Коэффициент теплопроводности материала: Коэффициенты теплопроводности строительных материалов

Содержание

Коэффициенты теплопроводности строительных материалов

8554

Мариуполь срочно требует помощи. Россия истребляет население Мариуполя. В городе около 400 тыс. жителей. За 20 дней войны Россия убила около 3 тыс. гражданских. Тела убитых лежат на улицах. Россия обстреливает согласованные заранее зеленые коридоры, по которым эвакуируются местные жители. Россия не пропускает гуманитарную помощь в город.

Подборка потерь армии РФ в Украине

Теплопроводность материала зависит от его плотности, влажности и добавок. Таким образом, у строительных материалов разных производителей будут отличаться физические свойства. Поэтому для точности следует брать значения коэффициентов теплопроводности материала из документации производителя.

Для того, чтобы произвести расчет теплопотерь частного дома, чтобы определить необходимую мощность отопления, достаточно взять данные, которые приведены в таблице ниже. В ней приведены коэффициенты теплопроводности λ (Вт/(м*К)), взятые для средней зоны влажности по СНиП 2-3-79.


ВсеБетоныРастворыГипсокартон и гипсовые плитыКирпичная кладка и облицовкаДерево и материалы на его основеУтеплителиЗасыпкиДругое Фильтр по группе материалов

 

 

Таблица коэффициентов теплопроводности строительных материалов
МатериалПлотность, кг/куб.мТеплопроводность, Вт/(м*K)
Железобетон25002.04
Бетон на гравии или щебне24001,86
Туфобетон18000.99
*16000.81
*14000.58
*12000.47
Пемзобетон1600 0.68
*14000. 54
*12000.43
*10000.34
*8000.26
Бетон на вулканическом шлаке16000.70
*14000.58
*12000.47
*10000.35
*8000.29
Керамзитобетон на керамзитовом песке и керамзитопенобетон18000.92
*
1600
0.79
*14000.65
*12000.52
*10000. 41
*8000.31
*6000.26
*5000.23
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией12000.58
*10000.47
*8000.35
Керамзитобетон на перлитовом песке10000.41
* 8000.35
Шунгизитобетон14000.64
*12000.50
*10000.38
Перлитобетон12000.50
*10000. 38
*8000.33
*6000.23
Шлакопемзобетон (термозитобетон)18000.76
*16000.63
*14000.52
*12000.44
*10000.37
Шлакопемзопенобетон и шлакопемзогазобетон16000.70
*14000.58
*12000.47
*10000.41
*8000.35
Бетон на доменных гранулированных шлаках18000. 81
*16000.64
*14000.58
*1200 0.52
Аглопоритобетон и бетоны на топливных (котельных) шлаках18000.93
*16000.78
*14000.65
*12000.54
*10000.44
Бетон на зольном гравии14000.58
*12000.47
*10000.35
Вермикулитобетон8000.26
*6000. 17
*
4000.13
*3000.11
Газобетон, пенобетон, газосиликат, пеносиликат10000.47
*8000.37
*6000.26
*4000.15
*3000.13
Газозолобенон и пенозолобетон12000.58
*10000.50
*8000.41
Цементно-песчаный раствор18000.93
Сложный (песок, известь, цемент) раствор1700 0. 87
Известково-песчаный раствор16000.81
Цементно-шлаковый раствор14000.64
*12000.58
Цементно-перлитовый раствор10000.30
*8000.26
Гипсо-перлитовый раствор6000.23
Поризованный гипсо-перлитовый раствор5000.19
*4000.15
Плиты из гипса12000.47
*10000.35
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка)8000. 21
Кладка из глиняного кирпича на цементно-песчаном растворе18000.81
Кладка из глиняного кирпича на цементно-шлаковом растворе17000.76
Кладка из глиняного кирпича на цементно-перлитовом растворе16000.70
Кладка из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе18000.87
Кладка из трепельного кирпича на цементно-песчаном растворе12000.52
* 10000.47
Кладка из шлакового кирпича на цементно-песчаном растворе15000.70
Кладка из керамического пустотного кирпича плотностью 1400 кг/куб.м.на цементно-песчаном растворе16000. 64
Кладка из керамического пустотного кирпича плотностью 1300 кг/куб.м.на цементно-песчаном растворе14000.58
Кладка из керамического пустотного кирпича плотностью 1000 кг/куб.м.на цементно-песчаном растворе12000.52
Кладка из силикатного одиннадцатипустотного кирпича на цементно-песчаном растворе15000.81
Кладка из силикатного четырнадцатипустотного кирпича на цементно-песчаном растворе14000.76
Облицовка гранитом, гнейсом, базальтом28003.49
Облицовка мрамором28002.91
Облицовка известняком20001.28
*18001. 05
*16000.81
*14000.58
Облицовка туфом20001.05
*18000.81
*16000.64
*14000.52
*12000.41
*10000.29
Сосна, ель поперек волокон5000.18
Сосна, ель вдоль волокон5000.35
Дуб поперек волокон7000.23
Дуб вдоль волокон7000. 41
Фанера клееная5000.18
Картон облицовочный10000.23
Картон строительный многослойный6500.18
ДВП и ДСП10000.29
*8000.23
*6000.16
*4000.13
*2000.08
Плиты фибролитовые и арболитовые на портландцементе8000.30
*6000.23
*4000.16
*3000. 14
Плиты камышитовые3000.14
*2000.09
Плиты торфяные теплоизоляционные3000.08
*2000.064
Пакля1500.07
Маты минераловатные прошивные и на синтетическом связующем1250.07
*750.064
*500.06
Плиты минераловатные на синтетическом и битумном связующих3500.11
*3000.09
*2000.08
*1000. 07
*500.06
Плиты минераловатные повышенной жесткости на органофосфатном связующем2000.076
Плиты минераловатные полужесткие на крахмальном связующем2000.08
*1250.064
Плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем500.064
Маты из стекловолокна прошивные1500.07
Пенополистирол1500.06
*1000.052
*400.05
Пенопласт ПХВ-1 и ПВ-11250.064
*100 и меньше0. 052
Пенополиуретан800.05
*600.041
*400.04
Плиты из резольно-фенолформальдегидного пенопласта1000.076
*750.07
*500.064
*400.06
Перлитопластбетон2000.06
*1000.05
Перлитофосфогелевые изделия3000.12
*2000.09
Засыпка гравия керамзитового8000. 23
*6000.20
*4000.14
*3000.13
*2000.12
Засыпка гравия шунгизитового8000.23
*6000.20
*4000.14
Засыпка щебня из доменного шлака, шлаковой пемзы и аглопорита8000.26
*6000.21
*4000.16
Засыпка щебня и песка из перлита вспученного6000.12
*4000. 09
*2000.08
Засыпка вермикулита вспученного2000.11
*1000.08
Засыпка песка16000.58
Пеностекло или газостекло4000.14
*3000.12
*2000.09
Листы асбестоцементные плоские18000.52
*16000.41
Битумы нефтяные14000.27
*12000.22
*10000. 17
Изделия из вспученного перлита на битумном связующем4000.13
*3000.099
Рубероид6000.17
Линолеум поливинилхлоридный многослойный18000.38
*16000.33
Линолеум поливинилхлоридный на тканевой подоснове18000.35
*16000.29
*14000.23
Сталь стержневая арматурная785058
Чугун720050
Алюминий2600221
Медь8500407
Стекло оконное25000. 76

