теплопроводность, конвекция, излучение – FIZI4KA
ОГЭ 2018 по физике ›
1. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность можно наблюдать на следующем опыте. Если к металлическому стержню с помощью воска прикрепить несколько гвоздиков (рис. 68), закрепить один конец стержня в штативе, а другой нагревать на спиртовке, то через некоторое время гвоздики начнут отпадать от стержня: сначала отпадет тот гвоздик, который ближе к спиртовке, затем следующий и т.д.
Это происходит потому, что при повышении температуры воск начинает плавиться. Поскольку гвоздики отпадали не одновременно, а постепенно, можно сделать вывод, что температура стержня повышалась постепенно. Следовательно, постепенно увеличивалась и внутренняя энергия стержня, она передавалась от одного его конца к другому.
2. Передачу энергии при теплопроводности можно объяснить с точки зрения внутреннего строения вещества. Молекулы ближнего к спиртовке конца стержня получают от неё энергию, их энергия увеличивается, они начинают более интенсивно колебаться и передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь передают энергию своим соседям, и процесс передачи энергии распространяется по всему стержню. Увеличение кинетической энергии частиц приводит к повышению температуры стержня.
Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другому или от одной части тела к другой передается энергия.
Процесс передачи энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению частиц называется теплопроводностью.
3. Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.
Ещё более плохой теплопроводностью обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.
Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
4. Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.
Если на дно колбы с водой аккуратно через трубочку опустить кристаллик марганцево-кислого калия и нагревать колбу снизу так, чтобы пламя касалось её в том месте, где лежит кристаллик, то можно увидеть, как со дна колбы будут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоёв воды, эти струйки начнут опускаться.
Объясняется это явление так. Нижний слой воды нагревается от пламени спиртовки. Нагреваясь, вода расширяется, её объём увеличивается, а плотность соответственно уменьшается. На этот слой воды действует архимедова сила, которая выталкивает нагретый слой жидкости вверх. Его место занимает опустившийся вниз холодный слой воды, который, в свою очередь, нагреваясь, перемещается вверх и т.д. Следовательно, энергия в данном случае переносится поднимающимися потоками жидкости (рис. 69).
Подобным образом осуществляется теплопередача и в газах. Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла (рис. 70), то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.
Теплопередача, которая осуществляется в этом опыте и в опыте, изображенном на рисунках 69, 70, называется конвекцией.
Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.
Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.
5. Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.
Если закрепить металлическую коробочку (теплоприёмник), одна сторона которой блестящая, а другая чёрная, в штативе, соединить коробочку с манометром, а затем налить в сосуд, у которого одна поверхность белая, а другая чёрная, кипяток, то, повернув сосуд к чёрной стороне теплоприёмника сначала белой стороной, а затем чёрной, можно заметить, что уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится. При этом он сильнее понизится, когда сосуд обращён к теплоприёмнику чёрной стороной (рис. 71).
Понижение уровня жидкости в манометре происходит потому, что воздух в теплоприёмнике расширяется, это возможно при нагревании воздуха. Следовательно, воздух получает от сосуда с горячей водой энергию, нагревается и расширяется. Поскольку воздух обладает плохой теплопроводностью и конвекция в данном случае не происходит, т.к. плитка и теплоприёмник располагаются на одном уровне, то остаётся признать, что сосуд с горячей водой излучает энергию.
Опыт также показывает, что чёрная поверхность сосуда излучает больше энергии, чем белая. Об этом свидетельствует разный уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником.
Чёрная поверхность не только излучает больше энергии, но и больше поглощает. Это можно также доказать экспериментально, если поднести включённую в сеть электроплитку сначала к блестящей стороне тенлоприёмника, а затем к чёрной. Во втором случае жидкость в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, опустится ниже, чем в первом.
Таким образом, чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.
Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.
Содержание
- ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
- Часть 1
- Ответы
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём
1) конвекции
2) излучения и конвекции
3) теплопроводности
4) конвекции и теплопроводности
2. Теплопередача путём конвекции может происходить
1) только в газах
2) только в жидкостях
3) только в газах и жидкостях
4) в газах, жидкостях и твёрдых телах
3. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделёнными безвоздушным пространством?
1) только с помощью теплопроводности
2) только с помощью конвекции
3) только с помощью излучения
4) всеми тремя способами
4. Благодаря каким видам теплопередачи в ясный летний день нагревается вода в водоёмах?
1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) излучение и теплопроводность
4) конвекция и теплопроводность
5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?
1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) только излучение
4) только теплопроводность и излучение
6. Какой(-ие) из видов теплопередачи сопровождается(-ются) переносом вещества?
1) только теплопроводность
2) конвекция и теплопроводность
3) излучение и теплопроводность
4) только конвекция
7. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.
В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из
1) газобетона
2) железобетона
3) силикатного кирпича
4) дерева
8. Стоящие на столе металлическую и пластмассовую кружки одинаковой вместимости одновременно заполнили горячей водой одинаковой температуры. В какой кружке быстрее остынет вода?
1) в металлической
2) в пластмассовой
3) одновременно
4) скорость остывания воды зависит от её температуры
9. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?
10. Воду равной массы нагрели до одинаковой температуры и налили в две кастрюли, которые закрыли крышками и поставили в холодное место. Кастрюли совершенно одинаковы, кроме цвета внешней поверхности: одна из них чёрная, другая блестящая. Что произойдёт с температурой воды в кастрюлях через некоторое время, пока вода не остыла окончательно?
