Теплопроводность чем меньше тем лучше: «Чем выше показатель теплопроводности, тем лучше или хуже утеплитель?» — Яндекс Кью

Содержание

Чем выше теплопроводность тем

Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. Что это такое.

Теплопроводность.

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”. В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С. Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности.

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло. Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас в качестве материалов для утепления зданий наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов. Набирает популярность новый материал с улучшенными теплоизоляционными качествами – Неопор.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда) и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2., то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт. Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности. Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Источник: www.econel.ru

Теплопроводность утеплителей — сравнительная таблица

В привычной для населения страны холодной зиме, востребованность теплоизоляционных материалов всегда на высоком уровне. Необходимо учитывать все особенности каждого из утеплителей, чтобы сделать выбор в пользу качественного и целесообразного материала.

Содержание:

Зачем нужна теплоизоляция?

Актуальность теплоизоляции заключается в следующем:

Сохранение тепла в зимний период и прохлады в летний период.

Потери тепла сквозь стены обычного многоэтажного жилого дома составляют 30-40%. Для снижения теплопотерь нужны специальные теплоизоляционные материалы. Применение в зимний период электрических обогревателей способствует дополнительному расходу на электроэнергию. Эти расходы выгодней компенсировать использованием качественного теплоизоляционного материала, обеспечивающего сохранение тепла в зимний период и прохладу в летнюю жару. При этом затраты на охлаждение помещения кондиционером также будут сведены к минимуму.

Увеличение долговечности конструкций здания.

В случае промышленных зданий с использованием металлического каркаса, утеплитель позволяет защитить поверхность металла от коррозии, являющейся самым пагубным дефектом для данного вида конструкций.

А срок службы для здания из кирпича определяется количеством циклов замораживания/оттаивания. Воздействие этих циклов воспринимает утеплитель, ведь точка росы при этом находится в теплоизоляционном материале, а не материале стены. Такое утепление позволяет увеличить срок службы здания во много раз.

Защита от возрастающего уровня шума достигается при использовании таких шумопоглощающих материалов (толстые матрасы, звукоотражающие стеновые панели).

Увеличение полезной площади зданий.

Использование системы теплоизоляции позволяет уменьшить толщину наружных стен, при этом увеличивая внутреннюю площадь здания.

Как правильно выбрать утеплитель?

При выборе утеплителя нужно обращать внимание на: ценовую доступность, сферу применения, мнение экспертов и технические характеристики, являющиеся самым важным критерием.

Основные требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам:

Теплопроводность.

Теплопроводность подразумевает под собой способность материала передавать теплоту.

Это свойство характеризуется коэффициентом теплопроводности, на основе которого принимают необходимую толщину утеплителя. Теплоизоляционный материал с низким коэффициентом теплопроводности является лучшим выбором.

Также теплопроводность тесно связана с понятиями плотности и толщины утеплителя, поэтому при выборе необходимо обращать внимание и на эти факторы. Теплопроводность одного и того же материала может изменяться в зависимости от плотности.

Под плотностью понимают массу одного кубического метра теплоизоляционного материала. По плотности материалы подразделяются на: особо лёгкие, лёгкие, средние, плотные (жёсткие). К легким относятся пористые материалы, подходящие для утепления стен, перегородок, перекрытий. Плотные утеплители лучше подходят для утепления снаружи.

Чем меньше плотность утеплителя, тем меньше вес, а теплопроводность выше.

Это является показателем качества утепления. А небольшой вес способствует удобству монтажа и укладки.

В ходе опытных исследований установлено, что утеплитель, имеющий плотность от 8 до 35 кг/м³ лучше всего удерживает тепло и подходят для утепления вертикальных конструкций внутри помещений.

А как зависит теплопроводность от толщины? Существует ошибочное мнение, что утеплитель большой толщины будет лучше удерживать тепло внутри помещения. Это приводит к неоправданным расходам. Слишком большая толщина утеплителя может привести к нарушению естественной вентиляции и в помещении будет слишком душно.

А недостаточная толщина утеплителя приводит к тому, что холод будет проникать через толщу стены и на плоскости стены образуется конденсат, стена будет неотвратимо отсыревать, появится плесень и грибок.

В случае игнорирования расчета может появиться ряд проблем, решение которых потребует больших дополнительных затрат!

Таблица теплопроводности материалов

Материал	Теплопроводность материалов, Вт/м*⸰С	Плотность, кг/м³
Пенополиуретан	0,020	30
	0,029	40
	0,035	60
	0,041	80
Пенополистирол	0,037	10-11
	0,035	15-16
	0,037	16-17
	0,033	25-27
	0,041	35-37
Пенополистирол (экструдированный)	0,028-0,034	28-45
Базальтовая вата	0,039	30-35
	0,036	34-38
	0,035	38-45
	0,035	40-50
	0,036	80-90
	0,038	145
	0,038	120-190
Эковата	0,032	35
	0,038	50
	0,04	65
	0,041	70
Изолон	0,031	33
	0,033	50
	0,036	66
	0,039	100
Пенофол	0,037-0,051	45
	0,038-0,052	54
	0,038-0,052	74

Экологичность.

Этот фактор является значимым, особенно в случае утепления жилого дома, так как многие материалы выделяют формальдегид, что влияет на рост раковых опухолей. Поэтому необходимо делать выбор в сторону нетоксичных и биологически нейтральных материалов. С точки зрения экологичности лучшим теплоизоляционным материалом считается каменная вата.

Пожарная безопасность.

Материал должен быть негорючим и безопасным. Гореть может любой материал, разница состоит в том, при каком температуре он возгорается. Важным является то, чтобы утеплитель был самозатухающим.

Паро- и водонепроницаемость.

Преимущество имеют те материалы, которые обладают водонепроницаемостью, так как впитывание влаги приводит к тому, что эффективность материала становится низкой и полезные характеристики утеплителя через год использования снижаются на 50% и более.

В среднем срок службы изоляционных материалов составляет от 5 до 10-15 лет. Теплоизоляционные материалы, имеющие в составе вату в первые годы службы значительно снижают свою эффективность. Зато пенополиуретан обладает сроком службы свыше 50 лет.

Достоинства и недостатки утеплителей

Пенополиуретан– на сегодняшний день самый эффективный утеплитель.

Виды ППУ

Достоинства: бесшовный монтаж пеной, долговечность, лучшая тепло- и гидроизоляция.

Недостатки: дороговизна материала, неустойчивость к УФ-излучению.

Пенополистирол (пенопласт) – востребован для использования в качестве утеплителя для помещений разных типов.

Достоинства: низкая теплопроводность, невысокая стоимость, удобство монтажа, водонепроницаемость.

Недостатки: хрупкость, легкая воспламеняемость, образование конденсата.

Экструдированный пенополистирол – прочный и удобный материал, при необходимости элементов нужного размера легко разрезается ножом.

Достоинства: очень низкая теплопроводность, водонепроницаемость, прочность на сжатие, удобство монтажа, отсутствие плесени и гниения, возможность эксплуатации от -50⸰С до +75⸰С.

Недостатки: намного дороже пенопласта, восприимчивость к органическим растворителям, образование конденсата.

Базальтовая (каменная) вата – минеральная вата, изготавливающаяся на базальтовой основе.

Достоинства: противостояние образованию грибков, звукоизоляция, прочность к механическим воздействиям, огнеупорность, негорючесть.

Недостатки: более высокая стоимость, по сравнению с аналогами.

Эковата – утеплитель, выполненный на основе естественных материалов (волокна дерева и минералы). На сегодняшний день применяется довольно часто.

Достоинства: звукоизоляция, экологичность, влагостойкость, доступная стоимость.

Недостатки: во время эксплуатации повышается теплопроводность, необходимость специального оборудования для монтажа, возможность усадки.

Изолон – современный утеплитель, изготавливаемый путем вспенивания полиэтилена. Является одним из самых востребованных.

Достоинства: низкая теплопроводность, низкая паропроницаемость, высокая шумоизоляция, удобство резки и монтажа, экологичность, гибкость, небольшой вес.

Недостатки: низкая прочность, необходимость устройства вентиляционного зазора.

Пенофол – утеплитель, который отвечает многим требованиям, предъявляемым к качеству утеплителя и утепления различных помещений, а также конструкций и т.д.

Достоинства: экологичность, высокая способность к отражению тепла, высокая шумоизоляция, влагонепроницаемость, негорючесть, удобство перевозки и монтажа, отражение воздействия радиации.

Недостатки: малая жесткость, затрудненность крепления материала, в качестве теплоизоляции одного пенофола недостаточно.

Заключение

Рассмотренные достоинства и недостатки утеплителей позволят выбрать самый подходящий вариант уже на стадии проектирования. При этом учитывать все требования, предъявляемые к теплоизоляционному материалу, в первую очередь теплопроводность.

Источник: balkon4life.ru

Обзор строительных материалов с различной теплопроводностью

Теплоизоляция необходима в любом помещении, где температура в какое-либо время года не должна быть равной температуре окружающей среды.

Оптимальная температура в помещении достигается с помощью работы обогревательных или охлаждающих устройств.

Чтобы искусственно настроенная температура внутри здания не изменялась из-за диффузии неодинаково нагретых частей внутри и снаружи здания, используют строительные материалы с наименьшим коэффициентом теплопроводности.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность — физическое свойство тела (тел) обменивать внутреннюю энергию с помощью диффузии атомов и молекул, которые хаотически перемещаются от более нагретых частей к более холодным.

Атомы и молекулы двигаются в хаотичном порядке до тех пор, пока температура по всему занимаемому объёму не выровняется.

Чем больше теплопроводность вещества, тем быстрее сквозь него передаётся более высокая или более низкая температура.