 

 

всё про ремонт и обустройство жилья

Из Википедии — свободной энциклопедии

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Различают стационарный и нестационарный процессы теплопроводности в твердом теле. Стационарный процесс характеризуется неизменными во времени параметрами процесса. Такой процесс утанавливается при длительном поддержании температур теплообменивающихся сред на одном и том же уровне. Нестационарный процесс представляет собой неустановившийся тепловой процесс в телах и средах, характеризуемый изменением температуры в пространстве и во времени.

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

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

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

Количество переносимого тепла Q называется тепловым потоком; эту величину обычно относят к единице времени — часу. Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности, называется удельным тепловым потоком, плотностью теплового потока, или тепловой нагрузкой поверхности нагрева q.

Величины Q, а также q являются вектором, за положительное направление которого принимают направление по нормали к изотермической поверхности в сторону уменьшения температуры, т. е. противоположно направлению вектора температурного градиента.

Связь между количеством тепла dQ, проходящим через элементарную площадку dF, лежащую на изотермической поверхности, в единицу времени, и температурным градиентом установил Фурье:

(1)

Удельный тепловой поток определяется соотношением:

Знак минус в правой части уравнений (1) и (2) указывает на то, что тепловой поток и температурный градиент, как векторы, имеют противоположные направления. Множитель пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент λ является физическим параметром вещества и характеризует способность его проводить тепло.

Из уравнения (2) следует, что коэффициент теплопроводности λ имеет размерность:

Следовательно, величина коэффициента теплопроводности определяет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.

В общем случае коэффициент теплопроводности имеет различные значения для различных веществ. Для данного вещества коэффициент теплопроводности зависит от его физических характеристик, температуры, давления, влажности и структуры. Для веществ, имеющих практическое применение, не удалось установить аналитическую зависимость коэффициента теплопроводности от физических характеристик вещества. При инженерных расчетах значения коэффициента теплопроводности выбираются из справочных таблиц, составленных по опытным данным. На рисунке показаны пределы изменения коэффициента теплопроводности различных веществ.

Порядок величин коэффициента теплопроводности для различных веществ

Опыт показывает, что для материала определенной структуры и влажности, находящегося при атмосферном давлении, коэффициент теплопроводности зависит от температуры. Для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной:

где λо — значение коэффициента теплопроводности при температуре t0;

b — постоянная, определяемая опытным путем.

Значения коэффициента теплопроводности газов находятся в пределах от 0,004 до 0,4 Вт×м -1 ×K -1 . С повышением температуры коэффициент теплопроводности идеальных газов увеличивается, а от изменения давления практически не зависит. Исключение составляют очень низкие (20 мм рт. ст.) и очень высокие (>2000 атм) давления. Наибольшие значения коэффициента теплопроводности у гелия и водорода (в 5 — 10 раз больше, чем у других газов). Это объясняется большой скоростью движения молекул гелия и водорода между очередными соударениями.

Коэффициент теплопроводности водяного пара и других реальных газов, существенно отличающихся от идеальных, заметно зависит от давления.

Для газовых смесей коэффициент теплопроводности необходимо определять опытным путем, так как закон аддитивности для коэффициента λ неприменим.

Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит примерно в пределах от 0,07 до 0,5 Вт×м -1 ×K -1 . С повышением температуры для большинства жидкостей коэффициент λ убывает, исключение составляют вода и глицерин. При увеличении давления коэффициент теплопроводности жидкостей возрастает.

Коэффициент теплопроводности металлов лежит в пределах от 1,72 до 310 Вт×м -2 . Наиболее теплопроводным металлом является серебро (λ = 310), затем красная медь (λ = 292), золото (λ = 224), алюминий (λ = 155) и т. д. При наличии примесей в металле коэффи-миенттеплопроводности уменьшается. Так, например, красная медь со следами мышьяка имеет λ = 105 Вт×м -1 ×K -1 . Для железа с 0,1% углерода λ = 39 Вт×м -1 ×K -1 , с 1,0% углерода λ = 29, с 1,5% углерода λ = 27 Вт×м -1 ×K -1 . Для закаленной углеродистой стали коэффициент теплопроводности на 10 — 25% ниже, чем для незакаленной. При повышении температуры значения коэффициента теплопроводности чистых металлов уменьшаются. Это объясняется тем, что с повышением температуры появляются тепловые неоднородности в металле, вызывающие усиление рассеивания электронов. В отличие от чистых металлов коэффициент теплопроводности сплавов увеличивается с ростом температуры.

Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов лежит в пределах от 0,02 до 2,1 Вт×м -1 ×K -1 , причем с повышением температуры он возрастает. Как правило, с увеличенном плотности материала коэффициент теплопроводности растет. Он зависит от структуры материала, его пористости и влажности. Наличие пор во многих строительных и теплоизоляционных материалах (кирпич, бетон, асбест, шлак и т. п.) не позволяет рассматривать их кик сплошную среду. Применение к таким телам закона Фурье является условным. Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел в значительной степени зависит от плотности. Например, коэффициент теплопроводности асбеста при возрастании плотности от 400 до 800 кг/м 3 увеличивается от 0,08 до 0,18 Вт×м -1 ×K -1 . Такое положение объясняется тем, что с увеличением плотности материала уменьшается количество воздуха в порах, у которого коэффициент теплопроводности значительно меньше, чем у твердой части пористого тела. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно больше, чем для сухого и для воды в отдельности. Это объясняется конвективным переносом тепла, возникающим вследствие капиллярного движения воды по пористому материалу, а также тем, что абсорбционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой.

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Лекция №5 – 2 ч.

Теория теплообмена, основные понятия и определения. Теплопроводность. Предмет и методы теории теплообмена. Основные виды переноса теплоты. Понятия теплоотдачи и теплопередачи. Температурное поле, температурный градиент. Закон Фурье. Расчетные формулы стационарной теплопроводности для плоской и цилиндрической стенок при граничных условиях 1 и 3 рода (теплопередача).

Основы теории теплообмена

Теплопередача — это процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку. Теплопередача связана с весьма сложными процессами и при ее изучении необходимо знать законы теории теплообмена и методы анализа, применяемые в физике, термодинамике, гидродинамике и химии.

