний} \over \ln \left({ A_{внешний} \over A_{внутренний} }\right) } $$

(2-7)

Подстановка выражения 2πrL для площади в уравнении 2-7 позволяет рассчитать среднелогарифмическую площадь по внутреннему и внешнему радиусу без предварительного вычисления внутренней и внешней площади.

$$ \begin{выравнивание} A_{lm} &=& { 2 \pi ~r_{внешняя} L – 2 \pi ~r_{внутренняя} L \over \ln \left({ 2 \pi ~r_{внешняя} L \over 2 \pi ~ r_{внутренний} L }\right) } \nonumber \\ &=& 2 \pi ~L \left({ r_{внешний} – r_{внутренний} \over \ln{ r_{внешний} \over r_{внутренний} } }\right) \end{эквнаррай} $$

Это выражение для логарифмической средней площади можно подставить в уравнение 2-5, что позволит нам рассчитать скорость теплопередачи для цилиндрических геометрий.

$$ \begin{выравнивание} \dot{Q} &=& k ~A_{lm} \left({ \Delta T \over \Delta r }\right) \nonumber \\ &=& k \left[ 2 \pi ~L \left({ r_o – r_i \over \ln{ r_o \over r_i } }\right) \right] \left({ T_o – T_i \over r_o – r_i }\ справа) \номер\\ \dot{Q} &=& { 2 \pi ~k ~L ~(\Delta T) \over \ln (r_o / r_i) } \end{эквнаррай} $$

(2-8)

куда:

Л = длина трубы (фут)
р и = внутренний радиус трубы (футы)
р или = внешний радиус трубы (футы)

Пример:

Труба из нержавеющей стали длиной 35 футов имеет внутренний диаметр 0.92 фута и внешний диаметр 1,08 фута. Температура внутренней поверхности трубы составляет 122°F, а температура внешней поверхности составляет 118°F. Теплопроводность нержавеющей стали составляет 108 БТЕ/час-фут-°F.

Рассчитайте скорость теплопередачи через трубу.

Рассчитайте тепловой поток на внешней поверхности трубы.

Решение:

$$ \begin{выравнивание} \dot{Q} &=& { 2 \pi ~k ~L ~(T_h – T_c) \over \ln (r_o / r_i) } \nonumber \\ &=& { 6.2 } \end{эквнаррай} $$

Пример:

Труба длиной 10 футов с внутренним радиусом 1 дюйм и внешним радиусом 1,25 дюйма имеет температуру внешней поверхности 250°F. Скорость теплопередачи составляет 30 000 БТЕ/час. Найдите температуру внутренней поверхности. Предположим, что k = 25 БТЕ/час-фут-°F.

Решение:

$$ \dot{Q} = { 2 \pi ~k ~L ~(T_h – T_c) \over \ln (r_o / r_i) } $$

Решение для T h :

$$ \begin{выравнивание} T_h &=& { \dot{Q} ~\ln (r_o / r_i) \over 2 \pi ~k ~L } + T_c \nonumber \\ &=& { \left( 30,000 ~{ \text{Btu} \over \text{hr} } \right) \left( \ln { 1.{\ circ} \ text {F} \end{эквнаррай} $$

Оценка теплопередачи через цилиндрическую стенку может быть распространена на составное тело, состоящее из нескольких концентрических цилиндрических слоев, как показано на рисунке 4.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.