Теплопроводность определяется количеством теплоты в Дж, которая, при разнице температур в противоположно расположенных параллельных плоскостях в 1 К, проходит через 1 м² за 1 ч.

Коэффициент теплопроводности выражают в Вт/м*К.

Роль коэффициента теплопроводности при принятии архитектурно-строительного решения

Теплопроводность твёрдых тел, каковыми являются все строительные материалы, проявляется за счёт переноса тепла, происходящего в результате колебаний кристаллической решётки.

Большая теплопроводность строительного материала недопустима для возведения архитектурных сооружений. Чем больше теплопроводность, тем меньше теплоизоляционные качества материала, необходимые для поддержания в помещении температуры, отличной от температуры окружающей среды.

Строительные материалы с низкой теплопроводностью помогают сохранить достигнутый градус в помещении вне зависимости от погодных условий, благодаря минимальному поддержанию диффузии между разными по температуре частицами.

Чем меньше коэффициент теплопроводности материала, тем лучше его теплоизоляционные качества.

Хорошая теплоизоляция избавит от сквозняков, холодных стен, быстрого остывания, промерзания или нагрева помещения, позволит существенно сэкономить на устройствах обогрева или охлаждения.

Или почитайте ЗДЕСЬ об установке пластиковых окон своими руками.

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Теплопроводность вещества зависит от его плотности. Чем больше плотность вещества, тем выше теплопроводность. С увеличением пористости понижается ее коэффициент.

Низкий коэффициент теплопроводности материала определяет его хорошие теплоизоляционные качества.

Плотность: 500 кг/м³–2 500 кг/м³. Показатель зависит от состава смеси.
Теплопроводность: 1,28–1,51 Вт/м*К. Показатель меняется в зависимости от консистенции бетона.

Бетонная смесь используется для заливки монолитного фундамента, а бетонные блоки – для закладки фундамента и возведения стен.

Железобетон

Плотность: 2 500 кг/м3; бетонная смесь без вибрирования (применения глубинного вибратора) – 2 400 кг/м3.
Теплопроводность: 1,69 Вт/м*К.

Лёгкий бетон на пористых заполнителях называют ячеистым бетоном.

Используют в качестве конструкционного и теплоизоляционного материала. Самые распространённые строительные материалы из бетона на пористых заполнителях — газобетон, пенобетон, керамзитобетон.

Данные материалы применяются для возведения многоэтажных, частных домов и для дополнительных пристроек: бань, гаражей, сараев.

Керамзитобетон

Полнотелые керамзитобетонные блоки производятся с помощью вибропрессования. Не имеют пустот и отверстий. Часто используются для кладки несущих стен или закладки фундамента.

Пустотелые керамзитобетонные блоки делают с применением специальных форм, позволяющих при заливке смеси сформировать герметичные или сквозные пустоты.

Обладают меньшей прочностью по сравнению с полнотелыми керамзитобетонными блоками. Имеют меньшую теплопроводность, что делает их оптимальным материалом для возведения нетяжёлых конструкций с требуемой высокой теплоизоляцией.

Плотность: 500 кг/м³–1 800 кг/м³.
Теплопроводность: 0,14–0,66 Вт/м*К.

Изготавливается из газосиликата. С помощью специализированных газообразователей внутри блока формируют приблизительно сферические поры (пустоты), их диаметр 1–3 мм.

Плотность: 300–800 кг/м3. Зависит от количества и размера пустот.
Теплопроводность: 0,1–0,3 Вт/м*К.

Изготавливается с применением пенообразующих добавок. Имеет пористую структуру.

Плотность: 600–1 000 кг/м3.
Теплопроводность: 0,1–0,38 Вт/м*К.

Саманный кирпич

Изготавливается из глины и наполнителя.

Плотность: 500 кг/м³–1 900 кг/м³;
Теплопроводность: 0,1–0,4 Вт/м*К.

Керамический кирпич

Изготавливается из обожжённой глины.

Плотность: полнотелый – 1 600 кг/м³–1 900 кг/м³; пустотелый – 1 100 кг/м³–1 400 кг/м³;
Теплопроводность: полнотелый – 0,56–0,86 Вт/м*К; пустотелый–0,35–0,41 Вт/м*К.

Силикатный кирпич

Изготавливается из песка и извести.

Плотность: 1 100 кг/м³–1 900 кг/м³;
Теплопроводность: 0,81–0,87 Вт/м*К.

Плотность: 150 кг/м³–2 100 кг/м³;
Теплопроводность: 0,2–0,23 Вт/м*К.

Строительные конструкционные материалы, даже с низкой теплопроводностью, нуждаются в дополнительном утеплении.

Или почитайте ЗДЕСЬ о несъемной опалубке из пенополистирола.

Утеплители и их теплопроводность

Используются для утепления фундамента, пола, стен здания внутри и снаружи, потолка и крыши.

Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
Теплопроводность: 0,31–0,33 Вт/м*К.

Пенополистирол

Плотность: 15 кг/м³–50 кг/м³;
Теплопроводность: 0,028–0,035 Вт/м*К.

Минеральная вата

Минеральная вата имеет способность впитывать влагу. Вода легко накапливается, но очень долго испаряется из данного звуко- и теплоизоляционного материала.

Если минвата перенасытится влагой, то потеряет свои основные изоляционные свойства. Чтобы не допустить впитывание влаги, минвату с двух сторон герметично закупоривают слоем гидроизоляции.

Стекловата

Плотность: 15 кг/м³–45 кг/м³;
Теплопроводность: 0,038–0,046 Вт/м*К.

Базальтовая (каменная) вата

Плотность: 30 кг/м³–200 кг/м³;
Теплопроводность: 0,035–0,042 Вт/м*К.

Плотность: 30 кг/м³–110 кг/м³;
Теплопроводность: 0,032–0,041 Вт/м*К.

Сравнительные характеристики теплопроводности конструкционных строительных материалов и утеплителей необходимо проанализировать, выбрав для постройки или дополнительной теплоизоляции самый подходящий материал.

Видео о характеристиках теплоизоляционных материалов

Источник: realconstruct.ru

Теплопроводность. Просто о сложном.

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше, — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку. Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Её разбор проведем на примере теплоизоляционного материала из пенополиизоцианурата (ПИР/PIR) — LOGICPIR .

LOGICPIR – это инновационный утеплитель, обладающий уникальными показателями теплопроводности – всего 0,021 Вт/м*К, позволяющий добиться максимальной экономии пространства при минимальной толщине теплоизоляции. Кроме того, PIR-плиты не впитывают влагу, тем самым предотвращая образование конденсата и надежно защищая ваш дом от появления плесенных грибов, клещей и бактерий, представляющих опасность для здоровья. LOGICPIR относится к новому поколению полиуретанов, окружающих нас повсеместно: начиная от деталей интерьера автомобилей, матрацев и обуви и заканчивая медициной, где самая поразительная сфера их применения – изготовление протезов для сердечно-сосудистой системы. Стоит ли говорить, что материал экологически безопасен, что подтверждено целым рядом сертификатов и заключений.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Подведем итог. Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Спасибо компании «Технониколь» за помощь в подготовке материала

Источник: www.mastergrad.com

Теплопроводность. Просто о сложном.

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку. Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача ) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция . У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Её разбор проведем на примере теплоизоляционного материала из пенополиизоцианурата (ПИР/PIR) — LOGICPIR

Итак, вернемся к теплопроводности.

твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.

Последняя составляющая – излучение . Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Источник: zen. yandex.ru

1.2 Теплопроводность строительных материалов

Характеризуется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/м·^оС, выражающим количество тепла, проходящего через 1 м² ограждения при его толщине 1 метр и при разности температур на внутренней и наружной поверхности ограждения 1 ^оС.

На коэффициент теплопроводности материала влияют следующие свойства материала.

Плотность (пористость): чем больше в материале замкнутых пор, тем меньше коэффициент теплопроводности, поскольку любого плотного материала не менее чем в 100 раз превышает воздуха.

Химико-минералогический состав. Любой строительный материал имеет в своем составе кристаллические и аморфные вещества в различных соотношениях. Чем выше процент кристаллических веществ, тем больше коэффициент теплопроводности.
Собственная температура материала. Чем она выше, тем большей теплопроводностью обладает конструкция.
Влажность материала. При увлажнении конструкции в поры, заполненные воздухом, попадает вода, коэффициент теплопроводности которой выше, чем у воздуха, приблизительно в 20 раз. Поэтому теплопроводность материала резко возрастает, возникает опасность промерзания ограждающей конструкции. При промерзании конструкции вода, находящаяся в порах, превращается в лёд, коэффициент теплопроводности которого выше, чем у воды, еще в 4 раза. Поэтому так важно не допускать переувлажнения ограждающих конструкций.

Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают металлы: сталь – 50 Вт/м·^оС, алюминий – 190 Вт/м·^оС, медь – 330 Вт/м·^оС. Наименьший коэффициент теплопроводности у эффективных утеплителей, пенополистирола и пенополиуретана: 0,03-0,04 Вт/м·^оС.

1.3 Термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче)

R, м²·^оС /Вт, – важнейшее теплотехническое свойство ограждения. Оно характеризуется разностью температур внутренней и наружной поверхности ограждения, через 1 м² которого проходит 1 ватт тепловой энергии (1 килокалория в час).

, (2)

где δ – толщина ограждения, м;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·^оС.

Чем больше термическое сопротивление ограждающей конструкции, тем лучше её теплозащитные свойства. Из формулы (2) видно, что для увеличения термического сопротивления R необходимо либо увеличить толщину ограждения δ, либо уменьшить коэффициент теплопроводности λ, то есть использовать более эффективные материалы. Последнее более выгодно из экономических соображений.

2. Теплопередача в однородном ограждении при установившемся потоке тепла

Представим себе условную ограждающую конструкцию, состоящую из однородного материала, через которую в холодное время года проходит постоянный тепловой поток. В этом случае график распределения температуры внутри ограждения выглядит следующим образом (рис. 1).