Сложный процесс переноса теплоты разбивают на ряд более простых. Такой прием упрощает его изучение. Кроме того, каждый простой процесс переноса теплоты подчиняется своим законам. Существует три простейших способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция, излучение.

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микрочастицами (молекулами, атомами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур.

Конвективный теплоперенос (конвекция) наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвекция — это перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества. Следует иметь в виду, что одновременно с конвекцией всегда существует и теплопроводность. Однако конвекция обычно является определяющей, т. к. она интенсивнее теплопроводности.

Конвекцией можно передавать теплоту на очень большие расстояния (например, при движении газа по трубам). Движущаяся среда (жидкость или газ), используемая для переноса теплоты, называется теплоносителем.

Третьим способом переноса теплоты является излучение. За счет излучения теплота передается во всех лучепрозрачных средах, в том числе и в вакууме. Носителями энергии при теплообмене излучением являются фотоны, излучаемые и поглощаемые телами, участвующими в теплообмене.

В большинстве случаев перенос тепла осуществляется несколькими способами одновременно. Например, конвективная теплопередача от газа к стенке практически всегда сопровождается параллельным переносом теплоты излучением.

Основные понятия и определения

Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока. Плотность теплового потока — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единичную плотность поверхности, q [Вт/м2].

Мощность теплового потока или просто тепловой поток — это количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, [Вт].

поверхность теплообмена F — это поверхность, через которую происходит передача тепла. Например, при остывании теплоносителя в трубе диаметром d и длиной l, тепло передается от горячего теплоносителя к окружающей среде через цилиндрическую поверхность трубы. В этом случае .

Перенос теплоты зависит от распределения температуры по объему тела или пространства. Температурным полем называется совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела или системы тел в данный момент времени. Математическое описание температурного поля имеет вид:

где t — температура;

x, y,z — пространственные координаты;

— время.

Температурное поле, описываемое приведенным уравнением, называется нестационарным. В этом случае температуры зависят от времени.

В том случае, когда распределение температуры в теле не изменяется со временем, температурное поле называется стационарным

если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называется соответственно одно— и двухмерным:

Температурные поля (1. 2) и (1.3) называются трехмерными.

Поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Изотермические поверхности могут быть замкнутыми, но не могут пересекаться. Быстрее всего температура изменяется при движении в направлении, перпендикулярном изотермической поверхности. Скорость изменения температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Градиент температуры

(grad t) — есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной пот температуры по этому направлению:

,

Рисунок 1 — Расположение градиента температуры и вектора теплового потока относительно изотермы t2=Const температурного поля

где — единичный вектор, направленный в сторону возрастания температур нормально к изотермической поверхности.

Теория теплопроводности

Закон Фурье

Теория теплопроводности рассматривает тело как непрерывную среду. Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье — вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален вектору градиента температуры:

,

где — коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К). Он характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту.

Знак «-» указывает на противоположное направление вектора теплового потока и вектора градиента температуры. Вектор плотности теплового потока q всегда направлен в сторону наибольшего уменьшения температуры.

скалярная величина вектора плотности теплового потока:

,

Из формулы следует, что коэффициент теплопроводности определяет плотность теплового потока при градиенте температуры 1 К/м.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит от химической природы вещества и его физического состояния (плотности, влажности, давления, температуры). Диапазоны изменения для различных материалов приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 — Теплопроводность при стационарном режиме

При расчете теплообменных аппаратов, анализе теплового баланса работающего оборудования, оценке тепловых потерь ирешении многих других задач теплообмена, часто необходимо рассчитать тепловой поток, проходящий через твердую стенку, разделяющую жидкости или газы при различных температурах, который в простейшем случае вычисляется по формуле:

K — коэффициент теплопередачи;

Tf1 , Tf2 — температуры жидкости или газа между которыми происходит теплообмен

Как видно, наибольшую сложность здесь представляет определение коэффициента теплопередачи k, который зависит от физических свойств теплоносителя, режима течения и коэффициента теплопроводности твердой стенки. Коэффициент теплопередачи плоской стенки можно выразить через коэффициенты теплоотдачи поверхностей стенки:

α1 , α2 — коэффициенты теплоотдачи поверхностей стенки;

λ — коэффициент теплопроводности стенки;

δ — толщина стенки;

Вычислив коэффициенты теплоотдачи, на данной странице можно рассчитать тепловой поток, передаваемую мощность, коэффициент теплопередачи и температуру плоской или цилиндрической стенки.

Расчет теплопередачи через плоскую стенку

Исходные данные:

H — толщина стенки, миллиметрах;

S — площадь стенки, метрах 2 ;

Tfa — температура среды А, в °C;

αa — коэффициент теплоотдачи поверхности А, в ватт/метр 2 ×°C;

Tfb — температура среды B, в °C;

αb — коэффициент теплоотдачи поверхности B, в ватт/метр 2 ×°C.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ СТЕНКУ

Толщина стенки, H, мм

Площадь стенки, S, м 2

Теплопроводность стенки λ, Вт/(м* 0 C×сек)

Температура среды А, Т, 0 С

Коэффициент теплоотдачи, αа, Вт/м 2 * 0 С

Температура среды B, Тfb, 0 С

Коэффициент теплоотдачи, αb, Вт/м 2 * 0 С

Коэффициент теплопроводности __

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·°С), является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (3.1), коэффициент теплопроводности материала выражает меру проводимости теплоты материалом, численно равную тепловому потоку qт, Вт, проходящему сквозь 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры, равном 1 °С/м (рис. 5). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в материале процесс теплопроводности и значительнее тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,3 Вт/(м·°С).

Рис. 5. К определению коэффициента теплопроводности материала: п – нормаль к поверхности

Большинство строительных материалов – пористые тела. Зависимость коэффициента теплопроводности строительных материалов от их плотности обусловлена тем, что практически любой строительный материал состоит из скелета – основного строительного вещества – и воздуха. К.Ф. Фокин [13] для примера приводит такие данные: коэффициент теплопроводности абсолютно плотного вещества (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/(м·°С) (пластмасса) до 14 Вт/(м·°С) (кристаллические вещества при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как теплопроводность воздуха около 0,026 Вт/(м·°С). Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение коэффициента теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют сравнительно небольшую плотность.

Коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением влажности материала. Влажность характеризуется наличием в материале химически несвязанной воды. Весовая влажность ωв, %, определяется отношением массы влаги, содержащейся в образце материала, к его массе в сухом состоянии:

                                                                                                  (3.5)

где М1, М2 – масса образца материала соответственно до и после высушивания, кг. Объемная влажность ωо, %, определяется по формуле

                                                                                                             (3.6)

где V1, V2 – соответственно объем влаги в образце материала и самого образца, м3.