1) Температура воды не изменится ни в той, ни в другой кастрюле.
2) Температура воды понизится и в той, и в другой кастрюле на одно и то же число градусов.
3) Температура воды в блестящей кастрюле станет ниже, чем в чёрной.
4) Температура воды в чёрной кастрюле станет ниже, чем в блестящей.
11. Учитель провёл следующий опыт. Раскалённая плитка (1) размещалась напротив полой цилиндрической закрытой коробки (2), соединённой резиновой трубкой с коленом U-образного манометра (3). Первоначально жидкость в коленах находилась на одном уровне. Через некоторое время уровни жидкости в манометре изменились (см. рисунок).
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.
1) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт излучения.
2) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт конвекции.
3) В процессе передачи энергии давление воздуха в коробке увеличивалось.
4) Поверхности чёрного матового цвета по сравнению со светлыми блестящими поверхностями лучше поглощают энергию.
5) Разность уровней жидкости в коленах манометра зависит от температуры плитки.
12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.
1) Внутреннюю энергию тела можно изменить только в процессе теплопередачи.
2) Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.
3) В процессе теплопроводности осуществляется передача энергии от одних частей тела к другим.
4) Нагревание воздуха в комнате от батарей парового отопления происходит, главным образом, благодаря излучению.
5) Стекло обладает лучшей теплопроводностью, чем металл.
Ответы
Количество теплоты. Удельная теплоёмкость →
← Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии
Что такое теплопередача? Теплопередача в природе и технике
Поговорим о том, что такое теплопередача. Под данным термином понимают процесс переноса энергии в веществе. Он отличается сложным механизмом, описывается уравнением теплопроводности.
Разновидности теплообмена
Как подразделяется теплопередача? Теплопроводность, конвекция, излучение – три способа передачи энергии, существующие в природе.
Каждый из них имеет свои отличительные характеристики, особенности, варианты применения в технике.
Теплопроводность
Под количеством теплоты понимают сумму кинетической энергии молекул. Они при столкновении способны передавать часть своего тепла холодным частицам. Теплопроводность максимально проявляется в твердых телах, менее характерна для жидкостей, абсолютно не свойственна для газообразных веществ.
В качестве примера, подтверждающего способность твердых тел передавать тепло от одного участка к другому, рассмотрим следующий эксперимент.
Если на стальной проволоке закрепить металлические кнопки, затем поднести конец проволоки к горящей спиртовке, постепенно кнопки от нее начнут отпадать. При нагревании молекулы начинают двигаться с большей скоростью, чаще сталкиваются между собой. Именно эти частицы отдают свою энергию и тепло более холодным областям. Если в жидкостях и газах не обеспечивается достаточно быстрого оттока тепла, это приводит к резкому увеличению градиента температуры в горячей области.
Тепловое излучение
Отвечая на вопрос о том, какой вид теплопередачи сопровождается переносом энергии, необходимо отметить именно этот способ. Лучистый перенос предполагает передачу энергии путем электромагнитного излучения. Данный вариант наблюдается при температуре от 4000К, описывается уравнением теплопроводности. Коэффициент поглощения зависит от химического состава, температуры, плотности определенного газа.
Теплопередача воздуха имеет определенный предел, при увеличении потока энергии происходит рост градиента температуры, рост коэффициента поглощения. После того, как значение градиента температуры превысит адиабатический градиент, возникнет конвекция.
Что такое теплопередача? Это физический процесс передачи энергии от горячего предмета к холодному при их непосредственном контакте или через перегородку, которая разделяет материалы.
Если тела одной системы обладают разной температурой, в таком случае процесс передачи энергии происходит до тех пор, пока между ними не установится термодинамическое равновесие.
Особенности теплопередачи
Что такое теплопередача? В чем особенности данного явления? Его невозможно остановить полностью, можно только уменьшить скорость его протекания? Используется ли теплопередача в природе и технике? Именно теплообмен сопровождает и характеризует многие природные явления: эволюция планет и звезд, метеорологические процессы на поверхности нашей планеты. К примеру, совместно с обменом массой, процесс передачи тепла позволяет анализировать испарительное охлаждение, сушку, диффузию. Он осуществляется между двумя носителями тепловой энергии через твердую стенку, выступающую в роли границы раздела тел.
Теплопередача в природе и технике – это способ характеристики состояния отдельного тела, анализа свойств термодинамической системы.
Закон Фурье
Его именуют законом теплопроводности, поскольку он связывает полную мощность потерь тепла, перепад температур с площадью сечения параллелепипеда, его длиной, а также с коэффициентом теплопроводности. К примеру, для вакуума данный показатель практически равен нулю. Причина подобного явления заключается в минимальной концентрации материальных частиц в вакууме, которые могут переносить тепло. Несмотря на подобную особенность, в вакууме существует вариант передачи энергии путем излучения. Применение теплопередачи рассмотрим на основе термоса. Стенки его делают двойными для того, чтобы увеличить процесс отражения. Между ними откачивают воздух, снижая при этом потери тепла.
Конвекция
Отвечая на вопрос о том, что такое теплопередача, рассмотрим процесс переноса тепла в жидкостях либо в газах путем самопроизвольного либо вынужденного перемешивания. В случае принудительной конвекции перемещение вещества вызвано воздействием внешних сил: лопастей вентилятора, насоса. Применяется подобный вариант в тех ситуациях, когда естественная конвекция не является эффективной.
Естественный процесс наблюдается в тех случаях, когда при неравномерном нагревании происходит нагревание нижних слоев вещества. Уменьшается их плотность, они поднимаются вверх. Верхние слои, напротив, охлаждаются, тяжелеют, опускаются вниз. Далее процесс неоднократно повторяется, а при перемешивании наблюдается самоорганизация в структуру вихрей, из конвекционных ячеек формируется правильная решетка.
Благодаря естественной конвекции образуются облака, выпадают атмосферные осадки, осуществляется движение тектонических плит. Именно путем конвекции на Солнце формируются гранулы.
Правильное использование теплопередачи гарантирует минимальную потерю тепла, максимальное потребление.
Суть конвекции
Для объяснения конвекции можно использовать закон Архимеда, а также теплового расширения твердых тел и жидкостей. По мере повышения температуры происходит увеличение объема жидкости, уменьшение плотности. Под воздействием силы Архимеда вверх стремится более легкая (нагретая) жидкость, а холодные (плотные) слои попадают вниз, постепенно прогреваются.
В случае прогрева жидкости сверху теплая жидкость остается в исходном положении, поэтому не наблюдается конвекции. Именно так происходит круговорот жидкости, который сопровождается переносом энергии от прогретых участков к холодным местам. В газах конвекция происходит по аналогичному механизму.
С термодинамической точки зрения конвекцию рассматривают как вариант передачи тепла, при котором перенос внутренней энергии идет отдельными потоками веществ, нагретых неравномерно. Подобное явление встречается в природе и в быту. К примеру, отопительные радиаторы устанавливают на минимальной высоте от пола, вблизи подоконника.
Холодный воздух прогревается батареей, затем постепенно поднимается вверх, где он смешивается с холодными воздушными массами, опускаемыми от окна. Конвекция приводит к установлению в помещении равномерной температуры.
Среди распространенных примеров атмосферной конвекции приведем ветры: муссоны, бризы. Воздух, который нагревается над одними фрагментами Земли, охлаждается над другими, в результате чего происходит его циркуляция, осуществляется перенос влаги и энергии.
Особенности естественной конвекции
На нее влияет сразу несколько факторов. К примеру, воздействует на скорость естественной конвекции суточное движение Земли, морские течения, рельеф поверхности. Именно конвекция является основой выхода из кратеров вулкана и труб дыма, образования гор, парения различных птиц.
В заключение
Тепловое излучение является электромагнитным процессом со сплошным спектром, который испускается веществом, возникает благодаря внутренней энергии. Для того чтобы провести расчеты теплового излучения, в физике используют модель черного тела. Описывают тепловое излучение с помощью закона Стефана-Больцмана. Мощность излучения такого тела находится в прямо пропорциональной зависимости от площади поверхности и температуры тела, взятой в четвертой степени.
Теплопроводность возможна в любых телах, которые имеют неоднородное распределение температур. Суть явления заключается в изменении кинетической энергии молекул и атомов, определяющей температуру тела. В некоторых случаях теплопроводность считают количественной способностью определенного вещества проводить тепло.
Масштабные процессы обмена тепловой энергией не ограничиваются нагреванием поверхности земли солнечным излучением.
Серьезные конвекционные потоки в земной атмосфере характеризуются изменениями на всей планете погодных условий. При перепадах температур в атмосфере между полярными и экваториальными областями возникают конвекционные потоки: струйные течения, пассаты, холодные и теплые фронты.
Перенос тепла от земного ядра к поверхности вызывает извержения вулканов, возникновение гейзеров. Во многих регионах применяют геотермальную энергию для получения электрической энергии, обогрева жилых и промышленных помещений.
Именно теплота становится обязательным участником многих производственных технологий. Например, обработка и выплавка металлов, изготовление продуктов питания, переработка нефти, работа двигателей – все это осуществляется только при наличии тепловой энергии.
sravnitelnyy-analiz-izollat | Стройдинг
Сегодня на рынке России и стран СНГ активно появляются производители материалов различных торговых марок, которые выпускают жидко-керамические покрытия с невероятно высокими техническими и эксплуатационными характеристиками и низкой ценой.
Мы решили помочь вам сделать правильный выбор и показать существенные отличительные особенности термо-краски Изоллат от других жидко-керамических покрытий.
1. «Изоллат» – единственный запатентованный материал на территории РФ
Первый патент на изобретение «Антикоррозийного и теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер» был запатентован 24 апреля 2003 года. На тот момент в России никто не предполагал о существовании данной технологии.
По сути, получение официального патента говорит о том, что материал был официально изобретен в России, а все компании, которые сегодня производят жидко-керамическое покрытие на основе полых микросфер на территории РФ, нарушают патентные права.
2. Подтверждение значения коэффициента теплопроводности
Многие представленные на рынке материалы Российского производства, которые называют себя жидко-керамическими покрытиями заявляют на своём сайте, а так же в рекламных продукциях невероятно низкие значения коэффициентов теплопроводности своих материалов.
Получается, что основной параметр, по которому определяется эффективность теплоизоляционного материала ничем не подтверждён.
Коэффициент теплопроводности Изоллата — обоснован!
Расчеты выполнялись исходя из данных тепловизионных съёмок на реальных объектах — дома в г. Нефтеюганск. Обследованием дома занималось научно-техническое предприятие «Промтехсервис». По результатам обследования было получено расчетное значение коэффициента теплопроводности
3. Плотность материала
Плотность — это один из основных показателей теплоизоляционных материалов. На сегодняшний день «Изоллат» имеет самую низкую плотность из представленных на рынке материалов. Плотность «Изоллата» в жидком состоянии, не более – 5 кг/дм3, в сухом состоянии (после полимеризации), не более — 0,3 кг/дм3. Для сравнения большинство представленных на рынке материалов имеют плотность близкую к 1 кг/дм3, что существенно выше «Изоллата».
4. Применение качественных микросфер
Недавно мы опубликовали статью, где подробно описали какие бывают микросферы и описали их качества.
В линейки материалов «Изоллат» используются только искусственно выращенные микросферы. Термо краска максимально наполнена ими, поэтому имеет очень низкую плотность и вес, а соответственно, обладает уникальными теплотехническими свойствами.
5. Температура применения
Многие производители указывают температуру применения своего материала до +250 – +300 ℃.
Учитывая, что одним из компонентов материала является акриловый герметик, температура деструкции которого +170 ℃, можно сделать вывод, что температуры, которые, якобы, выдерживают эти материалы — миф.
Наглядно это можно наблюдать следующим образом: при нанесении материала на трубопровод с перегретым паром, не сразу, а через некоторое время (примерно 1 месяц), материал начинает желтеть, затем теряет свою эластичность, начинает трескаться и отслаиваться, соответственно о заявленных характеристиках термо-краски нет и речи.
6. Доказательная база продукта
Изоллат имеент большую доказательную базу: это различные сертификаты, заключения, испытания ведущих институтов, рекомендации региональных министертсв строительства и ЖКХ, сотни отзывов различных предприятий.
7. Грамотное техническое сопровождение
Абсолютно на каждый объект компания «Изоллат» делает технический расчет с указанием толщины, расхода покрытия и схемы теплоизоляции.
8. Ассортимент продукции
Изучив ассортимент, предлагаемый на рынке России и СНГ, мы с уверенностью можем сказать, что «Изоллат» – материал с самым широким ассортиментом выпускаемых марок (7 позиций)
Можно привести ещё много доводов в пользу теплоизоляционной краски Изоллат, выбор конечно останется за вами. Но если вы хотите оптимальный микроклимат в помещении, сухие стены, отсутствие грибка и плесени, то просим внимательно отнестись к своему выбору.
Жмите на кнопку и приобретайте жидкую теплоизоляцию Изоллат в нашем интернет-магазине
Продукция Изоллат
Что входит в услугу выезд инженера:
– Инженер приедет на ваш объект
– Проведёт тщательный осмотр
– Выявит все нюансы по теплоизоляции
– Подготовит решение
Что означает теплопроводность? » LINSEIS
Что означает теплопроводность?
В общем, теплопроводность выражения представляет собой количество тепла, которое проходит через куб материала 1x1x1 м в течение 1 секунды, когда существует температурный градиент ровно 1 K между двумя противоположными сторонами.
Это делает теплопроводность характеристическим свойством материала с собственным символом (λ – «лямбда») и собственной единицей СИ Вт/мК. Его обратной величиной является удельное термическое сопротивление.
Научное определение
Научное определение теплопроводности утверждает, что это свойство материала, которое описывает перенос тепла внутри образца. Для любой заданной температуры образца она получается из произведения плотности, температуропроводности и удельной теплоемкости при этой температуре (уравнение 1) и может быть описана как отрицательное частное плотности теплового потока и температурного градиента (уравнение 2). Пример (уравнение 3) служит иллюстрацией.
λ = ρ * cp * α (1)
λ = теплопроводность, ρ = плотность, cp = спец. теплоемкость, α = температуропроводность.
λ = -q / ∆T (2)
λ = теплопроводность, q = средняя плотность теплового потока, ∆T = температурный градиент.
Если это определение используется для рассмотрения, например, цилиндрического образца, могут быть выполнены следующие расчеты: Если рассматривается идеальный однородный цилиндр длиной l и постоянным поперечным сечением A, который изолирован с одной стороны и может иметь только одно изменение температуры на двух его концах, градиент температуры по его длине составляет (∆T)/l. Плотность теплового потока с направлением от горячей к холодной стороне равна λ*(∆T)/l.
Учитывая поперечное сечение A, имеется тепловой поток Q, который можно рассчитать с помощью (уравнение 3):
Q = (A * λ * ∆T) / l (3)
λ = теплопроводность, Q = тепловой поток, ∆T = температурный градиент, A = поперечное сечение, l = длина
Измерение теплопроводности (методы):
Методы измерения теплопроводности многочисленны и разнообразны, но их можно разделить на две основные группы для лучшего обзора: методов измерения переходных и установившихся режимов .
В нашем видео два наших ученых объясняют разницу между этими методами.
При локальном нагреве материала распределение температуры внутри тела изменяется до тех пор, пока оно не станет равномерным и стабильным через определенное время. Фаза вскоре после начала подвода тепла, в которой распределение температуры еще изменяется, называется переходной фазой. Когда распределение температуры устойчиво, это называется устойчивым состоянием.
Стационарные методы измерения
Пластинчатые методы, такие как «Защищенная горячая пластина», «Измеритель теплового потока» или «Тестер материала теплового интерфейса», относятся к стационарным методам измерения.
Образец материала помещают между нагретой и охлаждаемой плитой. Это приводит к градиенту температуры и, следовательно, тепловому потоку вдоль образца, который контролируется до тех пор, пока он не достигнет постоянного конечного значения.
Зная толщину образца и измеренный тепловой поток, можно рассчитать теплопроводность образца. С помощью тестера TIM можно измерить тепловое сопротивление при переменной нагрузке или сжатии, а затем определить теплопроводность и контактное тепловое сопротивление.
Методы измерения переходных процессов
Метод лазерной вспышки является одним из методов измерения переходных процессов и основан на патенте 1975 года. Несмотря на его высокую стоимость и сложность, он по-прежнему широко используется сегодня. И зря! Метод лазерной вспышки позволяет полностью автоматически тестировать материалы даже при самых экстремальных температурах до 2800 градусов Цельсия. Для измерения образец диска с одной стороны подвергается воздействию короткого высокоэнергетического теплового импульса от лазера или лампы-вспышки. Результирующее повышение температуры на противоположной стороне регистрируется инфракрасным детектором. По отношению к толщине образца это позволяет рассчитать температуропроводность с использованием модели теплопроводности.
Методы нагревательной проволоки и нагревательной полосы широко используются, например, в форме метода переходного горячего моста, а также относятся к методам измерения переходных процессов.
Их можно найти в самых разных конфигурациях датчиков, они могут гибко использоваться и предлагают самый широкий спектр приложений и измерений. Встроенная в несущую подложку нагревательная проволока во время измерения излучает постоянный тепловой поток, который вызывает изменение во времени распределения температуры как в образце, так и в самом датчике. Повышение температуры с течением времени измеряется встроенным термометром и служит мерой теплопроводности материала.
Особенность: Измерение теплопроводности тонких слоев
Измерение теплопроводности тонких пленок в диапазоне от нанометров до микрометров является особым случаем. Хотя для этой цели можно использовать одни и те же принципы измерения, формы реализации — термоотражение во временной области вместо LaserFlash и метод 3 Omega как особая форма метода нагревательной полоски — значительно различаются, чтобы соответствовать изменившимся граничным условиям. .
Теплопроводность | Свойства материалов: анизотропия, симметрия, структура
Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСвойства материалов: анизотропия, симметрия, структураГеохимияКнигиЖурналы Термин поиска мобильного микросайта
Закрыть
Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСвойства материалов: анизотропия, симметрия, структураГеохимияКнигиЖурналы Термин поиска на микросайте
Расширенный поиск
-
Иконка Цитировать Цитировать
-
Разрешения
-
Делиться
- Твиттер
- Еще
Cite
Newnham, Robert E,
‘Thermal conductivity’
,
Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure
(
Oxford,
2004;
online edn,
Oxford Academic
, 12 ноября 2020 г.
), https://doi.org/10.1093/oso/9780198520757.003.0020,
по состоянию на 5 октября 2022 г.
Выберите формат Выберите format.ris (Mendeley, Papers, Zotero).enw (EndNote).bibtex (BibTex).txt (Medlars, RefWorks)
Закрыть
Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСвойства материалов: анизотропия, симметрия, структураГеохимияКнигиЖурналы Термин поиска мобильного микросайта
Закрыть
Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСвойства материалов: анизотропия, симметрия, структураГеохимияКнигиЖурналы Термин поиска на микросайте
Advanced Search
Abstract
Когда разные части твердого тела имеют разную температуру, тепловая энергия переносится из более теплых областей в более холодные. Коэффициент теплопроводности обеспечивает количественную меру скорости, с которой тепловая энергия переносится по тепловому градиенту. Коэффициенты теплопроводности k связывают тепловой поток h [Вт/м2] с градиентом температуры dT/dZ. В тензорной форме знак минус появляется потому, что тепло течет от горячего к холодному. Теплопроводность измеряется в Вт/м·К. Четыре вклада в теплопроводность показаны на рис. 18.1. Двумя основными механизмами являются электроны проводимости и фононы колебаний решетки. В прозрачных твердых телах, особенно при высокой температуре, также может быть важен перенос фотонов. В пористой среде вклад в теплопроводность могут вносить конвекционные потоки от молекул газа или жидкости. Теплопроводность является полярным тензором второго ранга, подобно диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости и удельному электрическому сопротивлению, но существует основной вопрос, касающийся симметрии транспортных свойств, таких как электрическая и теплопроводность. Симметрия тензоров частично продиктована геометрическими соображениями через принцип Неймана, а частично — термодинамическими аргументами.
Для триклинных кристаллов имеется девять отличных от нуля коэффициентов проводимости kij. Если тензор симметричен, то kij = kji, и нужно определить только шесть независимых коэффициентов. Для диэлектрической проницаемости было показано, что Kij = Kji, исходя из соображений термостатической энергии (раздел 9)..2). Этот аргумент неприменим к транспортным свойствам, но есть другой принцип, основанный на необратимой термодинамике. Теорема Онзагера утверждает, что для транспортных свойств, включающих поток заряда, тепла или атомных частиц, тогда … kij = kji… . Доказательство теоремы Онзагера зависит от статистической механики и выходит за рамки этой книги. С практической точки зрения теорема Онзагера не очень важна, потому что большинство транспортных экспериментов проводится на металлах, полупроводниках и изоляторах с высокой симметрией.
Ключевые слова: Электрическая проницаемость, Механизмы, Принцип Неймана, Теорема Онзагера, Полимерные волокна, Твердые растворы, Тензорная природа
Предмет
Геохимия
В настоящее время у вас нет доступа к этой главе.
Войти
Получить помощь с доступом
Получить помощь с доступом
Доступ для учреждений
Доступ к контенту в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту одним из следующих способов:
Доступ на основе IP
Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов. Эта аутентификация происходит автоматически, и невозможно выйти из учетной записи с IP-аутентификацией.
Войдите через свое учреждение
Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения. Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.
- Нажмите Войти через свое учреждение.
- Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа.
- Находясь на сайте учреждения, используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
- После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.
Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.
Войти с помощью читательского билета
Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему. Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.
Члены общества
Доступ члена общества к журналу достигается одним из следующих способов:
Войти через сайт сообщества
Многие общества предлагают единый вход между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Если вы видите «Войти через сайт сообщества» на панели входа в журнале:
- Щелкните Войти через сайт сообщества.
- При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
- После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.
Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.
Вход через личный кабинет
Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам. Смотри ниже.
Личный кабинет
Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.
Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.
Просмотр ваших зарегистрированных учетных записей
Щелкните значок учетной записи в правом верхнем углу, чтобы:
- Просмотр вашей личной учетной записи и доступ к функциям управления учетной записью.
- Просмотр институциональных учетных записей, предоставляющих доступ.
Выполнен вход, но нет доступа к содержимому
Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции. Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.
Ведение счетов организаций
Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью. Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.
Покупка
Наши книги можно приобрести по подписке или приобрести в библиотеках и учреждениях.
Информация о покупке
Теория управления тепловым режимом — Теории теплопроводности и специальные методы управления тепловым режимом для теплового проектирования — Блог о разработке продуктов
По мере уменьшения размера полупроводников и других компонентов схемы становятся все более интегрированными. В результате современные функциональные электронные устройства, такие как смартфоны, становятся все тоньше, а их конструкции все более сложными. Тепло, выделяемое этими компонентами, может влиять не только на надежность изделий, но и на их безопасность. Управление теплом абсолютно необходимо.
Для повышения безопасности и надежности электронных устройств большое значение имеет тепловой расчет. Тепловое проектирование оценивает количество тепла, выделяемого компонентами и продуктом, начиная с этапа разработки, и заранее планирует управление температурным режимом. Здесь мы объясним основные теории тепла и конкретные методы управления теплом, необходимые для теплового проектирования.
Основные теории тепла
Когда питание не включено, электронные устройства, такие как ПК и смартфоны, имеют примерно ту же температуру, что и окружающая среда. Однако, когда питание включено и устройство работает, электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, что приводит к нагреву.
Чтобы понять, как передается это тепло, необходимо понять основные теории, такие как теплопроводность и тепловое сопротивление.
Теплопроводность
Тепло передается от более горячих мест к более холодным в соответствии со вторым законом термодинамики тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением.
- Теплопроводность: тепло передается через твердые вещества, такие как пластик или металл.
- Конвекция: Тепло передается газу или жидкости и передается движением газа или жидкости.
- Излучение: Тепло передается инфракрасным и другим электромагнитным излучением, испускаемым источником тепла.
Для таких продуктов, как электронные устройства, необходимо понимать, как тепло генерируется и передается теплопроводностью. Материалы, используемые в различных продуктах, имеют разную теплопроводность (характеристическое значение материала), которая показывает, насколько легко материал передает тепло. В таблице ниже показана теплопроводность некоторых типичных материалов.
Как видно из формулы, выражающей количество тепла, которое материал передает за счет теплопроводности, материалы с более высокой теплопроводностью быстрее передают тепло и быстрее переходят к тепловому равновесию.
Термическое сопротивление (термическое сопротивление)
При управлении теплом во время использования продуктов также необходимо учитывать тепловое сопротивление материала. Термическое сопротивление выражает сложность теплового потока и является всеобъемлющей характеристикой, учитывающей различные условия. Он находится по формуле, известной как тепловой закон Ома.
Чем выше тепловое сопротивление, тем легче накапливается тепло, и труднее понизить температуру после нагревания детали.
Термическое сопротивление обрабатывается так же, как и закон Ома, поэтому его можно определить следующим образом на основе комбинации материалов.
R total = R 1 + R 2 + R 3 + R 4 + R 5 + ・・・・ + R n
1/R всего = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 + 1/R 4 + 1/R 5 /+ 1 ・・・・R n
Расчет температуры материалов, соединенных последовательно
Здесь мы рассчитаем тепловое сопротивление каждого материала, а затем вычислим температуру конкретного источника тепла.
Как показано на рисунке ниже, здесь мы предполагаем материал с площадью поперечного сечения 100 мм 2 , расположенный между источником тепла и охладителем. Он состоит из слоев алюминия, смолы и меди.
Поскольку материалы соединены последовательно, общее тепловое сопротивление материала равно сумме тепловых сопротивлений каждого слоя.
Тепловое сопротивление алюминиевого слоя = 0,0048 / (0,0004 × 240) = 0,050
Тепловое сопротивление слоя смолы = 0,0006 / (0,0004 × 0,3) = 5,000
Тепловое сопротивление медного слоя = 0,0038 / (0,0004 × 380) = 0,025 сопротивление = 0,050 + 5,000 + 0,025 = 5,075
Разница температур ΔT между источником тепла и охладителем показана ниже.
ΔT = 5,075 × 10 = 50,75℃
Температура источника тепла 50,75 + 15 = 65,75℃.
В этом примере видно, что слой смолы, обладающий наименьшей теплопроводностью, препятствует отводу тепла. Следующие параметры можно использовать для управления температурным режимом, чтобы снизить тепловое сопротивление слоя смолы.
- Уменьшите толщину слоя смолы (или удалите слой смолы).
- Замена на смолу с более высокой теплопроводностью.
- Обход слоя смолы с использованием материала с высокой теплопроводностью.
Зазоры, возникающие в реальном мире в результате физического контакта между материалами, также являются источником термического сопротивления (контактное термическое сопротивление). Когда твердые металлы укладываются друг на друга, даже если невооруженным глазом кажется, что они находятся в тесном контакте, на микроуровне мы можем видеть, что на поверхности есть неровности. Эти неровности создают зазоры. Одним из возможных способов устранения этих зазоров является использование материала ТИМ.
Здесь мы будем использовать категории управления температурным режимом, чтобы объяснить различные типы конкретного управления температурным режимом.
Неполадки, вызванные нагревом
В изделии, в котором используются электронные компоненты, такие как ЦП или устройство питания, после подачи питания и начала работы изделия приложение определенного количества тепла может привести к различным проблемам.
Проблемы, связанные с безопасностью
Меньшие размеры полупроводников позволили сделать более тонкими смартфоны и ноутбуки, а некоторые продукты имеют герметичную структуру. В герметичном изделии невозможно установить теплоизлучающий вентилятор или подобное устройство, а единственными путями отвода тепла являются корпус и другие поверхности.
Продолжительное использование может привести к тому, что поверхность станет настолько горячей, что пользователь не сможет за нее удержаться, что может привести к возгоранию внутренней батареи или другим проблемам. Даже при более низких температурах длительный контакт может вызвать низкотемпературные ожоги.
Например, для смартфонов и других мобильных устройств были разработаны рекомендации по безопасному дизайну. В целях предотвращения низкотемпературных ожогов данные рекомендации содержат обязательные стандарты, такие как следующие, касающиеся продолжительности контакта между материалами и человеческим телом.
<Металл>
51°C: 1 минута
48°C: 10 минут
43°C: 8 часов
<Стекло, керамика>
56°C: 1 минута
48°C: 10 минут
43° C: 8 часов
<Другое (смолы и т. д.)>
60°C: 1 минута
48°C: 10 минут
43°C: 8 часов
Примечание. Руководство по проектированию безопасности мобильного оборудования, стр. 4
Проблемы, связанные с надежностью
На примере конденсатора нагревание вызывает химическую реакцию смолы, используемой для герметизации компонента, что приводит к термическому разложению. Это может привести к вытеканию электролита внутри конденсатора, что сократит срок службы изделия.
В таком компоненте, как силовой модуль, который состоит из различных материалов с разными коэффициентами теплового расширения, напряжение, возникающее в результате тепла, выделяемого во время непрерывной эксплуатации, может привести к усталостному разрушению таких деталей, как подводящие провода и паяные соединения.
Проблемы, связанные с качеством
Тепло, выделяемое компонентами, также может препятствовать полному выполнению функций, перечисленных в технических характеристиках продукта.
Например, в таком продукте, как смартфон или цифровая камера, который состоит из множества полупроводниковых элементов, если происходит тепловой разгон из-за эффектов тока утечки в результате непрерывной работы, скорость обработки может снизиться, или продукт может быть поврежден. непригоден до тех пор, пока температура не упадет.
Аккумуляторы также чувствительны к воздействию температуры, и если они постоянно используются при высоких температурах, то указанное в каталоге время работы может не удовлетворяться.
Типы управления температурным режимом
Чтобы предотвратить различные проблемы, которые могут возникнуть из-за нагревания продукта, необходимо осуществлять управление температурным режимом, чтобы уменьшить воздействие тепла. Как указано в первом законе термодинамики, выделяющееся тепло не может быть устранено; его можно только перемещать. В результате необходим отвод тепла или другое управление температурным режимом с использованием одного или нескольких из приведенных ниже методов.
Тепловое управление | Метод управления | Конкретные примеры управления |
---|---|---|
Увеличение площади поверхности теплопередачи | Использование частей, излучающих тепло | Радиатор |
Рассеивание тепла в корпусе или другом материале | TIM (материал теплового интерфейса) Теплоотвод |
|
Повышение теплопроводности | Управление конвекцией | Вентилятор локального охлаждения Тепловая трубка Испарительная камера |
Управление радиацией | Использование материалов, обеспечивающих высокое тепловое излучение | |
Снижение внутренней температуры устройства | Вентиляция | Вентилятор Создание вентиляционных отверстий |
Отделение от источника тепла | Экранирование с теплоизоляцией Изменение компоновки компонентов |
Увеличение площади поверхности теплопередачи
Радиатор
Радиаторы — это метод управления температурным режимом, который давно используется и может быть описан как «устройства увеличения площади поверхности теплопередачи». Радиатор содержит несколько ребер, которые физически расширяют площадь поверхности, рассеивающей генерируемое тепло.
Это позволяет эффективно перемещать тепло между твердыми телами или между твердым телом и атмосферой.
TIM (материал теплового интерфейса)
Рассеивание тепла, выделяемого электронным компонентом, на печатную плату может снизить температуру компонента. Когда падение температуры все еще недостаточно, тепло рассеивается в корпус или радиатор.