Рис. 1. Распределение температур в однородной ограждающей конструкции при постоянном тепловом потоке

При передаче тепла через ограждающую конструкцию происходит падение температуры от t_в до t_н. При этом общий температурный перепад t_в– t_нсостоит из суммы трех температурных перепадов:

температурный перепад t_в-τ_в возникает из-за того, что температура внутренней поверхности ограждения τ_ввсегда на несколько градусов ниже, чем температура воздуха в помещении t_в;
τ_в-τ_н– температурный перепад в пределах толщины ограждающей конструкции;
τ_н–t_н – температурный перепад, возникающий вследствие того, что температура наружной поверхности ограждения τ_ннесколько выше температуры наружного воздуха t_н.

Каждый из этих температурных перепадов вызван конкретным сопротивлением переносу тепла:

перепад t_в-τ_в– сопротивлением тепловосприятию внутренней поверхности ограждения R_в;
перепад τ_в-τ_н– термическим сопротивлением конструкции R_к;
перепад τ_н–t_н – сопротивлением теплоотдаче наружной поверхности ограждения R_н.

Сопротивления тепловосприятию и теплоотдаче иногда называют сопротивлениями теплообмену; они имеют такую же размерность, как и термическое сопротивление, т. е. м²·^оС/Вт.

Общее (приведенное) термическое сопротивление однослойной ограждающей конструкции R_o_,м²·^оС/Вт, равно сумме всех отдельных сопротивлений, т. е.

, (3)

где α_в– коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²·^оС), определяемый по табл. 4* [1], см. также табл. 5 настоящего пособия;

α_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м²·^оС), определяемый по табл. 6* [1], см. также табл. 6 настоящего пособия;

R_к– термическое сопротивление однослойной конструкции, определяемое по формуле (2).

Теплопроводность кирпича: что влияет на показатели

Содержание

1 Что обозначает показатель?
2 Свойства различных типов блоков
- 2. 1 Красный керамический
  - 2.1.1 Клинкерный
  - 2.1.2 Характеристика шамотного
- 2.2 Силикатный
3 Какая теплопроводность изделий?
4 Что влияет на показатели?

Качество дома оценивается по многим факторам, одним из которых является способность удерживать тепло. Теплопроводность кирпича влияет на этот показатель. Поэтому перед началом строительства или утепления здания учитывается это свойство стройматериала. Популярным и доступным средством для возведения стен является керамический кирпич. Так как большинство его видов обладают слабой теплоизоляцией, то этот недостаток компенсируется с помощью термоизоляционных конструкций.

Что обозначает показатель?

Каждый стройматериал выделяется своей теплопроводностью. Этим показателем характеризуется способность удерживать тепло в доме. У бетона, дерева и кирпича эта характеристика имеет разные значения. Чем ниже значение показателя, тем лучше у него сопротивление теплопередаче. Но следует учитывать, что уровень теплоизоляции увеличивается при уменьшении плотности стройматериала. Это делает блоки более легкими, поэтому при возведении двухэтажного дома лучше выбрать пустотелый материал для уменьшения давления на фундамент дома. Толщина кирпичной кладки меняется в зависимости от теплопроводности стройматериала. Для экономии строительства используется двойной блок. Для оценки теплоизоляционных свойств утеплителя используют коэффициент теплотехнической однородности.

Вернуться к оглавлению

Свойства различных типов блоков

Красный керамический

Пористость увеличивает теплосопротивление стройматериалов, поэтому у полнотелого кирпича теплопроводность выше.

В составе такого материала присутствует глина.

Этот вид стройматериалов является популярным и доступным. Состоит из глины и других добавок. Этими строительными материалами возводится несущая конструкция, облицовываются или утепляются стены старого дома, а также сооружаются заборы и укладывается фундамент. Изделие отличается высокой прочностью и долговечностью. Теплопроводность керамического кирпича зависит от разновидности. Лучшим вариантом для утепления дома является использование пустотелого кирпича. Чем больше степень пустотелости, тем меньше изделие способно проводить тепло. Кирпичная стена может укладываться в один или два ряда. Кроме этого, стройматериал обладает такими свойствами, как:

прочность;
морозостойкость;
огнеупорность;
звукоизоляция.

Вернуться к оглавлению

Клинкерный

Эта разновидность красного керамического стройматериала чаще всего применяется для облицовочных работ, укладки тротуаров. Это обусловлено его высокой теплопроводностью. Она достигает 1,16 Вт/м°С. Уменьшения этого показателя удается достичь у пустотелых образцов. При строительстве дома из таких блоков необходимо использовать дополнительные методы утепления. Большая плотность изделия придает ему дополнительной влаго- и морозостойкости. Облицовочный кирпич широко используется для декоративной отделки домов снаружи и внутри.

Вернуться к оглавлению

Характеристика шамотного

Из шамотного материала получаются хорошие камины.

Так как этот вид стройматериала характеризуется высокой способностью проводить тепло, его чаще применяют при возведении каминов, печей. Этим обусловлено его название «печной кирпич». В таком случае теплопроводность шамотного кирпича играет решающую роль в выборе материалов для стройки. Подобные свойства помогают экономить энергию для обогрева помещения. Кроме этого, шамотный кирпич обладает такими свойствами, как:

огнеупорность;
устойчивость к перепадам температуры;
высокая теплопроводность;
легкий вес;
устойчивость к воздействию щелочей и ряда кислот;
прочность;
эстетичность.

Вернуться к оглавлению

Силикатный

Этот вид стройматериала ценится прочностью, экологичностью и звуконепроницаемостью. Но теплопроводность кирпича этого типа не завышена, поэтому помещения из него требуют дополнительного утепления. Силикатные блоки делают из смеси песка и извести с добавлением связующих компонентов, которые прессуются и впоследствии подвергаются обжигу. Самым распространенным является изделия марки М100. Различают рядовой и лицевой силикатный кирпич. Каждый из них имеет свою сферу применения. Кроме этого, материал способен впитывать влагу, что не позволяет использовать его в местах с повышенной влажностью и при строительстве фундамента.

Вернуться к оглавлению

Какая теплопроводность изделий?

У клинкерного материала этот показатель наивысший.

От состава, способа изготовления и пустотелости зависят характеристики стройматериалов. Коэффициент теплопроводности кирпича характеризует его способность проводить тепло. Клинкерные изделия отличаются высоким уровнем, а керамические материалы — самым низким в сравнении с другими видами. Характеристика разновидностей изделия указана в таблице.

Характеристика теплопроводности стройматериала
Вид		Показатель, Вт/м°С
Керамический	Полнотелый	0,5—0,8
	Щелевой	0,34—0,43
	Поризованный	0,22
	Клинкерный	0,8—1,16
	Шамотный	0,6
Силикатный	Полнотелый	0,7—0,8
Силикатный	Пустотелый	0,4—0,66

Вернуться к оглавлению

Что влияет на показатели?

Теплопроводность кладки из кирпича зависит не только от качества изделия, но и от смеси, с помощью которой укладывается конструкция.

Для максимально эффективной теплоизоляции изделие должно содержать много пустот.

Но все же решающую роль в выборе стройматериала играет его характеристика. Теплопроводность красного кирпича отличается в зависимости от таких факторов, как:

Пустотелость. Чем больше пустот в изделии, тем выше его теплоизоляционные качества.
Плотность. Высокое значение этого показателя прибавляет стройматериалу прочности, но уменьшает способность удерживать тепло.
Структура и форма пористости. Большое количество мелких и замкнутых пор снижает теплопроводность материала.
Состав. Стройматериалы, образованные из тяжелых атомов и атомных групп, снижают теплопроводность.

При выборе стройматериалов руководствуются не только одним свойством удерживать тепло. Учитывается, в каких климатических условиях будет использоваться кирпич и функциональное назначение планируемой конструкции. Для строительства дома лучше подойдет применение двойного пустотелого керамического блока, а для облицовки — лицевого клинкерного кирпича. Преимущество силикатных блоков состоит в невысокой цене, но влаговпитываемость не позволяет его использование в местах с повышенной влажностью. К выбору стройматериалов рекомендуется относиться ответственно, так как от этого зависит качество постройки.

Теплопроводность поможет вам лучше готовить

У вас сложилось впечатление, что теплопроводность не сильно влияет на вашу жизнь? В нашей серии статей о перспективах теплопроводности мы собираемся доказать, что вы ошибаетесь! Понимание того, как теплопроводность влияет на предметы, которые мы используем каждый день, может помочь нам извлечь из них максимальную пользу. В предыдущем посте обсуждалось, как знание разницы в теплопроводности различных тканей может помочь нам решить, какой тип одежды носить для определенных погодных условий и видов деятельности. Надеюсь, сегодняшний пост поможет вам лучше понять, как теплопроводность посуды, которую вы используете на кухне, влияет на приготовление пищи, и поможет вам в следующий раз, когда вы будете покупать новые кухонные принадлежности!

Рисунок 1. Некоторые говорят, что приготовление пищи — это искусство, но здесь также задействовано много науки! ¹

Передача тепла лежит в основе приготовления пищи, поэтому понятно, что теплопроводность играет большую роль в этом процессе. Оборудование, которое вы используете на кухне, отвечает за эту передачу, и его тепловые свойства могут как улучшить, так и испортить приготовление пищи. Когда мы думаем о материалах, которые используются на кухне, одними из первых на ум приходят металлы. Большинство кастрюль и сковородок сделаны из металла, так как он обладает замечательной способностью противостоять нагреву. Металлы также обладают высокой теплопроводностью по сравнению со многими другими материалами, однако теплопроводность металлов может существенно отличаться друг от друга.