На практике чаще пользуются весовой влажностью, т.к. извлечь в натурных условиях из строительной конструкции целый кусок материала в качестве образца трудно.

Повышение коэффициента теплопроводности с увеличением влажности материала происходит из-за того, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности около 0,58 Вт/(м·°С), что в 22 раза больше, чем у воздуха, находящегося в порах. Большая интенсивность возрастания коэффициента теплопроводности при малой влажности вызвана тем, что при увлажнении материала сначала заполняются водой мелкие поры и капилляры, влияние которых на теплопроводность материала больше, чем влияние крупных пор. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности, если влажный материал промерзает, т.к. лед имеет коэффициент теплопроводности 2,3 Вт/(м·°С), что в 80 раз больше, чем у воздуха. Установить общую математическую зависимость теплопроводности материала от его влажности для всех строительных материалов невозможно (большое влияние оказывает форма и расположение пор). Однако очевидно, что увлажнение строительных конструкций приводит к снижению их теплозащитных качеств, увеличивая коэффициент теплопроводности влажного материала.

Влажностное состояние материалов в ограждающих конструкциях зданий зависит от климата района строительства и от влажностного режима помещений. Различные сочетания наружных и внутренних влажностных режимов формируют два типа условий эксплуатации ограждающих конструкций: А и Б. Условиям эксплуатации А соответствуют сочетания сухого или нормального влажностного режима помещений с сухой зоной района строительства, а также сухого режима помещений с нормальной климатической зоной влажности. Все остальные сочетания влажностного режима помещений и климатических зон влажности формируют условия эксплуатации Б (табл. 10).

Таблица 10

Условия эксплуатации ограждающих конструкций

Влажностный режим помещения (по табл. 8)

А и Б в зоне влажности (по прил. 1)

сухой

нормальной

влажной

Сухой

А

А

Б

Нормальный

А

Б

Б

Влажный или мокрый

Б

Б

Б

В соответствии с условиями эксплуатации строительной конструкции принимается значение коэффициента теплопроводности λА или λБ, Вт/(м·°С).

Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Усиление теплопроводных свойств объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры большого значения не имеет. Расчет коэффициента теплопроводности материала при 0 °С λ0, Вт/(м·°С), на основании величины, полученной при температуре до 100 °С, выполняется по эмпирической формуле О.Е. Власова [14]:

                                                                                                                 (3.7)

где λt – коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·°С), при соответствующей температуре t, °С;

βt – температурный коэффициент для различных материалов, равный около 0,0025 1/°С.

Рекомендуемые в СП 23-101-2004 [7] значения λ приняты при температуре 25 °С. Для различных строительных материалов с указанием их плотности расчетные значения λ, соответствующие условиям эксплуатации А и Б, приведены также в [15, 16]. При этом в таблицах из [7, 15, 16] указана весовая влажность материала, соответствующая условиям эксплуатации.

Однако величины коэффициентов теплопроводности, приведенные в СП 23-101-2004 [7], получены исследованиями по разным методикам [15]. Дело в том, что расчетные значения коэффициентов теплопроводности различных конструкционных и теплоизоляционных строительных материалов, указывавшиеся в ранее действовавшем СНиП II-3-79* [17], определены при температуре 0 °С [13]. Температура 0 °С соответствует средней температуре наружной стены здания в зимнее время, когда значительная часть слоя утеплителя находится в зоне отрицательной температуры. Согласно методикам ГОСТ 26254-84 [18] и ГОСТ 530-95 [19], коэффициенты теплопроводности установлены в ходе исследований теплозащитных качеств материалов наружных ограждающих конструкций эксплуатируемых зданий или фрагментов наружных стен размерами 1,5´1,0 и 1,8´1,8 м в климатической камере. Температурно-влажностный и воздушный режимы исследуемого ограждения соответствуют расчетной температуре холодного периода года, т.к. исследования проводятся при температуре наружного воздуха (или ее имитации в камере), равной -20…-30 °С. Такой подход учитывает влияние замерзшей влаги и фильтрации холодного воздуха на увеличение коэффициента теплопроводности. По методике ГОСТ 7076-99 [20], коэффициенты теплопроводности ячеистых бетонов, полистиролбетона и современных мягких теплоизоляционных материалов определены в лабораторных условиях на плитках размером 250´250´50 мм при температуре 10 и 20 °С. Полученные таким образом коэффициенты отличаются в меньшую сторону от значений, полученных при испытаниях в натурных условиях или на фрагментах стен в климатической камере, т.к. указанная методика исключает влияние замерзшей влаги и фильтрации холодного воздуха. Поэтому при определении сопротивления теплопередаче ограждений в расчетный зимний период в [15] значения коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов (минераловатных и пенополистирольных плит), полученных по ГОСТ 7076-99 [20], рекомендуется увеличивать на 30 % в невентилируемых конструкциях и на 20 % в вентилируемых.

Теплотехнические характеристики легких утеплителей наиболее полно даны в СП 23-101-2004 [7], кирпичной кладки на различных растворах и кладки из полистиролбетона – в [15], ячеистых бетонов – в [16].

Материалы для термоинтерфейса | Охлаждение электроники

Сборщику электроники не потребуется много времени, чтобы понять, что материал теплового интерфейса (TIM) необходим, когда две или более твердых поверхностей находятся на пути тепла. Стандартные обработанные поверхности шероховатые и волнистые, что приводит к относительно небольшому количеству точек фактического контакта между поверхностями. Изолирующие воздушные зазоры, создаваемые многочисленными пустотами «соприкасающихся» твердых поверхностей, являются просто слишком большим тепловым барьером даже для приложений со скромной мощностью. Первая тактика преодоления этого барьера заключается в заполнении пустот и удалении воздуха путем введения в тепловой тракт третьего материала, который является текучим и смачивает поверхности. Для более требовательных тепловых приложений второй тактикой является использование композитного ТИМ, содержащего наполнители, которые улучшают процесс проводимости третьего материала. Йованович и др. [1] подсчитали, что простая замена воздуха смазкой может снизить тепловое сопротивление примерно в пять раз (в зависимости от поверхности и контактного давления). Как показано на рис. 1, материал теплового интерфейса существенно меняет путь прохождения тепла между твердыми телами с шероховатой поверхностью с теплопроводности через точечные контакты и воздух на теплопроводность полностью через твердые тела.

Рисунок 1а. Проводимость через точечные контакты и воздух между твердыми поверхностями.


Рисунок 1б. Проведение через ТИМ, заполняющее пробелы.

