Теплопроводность материалов – Справочник химика 21
Теплопроводность – свойство материалов проводить тепло с определенной скоростью. Хорошо проводят тепло металлы – серебро, медь, алюминий, сталь. Пластмассы, пластики, каучуки, графит, керамика и шамотный кирпич медленно проводят тепло. Теплопроводность материалов оценивается величиной коэффициента теплопроводности X. При 20°С величина теплопроводности для меди равна 384 Вт/(м К), у стали – в восемь раз ниже. [c.64]Коэффициент температуропроводности является показателем диффузии внутренней энергии в материале его величина пропорциональна скорости распространения изотермической поверхности. Более теплопроводные материалы характеризуются большими значениями а. Тепловая инерция характеризует тепловое согласование двух сред (1 и 2) и определяет, например, коэффициент отражения тепловой волны Г [c.32]
Однако даже при ДГ->0 и Гср/Го=1 КПД т)енеизбежно сопутствующими полупроводниковым трансформаторам тепла выделением джоулева тепла, действием эффекта Томсона и обратным током тепла от горячего спая к холодному вследствие теплопроводности материалов термоэлемента.
На рис. 6 показано влияние роста температуры до 1000 К в чистом и хорошо теплопроводном материале. Сплошные линии — результат расчета. Чтобы показать влияние излучения на эффективный радиальный коэффициент теплопроводности, был проведен расчет, не учитывающий до Т=1000 К радиационный перенос теплоты. Результаты этого расчета приведены на рис. 6 пунктирными линиями. [c.437]
Коэффициент теплопроводности материалов, применяемых в холодильной технике, должен быть не более [c.190]
Запаздывание роста температур относительно момента трения объясняется интенсивным отводом тепла в начальный период из зоны контакта за счет теплопроводности материалов, составляющих пару трения. По этой причине идет медленное формирование теплового поля. Инерционность формирования температурного объемного поля характеризуется временем, необходимым для установления теплового баланса пары. [c.13]
Определение контрастов в виде (2.27. .. 2.29) можно рассматривать как одномерную фильтрацию сигнала, поскольку они не учитывают эффекты диффузии тепла, в особенности, в поперечном направлении. В теплопроводных материалах эффекты трехмерной диффузии могут существенно изменять пространственные профили температуры и затруднять выделение слабых сигналов от малых дефектов. [c.39]
Влияние типа материала на оптимальные параметры обнаружения проиллюстрировано на рис. 3.26. Видно, что большие контрасты возникают в более теплопроводных материалах (рис. 3.26, а) при более коротких временах наблюдения (рис. 3.26, 6). Эта тенденция сохраняется для различных глубин залегания дефектов, хотя ясно, что с ростом / интенсивность растекания тепла вокруг дефектов становится более существенной, и для определенных дефектов возможно существование “оптимального” материала, который обеспечит максимальное значение С.
Электроды, используемые для контроля толщины слоев, могут быть изготовлены из одного и того же материала или из разных. Нагреваемый электрод должен иметь, по возможности, высокую теплопроводность. Материалы электродов выбираются с учетом термоэлектрических свойств и теплопроводности материалов слоев при близкой теплопроводности [c.643]
Устройство предназначено для контроля теплопроводности материалов на основе полученных зависимостей этой теплопроводности от температуры в контакте горячих электродов с ОК. Кроме того, с помощью установленных корреляционных связей между термоэлектрической способностью материала и его механическими характеристиками определяются твердость материала, относительное удлинение образцов, пределы текучести и прочности. [c.649]
Рассмотрим плоскую многослойную стенку, состоящую из п слоев. Толщины слоев равны бь 62,. .., бп, а коэффициенты теплопроводности материалов, из которых образованы эти слон, соответственно Ь, Х2,. .., Хп- Температуры на противоположных поверхностях многослойной стенки и (twl>twч), [c.115]Применение печи с кварцевой камерой для синтеза хлороводорода ограничивалось малой теплопроводностью материалов и, следовательно, небольшой производительностью. [c.175]
СМ из разных материалов, вычисленные на основании справочных данных по физическим свойствам этих материалов для одной и той же частоты колебаний 33 мгц. Как видно, наименьшей эффективностью обладают фильтры из воздуха и стали, причем у металла нет никаких преимуществ перед воздухом. Для наименее теплопроводных материалов эффективность в 50—75 раз больше, чем для воздуха и стали. [c.77]
Теплопроводность
Теплопроводность
Известно, что процесс распространения теплоты в пространстве неразрывно связан с распределением температуры в нем. Совокупность значений температуры в каждый момент времени для всех точек рассматриваемого пространства называется температурным полем. Математически оно выражается уравнением t = f (х, у, z, τ), где х, у, z – координаты точки, а т – время. Если температура во времени не меняется, то поле называется установившимся, или стационарным. Если температура зависит от времени, поле называется неустановившимся, а протекающие в таких условиях тепловые процессы – нестационарными, например нагревание или охлаждение тел.
Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной координаты. Соответственно оно называется трех, двух – и одномерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля t = f (х). Все точки пространства, имеющие одинаковую температуру, образуют изотермическую поверхность. Естественно, что изменение температуры в теле может наблюдаться лищь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, рис. 13.1). При этом наиболее резкое изменение получается в направлении нормали n к изотермическим поверхностям. Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами по нормали Δn при условии, что Δn = 0, называется температурным градиентом, т.е.
Частная производная применена здесь потому, что в общем случае температура может изменяться не только в пространстве, но и во времени (при нестационарном режиме).
Температурный градиент – это вектор с положительным знаком при возрастании температуры и с отрицательным при ее падении. Градиент температуры численно равен производной температуры по нормали.
Количество переносимой теплоты в единицу времени называют тепловым потоком Q, который измеряется в Дж/с (Вт). Тепловой поток, отнесенный в единице поверхности тела, называют по верхностной плотностью теплового потока (или просто плотностью теплового потока) q = Q/S, которая измеряется в Вт/м
Величина q является вектором, направление которого противоположно направлению градиента температуры, так как тепловая энергия самостоятельно распространяется всегда только в сторону убывания температуры (см.рис. 13.1).
Рис. 13.1. К определению температурного градиента и теплового потока.
Исследуя явления теплопроводности в твердых телах, Фурье установил, что тепловая мощность, тока передаваемая теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры пендикулярного направлению теплового потока, т. е.
(13.1)
Множитель пропорциональности λ, входящий в это уравнение, характеризует способность вещества, из которою состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности, или просто теплопроводностью. Из уравнения (13.1), которое является математическим выражением основного закона распространения теплоты путем теплопроводности (закон Фурье), следует, что теплопроводность λ, Вт/(м×К), определяет мощность теплового потока, проходящего через 1 м 2 поверхности при градиенте температуры 1 К/м.
Для различных тел теплопроводность имеет определенное значение и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры веществ этих тел. Точные значения λ определяют на основе специальных лабораторных опытов. При технических расчетах обычно используют ориентировочные значения теплопроводности λ, Вт/(м×К).
Таким образом, наиболее высокая теплопроводность у металлов, значительно ниже у неметаллических строительных материалов и самые низкие значения у пористых материалов, применяемых специально для тепловой изоляции. У теплоизоляционных материалов λ < 0,20 Вт/(м × К).
У большинства металлов с повышением температуры теплопроводность убывает. Содержание примесей в металлах резко снижает их теплопроводность. Например, для стали при 0,1% углерода λ = 53, а при 1% углерода λ = 39 Вт/(м × К). Для строительных и теплоизоляционных материалов теплопроводность возрастает с увеличением температуры (исключение составляют магнезитовые огнеупоры). Зависимость λ от температуры для этих материалов может быть выражена равенством:
λ1 – λ0 °С(1 + βt)
где β – температурный коэффициент, представляющий собой приращение λ материала при повышении его температуры на 1°.