Теплопроводность — это способность материала передавать тепло, поэтому металл с более высокой теплопроводностью будет нагреваться быстрее, чем металл с более низкой теплопроводностью. Эта характеристика востребована для кухонных принадлежностей, так как высокая теплопроводность означает, что тепло от печи будет достигать пищи, которую необходимо приготовить, быстрее. Высокая теплопроводность также обеспечивает более равномерную температуру на варочной поверхности, что помогает обеспечить равномерное приготовление всех продуктов.

Еда, которая пригорает в середине сковороды и остается сырой по краям, не только вызывает раздражение, но и приводит к пустой трате времени и денег! Высокая теплопроводность также означает, что температура сковороды будет изменяться быстрее, а это означает, что когда вы поворачиваете ручку на плите от средне-высокой до средне-низкой, посуда с высокой теплопроводностью будет передавать это изменение температуры пище более эффективно, чем сковорода с высокой теплопроводностью. кастрюля с низкой теплопроводностью.

Рисунок 2 . На этой диаграмме показаны различные этапы проводимости, которые должны иметь место, чтобы тепло от верхней части плиты достигало приготовляемой пищи. ²

Теплопроводность кастрюли или сковороды также определяет, для чего ее можно использовать на кухне. Например, керамика невероятно популярна для использования в духовке, однако многие люди случайно треснули керамическую посуду, когда пытались использовать ее на плите. Это происходит потому, что керамика имеет низкую теплопроводность. Поскольку тепло передается через материал медленнее, возникает температурный градиент между невероятно горячей поверхностью напротив горелки и более холодной поверхностью на противоположной стороне. Если этот градиент становится слишком большим, керамика не выдерживает напряжения и просто трескается.

Как упоминалось выше, не все металлы одинаковы, когда дело доходит до приготовления пищи. В 1994 г. Gustavsson et al. измерил теплопроводность меди, алюминия и латуни с использованием системы теплопроводности TPS. Взгляните на таблицу ниже, чтобы увидеть большие различия в теплопроводности протестированных металлов. Основываясь на этой таблице, какие металлы, по вашему мнению, лучше всего подходят для приготовления пищи?

Медь и алюминий высоко ценятся для использования на кухне, однако есть одна проблема. Они оба являются активными металлами, когда речь идет о еде, а это означает, что они должны быть покрыты другим материалом, чтобы сделать их безопасными для повседневного использования. Вы когда-нибудь задумывались, почему более дорогая посуда из нержавеющей стали часто имеет медный или алюминиевый диск, встроенный в дно? Это должно дать вам высокую теплопроводность этого металла, а также предоставить вам безопасную и прочную поверхность для приготовления пищи. Нержавеющая сталь сама по себе имеет гораздо меньшую теплопроводность, а потому не будет обеспечивать такой же эффективный нагрев и равномерную температуру поверхности.

Таблица 1. Значения теплопроводности металлических образцов, полученные Gustavsson et al. (1994) с использованием системы теплопроводности TPS.

Образец металла	Теплопроводность (Вт/мК)
Медь (4 мм)	382,1
Алюминий (4 мм)	174,6
Латунь (4 мм)	109,9

Компания Thermtest с радостью добавила программу теплового моделирования на наш веб-сайт, которую можно бесплатно загрузить и использовать для демонстрации того, как тепло проходит через различные материалы. Ниже приведены три изображения из моделирования, созданного для иллюстрации того, как кастрюли, изготовленные из каждого из металлов, указанных в таблице выше, будут реагировать на одинаковый уровень тепла на плите. Рисунок 3 — начало моделирования, все кастрюли имеют комнатную температуру и только что были помещены на горелку при температуре 100°C. Рисунок 4 был снят через несколько секунд после запуска и ясно показывает, как сковорода из меди достигла более высокой и более равномерной температуры, чем два других металла. На рис. 5 показано, как медь поддерживает более высокую температуру, чем два других металла, и как это приводит к тому, что курица нагревается до более высокой температуры, чем в двух других кастрюлях.

Рисунок 3 . Начало имитации нагрева с использованием кастрюль из меди, латуни и алюминия.

Рисунок 4 . Иллюстрация температуры трех кастрюль в течение нескольких секунд теплового моделирования. Медь нагревается быстрее, чем алюминий и латунь.

Рисунок 5 . Через несколько секунд моделирования медь поддерживает более высокую температуру и нагревает курицу более равномерно, чем два других металла.

Надеюсь, эта статья помогла вам лучше понять важную роль теплопроводности в приготовлении пищи. Использование кастрюль и сковородок, содержащих металл с высокой теплопроводностью, может значительно улучшить качество и облегчить приготовление пищи. В следующий раз, когда вы будете искать новые кухонные принадлежности, вы будете знать, на какие характеристики обращать внимание!

Чтобы узнать больше об исследованиях металлов, проведенных Gustavsson et al. (1994 г.), нажмите здесь.

Руководство по покупке термопасты — Newegg Insider

Не все термопасты одинаковы

Поскольку термопасты являются высокодоходным продуктом, неудивительно, что рынок настолько переполнен. Но важно отметить, что продукты не все одинаковы. Верхний температурный предел жидкометаллической термопасты может достигать 150°C, хотя на рынке есть пасты, которые утверждают, что способны выдерживать температуры до 300°C и даже выше.

Состав соединения определяет его тепло- и электропроводность, долговечность и вязкость. Пасты изготавливаются из широкого спектра ингредиентов, включая:

Оксид цинка
Силиконовое масло
Керамика
Алюминий
Медь
Серебро
Графит
Углеродные наночастицы
И различные антиоксиданты

Компьютерные энтузиасты могут выбрать металлическую, кремниевую, углеродную или керамическую термопасту, но крайне важно выбрать ту, которая обладает идеальными свойствами для удовлетворения их конкретных потребностей.

Например, геймер с процессором, который разгоняется с головокружительной скоростью, должен быть уверен, что все тепло эффективно отводится от внутренних компонентов компьютера, поэтому он может выбрать металлическую пасту с лучшими свойствами теплопроводности.

Металлические термопасты

Это наиболее эффективные проводники тепла, но они также обладают высокой электропроводностью. Это означает, что при нанесении пасты на металлические контакты материнской платы необходимо соблюдать крайнюю осторожность.

Керамические термопасты

Не содержат металлов, что означает, что они не являются проводящими. Они значительно дешевле, безопаснее в использовании и дают отличные результаты. Вот почему они так популярны. Однако они не дадут такого сильного снижения температуры, как жидкометаллическая термопаста.

Силиконовые термопасты

Они предварительно наносятся на термопрокладки, которые затем помещаются между процессором и радиатором. Силиконовые термопасты очень просты в использовании, но они не обладают такой же эффективностью, как другие типы составов.

Лучше избегать клейкой пасты для теплоотвода, так как она постоянно прилипает к любым компонентам, на которых она используется. Так что, если когда-нибудь возникнет необходимость заменить, например, кулер, с этим возникнут проблемы.

На что обратить внимание при покупке термопасты

Использование неподходящей пасты не только повысит температуру ПК, но и ухудшит его производительность. Адекватное применение правильного термогеля будет поддерживать охлаждение процессора/графического процессора без разгона или перегрева.

Вот несколько факторов, которые компьютерные энтузиасты должны учитывать перед покупкой термопасты, которая будет лучше всего работать для улучшения температуры, а также производительности их ПК.

Наконечник вала с открытой втулкой

Плунжер с ручным толканием и закругленным концом

Цилиндр для определения теплопроводности 4 г

Теплопроводность

Вторым фактором, который следует учитывать, является теплопроводность пасты. Важно выбрать пасту с надлежащим уровнем теплопроводности, чтобы обеспечить высокую универсальность и полную надежность для обеспечения безопасности и охлаждения вашей системы. Каждая термопаста имеет собственный рейтинг теплопроводности, определяющий эффективность передачи тепла от процессора к радиатору. Когда теплопроводность пасты больше температуры компонентов, то она снижается еще больше.

Жидкие и неметаллические соединения имеют разные уровни проводимости. Для жидкой термопасты она обычно составляет 70 Вт/мК (ватт на квадратный метр площади поверхности), в то время как неметаллические соединения имеют проводимость от 4 до 10 Вт/мК. Как правило, чем выше численный рейтинг, тем лучше соединение будет иметь теплопроводность.

Плотность и вязкость

Для улучшения процесса нанесения важно выбрать термопасту нужной плотности. Это позволит ему легко втиснуться в ЦП. Жидкая термопаста имеет значительно меньшую плотность, чем обычная термопаста, но, как известно, ее трудно наносить. При выборе правильной пасты необходимо также следить за тем, чтобы паста имела правильную консистенцию для нанесения ее непосредственно на ЦП или ГП без риска повреждения компонентов.

Чем выше вязкость компаунда, тем он гуще и больше похож на настоящую пасту. Этот тип пасты обычно лучше подходит для приклеивания теплоотвода к процессору. Соединения с более низкой вязкостью, как правило, более жидкие, и они имеют тенденцию легко просачиваться на материнскую плату, когда используется слишком много соединения.

Токопроводящий или непроводящий

Нанесение термопасты на процессор или другие части ПК требует абсолютной осторожности, поскольку паста может проводить электричество, так как могут возникнуть опасные короткие замыкания. Чтобы гарантировать отсутствие коротких замыканий при нанесении компаунда, рекомендуется выбирать компаунд на основе углерода, не обладающий электропроводностью. Также можно выбрать компаунд с низкой проводимостью, чтобы можно было наносить его без коротких замыканий, даже если паста соприкасается с какими-либо электрическими компонентами.