Важным свойством любого ТИМ является его теплопроводность, k ТИМ . Ненаполненные полимеры имеют теплопроводность около 0,1 Вт/м·К. Все современные ТИМ представляют собой композиты, содержащие наполнители в виде частиц, которые повышают теплопроводность до диапазона 7 Вт/м·К. Неорганические наполнители в виде частиц включают оксид алюминия, оксид магния, нитрид алюминия, нитрид бора и алмазный порошок. Также используются металлические наполнители, особенно серебро. К сожалению, одной только высокой теплопроводности недостаточно для обеспечения оптимальной работы системы, как мы покажем позже. В описаниях конкретных классов материалов мы будем характеризовать характеристики термическим сопротивлением (приведенным к единице площади на один квадратный сантиметр), которое имеет единицы К·см 2 /Вт, полученный из одномерного расчета теплового потока. Таким образом, мы можем учесть толщину межфазной поверхности. Конкретное значение в любом конкретном приложении сильно зависит от контактных поверхностей и приложенного давления. Тем не менее, указанные диапазоны являются репрезентативными для каждого класса материалов. (Примечание: многие поставщики сообщают значения сопротивления в смешанных единицах K�in 2 /Вт. Их необходимо умножить на 6,45, чтобы они соответствовали единицам, приведенным в этом документе.)

Помимо тепловых характеристик, TIM выбираются также ряд других важных критериев. Простота использования при сборке и доработке важна для высокопроизводительных приложений, как и долговременная стабильность (надежность). Поток производственного процесса часто диктует выбор материала. Например, во многих случаях TIM крепится к радиатору в одном месте, а окончательная сборка модуля происходит в другом. Эластомерные прокладки были разработаны в качестве альтернативы ранним решениям для смазки, в основном из-за производственных преимуществ, которые они предлагали. Материалы с фазовым переходом появились как технология, которая объединила преимущества тепловых характеристик смазки и простоту сборки твердой прокладки. В процессе выбора TIM часто упускают из виду клеи и припои. Оба обладают уникальным преимуществом надежного механического соединения, устраняя необходимость в зажимном оборудовании, которое требуется для смазок, прокладок и материалов с фазовым переходом.

Смазки

Смазки (также известные как термопасты) представляют собой силиконовые или углеводородные масла, содержащие различные наполнители. Исторически сложилось так, что они являются самым старым классом материалов, поскольку они легко решают основную задачу устранения микроскопических воздушных карманов. Как группу их часто характеризуют как «грязные» и трудно наносимые из-за их высокой вязкости. Более серьезной проблемой при нанесении является воспроизводимость доставки правильного количества для достижения полного покрытия с достаточно тонким зазором. Компоненты требуют механического зажима, а давление около 300 кПа обычно обеспечивает оптимальные тепловые характеристики.

Традиционные смазки обычно имеют поверхностное сопротивление около 1 кОм см 2 /Вт, в то время как новейшие продукты находятся в диапазоне 0,2 кОм см 2 /Вт. Поскольку они нагреваются во время использования, вязкость падает, и они имеют тенденцию к дальнейшему смачиванию контактных поверхностей, что повышает производительность за счет снижения межфазного сопротивления. Неблагоприятным последствием в приложениях, которые включаются и выключаются, является явление, известное как «откачка», при котором смазка с низкой вязкостью вытесняется из интерфейса, потенциально загрязняя соседние компоненты. В экстремальных условиях интерфейс может пересохнуть.

Из-за своей долгой истории и широкого применения в потребительских товарах консистентные смазки часто считаются пиком на рынке. Наоборот, новые составы разрабатываются для удовлетворения конкретных потребностей микропроцессорной упаковки. Один поставщик микропроцессоров рекомендует только два материала термоинтерфейса для сопряжения своего последнего продукта с радиатором, и оба являются недавно разработанными смазками [2].

Эластомерные прокладки

Эластомерные прокладки являются логическим продолжением пластичных смазок: полимеризованные силиконовые каучуки в виде удобных в обращении твердых веществ. При типичной толщине 0,25 мм большинство колодок имеют основу из тканого стекловолокна для улучшения управляемости и содержат неорганические наполнители, как и смазки. Они поставляются в виде вырубных заготовок точной формы, необходимой для применения (например, все стандартные корпуса транзисторов TO). Поэтому сборка этих продуктов очень проста. Компромисс заключается в том, что для достижения адекватного интерфейса необходимы высокие давления (~ 700 кПа). Кроме того, с диапазоном тепловых характеристик 1 – 3 К·см 2 /W, применение ограничивается теми, у которых умеренные тепловые требования.

Термоленты

Термоленты были разработаны как метод крепления радиатора. Они устраняют необходимость во внешних зажимах, что снижает общие требования к оборудованию. Термоленты представляют собой заполненные чувствительные к давлению клеи (PSA), нанесенные на опорную матрицу, такую ​​как полиимидная пленка, мат из стекловолокна или алюминиевая фольга. PSA прилипают к поверхностям при контакте и при небольшом надавливании. Их обычно можно найти на бинтах и ​​«липкой» бумаге для заметок.

Как и в случае с прокладками, тепловые характеристики находятся в диапазоне сопротивления 1 – 4 К·см 2 /Вт и сильно зависят от качества поверхности. На самом деле, основной движущей силой использования лент часто является их адгезионная способность, а тепловые характеристики имеют второстепенное значение. Ленты также имеют очень ограниченную податливость и, как правило, не подходят для современных формованных корпусов BGA с вогнутыми верхними поверхностями.

Материалы с фазовым переходом

Материалы с фазовым переходом сочетают в себе тепловые характеристики смазки с удобством эластомерной прокладки. Первоначально разработан в 1980-х, они стали известны в 1990-х, когда их можно было легко предварительно нанести на радиаторы на Тайване. Затем окончательная сборка микропроцессора была выполнена у контрактного производителя без необходимости работы с «грязной» смазкой.

Материалы с фазовым переходом преимущественно представляют собой воски, которые обычно плавятся в диапазоне 50–80°C. По сути, это низкотемпературные термопластичные клеи. На практике они являются эффективными проводниками тепла как выше, так и ниже точки плавления. При работе выше точки плавления они неэффективны в качестве клея и нуждаются в механической поддержке, поэтому они всегда используются с зажимом, создающим давление в диапазоне 300 кПа.

Как и в случае прокладок и лент, их можно получить в различных конфигурациях, как с опорой, так и без нее, и с добавлением наполнителей для повышения теплопроводности. Уровни производительности очень близки к консистентной смазке, в диапазоне 0,3 – 0,7 к·см 2 /Вт. Что мешает им быть идеальным решением? Ремонтопригодность. Несмотря на то, что он не классифицируется как клей, его адгезия достаточна для того, чтобы дорогие компоненты подвергались риску во время доработки. Это основное соображение при переходе на смазку с новейшими высокопроизводительными микропроцессорами.