У различных строительных материалов в интервале температур 0 – 100° С β = 0,0025. Для капельных жидкостей с повышением температуры теплопроводность убывает. Исключение составляют лишь вода и глицерин. У газов с повышением температуры теплопроводность возрастает и практически не зависит от давления, за исключением очень высоких (более 200 МПа) и очень низких (менее 0,003 МПа) давлений. На теплопроводность влияют общая пористость материала, размер и степень замкнутости пор. Для пористых материалов теплопроводность находится в обратной зависимости от их общей пористости и в прямой от размеров пор. Это объясняется увеличением передачи теплоты конвекцией и излучением в общем процессе теплообмена пористого материала и свидетельствует о том, что теплоизоляционные материалы, используемые при высоких температурах, должны иметь мелкопористое строение. Поры, сообщающиеся между собой и с поверхностью материала, создают более благоприятные условия для увлажнения материала и тем самым для увеличения его теплопроводности, поэтому теплоизоляционные материалы должны иметь по возможности замкнутые поры.
Для пористых материалов λ является условной величиной, так как наличие пор в материале не позволяет рассматривать его как сплошное тело. Поэтому λ пористых материалов представляет собой теплопроводность некоторого однородного тела, через которое при одинаковых форме, размерах и температурах на границе его поверхности с окружающей средой передается та же тепловая мощность, что и через пористое тело.
Материалы с большей плотностью, как правило, обладают большей теплопроводностью, однако нужно иметь в виду, что теплопроводные свойства материала зависят не только от объема воздуха, заключенного в порах, но главным образом от равномерного распределения воздуха в пористом материале. С этой точки зрения крупнопористый материал будет менее эффективным теплоизолятором, чем мелкопористый материал с той же плотностью. Среди строительных материалов встречаются такие, которые, имея меньшую плотность, обладают большей теплопроводностью, чем материалы с большей плотностью. Примерами могут служить минеральная вата, торфяная крошка, употребляемая в качестве теплоизоляционного сыпучего материала, и др. В частности, в минеральной ваты при плотности около 125 кг/м3 теплопроводность наименьшая. При меньшей плотности теплопроводность возрастает в результате увеличения передачи теплоты конвекцией в порах вследствие меньшего уплотнения ваты.
Теплопроводность строительных материалов резко возрастает при их увлажнении, так как значительно отличаются теплопроводности воздуха и воды: теплопроводность воздуха в порах материала 0,025 – 0,028, а воды 0,55 Вт/(м×К), т. е. почти в 20 раз больше, чем воздуха. Материал становится еще более теплопроводным, если влага, находящаяся в его порах, замерзает, так как теплопроводность льда равна 2,5 Вт/(м×К), т. е. примерное 4 раза выше, чем у воды, и в 80 раз выше, чем у воздуха. Повышение теплопроводности влажных материалов обусловливается также увеличением контактирующих поверхностей частиц основного вещества материала. Это приводит к тому, что теплопроводность влажного материала значительно выше, чем сухого и воды в отдельности. Например, для сухого кирпича λ равна 0,35, для воды 0,55, а для влажного кирпича 1 Вт/(м×К) Поэтому строительные и особенно теплоизоляционные материалы необходимо предохранять от увлажнения, иначе сильно снижаются их теплозащитные свойства.
Для анизотропных материалов, которые имеют неодинаковую структуру в различных направлениях (древесина, волокнистые и прессованные материалы, кристаллы), теплопроводность зависит от направления теплового потока. Например, у сосновой древесины при направлении теплового потока параллельно направлению волокон увеличивается вдвое по сравнению с теплопроводностью при направлении теплового потока перпендикулярно волокнам. Это объясняется тем, что при направлении, перпендикулярном волокнам, тепловому потоку приходится пересекать большое количество воздушных зазоров, находящихся как внутри волокон древесины, так и между ними и оказывающих сопротивление прохождению теплоты. При направлении теплового потока параллельно волокнам влияние воздуха, заключенного в древесине, будет значительно меньше.