TDP (расчетная тепловая мощность)

Расчетная тепловая мощность показывает количество энергии, которое будет использовать процессор. Это можно использовать в качестве оценки, чтобы определить, насколько жарко будет. Процессор с более высоким TDP, скорее всего, будет потреблять больше энергии и, следовательно, выделять гораздо больше тепла. Это еще один фактор, который следует учитывать при выборе наилучшего термопасты, чтобы убедиться, что он может справиться с выделяемым теплом, чтобы обеспечить безопасность, охлаждение и максимальную производительность компонентов. TDP указан в спецификациях процессора.

Cooling Solution

Даже с лучшим термопастом на рынке практически невозможно снизить температуру системы, если используемый охлаждающий раствор не очень эффективен. Пользователи ПК должны убедиться, что используемая ими система охлаждения способна адекватно справляться с уровнем тепла, выделяемым их процессором. Если нет, то тип выбранного термопасты не имеет значения.

Решеточная теплопроводность MgO в условиях недр Земли

Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 9 марта; 107 (10): 4539–4543.

Опубликовано онлайн 2010 февраля 22. doi: 10.1073/pnas.04107

Геофизика

^A, ^B, ¹ и ^A

Информация о сообщении и лицензии. Discomer

9
.

Теплопроводность нижней мантии Земли сильно влияет на стиль мантийной конвекции и влияет на теплопроводность от ядра к мантии. Прямое лабораторное измерение теплопроводности мантийных минералов остается технической проблемой в условиях давления-температуры (P-T), относящихся к нижней мантии, и ранее оцененные значения экстраполируются из данных о низком P-T на основе простых эмпирических моделей теплового переноса. Используя численный метод, который сочетает теорию электронной структуры из первых принципов и теорию переноса Пайерлса-Больцмана, мы предсказываем решеточную теплопроводность MgO, ранее использовавшуюся для оценки теплопроводности в Земле, в условиях от окружающей среды до границы ядро-мантия. (СМБ). Мы показываем, что наша методика из первых принципов обеспечивает реалистичную модель P-T-зависимости решеточной теплопроводности MgO в условиях от окружающей среды до реликтового излучения, и мы предлагаем профили теплопроводности MgO в нижней мантии на основе геотермальных моделей. Расчетная проводимость увеличивается от 15–20 Вт/К·м на сейсмическом рубеже 670 км до 40–50 Вт/К·м на реликтовом излучении. Это большое изменение расчетной теплопроводности по глубине должно быть включено в модели мантийной конвекции, которая традиционно изучается на основе предположения о постоянной проводимости.

Ключевые слова: первые принципы, теория переноса фононов, время жизни фононов, высокое давление, нижняя мантия. Тепло в недрах Земли передается конвекцией в мантии и ядре и регулируется проводимостью в тепловых пограничных слоях. Согласно закону теплопроводности Фурье Дж _Q = – κ ·∇ T , определяет плотность проводящего теплового потока ( Дж _Q ) при наличии градиента температуры ∇ T . κ также появляется в числе Рэлея, которое измеряет конвективную мощность системы. Таким образом, теплопроводность нижней мантии влияет на структуру, мощность и динамику реликтового излучения (1, 2), на стиль и структуру мантийной конвекции (3 –5), и количество тепла, передаваемого от ядра к мантии (6), которое, в свою очередь, влияет на генерацию магнитного поля Земли (7).

Несмотря на свою важность, теплопроводность остается одним из наименее ограниченных физических свойств минералов, особенно при давлениях в нижней мантии (P) и температурах (T) (23–135 ГПа (8) и примерно 1 900–4 000 K (9) –12). Экспериментальные данные в условиях глубокой мантии скудны из-за технической сложности измерения теплопроводности в этих экстремальных условиях. Теплопроводность минералов нижней мантии часто оценивается либо путем экстраполяции данных по более низким P-T условиям, либо с использованием теоретических моделей с параметрами, соответствующими более низким P-T данным (1, 13). Однако прямая экстраполяция на глубинные мантийные условия может быть ненадежной за пределами диапазона P-T измерений, а эмпирические модели часто основаны на непроверенных предположениях. Например, скорости звука используются для аппроксимации скоростей фононов, и предполагается, что зависимость времени жизни фононов от давления определяется равновесными термодинамическими свойствами, такими как тепловое расширение решетки и/или параметры Грюнайзена.

MgO, конечный член второго по распространенности минерала в нижней мантии, исторически служил модельной системой для оценки теплопроводности глубинной мантии (14). Его теплопроводность также на порядок выше, чем у Mg-минерала наиболее распространенного мантийного минерала — силикатного перовскита (15). Следовательно, изучение его теплопроводности обеспечивает полезный подход к ограничению теплопроводности нижней мантии. Хотя были предприняты усилия по измерению теплопроводности MgO ( к _MgO ) как при высоких давлениях, так и при высоких температурах (16 –24), большинство этих измерений были ограничены значениями ниже 7 ГПа. Во-первых, были выполнены неэмпирические расчеты решеточной теплопроводности (25) MgO при высоком давлении на основе моделирования молекулярной динамики и теории Грина-Кубо (26). На порядок недооценка κ _MgO в этом исследовании, возможно, связано с моделью ионного потенциала, принятой при моделировании, которая неадекватно учитывает ангармонизм решетки.

В этой статье мы сообщаем о первых принципах исследования решеточной теплопроводности MgO в диапазонах давлений и температур 0–150 ГПа и 300–4000 К соответственно. Наш метод сочетает первопринципные расчеты колебаний решетки, квантовую теорию рассеяния фононов и транспортное уравнение Пайерлса–Больцмана в приближении одномодового возбуждения. Сначала мы исследуем микроскопические характеристики теплопереноса всех акустических и оптических фононов и изучаем плотность и температурную зависимость к _MgO . Затем мы определяем κ _MgO при давлениях и температурах в нижней мантии с тепловым уравнением состояния, предсказанным на основе наших расчетов из первых принципов. Наконец, мы предлагаем профиль глубины κ . _MgO в нижней мантии на основе предыдущих оценок холодных и горячих геотерм.

Чтобы предсказать решеточную теплопроводность кристаллов MgO в условиях от окружающей среды до условий реликтового излучения Земли, мы сначала вычислили матрицы гармонических силовых постоянных колебаний решетки и тензоры ангармонизма решетки третьего порядка для семи плотностей в диапазоне от 3,35 до 5,15. г/см ³ (27). При каждой плотности мы явно оценили скорость фононного рассеяния всех неприводимых фононных мод в девяти температурных точках в диапазоне 300–4000 К. Наконец, мы получили микроскопическую проводимость фононной моды, используя рассчитанную теплоемкость c _В , групповая скорость в _g и скорость рассеяния/время жизни τ каждой фононной моды на сетках зоны Бриллюэна 16 × 16 × 16 точек для всех 63 конфигураций плотность-температура.

показывает нашу рассчитанную среднюю модовую проводимость κ _мода для фононов с разными фононными частотами ( ω ) находится в диапазоне ρ = 3,70 г/см ³ и T = 300 К. Хотя все фононы переносят тепло, низкочастотные акустические моды явно намного больше. эффективнее в теплопроводности, чем высокочастотные оптические моды. Это согласуется с тем фактом, что акустические моды, особенно вблизи центра зоны Бриллюэна, имеют гораздо большие групповые скорости, чем оптические моды. Для мод вблизи центра зоны мы находим, что отношение между акустической и оптической групповыми скоростями может достигать 12. Кроме того, наши расчеты показывают, что среднее время жизни акустических фононов примерно в три раза больше, чем у оптических фононов. Кристаллический MgO, содержащий всего два атома на элементарную ячейку, содержит равное количество акустических ветвей и оптических ветвей. Тем не менее, общий вклад акустических фононов составляет почти 85% от общей теплопроводности при 300 К ( Вставка ). Это отношение немного уменьшается с повышением температуры, поскольку термически возбуждается больше оптических фононов, и приближается к 80% выше температуры Дебая. Верхний температурный предел κ _{акустический} / κ _общее слегка увеличивается при большом сжатии (например, около 87% при ρ = 5,15 г/см ³ ).

Открыть в отдельном окне

График полулогарифмической гистограммы усредненной моды κ (при Δ ω = 20 см ^-1 ) для фононных мод в разных диапазонах частот для MgO при плотности 3,70 г/см ³ и температуре 300 К. Усредненная мода κ фононов уменьшается быстро с увеличением фононной частоты. к _мода акустических фононных мод вблизи центра зоны Бриллюэна (т. е. в самой нижней частотной области 60 см ^-1) примерно на два порядка больше, чем у акустических фононных мод вокруг границ зоны (между 300 см ^-1 до 400 см ^-1 ), и более чем на четыре порядка больше, чем у продольных оптических мод вокруг центра зоны (выше 650 см ^-1 ). Горизонтальная пунктирная линия указывает значение объема κ . Хотя существует равное количество акустических и оптических фононных мод, общий вклад оптических фононов на высокотемпературном пределе составляет только около 15% и 14% в общей теплопроводности решетки при плотности 3,70 г/см 9 .0009 3 и 5,15 г/см ³ соотв. ( Вставка ).