Гели

Гели — еще один недавно разработанный вариант, который распределяется подобно смазке, но затем отверждается до частично сшитой структуры, что устраняет проблему откачивания [3]. Уровни термостойкости сопоставимы со смазкой в ​​диапазоне 0,4 – 0,8 К·см 2 /Вт.

Теплопроводящие клеи

Теплопроводящие клеи часто упускают из виду инженеры-теплотехники. Обычно составы на основе эпоксидной смолы или силикона, содержащие наполнители, обеспечивают превосходную механическую связь, которая может уменьшить размер и вес системы. Обычно с термическим сопротивлением < 1 К·см 2 /Вт, лучшие исполнители достигают 0,15 К·см 2 /Вт. Однако они требуют надежных производственных процессов, поскольку повторная обработка нецелесообразна. Преимуществом клея является компактный корпус, высокоэффективный интерфейс и долговременная надежность.

Припой

Припой — это еще один TIM, который часто упускают из виду. Он представляет собой окончательную, сплошную металлическую поверхность с сопротивлением < 0,05 К·см 2 /Вт. Несмотря на проблемы высокотемпературной обработки (и доработки), припой используется в качестве термического интерфейса там, где не существует другого жизнеспособного варианта: присоединение силового кристалла первого уровня. На более высоких уровнях упаковки интерфейсы обычно не подходят для использования припоя, а расширенные области делают обработку очень сложной.

Количественное определение

«Почти все существующие решения для термоупаковки ограничены тепловым сопротивлением на твердотельных поверхностях вдоль основных путей отвода тепла от чипа в окружающий воздух, особенно на поверхности чипа и на радиаторе. база.” [4]  

Инженеры-теплотехники постоянно ищут «лучшие» продукты для теплового интерфейса. Обычно это выражается в требовании более высокой теплопроводности. Но так ли это на самом деле? Это достаточно? Насколько критична ситуация? Следующий анализ пытается дать количественную оценку проблемы.

Хорошо известно, что тепло будет течь везде, где может, и будет использовать любой способ, предлагающий путь с наименьшим сопротивлением, будь то теплопроводность, конвекция или излучение. Все электронные системы в конечном итоге отводят свое тепло в атмосферу за счет конвекции. Вдоль промежуточного пути всегда есть проводящий участок (обычно это основной путь), и где-то по пути контактируют два разных материала, отсюда и необходимость в ТИМ.

Рис. 2. Модельная диаграмма одномерного теплового потока через пять резистивных путей: три объемных материала и два интерфейса. раковина”). Интересующие в данном случае ТИМ тонкие и легко моделируются одномерным переносом тепла. В данном случае (рис. 2) будем исследовать течение тепла через кремниевые и алюминиевые пластины, сопряженные с ТИМ, предполагающим равномерный теплообмен по оси z с общим сопротивлением:

(1) Легко продемонстрировано [5], что сопротивление интерфейса фактически состоит из двух новых контактных сопротивлений плюс объемного сопротивления TIM:

(2) Объединение значений отдельных контактов и введение соотношения объемной проводимости по одной оси дает зависимость сопротивления от площади межфазного контакта и толщины:

(3) где t — толщина материала (м), A — его площадь (м 2 ), а k TIM — теплопроводность в Вт/м К.

Применение соотношения объемной теплопроводности к кремнию и алюминию дает общее сопротивление системы:

(4)
Таблица 1. Типичные значения теплопроводности и сопротивления

  Тепловая
Электропроводность Вт/м·K
Толщина
мм
Сопротивление
К·см 2 /Вт
Силикон 139 0,5 0,04
Алюминий 230 3 0,13

Типичные значения для кремния и алюминия показаны в таблице 1. С этими базовыми значениями для алюминия и кремния чувствительность к толщине для репрезентативных ТИМ показана на рисунке 3. Очевидно, что на самом деле интерфейс представляет собой критическим звеном в тепловом тракте и может составлять значительную часть бюджета управления температурным режимом. В этой модели эластомерная прокладка толщиной 0,2 мм полностью соответствует 90 % от общего сопротивления системы (1,7 К·см 2 /Вт). Значительное улучшение достигается при толщине поверхности раздела смазки 0,1 мм, что составляет 56% от общего значения 0,4 К·см 2 /Вт. Очевидно, что более тонкие интерфейсы и более высокая проводимость улучшают ситуацию. Но также важно понимать, что контактное сопротивление на самом деле может быть более важным фактором, особенно для приложений с высокими требованиями к температуре. Повышение теплопроводности «сглаживает» характеристику общего сопротивления, но если это достигается за счет контактного сопротивления, никакого общего улучшения не происходит. Ясно, что как поставщики, так и пользователи ТИМ должны учитывать как объемную проводимость, так и контактное сопротивление, чтобы добиться успеха.

Рис. 3. Общее тепловое сопротивление твердых тел плюс структуры TIM.

Заключение

Пока электронные системы не являются монолитными (т. е. построены из различных комбинаций материалов, таких как металлы, полимеры, керамика, полупроводники), будет потребность в материалах для теплового интерфейса. По мере того, как электронные системы становятся быстрее, горячее, компактнее и портативнее, потребность в улучшенных ТИМ будет сохраняться. Победители будут решать проблемы термостойкости (возможно, адаптированные для конкретных интерфейсов), будут просты в использовании в производстве, будут ремонтопригодны при необходимости и будут иметь долгосрочную надежность.

Ссылки

1. Йованович М.М., Калхэм Дж.Р. и Тирстра П. Расчет сопротивления интерфейса // ElectronicsCooling. 3, № 2, май 1997 г., стр. 24–29.
2. «Руководство по расчету тепловых характеристик процессоров AMD Athlon™ 64», публикация 26633, версия 3.02, февраль 2003 г., www.amd.com.
3. Уэллс Р., Сандерс Дж., Пекорари Л. и Хунади Р., «GELEASE™ — высокоэффективная альтернатива термопастам и материалам с фазовым переходом», 1998 г., www.thermoset.com.
4. Бар-Коэн, А., «Компьютерная термоупаковка на рубеже тысячелетий», ElectronicsCooling, Vol. 6, № 1, январь 2000 г., стр. 32–40.
5. Чу, К.П., Солбреккен, Г.Л., и Чанг, Ю.Д., «Термическое моделирование материала интерфейса консистентной смазки в применении PPGA», Труды 13-й конференции IEEE SEMI-THERM, 1997, Vol. 1, стр. 57 – 63.

Все, что вам нужно знать

На этом изображении изображен мужчина в термоизолирующих перчатках, чтобы защитить себя от тепла, вызванного кондуктивной передачей тепла от горячей плиты.

Когда держишь горячие предметы, становится жарко. Это явление происходит из-за передачи тепла от горячего тела к нашей коже из-за  Кондуктивный теплообмен . Эта скорость кондуктивной теплопередачи зависит от тепловых свойств материала, разницы температур и площади контакта.