www.kotel-m.ru
Композиционные материалы теплопроводность – Справочник химика 21
Теплопроводность наполненного ПП определяется теплопроводностью и объемным содержанием наполнителя, а также рассеиванием тепла на контактах полимер-наполнитель. Наибольшее повышение теплопроводности композиционного материала наблюдается при введении в материал графита, содержащего 15-20% масс, ацетиленовой сажи. [c.461]Высокая теплопроводность углеродных волокон ускоряет процессы рассеяния энергии колебаний, в известной степени предотвращая саморазогрев композиционного материала за счет сил внутреннего трения, понижающий его теплостойкость при работе в динамическом режиме. [c.225]
X, У — отношение коэффициентов проводимости матрицы и наполнителя и композиционного материала и наполнителя соответственно а, Ь — линейные размеры с—удельная теплоемкость /—коэффициент распределения (ориентации) к — характерный линейный размер 6 — коэффициент теплопроводности [c.284]
Армирующие волокна обладают не только механическими свойствами, превосходящими механические свойства матрицы, но и более высокой теплопроводностью и отличными от матрицы электрическими свойствами. Очевидно, что ориентация волокон относительно вектора потока энергии должна оказывать влияние на соответствующие свойства композиционных материалов. Наблюдаемая при этом анизотропия свойств, связанных с явлениями переноса, является одной из характерных особенностей таких материалов и отличает их от больщинства металлических материалов конструкционного назначения. Теплопроводность в продольном направлении композиционного материала (вдоль оси волокна) даже в случае изотропного армирующего наполнителя может быть на 30% выще, чем в поперечном направлении (перпендикулярном оси волокна). Композиционные материалы на основе углеродных волокон имеют отнощение теплопроводности в осевом направлении к теплопроводности в поперечном направлении около 50 1. [c.286]
Обычно в литературе описываются два основных подхода к анализу эффективной тепло- и электропроводности композиционных материалов, состоящих из непрерывной полимерной матрицы и волокнистого армирующего наполнителя. Первый и наиболее простой подход основан на допущении о том, что композиционный материал можно рассматривать как систему сопротивлений. Такой подход является универсальным для любого явления проводимости и буква к обозначает любой коэффициент проводимости — коэффициент теплопроводности, удельную электропроводность, коэффициент диффузии и диэлектрическую постоянную или диэлектрическую проницаемость. [c.288]
Следует отметить, что при выводе уравнений (7.6) и (7.12) не учитывались геометрические параметры, ориентация или распределение армирующего наполнителя. Поэтому прогнозы, которые можно сделать, исходя из этих двух уравнений, характеризуют только верхнюю и нижнюю границы теплопроводности композиционного материала, а реальные величины принимают промежуточные значения в пределах этих границ. [c.291]
Предположив (рис. 7.4 б), что при распространении теплового потока в продольном направлении сплошная траектория его движения приходится на большие доли матрицы и ткани, а именно на 3% ткани и 70% матрицы, а в оставшейся части материала траектория является прерывной, было получено следующее уравнение для коэффициента теплопроводности композиционного материала в продольном направлении [c.293]
Эту неизвестную величину можно легко рассчитать, зная объемную долю армирующего наполнителя и экспериментально определив коэффициенты теплопроводности композиционного материала и полимерной матрицы [c.295]
Эта методика может быть использована для абсолютных и относительных измерений. В последнем случае эталонный образец располагается последовательно с испытываемым образцом из композиционного материала. При условии, что тепловой поток через испытываемый и эталонный образцы является одинаковым, коэффициент теплопроводности испытываемого образца может быть рассчитан из уравнения [c.299]
Если приводятся значения коэффициента теплопроводности к и указывается только объемная доля волокна или среднее значение плотности композиционного материала и ничего не говорится о конфигурации армирующего наполнителя (ткань, мат и т. д.), то такая информация может легко ввести в заблуждение, особенно в тех случаях, когда сами волокна обладают ярко выраженной анизотропией свойств, например, углеродные волокна. [c.302]
Наблюдается значительное расхождение в экспериментальных данных по к, приводимых в различных источниках для одних и тех же или подобных композиционных материалов. Нельзя с полной уверенностью объяснить причины такого разброса экспериментальных данных, но, вероятно, они связаны с отклонением технологических параметров от оптимальных в процессе изготовления образцов композиционных материалов. Композиционные материалы изготавливаются посредством формования и отверждения при тщательно контролируемом давлении и температуре. Заметные отклонен
www.chem21.info