Компоненты могут быть подсоединены непосредственно к корпусу или обеспечивать отвод тепла к корпусу через печатную плату. Однако эффективный отвод тепла будет невозможен без снижения контактного термического сопротивления на поверхности, где материалы соприкасаются друг с другом.
TIM (материал теплового интерфейса) — это материал, который заполняет мельчайшие зазоры, образующиеся между контактными поверхностями материала и корпуса, удаляя воздух между ними, снижая тепловое сопротивление и способствуя равномерному потоку тепла.
Существует множество типов TIM, в том числе термопасты и теплорассеивающие листы. Конкретные материалы и их характеристики будут объяснены позже.
Распределитель тепла
TIM используется для снижения теплового сопротивления на контактных поверхностях между материалами. Распределитель тепла, с другой стороны, представляет собой материал, который увеличивает площадь поверхности теплопередачи и способствует эффективному рассеиванию тепла в направлении поверхности корпуса.
В зависимости от области применения и количества выделяемого тепла используются различные теплораспределители, такие как графитовые листы или металлическая фольга.
Повышение теплопроводности
Вентилятор локального охлаждения
В этом методе вентилятор используется для создания конвекции нагретого воздуха внутри продукта для перемещения тепла и снижения его уровня.
Использование в качестве вентилятора: снижает температуру, заменяя горячий воздух внутри изделия наружным воздухом.
Использование в качестве охлаждающего вентилятора: выдувает нагретый воздух вблизи источника тепла, чтобы снизить уровень нагрева.
Когда нагревательные элементы расположены в непосредственной близости, полагаясь только на естественную вентиляцию с использованием вентиляционных отверстий, вы не получите достаточного притока воздуха и не сможете обеспечить равномерную температуру. В результате для обеспечения необходимого воздушного потока и достижения эффективного снижения температуры необходимо использовать локальный охлаждающий вентилятор.
Тепловая трубка
Тепловые трубки представляют собой охлаждающие устройства, использующие конвекцию, создаваемую разницей температур, для циркуляции хладагента и отвода тепла.
Вакуумная медная трубка с высокой теплопроводностью содержит воду или другой хладагент. Тепло от источника тепла заставляет воду внутри трубы кипеть, поглощая теплоту испарения от источника тепла. Затем пар охлаждается в теплорассеивающей части, расположенной на расстоянии, возвращая его в жидкое состояние. Затем он перемещается к источнику тепла и снова нагревается. Эта циркуляция, создаваемая тепловой конвекцией, может быстро обеспечить равномерное общее распределение температуры.
Снижение внутренней температуры устройства
Вентилятор
Вентиляторы устанавливаются на корпусе или другой детали и используются для выброса нагретого воздуха изнутри изделия наружу для достижения равномерной температуры.
Изменение компоновки компонентов
Важно проверить взаимное расположение компонентов, например, не размещая компонент с низкой теплостойкостью рядом с частью, которая нагревается. Когда часть, вырабатывающая тепло, расположена с наветренной стороны, тепловая конвекция с подветренной стороны может повысить температуру других компонентов. Такие части должны быть расположены с подветренной стороны, когда это возможно.
Экранирование с теплоизоляцией
В изделиях, где изменение расположения деталей затруднено, эффективным методом является теплозащита путем установки вакуумной теплоизоляции, силикагеля или другой теплоизоляции между нагревательной частью и другими частями.
Для получения дополнительной информации об управлении теплом обращайтесь в компанию Taiyo Wire Cloth.
Мы используем технологии моделирования, измерительные технологии и другие знания в области управления теплом, чтобы предлагать оптимальные решения для проектов наших клиентов. Если у вас есть вопросы по управлению теплом, пожалуйста, свяжитесь с нами.
Запросы на продукцию и коммерческие предложения
Форма запроса
Типы и характеристики TIM
При использовании процессора или другого устройства, выделяющего большое количество тепла, эффективное рассеивание тепла через печатную плату или корпус требует заполнения мельчайших промежутков между контактные поверхности для снижения теплового сопротивления. Для этой цели используются различные типы материалов теплового интерфейса (TIM).
ТИМ тип | Характеристики |
---|---|
Термопаста |
|
Теплопроводный лист (заполнитель зазоров) |
|
Термогель |
|
ПКМ (материалы с фазовым переходом) |
|
Термолента |
|
Клей с высокой теплопроводностью |
|
Припой |
|
Помимо различий в контактном тепловом сопротивлении, TIM также различаются по другим параметрам, таким как места, где их можно использовать, и возможности доработки. Используемый TIM следует выбирать в соответствии с приложением.
Целью TIM является заполнение зазоров между контактными поверхностями и снижение теплового сопротивления. Даже при высокой теплопроводности TIM, если TIM вытекает во время фактического использования или если при установке остается воздушная прослойка, он может не обеспечивать ожидаемых характеристик.
Например, при использовании термогеля расширение и сжатие материала происходит многократно из-за теплового цикла, что может вызвать откачку, что может привести к повреждению материала, или вытекание масла, содержащегося в материале, может привести к его высыханию. Эти вопросы должны быть оценены и изучены до использования.
Несмотря на то, что теплопроводный лист обеспечивает относительно простую работу по нанесению и другие манипуляции, если не применяется правильное сжимающее усилие, он не обеспечит ожидаемых эффектов терморегулирования. Это также необходимо изучить на этапе проектирования.
Для получения информации о продуктах для управления теплом обращайтесь в компанию Taiyo Wire Cloth.