В этой статье мы обсудим  Что такое кондуктивная теплопередача?  и  как рассчитать кондуктивную теплопередачу? Предлагаем вам также прочитать эту статью о различных режимах теплопередачи.

Содержание

  • Что такое кондуктивная теплопередача?
  • Закон Фурье (Расчет кондуктивной теплопередачи)
  • Теплопроводность материала
  • Теплоизоляция
  • Калькулятор кондуктивной теплопередачи

Что такое кондуктивная теплопередача?

Пример кондуктивной теплопередачи в проводящем материале

Кондуктивная теплопередача — это передача тепла внутри теплопроводных или термически контактирующих тел из-за разницы температур.

Возникает в твердых телах из-за молекулярного возбуждения или колебаний решетки свободных электронов. Тогда как в жидкостях кондуктивный перенос тепла происходит за счет движения молекул, а в газах — за счет столкновения молекул.

Примеры кондуктивной теплопередачи

Ниже приведены примеры кондуктивной теплопередачи в продуктах, которые мы используем в повседневной жизни.

  1. Передача тепла от горелки к металлическому поддону.
  2. Руки обжигаются, если мы касаемся горячих поверхностей из-за кондуктивной передачи тепла от горячих поверхностей к нашей коже.
  3. Глажка одежды.
  4. Передача тепла от теплорассеивающих электронных компонентов к радиатору. Щелкните эту ссылку, чтобы узнать больше о передаче тепла в радиаторе.
  5. Двигатель автомобиля нагревается при включении.
  6. Чашка становится горячей, когда в нее наливают горячий кофе.

Закон Фурье (Расчет кондуктивной теплопередачи)

Скорость кондуктивной теплопередачи прямо пропорциональна площади контакта, теплопроводности материала, перепаду температур и обратно пропорциональна толщине.

Уравнение кондуктивной теплопередачи

Кондуктивная теплопередача (Qc) = – K A (dT / L)

Где

Qc = кондуктивная теплопередача в единицу времени в ваттах

A = площадь поперечного сечения в квадратных метрах

k = теплопроводность материала (Вт/мК)

dT = перепад температур

L = толщина или длина детали в метрах

Где ( dT/L ) известен как температурный градиент . Его значение всегда отрицательно, поскольку вектор градиента температуры направлен в противоположную сторону теплового потока.

Кондуктивный теплообмен более важен в твердых телах и подчиняется первому закону термодинамики.

Теплопроводность материала

Скорость кондуктивной теплопередачи прямо пропорциональна теплопроводности материала. Например, при прочих равных параметрах скорость кондуктивной теплопередачи у меди будет выше, чем у пластика. Потому что медь имеет более высокую теплопроводность, чем алюминий.

Теплопроводность (Эти значения приведены только для ориентировочных целей)
Материал Теплопроводность (Вт/мК)
Медь 384
Алюминий 205
Железо 79
Вода 0,6
Воздух 0,026
Кремний 0,01
Алмаз 895
Бакелит 0,14

Теплоизоляция

Теплоизоляция – это свойство материала, обратно пропорциональное теплопроводности. Другими словами, чем выше теплоизоляция, тем ниже будет теплопроводность. Поэтому изоляционные материалы используются для уменьшения кондуктивной теплопередачи.

Материалы с низкой теплопроводностью или высокими изоляционными свойствами используются для уменьшения передачи тепла от одного материала к другому.

Например, ручка нагревательной сковороды изготавливается из бакелита, поскольку бакелит обладает высокими теплоизоляционными свойствами.

Зависимость тепло- и электропроводности материала

Прямой зависимости между электро- и теплопроводностью материала нет. Хороший проводник электричества не обязательно должен быть хорошим проводником тепла. Например, алмаз хорошо проводит тепло, но плохо проводит электричество.

Калькулятор кондуктивной теплопередачи

Примеры задач кондуктивной теплопередачи

Вопрос: Рассчитайте разницу между скоростью теплопередачи от бакелита площадью 1000 мм² и толщиной 2 мм до алюминиевой стены с учетом разницы температур 80°C.

Ответ: 

Разница температур между двумя стенами (dT) = 80°C

Толщина стенки (L) = 2 мм = 0,002 мм0003

Теплопроводность бакелита (k1) = 0,14 Вт/мК

Теплопроводность алюминия (K2) = 205 Вт/мК

Коэффициент теплопередачи (бакелит) = -KA (дТл/л) = 0,14 × 0,001 ×  ( 80/0,002) = 5,6 Вт

Скорость теплопередачи (алюминий) = 205 × 0,001 × (80/0,002) = 8200 Вт

Следовательно, скорость теплопередачи в алюминии выше, чем в бакелите. Вы также можете использовать приведенный выше калькулятор для этого расчета.

Мы будем добавлять дополнительную информацию о кондуктивная теплопередача и как ее рассчитать. Добавьте свои предложения, комментарии или вопросы по кондуктивной теплопередаче в поле для комментариев. Предлагаем вам также прочитать эти статьи о конвекционном и радиационном теплообмене.

теплопроводность


В физике теплопроводность , k, — это свойство материала, указывающее на его способность проводить тепло. Он используется в основном в законе Фурье для теплопроводности.

Определяется как количество теплоты, Δ Q , переданное за время Δ t через толщину L в направлении, нормальном к поверхности площадью A , из-за разности температур Δ T , в стационарных условиях и когда теплопередача зависит только от градиента температуры.

теплопроводность = скорость теплового потока × расстояние / (площадь × разность температур)
С другой стороны, это можно представить как поток тепла (энергия на единицу площади в единицу времени), деленный на градиент температуры (разность температур на единицу длины)


Стандартные единицы измерения: СИ: Вт/(м·К) и английские единицы: БТЕ/фут/(ч·фут²·°F). Для преобразования между ними используйте соотношение 1 БТЕ·фут/(ч·фут²·°F) = 1,730735 Вт/(м·К). [Справочник инженера-химика Перри, 7-е издание, таблица 1-4]

Дополнительные рекомендуемые знания

Содержимое

  • 1 Пример
  • 2 Список коэффициентов теплопроводности
  • 3 Измерение
    • 3.1 Стандартные методы измерения
  • 4 Связанные термины
    • 4.1 Первое определение (общее)
    • 4.2 Второе определение (здания)
  • 5 Текстильная промышленность
  • 6 Происхождение
  • 7 См. также
  • 8 Каталожные номера

Примеры

В металлах теплопроводность примерно соответствует электропроводности в соответствии с законом Видемана-Франца, поскольку свободно движущиеся валентные электроны переносят не только электрический ток, но и тепловую энергию. Однако общая корреляция между электрической и теплопроводностью не выполняется для других материалов из-за возросшей важности переносчиков фононов для тепла в неметаллах. Как показано в таблице ниже, серебро с высокой электропроводностью менее теплопроводно, чем алмаз, который является электрическим изолятором.