представляет наше теоретическое предсказание температурной зависимости решеточной теплопроводности MgO при выбранных плотностях. Обратное значение рассчитанной теплопроводности решетки последовательно масштабируется как линейная функция ( A + BT ) во всем расчетном диапазоне температур (от 300–4000 K), когда плотность поддерживается постоянной. Это предсказало линейную температурную зависимость 1/ κ нельзя распространить на низкую температуру, поскольку в наших расчетах не учитываются механизмы рассеяния (такие как точечные дефекты, дислокации или рассеяние по границам зерен), которые гораздо менее важны при температурных условиях, характерных для горячих недр Земли. Например, Гиберт и др. (28) экспериментально изучили влияние рассеяния по границам зерен на коэффициент температуропроводности. Сравнивая измеренную температуропроводность как монокристаллического, так и поликристаллического оливина (с размерами зерен от 0,01 до 2 мм), они пришли к выводу, что рассеяние по границам зерен оказывает незначительное влияние на температуропроводность в условиях окружающей среды. Чтобы распространить это открытие на повышенные температуры и давления (большую плотность), мы используем простую эмпирическую модель Каллавея (29).) и обнаруживают, что границы зерен поликристаллического MgO начинают играть роль в условиях окружающей среды, только если характерная длина l порядка мкм или меньше. Взяв, например, l = 1 мкм, предполагаемое уменьшение κ _MgO из-за рассеяния по границам зерен составляет 13% и 26% при комнатной температуре для плотности 3,70 г/см ³ и 5,15 г/см ³ соответственно, и они значительно ниже при 2000 К и становятся только 2% и 2,6% соответственно. Аналогичная тенденция обнаруживается и в нашем моделировании рассеяния дефектов. Отсюда мы заключаем, что при изучении теплопроводности горячих недр Земли можно пренебречь влиянием дефектов и граничного рассеяния, а фонон-фононное взаимодействие является основным процессом рассеяния, препятствующим переносу тепла при высоких температурах.

Открыть в отдельном окне

Обратное значение теплопроводности решетки кристалла MgO последовательно масштабируется как линейная функция температуры в диапазоне от 300 до 4000 К при условии постоянной плотности. Вычисленное κ является результатом двух механизмов рассеяния фононов — температурно-зависимого рассеяния фононов, индуцированного ангармонизмом, и температурно-независимого рассеяния, индуцированного изотопами. Изотопный эффект на общий κ показан на вставке для результатов от 300–4000 К при двух плотностях.

В этом исследовании независимый от температуры член A в основном представляет вклад, связанный с рассеянием фононов, индуцированным массовым беспорядком (т. е. изотопом) (30). Как показано на вставке , пренебрежение рассеянием фононов, индуцированным изотопами, приводит к заметному завышению теплопроводности при температуре окружающей среды. При 300 К это может привести к завышению оценки до 46% для ρ = 3,70 г/см ³ . Однако вклад изотопического эффекта уменьшается при высокой температуре — падает до 4% при 4000 К при той же плотности. Это показывает, что необходимо учитывать изотопный эффект при сравнении κ ( T )/ κ ( T = 300 K) отношение между измерениями и расчетами. Зависящий от температуры член BT может быть в первую очередь связан с индуцированным ангармонизмом 3-фононным механизмом рассеяния, который преобладает при высокой температуре, а решеточная теплопроводность приближается к хорошо известному соотношению в пределе высоких температур (31). Поскольку термины A и B неотрицательно определены, мы подогнали логарифмические функции A и B члены семи исследованных плотностей с полиномиальными функциями второго порядка 1/ ρ :

[1]

Параметры подгонки приведены в .

Таблица 1.

Подгоночные параметры теплопроводности MgO в зависимости от плотности ( ρ ) и температуры ( T ), показанные в уравнении. 1 . Для κ , T и ρ приняты следующие единицы: Вт/К-м, К и г/см ³ , соответственно.

a ₀	a ₁	a ₂	b ₀	b ₁	b ₂
−17.50000	80.07815	−132.02510	−9.30500	−35.	118.58743

Open in a separate window

Сначала мы сравниваем наши результаты с доступными экспериментами, которые проводятся либо при атмосферном давлении, либо при комнатной температуре. На основе предложенной модели плотность-температура (уравнение 1 и ), κ _MgO в изобарических условиях можно легко получить с помощью теплового уравнения состояния ρ ( T , P ). показывает рассчитанное κ _MgO ( T , P ) при атмосферном давлении на основе наших расчетов ( Сплошная линия ) и измеренное ( Пунктирная линия ) уравнение состояния (32) в сравнении с четырьмя наборами экспериментальных данных (16 –18, 23, 33) условными обозначениями. Наше предсказанное κ _MgO при 300 К составляет около 66 Вт/К·м, что согласуется с опубликованными экспериментальными данными, разбросанными от 36 до 70 Вт/К·м. Подробный обзор экспериментальных данных для κ _MgO , включая систематические ошибки в различных методах и качествах измеренных образцов, можно найти в ref. 13. Известно, что принятая теория приближения локальной плотности (LDA) из первых принципов завышает плотность, и мы обнаружили, что принятие экспериментального уравнения состояния (32) снижает наши расчетные к _MgO примерно на 10%. Тем не менее наши расчеты в целом несколько завышают κ , что согласуется с тем, что все экспериментальные образцы имеют малые размеры и содержат собственные несовершенства, тогда как расчеты предполагают идеальную кристалличность. Уменьшаясь с температурой, решеточная теплопроводность увеличивается при сжатии. На вставке показано вычисленное значение κ ( P )/ κ ( P = 0) отношение при 300 K ( Сплошная линия ), попадающее в рассеянные экспериментальные измерения высокого давления (19 –22). Рассчитанный LDA коэффициент изотермического давления ( d ln( κ _MgO )/ dP ) составляет около 3,90% ГПа ^-1 при T = 300 К вблизи давления окружающей среды, что хорошо согласуется с измеренным значением 4% ГПа ^-1 (20, 33 ) и 4,9% ГПа ^-1 (21).

Открыть в отдельном окне

Сравнение расчета и эксперимента для κ _MgO при атмосферном давлении. Наш расчет κ _MgO ( T ) при атмосферном давлении, основанное на LDA, рассчитанном ( сплошная кривая ) и экспериментально измеренном ( пунктирная кривая ) тепловом уравнении состояния (32), хорошо согласуются с предыдущими экспериментальными измерениями из ссылок . 16 –18 и 23 ( символов ). Недооценка равновесной плотности из расчетов LDA приводит к ∼10%. Вставка показывает данные расчетов и измерений κ _MgO (19 –22) в зависимости от давления (до 6 ГПа) при комнатной температуре.

Из-за отсутствия прямых измерений в глубинных мантийных условиях были предложены различные эмпирические модели (1, 33, 34) для описания относительного изменения теплопроводности при сжатии для экстраполяции экспериментальных данных на соответствующие условия давления недр Земли . Большинство этих моделей основано на простом эмпирическом выражении, предложенном Дагдейлом и Макдональдом (35), где a — межатомное расстояние, v — усредненная скорость фонона, B _T — изотермический объемный модуль, γ — параметр Грюнайзена. Дополнительные приближения часто используются для описания зависимости этих соответствующих тепловых свойств от плотности. Например, Пуарье (34) получил d ln( κ )/ dP = (2 γ + 5/3)/ B _Т . Хофмайстер (36) предложил модель затухающего гармонического осциллятора (DHO), которая восходит непосредственно к микроскопической теории переноса фононов (уравнение 9).0007 2 ). Однако из-за недостаточности экспериментальных данных об отдельных модах фононов (таких как их групповые скорости и времена жизни) дальнейшие упрощения неизбежны для изучения реальных минералов. Упрощенная модель DHO предсказывает верхний предел коэффициента d ln( κ )/ dP как (4 γ + 1/3)/ B _Т (23).

Чтобы сравнить наши результаты из первых принципов с эмпирическими моделями, мы сначала вычислили д лн( κ _MgO )/ dP на основе двух вышеуказанных эмпирических моделей с использованием LDA-рассчитанных γ и B _Т ( A и B ), а затем получили их κ ( P )/ κ _o отношение интегрированием ( C и D ). Упрощенная модель DHO предсказала d ln( κ _MgO )/ dP при температуре 300 К и давлении окружающей среды согласуется с нашим расчетом из первых принципов. Однако наши расчеты d ln( κ _MgO )/ dP распадается при сжатии быстрее, чем предсказывает упрощенная модель DHO, и, кстати, приближается к предсказанию модели Пуарье при более высоких давлениях ( А ). Следовательно, κ ( P )/ κ Отношение _o, предсказанное моделью Пуарье, ближе к рассчитанному с помощью нашего метода первых принципов, тогда как предсказания упрощенной модели DHO более чем на 20% больше при давлениях выше 80 ГПа ( С ). Случайное согласие между моделью Пуарье и нашими расчетами из первых принципов сохраняется не для всех температур. Например, при 3000 К рассчитанное нами d ln( κ _MgO )/ dP значительно выше, чем предсказывается эмпирическими моделями при атмосферном давлении ( B ), и разница в предсказании κ ( P )/ κ _o между эмпирическими моделями и текущими расчетами становится более значимым при более высоких температурах и давлениях ( Д ). Наши результаты показывают, что такие эмпирические модели неадекватны даже для структурно простых минералов, таких как MgO, и они, скорее всего, будут давать большие неопределенности для сложных минералов, таких как силикат перовскита. Кроме того, мы обнаружили, что температура сильно влияет на производную давления d ln( κ _MgO )/ dP . Она быстро увеличивается с повышением температуры при давлениях ниже 50 ГПа и становится почти независимой от температуры выше 80 ГПа. В условиях реликтового излучения ( P = 135 ГПа и T = 3000 К), наши расчеты из первых принципов предсказывают κ _MgO и d ln( κ _MgO )/ dP должно быть около 43 Вт/К·м и 0,36% ГПа ^-1 , соотв.

Открыть в отдельном окне

Производные давления d ln( κ _MgO )/ dP и изотермические κ ( P )/ κ ( P = 0) соотношения как функции давления: ( А ) d ln( κ _MGO)/ DP AT 300 K, ( B ) D LN κ / D P При 300 K, ( C ) κ ( P )/ κ κ ( P )/ 39330 κ κ ( P )/ 339 κ κ ( P )/ κ κ ( P )/ κ κ ( P )/ κ κ ( P )/ κ

( P = 0) при 3000 K и ( D ) κ ( P )/ κ ( P = 0) при 90 K.

Кривые по сравнению с предыдущими эмпирическими моделями: Штрих-пунктирная кривая для упрощенной модели DHO Хофмайстера (23) и Пунктирная кривая для модели Пуарье (34).

Геотерма нижней мантии Земли зависит от теплопроводности нижней мантии. В текущем исследовании мы принимаем горячую и холодную геотерму на основе экспериментальных ограничений (37), чтобы дать прямую оценку κ _MgO в условиях нижней мантии (). Холодная геотерма соответствует общемантийной конвекции, а горячая геотерма — частично-слоистой конвекции. Большие различия между горячими и холодными геотермами обусловлены неопределенностями в температурной структуре, а также латеральной неоднородностью. Тем не менее, эти две геотермы обеспечивают разумную границу температуры нижней мантии. На той же глубине к _MgO может быть на 5–10 Вт/Км ниже вдоль горячей геотермы, чем вдоль холодной геотермы. Однако верно, что κ _MgO сильно меняется с глубиной, от 15–20 Вт/км в переходной зоне 670+ км до 40–50 Вт/км на мантийной стороне реликтового излучения. Расчетная глубинная зависимость κ _MgO вдоль горячих и холодных геотерм над CMB составляют и соответственно, где z (в единицах км) — глубина в нижней мантии относительно 670 км сейсмического разрыва. Разница температур в 800 К в слое реликтового излучения может уменьшить к _MgO с 43 Вт/К·м до 34 Вт/К·м, что указывает на то, что зависимостью теплопроводности от глубины в слое нельзя пренебрегать при рассмотрении теплопроводности в пограничном слое; например, влияет на толщину теплового пограничного слоя δD через поток тепла от ядра q .

Открыть в отдельном окне

Контур давления и температуры решеточной теплопроводности MgO. Пунктирные линии – расчетные холодные и горячие геотермы из экспериментов (37).

Наши текущие расчеты из первых принципов представляют собой усовершенствование моделирования решеточной теплопроводности этой модели оксидного материала. Необходимо решить несколько ключевых вопросов, чтобы реально ограничить теплопроводность нижней мантии, которая в основном контролируется усредненной по композиту теплопроводностью (Mg,Fe)O и (Mg,Fe)SiO ₃ . Во-первых, влияние железа на твердые минеральные растворы важно, но мало изучено. Содержание железа не только изменяет плотность, межатомные силы и ангармонизм решетки, но и добавляет микроскопический беспорядок. Наш метод первых принципов может быть расширен, чтобы включить этот эффект, но это выходит за рамки данного исследования. Предварительный анализ показывает, что ключевым эффектом является значительное снижение групповых скоростей фононов с увеличением содержания железа. Эффекты, связанные с массовым беспорядком Fe-Mg, хотя и значительны при 300 К, уменьшаются с повышением температуры. Количественная оценка эффектов железа требует более всесторонней теоретической обработки.

Во-вторых, точное моделирование усредненной по композиту теплопроводности требует знания теплопроводности как отдельных компонентов, так и структур композита. Перовскитовый концевой элемент (MgSiO ₃ ), как известно, имеет гораздо более низкую теплопроводность, чем магнезиовюститовый концевой элемент (MgO). В условиях окружающей среды теплопроводность перовскита MgSiO ₃ составляет 5,1 Вт/К·м (38), что составляет менее 10 % от теплопроводности MgO. Если MgSiO _{3 9Перовскит 0234 ведет себя аналогично MgO при нагреве и сжатии, по нашим оценкам, верхняя граница теплопроводности в верхней части реликтового излучения будет составлять около 11 ~ 12 Вт/К·м, предполагая, что MgO и MgSiO ₃ наслоены бок о бок. -сторона по направлению теплового потока (39). В будущие исследования следует включить более реалистичные композитные структуры, наряду с лучшими ограничениями на теплопроводность силикатного перовскита и влияние содержания железа в твердом растворе в условиях нижней мантии.}

Наконец, в горячих недрах Земли можно учитывать дополнительную эффективную теплопроводность за счет межзернового теплового излучения. Радиационная теплопроводность быстро увеличивается с повышением температуры и становится значительной при высоких температурах (40, 41). С другой стороны, эффект радиационного переноса тепла уменьшается с уменьшением размера зерна; это также контролируется концентрацией железа в минералах (42). Измерения оптического поглощения при высоком давлении использовались для определения лучистой теплопроводности минералов нижней мантии (43 –46). Были обнаружены большие расхождения между оценками лучистой теплопроводности по этим измерениям, которые могут быть связаны с различиями в размере зерен образцов, концентрацией железа или разными экспериментальными установками. Необходимы дальнейшие экспериментальные исследования, чтобы ограничить среднюю радиационную теплопроводность в условиях, близких к реликтовому излучению, включая вклад из-за высокоспинового/низкоспинового перехода.

Многие микроскопические процессы способствуют общей теплопроводности в твердом теле. Для изолирующих мантийных минералов тепло передается в основном за счет колебаний решетки (31). Уравнение переноса Пайерлса–Больцмана выражает решеточную теплопроводность как:

[2]

, где В _o – объем элементарной ячейки, N _a — число атомов в элементарной ячейке, а интегрирование ведется по первой зоне Бриллюэна в обратном пространстве. Каждая фононная мода в -пространстве помечена своим кристаллическим импульсом и индексом поляризации 9.0029 и (с 1 по 3 N _и), и с _В , В _г , τ и d = v _g τ – его теплоемкость, групповая скорость фононов, время жизни фононов и длина свободного пробега фононов, соответственно.

Методы аппроксимации локальной плотности, основанные на первых принципах, в настоящее время обычно используются для точного предсказания фононных спектров гармонической решетки, которые можно легко использовать для получения фононной теплоемкости и групповой скорости в уравнении. 2 . Чтобы оценить время жизни фонона τ , мы рассматриваем два типа возмущения почти независимой фононной модели — решеточный ангармонизм третьего порядка и массовый беспорядок изотопов. Скорость рассеяния фононов (), обратная , может быть рассчитана по золотому правилу Ферми: , где – скорость перехода из начального состояния Φ _i в конечное состояние Φ _f много- фононная система при возмущении δH . В настоящей работе, вместо непосредственного решения фононных распределений при наличии температурных градиентов, мы далее используем приближение одномодового возбуждения для оценки скорости релаксации фононной моды, когда только эта фононная мода выводится из своего теплового равновесия. (47). Каждый тип фононного рассеяния рассматривается индивидуально, и общая скорость перехода аппроксимируется как сумма всех скоростей перехода от различных механизмов рассеяния [правило Маттиссена (48)]. Более подробная информация о расчетах времени жизни фононов представлена в Текст SI .

Модель, основанная на первых принципах, была разработана для улучшения нашего понимания решеточной теплопроводности минералов в условиях глубокой мантии. Объединив микроскопическую теорию переноса и расчеты динамики решетки из первых принципов, мы предсказали значение MgO в широком диапазоне P-T условий нижней мантии без эмпирической экстраполяции. Хорошее согласие с низкими измерениями P-T предполагает, что основанная на первых принципах реализация теории переноса Пайерлса – Больцмана в рамках приближения одномодового возбуждения может быть использована для прогнозирования теплопроводности изолирующих минералов мантии в условиях высоких P-T. Наше исследование показывает, что расчетные значения MgO значительно различаются с глубиной в нижней мантии, увеличиваясь в 2–3 раза от границы 670 км (15–20 Вт/К·м) к мантийной стороне реликтового излучения (40–50 Вт/К-м). Это открытие резко контрастирует с предположением о постоянной теплопроводности, которое широко используется во многих исследованиях по моделированию геодинамики нижней мантии. Наш метод первых принципов может быть легко адаптирован для изучения решеточной теплопроводности железосодержащих минералов нижней мантии. В свете дальнейшего улучшения экспериментальных данных по решеточной теплопроводности при более низком давлении (49) и радиационной теплопроводности в условиях реликтового излучения, наше исследование должно послужить полезной ступенькой для реалистичного ограничения общей теплопроводности нижней мантии.

Дополнительная информация:

Нажмите здесь для просмотра.

Благодарим А. Кавнера, А. М. Хофмайстер, Д.А. Драбольду и Г. Пуарье за полезные обсуждения, а также Р.Дж. Хемли и анонимным рецензентам за комментарии и предложения. Эта работа поддерживается грантами Национального научного фонда EAR-0757847; и EAR-0510914.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Эта статья является прямой отправкой PNAS.

Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу www.pnas.org/cgi/content/full/04107/DCSupplemental.

1. Браун Дж.М. Интерпретация зоны D” в основании мантии – Зависимость от принятых значений теплопроводности. Geophys Res Lett. 1986; 13: 1509–1512. [Google Scholar]

2. Налибофф Дж.Б., Келлогг Л.Х. Могут ли большие увеличения вязкости и теплопроводности сохранить крупномасштабную неоднородность мантии? Физ Планета Земля В. 2007; 161:86–102. [Академия Google]

3. Туркотт Д.Л., Шуберт Г. Геодинамика — приложения физики сплошной среды к геологическим проблемам. 2-е изд. Кембридж, Соединенное Королевство: Cambridge Univ Press; 1982. с. 194. [Google Scholar]

4. Лэй Т., Уильямс К., Гарнеро Э.Дж. Пограничный слой ядро-мантия и глубинная динамика Земли. Природа. 1998; 392: 461–468. [Google Scholar]

5. Ван ден Берг А.П., Рейни Э.С.Г., Юэн Д.А. Комбинированное влияние переменной теплопроводности, вязкости, зависящей от температуры и давления, и связи между ядром и мантией на тепловую эволюцию. Физ Планета Земля В. 2005;149: 259–278. [Google Scholar]

6. Лэй Т., Хернлунд Дж., Баффет Б.А. Тепловой поток на границе ядра и мантии. Нат Геоски. 2008; 1:25–32. [Google Scholar]

7. Губбинс Д., Уиллис А.П., Шринивасан Б. Корреляция магнитного поля Земли с термальной и сейсмической структурой нижней мантии. Физ Планета Земля В. 2007; 162: 256–260. [Google Scholar]

8. Дзиевонски А.М., Андерсон Д.Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физ Планета Земля В. 1981; 25: 297–356. [Google Scholar]

9. Spiliopoulos S, Stacey FD. Термический профиль Земли. Есть ли срединный мантийный тепловой пограничный слой? Дж Геодин. 1984;1:61–77. [Google Scholar]

10. Шенкленд Т.Дж., Браун Дж.М. Однородность и температуры в нижней мантии. Физ Планета Земля В. 1985; 38: 51–58. [Google Scholar]

11. Андерсон О.Л. Ядро Земли и фазовая диаграмма железа. Филос Т. Рой Сок А. 1982; 306: 21–35. [Google Scholar]

12. van der Hilst RD, et al. Сейсмостратиграфия и термическая структура пограничной области ядра и мантии Земли. Наука. 2007; 315:1813–1817. [PubMed] [Google Scholar]

13. Хофмайстер А.М. Вывод о сильном переносе тепла в нижней мантии на основе экспериментов с лазерными вспышками и модели затухающего гармонического осциллятора. Физ Планета Земля В. 2008; 170: 201–206. [Академия Google]

14. Манга М., Жанло Р. Теплопроводность корунда и периклаза и последствия для нижней мантии. J Geophys Res-Sol Ea. 1997; 102: 2999–3008. [Google Scholar]

15. Нижняя мантия сложена в основном силикатным перовскитом (Mg,Fe)SiO ₃ (~80% по объему) и магнезиовюститом (Mg,Fe)O (~20% по объему)

16 Чарват Ф. Р., Кингери В.Д. Теплопроводность: XIII. Влияние микроструктуры на проводимость однофазной керамики. J Am Ceram Soc. 1957; 40: 306–315. [Академия Google]

17. Slack GA. Теплопроводность кристаллов MgO, Al ₂ O ₃ , MgAl ₂ O ₄ и Fe ₃ O ₄ от 3 K до 300 K. Phys Rev. . [Google Scholar]

18. Тулукиан Ю.С., Пауэлл Р.В., Х.К.Ю, К.П.Г. Теплофизические свойства вещества. Серия данных TPRC. Теплопроводность — твердые неметаллические тела. Нью-Йорк: IFI/пленум; 1970. с. 166. [Google Scholar]

19. Юкутаке Х., Шимада М. Теплопроводность NaCl, MgO, коэсита и стишовита до 40 кбар. Физ Планета Земля В. 1978;17:193–200. [Google Scholar]

20. Кацура Т. Температуропроводность периклаза при высоких температурах и высоких давлениях. Физ Планета Земля В. 1997; 101:73–77. [Google Scholar]

21. Андерссон С., Бэкстрем Г. Методы определения теплопроводности и теплоемкости при гидростатическом давлении. Преподобный Научный Инструм. 1986; 57: 1633–1639. [Google Scholar]

22. Macpherson WR, Schloessin HH. Решетчатые и радиационные изменения теплопроводности за счет высоких P, T полиморфных структурных переходов и температур плавления. Физ Планета Земля В. 1982;29:58–68. [Google Scholar]

23. Хофмайстер А.М., Пертерманн М., Бранлунд Дж.М. В: Физика минералов. Прайс ГД, изд. Нидерланды: Эльзевир; 2007. стр. 543–578. (Трактат по геофизике, т. 2). [Google Scholar]

24. Beck P, et al. Измерение температуропроводности при высоком давлении с использованием метода переходного нагрева. Appl Phys Lett. 2007; 91:181914–181916. [Google Scholar]

25. В изолирующих твердых телах тепло передается главным образом за счет колебаний решетки. Решеточная теплопроводность вполне может аппроксимировать общую теплопроводность.

26. Коэн Р.Э. Теплопроводность MgO при высоких давлениях. Rev High Pressure Sci Techn. 1998; 7: 160–162. [Google Scholar]

27. Тан X, Донг Дж. Зависимость от давления гармонической и ангармонической динамики решетки в MgO: расчет из первых принципов и последствия для теплопроводности решетки. Физ Планета Земля В. 2009; 174:33–38. [Google Scholar]

28. Gibert B, Schilling FR, Tommasi A, Mainprice D. Температуропроводность монокристаллов оливина и поликристаллических агрегатов в условиях окружающей среды — сравнение. Geophys Res Lett. 2003;30:1046–1051. [Академия Google]

29. Callaway J. Модель решеточной теплопроводности при низких температурах. Phys Rev. 1959; 113:1046–1051. [Google Scholar]

30. Тамура С. Изотопическое рассеяние дисперсионных фононов в Ge. Phys Rev B. 1983; 27: 858–866. [Google Scholar]

31. Зиман Дж.М. Электроны и фононы: теория явлений переноса в твердых телах. Оксфорд, Соединенное Королевство: Oxford Univ Press; 1962. стр. 287–333. [Google Scholar]

32. Wu Z, et al. Отношения давление-объем-температура в MgO: сверхвысокая шкала давления-температуры для приложений планетарных наук. J Geophys Res-Sol Ea. 2008; 113: B06204–B06215. [Академия Google]

33. Хофмайстер А.М. Зависимость термотранспортных свойств от давления. Proc Natl Acad Sci USA. 2007; 104:9192–9197. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

34. Poirier J-P. Введение в физику недр Земли. Издательство Кембриджского университета; 1991. с. 189. [Google Scholar]

35. Dugdale JS, Macdonald DKC. Решетчатая теплопроводность. Phys Rev. 1955; 98: 1751–1752. [Google Scholar]

36. Хофмайстер А.М. Мантийные значения теплопроводности и геотермы по временам жизни фононов. Наука. 1999;284:264–264. [PubMed] [Google Scholar]

37. Жанло Р., Моррис С. Распределение температуры в земной коре и мантии. Annu Rev Earth Pl Sc. 1986; 14: 377–415. [Google Scholar]

38. Осако М., Ито Э. Температуропроводность перовскита MgSiO ₃. Geophys Res Lett. 1991; 18: 239–242. [Google Scholar]

39. В этой составной модели нижней мантии эффективная теплопроводность моделируется как 0,2 κ _MgO + 0,8 κ _{MgSiO ₃} = 0,2 × 43 + 0,8 × (5,1 × 43/66) = 11,258 Вт/К-м.

40. Кларк С.П., мл. Перенос излучения в мантии Земли. Союз Trans Am Geophys. 1957; 38: 931–938. [Google Scholar]

41. Шенкленд Т.Дж., Ницан У., Дуба А.Г. Оптическое поглощение и лучистый перенос тепла в оливине при высокой температуре. Дж Геофиз Рез. 1979; 84: 1603–1610. [Google Scholar]

42. Хофмайстер А.М. Зависимость диффузионного переноса излучения от размера зерен, температуры и содержания железа: значение для мантийных процессов. Дж Геодин. 2005;40:51–72. [Академия Google]

43. Кеплер Х, Кантор И, Дубровинский Л.С. Спектры оптического поглощения ферропериклаза до 84 ГПа. Минерал. 2007; 92: 433–436. [Google Scholar]

44. Кепплер Х., Дубровинский Л.С., Нарыгина О.И., Кантор И. Оптическое поглощение и лучистая теплопроводность силикатного перовскита до 125 ГПа. Наука. 2008; 322:1529–1532. [PubMed] [Google Scholar]

45. Гончаров А.Ф., Стружкин В.В., Якобсен С.Д. Пониженная радиационная проводимость низкоспинового (Mg,Fe)O в нижней мантии.

Теплопроводность чем меньше тем лучше: «Чем выше показатель теплопроводности, тем лучше или хуже утеплитель?» — Яндекс Кью

Чем выше теплопроводность тем

Теплопроводность и коэффициент теплопроводности. Что это такое.

Теплопроводность.

Коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности материалов.

Теплопроводность утеплителей — сравнительная таблица

Зачем нужна теплоизоляция?

Как правильно выбрать утеплитель?

Основные требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам:

Таблица теплопроводности материалов

Достоинства и недостатки утеплителей

Заключение

Обзор строительных материалов с различной теплопроводностью

Что такое теплопроводность?

Роль коэффициента теплопроводности при принятии архитектурно-строительного решения

Конструкционные материалы и их теплопроводность

Железобетон

Керамзитобетон

Саманный кирпич

Керамический кирпич

Силикатный кирпич

Утеплители и их теплопроводность

Пенополистирол

Минеральная вата

Стекловата

Базальтовая (каменная) вата

Видео о характеристиках теплоизоляционных материалов

Теплопроводность. Просто о сложном.

Теплопроводность. Просто о сложном.

1.2 Теплопроводность строительных материалов

1.3 Термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче)

2. Теплопередача в однородном ограждении при установившемся потоке тепла

Теплопроводность кирпича: что влияет на показатели

Что обозначает показатель?

Свойства различных типов блоков

Красный керамический

Клинкерный

Характеристика шамотного

Силикатный

Какая теплопроводность изделий?

Что влияет на показатели?

Теплопроводность поможет вам лучше готовить

Руководство по покупке термопасты — Newegg Insider

Не все термопасты одинаковы

Металлические термопасты

Керамические термопасты

Силиконовые термопасты

На что обратить внимание при покупке термопасты

Теплопроводность

Плотность и вязкость

Токопроводящий или непроводящий

TDP (расчетная тепловая мощность)

Cooling Solution

Решеточная теплопроводность MgO в условиях недр Земли

Таблица 1.

Добавить комментарий Отменить ответ