Теплопроводность зависит от многих свойств материала, в частности от его структуры и температуры. Например, чистые кристаллические вещества демонстрируют очень разные теплопроводности вдоль разных осей кристалла из-за различий в взаимодействии фононов вдоль данной оси кристалла. Сапфир является ярким примером переменной теплопроводности в зависимости от ориентации и температуры, для которого в Справочнике CRC сообщается теплопроводность 2,6 Вт / (м·К) перпендикулярно c по оси 373 К, но 6000 Вт/(м·К) при 36 градусах от оси c и 35 К (возможна опечатка?).

Воздух и другие газы обычно являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. Следовательно, многие изоляционные материалы работают просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию. Их примеры включают вспененный и экструдированный полистирол (обычно называемый «пенополистирол») и аэрогель на основе диоксида кремния. Естественные биологические изоляторы, такие как мех и перья, достигают аналогичных эффектов, резко подавляя конвекцию воздуха или воды вблизи кожи животного.

Теплопроводность играет важную роль в изоляции зданий и смежных областях. Однако материалы, используемые в таких профессиях, редко соответствуют стандартам химической чистоты. Значения k некоторых строительных материалов перечислены ниже. Их следует считать приблизительными из-за неопределенностей, связанных с определениями материалов.

Следующая таблица представляет собой небольшую выборку данных для иллюстрации теплопроводности различных типов веществ. Для получения более полных списков измеренных k -значения, см. ссылки.

Список теплопроводностей

Основная статья: Список коэффициентов теплопроводности

Это список приблизительных значений теплопроводности k для некоторых распространенных материалов. Пожалуйста, обратитесь к списку коэффициентов теплопроводности для получения более точных значений, ссылок и подробной информации.

Измерение

Для хороших проводников тепла можно использовать метод стержней Серла.[1] Для плохих проводников тепла можно использовать дисковый метод Лиза.[2] Альтернативный традиционный метод с использованием реальных термометров описан в [3]. Краткий обзор новых методов измерения теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости в рамках одного измерения доступен в [4]. Тестер теплопроводности, один из инструментов геммологии, определяет, являются ли драгоценные камни настоящими бриллиантами, используя уникально высокую теплопроводность алмаза.

Стандартные методы измерения

  • Стандарт IEEE 442-1981, «Руководство IEEE по измерению удельного теплового сопротивления грунта» [5]
  • Стандарт IEEE 98-2002, «Стандарт подготовки процедур испытаний для термической оценки твердых электроизоляционных материалов», ISBN 0-7381-3277-2 [6]
  • Стандарт ASTM D5470-06, «Стандартный метод испытаний свойств теплопередачи теплопроводных электроизоляционных материалов» [7]
  • Стандарт ASTM E1225-04, «Стандартный метод испытаний теплопроводности твердых тел с помощью метода защищенного сравнительного продольного теплового потока» [8]
  • Стандарт ASTM D5930-01, «Стандартный метод испытаний на теплопроводность пластмасс с помощью метода переходного линейного источника» [9]
  • Стандарт ASTM D2717-95, «Стандартный метод испытаний теплопроводности жидкостей» [10]

Связанные термины

Обратная величина теплопроводности составляет теплового сопротивления , измеренного в кельвин-метрах на ватт (К·м·Вт −1 ).

При работе с известным количеством материала можно описать его теплопроводность и обратное свойство тепловое сопротивление . К сожалению, существуют разные определения этих терминов.

Первое определение (общее)

Для общенаучного использования теплопроводность — это количество тепла, которое проходит в единицу времени через пластину из определенной площади и толщины , когда его противоположные стороны отличаются по температуре на один градус. Для пластины с теплопроводностью к , площадью А и толщиной L это кА/л , измеренное в Вт·К -1 . Это соответствует соотношению между электропроводностью (А·м -1 · В -1 ) и электропроводностью (А·м -1 ).

Существует также показатель, известный как коэффициент теплопередачи: количество тепла, которое проходит в единицу времени через единица площади пластины определенной толщины, когда температура ее противоположных сторон отличается на один градус. Взаимная теплоизоляция . В итоге:

  • Теплопроводимость = Ka / L , измеренный в W · K -1
    • Thermal Costic = L / KA = L /9 KA 40550 40450 40450 40450. . . . . . . . .
    • коэффициент теплопередачи = к / L , измеряется в Вт·K −1 ·м −2
      • теплоизоляция = L / k , измеряется в K·m²·W −1 9000

    Коэффициент теплопередачи также известен как теплопроводность

    Второе определение (здания)

    При работе со зданиями тепловое сопротивление или Значение R означает то, что описано выше как теплоизоляция, и теплопроводность означает обратную. Для материалов, соединенных последовательно, эти тепловые сопротивления (в отличие от проводимости) можно просто добавить, чтобы получить тепловое сопротивление в целом.

    Третий термин, коэффициент теплопередачи , включает теплопроводность конструкции наряду с теплопередачей за счет конвекции и излучения. Он измеряется в тех же единицах, что и теплопроводность, и иногда известен как составная теплопроводность . Срок U-значение — еще один синоним.

    Таким образом, для пластины с теплопроводностью k (значение k [1] ), площадью A и толщиной L :

    • теплопроводность = к / л , измеряется в Вт·К −1 ·м −2 ;
    • тепловое сопротивление ( значение R ) = л / к , измеряется в К·м²·Вт −1 ;
    • коэффициент теплопередачи ( значение U ) = 1/(Σ( L / k )) + конвекция + излучение, измеренное в Вт·K −1 ·м −2 .

    Текстильная промышленность

    В текстиле значение tog может указываться как мера термостойкости вместо меры в единицах СИ.

    Происхождение

    Теплопроводность системы определяется тем, как взаимодействуют атомы, составляющие систему. Не существует простых правильных выражений для теплопроводности. Существует два различных подхода к расчету теплопроводности системы. Первый подход использует соотношения Грина-Кубо. Хотя это выражение является точным*, для расчета теплопроводности плотной жидкости или твердого тела с использованием этого соотношения требуется использование компьютерного моделирования молекулярной динамики.

    • Термин «точный» применяется для обозначения разрешимости уравнений.

    Второй подход основан на подходе времени релаксации. Известно, что из-за ангармонизма внутри кристаллического потенциала фононы в системе рассеиваются. Существует три основных механизма рассеяния:

    • Граничное рассеяние, попадание фонона на границу системы;
    • Рассеяние на дефекте масс, попадание фонона на примесь в системе и рассеяние; 9 Определение значения k от Plastics New Zealand
      • Каллистер, Уильям (2003).

        Добавить комментарий

        Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *