Теплопроводность виды: Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение

1. Виды теплопередачи

«О пёстрый шар, теплом двух рук согретый,
Ты их тепло в полёте раздаёшь…»
Р.М.Рильке. «Мяч»
§4. Теплопроводность
§5. Конвекция.
§6. Излучение
1
Домашнее задание
1) § 4-6
2) §4 Упр. 1, §5-6 Упр. 2,3
3) Л № 948, 954, 972-976, 984-987
2
Способы изменения
внутренней энергии тела
Совершение
механической работы
Теплопередача
Теплопроводность
Конвекция
Излучение
3
Теплопроводность
это явление передачи внутренней
энергии от одного тела к другому
(или от одной части тела к
другой)
Частицы при взаимодействии
передают энергию от одной к другой
При теплопроводности
не происходит переноса
вещества
от одного конца тела к другому
4
Теплопроводность
у различных веществ различна
Разные металлы обладают
неодинаковой теплопроводностью
5
Теплопроводность
жидкостей и газов
Теплопроводность
жидкостей меньше,
чем твердых тел.

Почему?
Теплопроводность
газов меньше,
чем жидкостей.
Почему?
6
Теплопроводность
Теплопроводность – явление передачи
внутренней энергии от одного тела к
другому или от одной его части к другой.
В этом случае тела и все части,
участвующие в процессе, находятся в
непосредственном контакте.
Само вещество не перемещается
вдоль тела – переносится лишь
энергия.
Металлы
обладают хорошей
теплопроводностью
Меньшей
теплопроводностью
обладают жидкости
–
Газы плохо проводят
тепло
Теплопроводность возрастает
Теплопроводность
различных веществ
медь
железо
вода
снег
шерсть
мех
пух
воздух
теплопроводность _ меди
20000
теплопроводность _ воздуха
64см
51см
Теплопроводность
в природе

Снег предохраняет
озимые посевы от
вымерзания.
Теплопроводность
в природе
Мех животных из-за плохой
теплопроводности предохраняет их
от переохлаждения зимой и перегрева летом.

1. Почему стеклянную палочку, накаленную с одного
конца, можно держать за другой конец, а железный прут
нельзя?
2. В какой посуде пища подгорает легче и быстрее: в
медной или железной? Почему?
3. В каком чайнике вода нагреется скорее: в
новом или старом, на стенках которого имеется
накипь?
4. Фарфоровая кружка с чаем или кофе не обжигает
губы, а алюминиевая обжигает. Почему? В какой из
этих кружек кофе остынет быстрее?
5. Опытные хозяйки , прежде чем наливать
в стакан крутой кипяток, опускают в него
чайную ложку. Как вы думаете, для чего?
14

15. Виды теплопередачи

«Воду пруда нагревает зной
Сверху, а внизу – холодный слой»
Йогешвара
Конвекция. Излучение
15
Способы изменения
внутренней энергии тела
Совершение
механической работы
Теплопередача
Конвекция
Теплопроводность
Излучение
16
Конвекция
(от лат. слова конвекцио – перенесение) –
это вид теплопередачи, при котором
энергия переносится струями
газа или жидкости.

17
Конвекция
естественная
(свободная)
вынужденная
Самопроизвольное
охлаждение,
нагревание,
перемешивание
Перемешивание с
помощью насоса,
мешалки и т.п.
18
Механизм конвекции
в жидкостях
Жидкость
нагревается
и
вследствие уменьшения
ее
плотности, движется вверх.
Нагретая
жидкость
поднимается вверх.
На
место
поднявшейся
жидкости приходит холодная,
процесс повторяется.
19
Механизм конвекции

в газах
Теплый воздух имеет меньшую
плотность
и со стороны
холодного воздуха на него
действует
сила
Архимеда,
направленная
вертикально
вверх.
20
Конвекция в природе
В результате конвекции в атмосфере образуются
ветры у моря – это дневные и ночные бризы.
Дневной бриз
Холодный воздух понизу с
моря перемещается к берегу.
Ночной бриз
Холодный воздух понизу с
берега перемещается к морю.

Излучение
Под лучистым теплообменом, или просто излучением,
понимают перенос энергии в виде электромагнитных
волн.
Возможно в вакууме!!!
22
Механизм излучения
В космическом пространстве нет ни
твердых,
ни
жидких,
ни
газообразных тел. Следовательно,
космическое пространство не может
передавать тепло Солнца на Землю
ни путем теплопроводности, ни
путем конвекции.
Нагретые
тела
излучают
электромагнитные
волны,
с
физической природой которых мы
познакомимся позднее.
Излучение
Темные тела лучше поглощают
излучение и быстрее нагреваются,
чем светлые. Темные тела быстрее
охлаждаются.
ПОГЛОЩЕНИЕ
энергии
Чем t Е излучения
ИЗЛУЧЕНИЕЕ
энергии
Излучение в природе
Около 50% энергии излучаемой
Солнцем является лучистой энергией,
эта энергия – источник жизни на Земле.
Излучение
происходит
по всем
направлениям
Излучение в технике
сушка и нагрев материалов
приборы ночного видения (бинокли, оптические
прицелы)
создание систем самонаведения на цель бомб,
снарядов и ракет
Излучение в природе
Излучают энергию все тела
Количество излучённой или поглощённой энергии
зависит от площади поверхности тела
Все три вида теплопередачи
1.

Почему отопительные батареи
в комнате
устанавливают у пола, а форточки для проветривания
помещают в верхней части окна?
2. Почему подвал – самое
холодное место в доме?
3. В каком чайнике быстрее согреется вода? В каком
из этих чайников она дольше останется горячей?
4. Что произойдёт через некоторое время?
Как изменятся показания термометра?
Почему?
30

Виды теплопередачи. Теплопроводность, конвекция, излучение

Виды теплопередачи.
виды теплопередачи
теплопроводность
конвекция
излучение
Теплопроводность .
тепло
– перенос энергии от более нагретых участков тела к менее
нагретым за счет теплового движения и взаимодействия
атомов, который приводит к выравниванию температуры
тела.
Не сопровождается переносом вещества!
Теплопроводность различных веществ разная.
жидкости
газы
вакуум
теплопроводность
металлы
Теплопроводность веществ

Металлы
обладают хорошей
теплопроводностью
Меньшей – обладают жидкости
Газы плохо проводят тепло
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
Это вид теплообмена, при котором
происходит непосредственная
передача энергии от частиц более
нагретой части тела к частицам его
менее нагретой части.

Само вещество не перемещается
вдоль тела- переносится лишь
энергия.
Теплопроводность в природе и технике.
Мех животных из-за плохой
теплопроводности
предохраняет их
от охлаждения зимой
и перегрева летом.
•Снег предохраняет
озимые посевы от вымерзания.
Конвекция это перенос энергии струями жидкости или газа.
Конвекция невозможна в твёрдых телах.
Конвекция может быть двух видов:
естественная
вынужденная
Механизм конвекции в газах
Теплый воздух имеет
меньшую плотность и
со стороны
холодного воздуха
на него действует

сила Архимеда,
направленная
вертикально вверх.
Механизм конвекции в жидкостях
А – жидкость нагревается
и вследствие уменьшения
ее плотности,
движется вверх.
В – нагретая жидкость
поднимается вверх.
С – на место поднявшейся
жидкости приходит
холодная,
процесс повторяется.
Конвекция в природе и технике
Излучение
– это перенос энергии путем испускания
электромагнитных волн.

лучи, испускаемые нагретыми телами,
называют тепловым излучением.
Механизм излучения
Нагретые тела
излучают
электромагнитные
волны
в различных
диапазонах.
Излучение может
распространяться
и
в вакууме
Около 50% энергии излучаемой
Солнцем является
лучистой энергией ,
эта энергия источник жизни на Земле.
Темные тела лучше поглощают излучение, чем
светлые (или имеющие зеркальную, полированную
поверхность), и лучше излучают.
ИЗЛУЧЕНИЕ
Темные тела лучше поглощают
излучение и быстрее нагреваются,
чем светлые.
Темные тела быстрее охлаждаются
Применение
в технике
сушка и нагрев
материалов,
приборы ночного
видения
( бинокли, оптические
прицелы),
создание системы
самонаведения на цель
снарядов и ракет.
При повышении температуры тела
тепловое излучение увеличивается,
т.е. чем выше температура тела, тем
интенсивнее тепловое излучение.

Как фантастично выглядел бы
окружающий мир, если бы мы могли
видеть недоступные нашему глазу
тепловые излучения других тел!
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?
Змеи отлично воспринимают тепловое
излучение, но не глазами, а кожей.
Поэтому и в полной темноте они
способны обнаружить теплокровную

жертву.
Созданы материалы, с помощью которых можно
превращать тепловое излучение в видимое. Их
используют при изготовлении специальной
фотопленки для съемки в абсолютной темноте и
в приборах ночного видения – тепловизорах.
тепловизоры
приборы
ночного видения
Задание:
• §4,§5,§6.
• Упр.3, упр.4,
упр.5.

Презентация по теме “Виды теплообмена”

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Номер слайда 2

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КОНВЕКЦИЯ ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Номер слайда 3

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Номер слайда 4

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. Само вещество не перемещается вдоль тела- переносится лишь энергия.

Номер слайда 5

Теплопроводность веществ Металлы обладают хорошей теплопроводностью Меньшей – обладают жидкости Газы плохо проводят тепло Таблица теплопроводности (сравнение чисел характеризует относительную скорость передачи тепла каждым материалом) 0,025 Воздух 0,057 Войлок 0,1 Сосна 0,6 Вода 0,77 Кирпич 35 Свинец 45 Сталь 74 Железо 125 Латунь 220 Алюминий 318 Золото 397 Медь 428 Серебро Коэффициент теплопроводности Вещество

Номер слайда 6

Хорошая теплопроводность металлов приносит пользу в быту.

Номер слайда 7

Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом. Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов.

Номер слайда 8

Снег предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Номер слайда 9

В быту используется низкая теплопроводность: ручки чайников, подносы, посуда из закаленного стекла; пластиковые окна.

Номер слайда 10

КОНВЕКЦИЯ

Номер слайда 11

КОНВЕКЦИЯ Это перенос тепла струями жидкости или газа. Конвекция в твердых телах и вакууме происходить не может

Номер слайда 12

Механизм конвекции в газах Теплый воздух имеет меньшую плотность и со стороны холодного воздуха на него действует сила Архимеда, направленная вертикально вверх.

Номер слайда 13

Механизм конвекции в жидкостях А – жидкость нагревается и вследствие уменьшения ее плотности, движется вверх. В – нагретая жидкость поднимается вверх. С – на место поднявшейся жидкости приходит холодная, процесс повторяется.

Номер слайда 14

В результате конвекции в атмосфере образуются ветры у моря – это дневные и ночные бризы. КОНВЕКЦИЯ

Номер слайда 15

Где и почему именно там размещают батареи в помещениях?

Номер слайда 16

охлаждается корпус космического корабля, обеспечивается водяное охлаждение двигателей внутреннего сгорания. КОНВЕКЦИЯ

Номер слайда 17

Придумайте опыт по рисунку. Объясните наблюдаемое явление.

Номер слайда 18

Тепло от костра передается человеку путем излучения энергии, так как теплопроводность воздуха мала, а конвекционные потоки направлены вверх

Номер слайда 19

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН Это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.

Номер слайда 20

Механизм излучения Нагретые тела излучают электромагнитные волны в различных диапазонах. Излучение может распространяться и в вакууме

Номер слайда 21

Около 50% энергии излучаемой Солнцем является лучистой энергией , эта энергия – источник жизни на Земле

Номер слайда 22

ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН Солнце нагревает Землю, моря, океаны. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность, ни конвекция! Почему?

Номер слайда 23

Темные тела лучше поглощают излучение и быстрее нагреваются, чем светлые. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Номер слайда 24

Какой из чайников быстрее остынет?

Номер слайда 25

Почему одному мальчику жарко, а другому нет?

Номер слайда 26

В быту широко используют электрические обогреватели.

Номер слайда 27

сушка и нагрев материалов, приборы ночного видения ( бинокли, оптические прицелы), создание системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Применение в технике

Номер слайда 28

Зачем самолёты красят серебряной краской, а душ на даче в темный?

Документ «Виды теплопередачи.

Теплопроводность, конвекция, излучение.»

Проект по физике.

Тема: Виды теплопередачи. Теплопроводность, конвекция, излучение.

Город Истра 2019г.

Содержание:

Титульный лист. Содержание………………………………………….…….2
Введение………………………………………………………………………..3
Глава 1. Основная часть
1. Теплопроводность……………………………………………………..4-6
2. Конвекция………………………………………………………………6-7
3. Излучение………………………………………………………………8-9

Глава 2. Практическая часть, опыты …………………………………….10-15
1. Теплопроводность
2. Конвекция
3. Излучение

Заключение. Выводы………………………………………………………….16
Список использованной литературы……………………………………….17

Введение.

Теплота – кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже). Теплота играет важную роль в жизни человека

Теплопередача – физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному. Когда физические тела одной системы имеют разную температуру, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному. Теплопередачу невозможно остановить, можно только замедлить её. Теплопередача сопровождает многие процессы в природе (например, ход эволюции звёзд и планет, метеорологические процессы на поверхности Земли и т. д.), в технике и в быту. Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твёрдую стенку или через поверхность раздела между ними называется теплопроводностью.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Глава 1. Основная часть

3.1 Теплопроводность.

Свойство тел передавать тепло от более нагретых своих частей менее нагретым называют теплопроводностью.

С давних времен и до сегодняшних дней люди задаются вопросом, как сохранить тепло. Проблемы поддержания температурного режима в доме, проблемы, связанные с недостаточно теплой одеждой и посудой наиболее часто становились причиной различных болезней, плохого питания и неспособности противостоять природным условиям. Решение этих проблем напрямую связано с теплопроводностью. Человеку важно знать, из какого материала состоит тот или иной предмет, понимать, от чего зависит его теплопроводность, чтобы быть готовым к его реакции в разных температурных условиях. Так почему же некоторые предметы имеют хорошую теплопроводность, а некоторые совсем не проводят тепло?

Явление теплопередачи изучалось несколько веков. Но, ни в древности, ни в средние века оно не было изучено до конца. Были лишь простые и единые описания теплопередачи. Ученые утверждали, что если температура вещества повышается, то оно получает теплоту, а если температура понижается, то вещество выделяет теплоту в окружающую среду.

На протяжении многих веков ученые изучали тепловые явления, однако их деятельность получила развитие только в XVIII веке благодаря изобретенному Галилеем термометру. Первые исследования с помощью термометра были посвящены калориметрии – методу измерения количества теплоты, изучению теплового расширения тел, явлений теплопроводности. Поэтому, можно считать, что основные понятия о теплоте появились именно в XVIII веке.

Одна из значимых работ появилась в 1701 году и была посвящена вопросам теплоты. Знаменитый ученый Ньютон сформулировал закон охлаждения тел. В законе говорилось о том, что температура тела уменьшается пропорционально по мере охлаждения, приближаясь к температуре окружающей среды. Выяснилось, что скорость охлаждения зависит от параметра k=αAC (коэффициента теплопроводности). Ньютон доказал, что с увеличением коэффициента k, тело будет охлаждаться быстрее

Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что процесс охлаждения осуществляется различными способами, которые имеют разную физическую силу. Так возникли излучение теплопроводности и тепловое излучение. Эти два самостоятельных направления отличаются друг от друга тем, что тепловое излучение может осуществляться даже в полном вакууме, а излучение теплопроводности нет, также первое не требует прямого контакта при теплопередаче, а для второго оно необходимо. При теоретическом анализе, основанного на законе охлаждения Ньютона, произошли некоторые трудности, но Фурье сформулировал, что поток тепла пропорционален разности градиенту температуры, таким образом, он сформулировал закон теплопроводности. Закон Фурье показывает, что количество теплоты Q, проходящее через площадку S, за время T, вдоль направления X определяется по формуле:

где dT/dx – изменение температуры на единицу длины, k – коэффициент теплопроводности.

Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности стремиться сделать температуру всего тела одинаковой. Вообще, теплопроводность – это свойство тел проводить тепло, основанное на теплообмене, которое происходит между атомами и молекулами тела. Однако, при теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. Все потому, что у жидкостей теплопроводность небольшая. Газы тоже имеют маленькую теплопроводность.

Рaзличные материалы имеют разную теплопроводность, одни медленно проводят теплоту, другие – быстрeе. Поэтому и количественный показатель теплопроводности – коэффициент теплопроводности (λ (лямбда)) – бyдeт y всех материалов свой. С увеличением плотности, влажности и температуры материала повышается λ. Коэффициент теплопроводности зaвисит oт плотности, влaжности, тeмпературы и cтруктуры материала.

Из какой кружки вы предпочитаете пить горячий чай – фарфоровой или металлической? Конечно, не желая получить ожог, вы выберите фарфоровую.

Воздух, лёд, снег, являются плохими проводниками тепла. Это спасает жизнь многим животным, обитающим в лесах и водных средах. Например, тетерев зимой спит, зарывшись головой в снег. А благодаря тому, что водоёмы покрываются льдом, который препятствует дальнейшему их промерзанию, выживают многие представители водной фауны.

Невозможно представить мир без теплопроводности. Ведь это явление, действительно, очень важно для жизни людей и животных.

Рис.1

3.2. Конвекция.

Термин ” конвекция” впервые появился в 1834 году. Английский ученый Вильям Прут предложил ее для описания перемещения тепловых масс в нагретых жидкостях. Однако же само исследование конвекции началось лишь в 1916 году. Было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении определенных температур. Немного позже это значение стало называться “числом Роэля”. Оно было названо в честь того, кто исследовал данное явление. Результаты опытов объяснили перемещение тепловых потоков под влиянием силы Архимеда.

При конвекции внутренняя энергия передается струями и потоками газа или жидкости. В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. Тогда нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Данная характеристика чаще всего наблюдается при перемещении тепловых потоков при нагревании воды.

Если поместить руку над горящей лампой или плитой, можно почувствовать, что над ними поднимаются теплые струи воздуха. Или, например, в комнате теплый воздух в середине помещения с отопительными приборами перемещается, тогда нагретые потоки воздуха движутся под потолок, а холодный воздух опускается к поверхности пола. Поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух теплее, чем в нижней части.

В природе также существует конвекция. Она участвует в образовании газообразных веществ в толще земной коры. Рассмотрим земной шар как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В центре располагается массивное ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием металлов. Окружают ядро жидкая мантия и литосфера. Верхний слой представляет собой земную кору. Литосфера сформирована из свободно движущихся потоков, которые перемещаются по мантии. В ходе неравномерного нагревания участков мантии и горных пород происходит образование конвективных потоков. Под воздействием конвективных потоков возникает перемещение континентов и преобразование ложа океанов. На конвекции завязана возможность парения птиц. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у Земли приводят к возникновению потоков. Такие потоки способствуют процессу парения. Чтобы птицам преодолевать без больших затрат определенные расстояния, они должны уметь находить подобные потоки воздуха.

Также существует два вида конвекции: естественная и вынужденная. Пример естественной конвекции можно наблюдать при перемещении потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения. Вынужденная конвекция происходит, если перемешивать жидкости ложкой и т.д.(см.рис.2).

Рис.2

3.3. Излучение.

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля. Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК – излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм. Чаще всего весь диапазон ИК – излучения делят на области: ближнюю (750нм-2.500нм), среднюю (2.500нм – 50.000нм) и дальнюю (50.000нм-2.000.000нм).

Излучение можно представить себе как возникновение и распространения волн, приводящее к возмущению поля. Распространение энергии выражается в виде электромагнитного, ионизирующего и гравитационного излучений. Электромагнитные волны – это возмущение электромагнитного поля. Они бывают радиоволновыми, инфракрасными (тепловое излучение), терагерцовыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и видимыми (оптическими). Электромагнитная волна имеет свойство распространяться в любых средах. Характеристиками электромагнитного излучения являются частота, поляризация и длина. Наиболее профессионально и глубоко природу электромагнитного излучения изучает наука квантовая электродинамика. Она позволила подтвердить ряд теорий, которые широко используются в различных областях знаний. Особенности электромагнитных волн: взаимная перпендикулярность трех векторов – волнового, и напряженности электрического поля и магнитного поля; волны являются поперечными, а вектора напряженности в них совершают колебания перпендикулярно направлению ее распространения.

Тепловое же излучение возникает за счет внутренней энергии самого тела. Тепловое излучение – это излучение сплошного спектра, максимум которого соответствует температуре тела. Если излучение и вещество термодинамичны, излучение – равновесное. Это описывает закон Планка. Но на практике термодинамическое равновесие не соблюдается. Так более горячему телу свойственно остывать, а более холодному, напротив, нагреваться. Данное взаимодействие определено в законе Кирхгофа. Таким образом, тела обладают поглощающей способностью и отражающей способностью. Ионизирующее излучение – это микрочастицы и поля, имеющие способность ионизировать вещество. К нему относят: рентген и радиоактивное излучение с альфа, бета и гамма лучами. При этом рентгеновское излучение и гамма-лучи являются коротковолновыми. А бета и альфа частицы являются потоками частиц. Существуют природные и искусственные источники ионизации. В природе это: распад радионуклидов, лучи космоса, термоядерная реакция на Солнце. Искусственные это: излучение рентгеновского аппарата, ядерные реакторы и искусственные радионуклиды. В быту используются специальные датчики и дозиметры радиоактивного излучения. Всем известный Счетчик Гейгера способен идентифицировать корректно только гамма-лучи. В науке же используются сцинтилляторы, которые отлично разделяют лучи по энергиям.

Гравитационным считается излучение, в котором возмущение пространственно временного поля происходит со скоростью света. В общей теории относительности гравитационное излучение обусловлено уравнениями Эйнштейна. Что характерно, гравитация присуща любой материи, которая движется ускоренно. Но вот большую амплитуду гравитационной волне может придать только излучать большой массы. Обычно же гравитационные волны очень слабые. Прибор, способный их зарегистрировать, – это детектор. Излучение Хокинга же представляет собой скорее гипотетическую возможность испускать частицы черной дырой. Эти процессы изучает квантовая физика. Согласно данной теории черная дыра только поглощает материю до определенного момента. При учете квантовых моментов получается, что она способна излучать элементарные частицы.

Рис.3

Глава 2. Практическая часть, опыты.

Теплопроводность.

Опыт 1.

Цель опыта: убедиться, что самой высокой теплопроводностью обладают металлы, причем у разных металлов теплопроводность разная.

Теплопроводность – это вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов. Теплопроводность различных веществ отличается. Самой высокой теплопроводностью обладают металлы, причем у разных металлов теплопроводность разная.

Чтобы убедиться в этом проведём опыт:

Рис.4

Как показано на рисунке, приклеим воском гвоздики к соединённым между собой медной и стальной проволоке, и начнём нагревать место соединения проволок. Мы увидим, что гвоздики, прикрепленные воском к медной проволоке, раньше отрываются, чем отрываются гвоздики от стальной проволоки (см.рис.4) Этот опыт показывает, что по медной проволоке тепло передается быстрее, чем по стальной.

Вывод: мы убедились, что самой высокой теплопроводностью обладают металлы, что у разных металлов теплопроводность разная и, что теплопроводностьпроволоки меди выше теплопроводности стальной проволоки.

Конвекция.

Одним из естественных способов распространения теплоты в природе является конвекция. Это наблюдается в жидкостях и газах. Основана конвекция на том, что участки жидкости или газа при нагревании становятся менее плотными и поднимаются вверх, а более холодные, более тяжелые слои опускаются вниз. Источник тепла обычно помещается внизу, поэтому происходит непрерывное перемещение нагретых слоев вверх, а холодных вниз. Но при невесомости, например, в помещении орбитальной станции, такой способ распространения тепла не действует, ведь вес – регулировщик теплоты – отсутствует.

Рассмотрим на нескольких опытах, как происходит циркуляция воздушных масс, которые образуют вихревой поток и способствуют равномерному прогреванию того или иного продукта.

Цель опыта : выявить циркуляция воздушных потоков и научиться ее

Опыт 1.

Цель опыта : выявить циркуляция воздушных потоков и научиться ее определять.

Для опыта, демонстрирующего циркуляцию воздушных потоков, потребуется стекло от керосиновой лампы или бутылка с ровно отрезанным дном (см. рис.5).

Итак. Поставим стекло на горящую свечу. Свеча погаснет, так как горячий воздух с продуктами горения уходит вверх, а свежему воздуху пройти негде. Но если в стекло вставить полоску из бумаги, она разделит внутреннее пространство на две половины: в той , где находится свеча, горячий воздух будет идти вверх, а более холодный воздух будет притекать в свече сверху- по другую сторону перегородки. Перегородка играет важную роль в снабжении свечи свежим воздухом и без нее не будет циркуляции воздуха. Чтобы убедиться, можно выдернуть бумажку из бутылки. Свеча погаснет моментально.

Вывод: мы научились определять циркуляцию воздушных потоков масс.

Рис.5

Опыт 2

Циркуляция воздуха в помещении – это то, что отвечает за здоровье людей, находящихся в комнате. Именно качественная циркуляция воздушных масс способствует предотвращению возникновению грибка и скопления аллергенов. Оптимальная циркуляция воздуха составляет 30 м3 в час на человека. В процессе работы вентиляционной системы учитываются такие факторы, как перемещение воздушных масс (см. рис.6).

Рис.6

Опыт 3.

Цель опыта: определить то, что воздух в закрытых помещениях подвижен.

Проделаем опыт, который подтверждает, что воздух в закрытой комнате подвижен.

Для этого нужна бумажная змея. Ее можно сделать из листа бумаги. Затем нарисовать змею и вырезать ее ножницами. На хвосте змеи, в середине, выдавить острием карандаша углубление. Теперь проверим, действует ли змея (см. рис. 7). Наденем на углубление кончик карандаша и поднимем, затем нужно легонько дунуть на змею снизу. Она должна завертеться. Значит, змея чувствует, когда воздух поднимается вверх. Этим опытом можно воспользоваться, чтобы поискать в комнате место, где воздух поднимается вверх. Поднесем карандаш к батарее центрального отопления, – Змея завертелась!

Из этого опыта можно сделать вывод, что змея будет тем быстрее вертеться, чем горячее батарея. Это потому, что батарея нагревает воздух. В комнате происходит распределение тепла с помощью конвекции – потоков воздуха: теплый воздух поднимается вверх. Он и вертит змею.

Вывод: с помощь проделанного опыта я научилась определять то, что воздух в закрытой комнате подвижен.

Рис 7

Излучение.

Опыт 1.

В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной матовой краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но оно при этом не должно касаться баночки. Выставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и чтобы солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°. Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.

Вывод: На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.

Опыт 2.

Различные вещества по-разному проводят тепло. Это хорошо видно из небольшого опыта.

Приложите к кусочку дерева монету и оберните их белой бумагой. Поднесите все это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулось места, где над бумагой находится монета. Старайтесь не дать бумаге загореться. Но бумага все же успела обуглиться, и обуглилась она вокруг монеты.

Вывод: Там же, где была сама монета, остался не тронутый огнем белый кружок. Металл монеты, как хороший теплопроводный материал, отобрал на себя жар пламени и предохранил бумагу от обгорания.

Опыт 3.

Разные тела поглощают энергию по-разному. Например, если теплоприемник окрасить с одной стороны в белый цвет, а с другой в темный, то при поднесении нагретого тела к темной стороне, то столбик жидкости понизится сильнее, чем, если бы мы поднесли это нагретое тело к светлой стороне. То есть тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, у которых поверхность светлая. На следующем рисунке продемонстрирован этот опыт.

Но зато, тела имеющие темную поверхность охлаждаются быстрее, чем тела со светлой поверхностью.

Вывод: Эта способность тел широко применяется на практике. Например, крылья воздушных судов красят светлой краской, чтобы они не нагревались солнцем

Заключения. Выводы.

Из всех наших приведённых объяснений, рассуждений и выводов было подтверждено, что теплопередачей называют процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. В жизни все они чаще всего действуют одновременно. Поэтому вокруг себя мы можем наблюдать множество примеров применения разных видов теплопередачи.

В ходе изучения этой темы стало понятно, что знания различных способов передачи тепла имеют большое значение в жизни человека. Применяя эти знания, можно многое объяснить. А ученые-технологи создают новые строительные материалы, которые хорошо защищают жилище человека от холода и воздействия атмосферных явлений.

Данная тема актуальна и сейчас, тем, что от теплопередачи и её видов и от их существования зависит жизнь людей, животных и всего мира. Ведь на первом месте у человека стоит, не как вы думаете, любовь, деньги, а жизнь. Жизнь это что-то уникальное, не просто какая-то вещь или игрушка, жизнь – это активное существование. Если бы человек не развивал науку, не было бы активного развития мира, того скачка вперёд, который полностью изменил жизнь не только человека, но и других живых существ. Человек благодаря науке физике изменил планету и выбрался в космос. Ведь именно физика, это то, что реально изменила, как и внутреннее, так и внешнее состояние жизни. Именно открытия в физике, это и есть тот скачок, прорыв в жизни людей, такие как полёт в космос, открытие закона падения камня, законов движения и сохранения энергии, открытие электрического тока.

Теплопередача, кажется, просто три способа передавать тепло, но если их не было бы или на это как-то повлиял человеческий фактор, то планета Земля закончила бы свое существование в космосе!

Список использованной литературы.

Учебник физики 8 класс: Перышкин А.В

Энциклопедический словарь юного физика: Мигдал А.Б

Большая энциклопедия опытов и экспериментов «Простая наука» от Издательства АСТ

Учебник «Занимательная физика»: Перельман Я.И

Энциклопедия «Физика на каждом шагу»: Перельман Я.И

Использованный сайт: https://fizi4ka.ru/

План урока, Виды теплопередачи. Теплопроводность

Проверка домашнего задания.

Актуализация знаний.

Краткая историческая справка: теория теплорода.

Изучение нового материала.

Опыт: В нагретую до кипения воду положить алюминиевый цилиндр (с просверленным под носик градусника отверстием), предварительно измерив его температуру. Спустя 2-3 минуты цилиндр вытащить из воды и измерить температуру снова.
Вывод: Внутренняя энергия может передаваться от одного тела к другому.

Опыт 205: К медному стержню парафином приклеено несколько спичек. Один конец стержня нагревают в пламени спиртовки. При нагреве парафин плавится, и спички отпадают от стержня, начиная от нагреваемого края по очереди. (С. А. Хорошавин, «Физический эксперимент в средней школе»).

Явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части к другой называется теплопроводностью.

Объяснить механизм передачи энергии на основе движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Демонстрируем передачу энергии на модели поезда из домино.

Важно! При теплопроводности не происходит переноса вещества.

Выясним, одинаковая ли теплопроводность у различных веществ:
Опыт 206: Концы двух одинаковых по размерам, но различных по материалу стержней с приклеенными парафином спичками одновременно нагревают в пламени спиртовки. В первую очередь начинают отпадать спички, приклеенные к медному стержню.
Вывод: Различные вещества имеют разную теплопроводность.

Сравним теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов (Опыты 207-209, С. А. Хорошавин, «Физический эксперимент в средней школе»).

Опыты 207: С внутренней стороны к боковой поверхности стеклянного стакана прижат теплоприемник демонстрационного термометра. Наружную часть боковой поверхности стакана нагревают в пламени спиртовки (рис. 3). Термометр отмечает быстрое повышение температуры.

Опыт 208: Опыт 207 повторяется, но теперь в стакан налита вода, а теплоприемник термометра отделен от стенки стакана слоем воды (рис. 4). Термометр фиксирует медленное изменение температуры.

Опыт 209: Опыт 208 повторяется, но на этот раз теплоприемник термометра отделяют от стенки стакана слоем воздуха (рис. 5). Термометр фиксирует очень медленное изменение температуры.

Вывод: Металлы и стекло имеют хорошую теплопроводность. У жидкостей теплопроводность меньше. Газы имеют плохую теплопроводность.

Рассмотреть применение материалов с различной теплопроводностью в жизнедеятельности человека.

Рассмотреть значение материалов с различной теплопроводностью в жизни животного мира.

Закрепление.

№951, 953, 958, 959, 970 (сборник задач по физике 7-9, В. И. Лукашик)

Подведение итогов урока.

Домашнее задание.

7 Теплопередача, закон фурье, теплопроводность, конвекция, излучение

Тема: Теплопередача, закон Фурье, теплопроводность, конвекция, излучение (2 часа)

План лекции

1. Виды теплопередачи

2. Теплопроводность

3. Конвекция, излучение

Теория теплообмена — это наука о процессах переноса теплоты. С теплообменом связаны многие явления, наблюдаемые в природе и технике. Ряд важных вопросов проектирования и строительства зданий и сооружений решается на основе теории теплообмена или некоторых ее положений. Знание законов теплообмена позволяет инженеру-строителю увязать толщину и материал ограждающих конструкций с отопительными устройствами, разработать новые строительные материалы и конструкции, более экономичные и способные надежно защищать человека от холода, решить и другие вопросы, которые возникают в процессе развития строительной техники. Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно расчленить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена — теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. ” Процесс теплопроводности происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии и их теплового движения. Такой процесс теплообмена может происходить в любых телах, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. Теплопроводность жидких и в “особенности газообразных тел незначительна. Твердые тела обладают различной теплопроводностью. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Процесс конвекции происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа обусловливается разностью их плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются, охладившиеся — опускаются. Например, отопительный прибор системы центрального отопления соприкасается с воздухом, который получает от него теплоту и поднимается, уступая место более холодному воздуху. Таким образом, теплота вместе с воздухом передается от прибора в другие части помещения.

Если жидкость или газ перемещается с помощью насоса, вентилятора, эжектора и других устройств, то такое перемещение называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

При проведении данного урока используется технология «Перевернутый урок». То есть учитель предлагает ученикам в качестве подготовки к данному уроку самостоятельно познакомиться с темой «способы теплопередачи». Для этого учитель предоставляет учащимся ссылки на соответствующие электронные ресурсы (видео уроки или видео лекции) и/или на соответствующие параграфы учебника. Учитель также может записать и предоставить учащимся свой видеоурок на данную тему.

Полезные ссылки:

В результате самостоятельной домашней работы дети должны узнать, что существуют три вида теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) и понимать, чем они отличаются друг от друга.

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1. Введение: открытая задача

Цель данного этапа урока – заинтриговать учеников темой урока, настроить на активную, творческую деятельность. Для этого учитель предлагает учащимся решить открытую задачу.

Слайд 2

Ответ к открытой задаче. Ни в коем случае нельзя отрывать примерзший язык, так как при этом с его поверхности оторвется участок кожи, что может привести к сильному кровотечению. При возможности нужно поливать место контакта языка с металлом жидкостью (желательно теплой). Можно также попытаться растопить лед дыханием и теплом рук.

Примечание. Важно обсудить с детьми следующий вопрос: «Почему на морозе язык к металлическим предметам прилипает, а к деревянным – нет?».

Это объясняется тем, что у металлов теплопроводность значительно выше, чем у дерева. При объяснении можно показать учащимся видеофрагмент (слайд 3), который демонстрирует теплопроводность металлов: медь, латунь, железо.

2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

На данном этапе урока необходимо раздать детям в распечатанном виде текст про устройство термоса. Этот текст можно напечатать из отдельного файла Устройство термоса.
Если распечатать текст нет возможности, то можно показать текст на большом экране (слайд 4). А на слайде 5 показано устройство термоса.
Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту.

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

Задание ученикам (слайд 6):

На работу по составлению вопросов можно отвести 5-7 минут.

После окончания данной работы учитель выписывает вопросы учащихся на доске или это делают специально назначенные ученики.

Учащиеся каждой группы озвучивают сформулированные вопросы (по одному вопросу). При этом группы озвучивают вопросы последовательно (по кругу) пока не назовут все составленные вопросы. Если вопросы повторяются, то ни произносить их ни записывать не нужно.

Некоторые формулировки вопросов, которые даны учащимися, могут быть не корректными. В этом случае учитель помогает детям дать более точные формулировки.

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

При необходимости учитель может сам добавить в список ряд вопросов, которые ему необходимо обсудить с учащимися в соответствии с планом урока.
Среди предложенных учащимися вопросов могут быть вопросы, выходящие за рамки данного урока. В этом случае можно предложить учащимся самостоятельно поискать информацию для ответа на такие вопросы в качестве домашнего задания.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

Используя вопросы из списка учитель обсуждает с учащимися материал урока. При этом он отрабатывает с учащимися формулировки видов теплопередачи, при необходимости устраняет пробелы в их знаниях и вносит коррективы.

При подведении итогов урока можно использовать слайд 9, на котором показаны все виды теплопередачи.

Слайд 9

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

Посмотрите на рисунки и назовите как осуществляются процессы теплопередачи в представленных на слайдах ситуациях:

Чайник на плите (слайд 10),
Мороженое в руке (слайд 11),
Котелок на костре (слайд 12),
Теплица (слайд 13),
Сферическое зеркало в горах Непала (слайды 14 – 16).

Примечание. Если учащиеся не могут сказать для чего предназначено зеркало (слайд 14), то можно сыграть с ними в игру «Да-нетку» на эту тему. Слайд 15 содержит подсказку – на нем хорошо видно подставку в центре зеркала, на которую ставится кастрюля или чайник для нагрева солнечным светом. На слайде 16 видно, что на подставке стоит чайник – это фактически ответ на вопрос о назначении зеркала.

Слайд 10

Слайд 11

Слайд 12

Слайд 13

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

5. Д/З. На выбор учеников

Многие люди считают, что шуба греет. А как думаете вы?
Предложите варианты опытов, которые нужно поставить, чтобы доказать или опровергнуть эту точку зрения (слайд 17).
Объясните, почему аксакалы в яркие солнечные дни в жару носят теплые ватные халаты (слайд 18).
Проведите исследование: сколько времени содержимое термоса остается горячим?

Примечание. Предварительно обсудите с учащимися методику эксперимента. Например, можно залить в термос кипяток и через определенные интервалы времени (каждые 30 минут) измерять его температуру.

Данное исследование можно поручить 3-5 ученикам и на следующем уроке сравнить их результаты. Желательно, чтобы они принесли на урок термоса, с которыми проводили эксперименты.

4. Если термос устроен так умно, то почему через какое-то время его содержимое все-таки остывает? Постарайтесь объяснить почему это происходит (слайд 19).

Ответ (для учителя):

Немного теплоты выходит через пробку и крышку термоса. Если вы потрогаете крышку, то скорее всего почувствуете, что она слегка нагрета.
Также потери теплоты, пусть и менее ощутимые, происходят через стенки термоса.
- Прежде всего это связано с качеством откачки воздуха. Абсолютный вакуум создать невозможно. Поэтому между стенками колбы всегда остается немного воздуха. Чем его больше, тем больше потери теплоты.
- Происходят также потери теплоты из-за не идеальности отражающей поверхности колбы. Невозможно сделать зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 100%. Обычно этот параметр у внутренней поверхности колбы около 90%. Значит термос обязательно излучает теплоту.

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Советский писатель Константин Паустовский в рассказе «Небесная азбука морзе» описывает ураганный ветер «Бора» и шторм, который произошел в конце 19 века в Черном море вблизи г. Новороссийска. Учитель может обсудить с учащимися это природное явление и процессы теплопередачи, которые происходили.

«Море клокочет, как бы пытаясь взорваться. Ветер швыряет увесистые камни, сбрасывает под откосы товарные поезда, свертывает в тонкие трубки железные крыши, качает стены домов.

Двое суток мы находились на авральной работе. Мы сбивали лёд ломами, раскалённым железом и обливали его кипятком. Тонкие снасти превращались в ледяные бревна. Когда ураган достиг наивысшего напряжения, мы обрубили реи, утлегарь и весь такелаж на мачтах, но это нисколько не помогло. Хотели выбросить за борт пушки, но они вместе со станками приросли к палубе, составляя сплошные глыбы льда. Волны свободно ходили через корабль.

Эскадра Юрьева погибла от того, что лопнули все железные якорные цепи. Корабли были разбиты о подводные камни. С тех пор некоторые капитаны, застигнутые борой, начали отдавать якоря не на цепях, а на пеньковых веревках. Железные цепи делались слишком хрупкими от жестокого мороза – неизменного спутника Боры – и легко ломались на перегибах около клюзов. Эскадра погибла, разбившись о берега. Только один корабль «Струя» потонул среди залива, не выдержав тяжести наросшего льда. Он стоял закрепив якорную цепь за бочку, и не успел вовремя расклепать цепь, чтобы его выбросило на берег. Тогда часть людей могла бы спастись».

К. Г. Паустовский. «Родные просторы» Гос. Издательство географической литературы, Москва, 1954 г., с. 310.

Справка: Бора

Бора — сильный холодный порывистый северный ветер. Бора возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути возвышенность, например, невысокие горы на морском берегу. Преодолев препятствие, холодный воздух под воздействием силы тяжести сваливается вниз по склону гор. При этом воздушный поток приобретает большую скорость (слайды 20 и 21).

Слайд 20

Слайд 21

Фотографии последствий Боры в г. Новороссийске приведены на слайдах 22 – 25.

Слайд 22

Слайд 23

Слайд 24

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город…

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Теплопроводность – обзор

3.2.4 Теплопроводность эпоксидных смол

Теплопроводность – это способность материала проводить тепло, и она представляет собой количество тепловой энергии, которая течет в единицу времени через единицу площади с температурным градиентом. 1 ° на единицу расстояния. Теплопроводность – необходимая характеристика для рассеивания образовавшейся тепловой энергии в системе. До сих пор сообщалось о различных исследованиях, направленных на повышение теплопроводности эпоксидных смол, и среди них исследования, основанные на микро- и наноматериалах, вызвали больший исследовательский интерес.Ganguli et al. [66] разработали химически функционализированные композиты из вспученного графита / эпоксидной смолы с конечной целью повышения теплопроводности. Композиты, состоящие из 20 мас.% Функционализированного графита, показали значительно улучшенную теплопроводность – 5,8 Вт / м К по сравнению с 0,2 Вт / м К чистой эпоксидной смолы, то есть примерно 28-кратное улучшение теплопроводности [66]. Veca et al. [67] также получили более высокую теплопроводность эпоксидной смолы за счет использования углеродных нанолистов, полученных из расширенного графита.

Yung et al. [68] достигли увеличения теплопроводности примерно на 217% для композита эпоксид / нитрид бора. Это было выполнено с помощью обработки поверхности силаном нитрида бора и смешивания многомодального размера частиц при синтезе композита [68]. Хуанг и др. [69] сообщили о существовании очень высокой теплопроводности эпоксидного композита на основе нанотрубок, функционализированного полиэдрическим олигосилсесквиоксаном (POSS). Улучшение теплопроводности примерно на 1360% было получено при введении 30 мас.% Функционализированного POSS нитрида бора [69].

Исследование Xu et al. [70] сообщили о более высокой теплопроводности эпоксидных композитов, содержащих нитрид бора (BN) и нитрид алюминия (AlN) с обработанной поверхностью, из-за пониженного сопротивления термического контакта между эпоксидной смолой и частицами из-за увеличения межфазного взаимодействия между ними. Было обнаружено, что обработка поверхности частиц с использованием силана более осуществима, чем обработка ацетоном и кислотой. Эпоксидные композиты с 57 об.% BN, обработанного силаном, показали теплопроводность 10.3 Вт / м К. Кроме того, добавление 60 об.% Обработанного силаном AlN привело к теплопроводности 11,0 Вт / м · К [70].

С точки зрения увеличения теплопроводности эпоксидной смолы, Teng et al. [71] использовали нековалентно функционализированные нанолисты графена, полученные путем π-π-стэкинга молекул пирена, сопровождаемого функциональной сегментированной полимерной цепью. Полученный эпоксидный композит имел отличную теплопроводность за счет увеличенной площади поверхности в результате улучшенной дисперсии графена и взаимодействий графен-эпоксид.Композиты с 4 phr нанолистов нековалентно функционализированного графена показали примерно на 20% и 267% большую теплопроводность, чем соответствующие эпоксидные композиты на основе чистого графена и исходных MWCNTs [71]. В другом исследовании Song et al. [72] также разработали нековалентно функционализированный графен путем обработки 1-пиреномасляной кислотой, а затем использовали его для получения нанокомпозита эпоксид / графен. Полученный нанокомпозит показал отличную теплопроводность около 1,53 Вт / м · К [72]. Чаттерджи и др.[73] использовали расширенные нанопластинки графена, функционализированные амином, для обогащения теплопроводности эпоксидной смолы, и в результате было получено увеличение теплопроводности примерно на 36% для 2 мас.% Графена [73].

Moisala et al. [74] исследовали влияние SWCNTs и MWCNTs на теплопроводность эпоксидной смолы. Присутствие MWCNT действительно увеличивало теплопроводность эпоксидной смолы, но не в ожидаемом диапазоне. В то же время нанокомпозит эпоксид / ОСУНТ даже неожиданно показал более низкую теплопроводность, чем чистый эпоксид [74].Для получения положительного эффекта и полной эффективности ОУНТ Bryning et al. [75] изготовили нанокомпозиты эпоксидная смола / ОСУНТ с использованием ОСУНТ, обработанных поверхностно-активными веществами и обработанными ДМФ. В результате обработанные композиты на основе ОСУНТ показали повышенную теплопроводность, а композит с обработанным поверхностно-активным веществом композитом содержал больше ОСУНТ и давал большее увеличение примерно на 65% для 0,1 об. Доли ОСУНТ [75]. Исследование Biercuk et al. [76] сообщили об увеличении теплопроводности примерно на 125% при комнатной температуре с добавлением 1 мас.% Неочищенных ОУНТ.В другом исследовании Yu et al. [77] сообщили о повышенной теплопроводности эпоксидной смолы за счет включения гибридного наполнителя из ОСУНТ и графитовых нанопластинок из-за снижения сопротивления интерфейса, вызванного дополнительной организованной перколяционной сеткой [77]. Исследование Du et al. [78] достигли примерно 220% улучшения теплопроводности за счет использования отдельно стоящих ОСУНТ в эпоксидной смоле. Эти отдельно стоящие ОУНТ обладали пониженным термическим сопротивлением поверхности раздела в эпоксидной матрице. Эти материалы были приготовлены из композита SWCNT / PMMA с 1 мас.% Путем удаления содержания PMMA с помощью газификации с последующей пропиткой эпоксидной смолой [78].

Чтобы расширить вклад теплопроводности МУНТ в эпоксидные смолы, Ян и др. [79] практиковали синтез эпоксидного композита с использованием привитых бензолэтрикарбоновой кислотой MWCNTs (BTC-MWCNTs), полученных после модификации Фриделя-Крафтса. Отмечена более высокая растворимость и совместимость BTC-MWCNT в эпоксидной матрице по сравнению с чистыми MWCNT. Композиты, содержащие 5 об.% BTC-MWCNT, показали выдающуюся теплопроводность 0,96 Вт / м · K, то есть улучшение примерно на 684% по сравнению с чистой эпоксидной смолой, и это показано на рис.3.3 [79]. Другое исследование Cui et al. [80] разработали МУНТ с диоксидом кремния, используя золь-гель метод, а затем внедрили в эпоксидную матрицу для улучшения ее теплопроводности. Наблюдалось увеличение теплопроводности примерно на 51% для нанокомпозитной системы с 0,5 мас.% МУНТ, покрытых диоксидом кремния, а также примерно на 67% для 1 мас.% МУНТ, покрытых диоксидом кремния [80].

Рис. 3.3. Теплопроводность композитов эпоксидная смола / MWCNT. (A) Теоретическая модель Нана и композиты с различным содержанием (B) первичных MWCNT, (C) обработанных кислотой MWCNT и (D) BTC-MWCNTs [79].

В другом исследовании Zhou et al. [81] использовали синергетический эффект MWCNT и микрокарбида кремния (SiC) в качестве гибридного наполнителя для улучшения теплопроводности эпоксидной смолы. Гибридный наполнитель, состоящий из 5 мас.% MWCNT и 55 мас.% Micro-SiC, дает примерно в 23 раза большую теплопроводность, чем у чистой эпоксидной смолы [81]. В другом исследовании Yang et al. [82] получили более высокую теплопроводность эпоксидной смолы за счет использования гибридного наполнителя, состоящего из МУНТ с привитыми триэтилентетрамином и нано-SiC, функционализированного силаном [82].Im et al. [83] также наблюдали улучшенную теплопроводность эпоксидной смолы за счет использования гибридного наполнителя из оксида графена и MWCNTs.

Shimazaki et al. [84] приготовили прозрачный нанокомпозит наноцеллюлоза / эпоксид, содержащий 58 мас.% Наноцеллюлозы с превосходной теплопроводностью> 1 Вт / м К. Это произошло из-за высококристаллической природы наноцеллюлозы, которая действовала как эффективные фононные пути в нанокомпозитах [84] ]. Повышенная теплопроводность некоторых выбранных эпоксидных композитов сведена в Таблицу 3.2.

Таблица 3.2. Сравнение теплопроводности некоторых выбранных эпоксидных композитов

Авторы	Использованный наполнитель	Количество наполнителя	Достижения в теплопроводности
Ganguli et al. [66]	Химически функционализированный расслоенный графит	20 мас.%	Пример 5,8 Вт / м · К, в 28 раз выше
Huang et al. [69]	Функционализированные полиэдрическими олигосилсесквиоксаном (POSS) нанотрубки нитрида бора (BN)	30 мас.%	1360% увеличение
Xu et al.[70]	Обработанный силаном BN	57 об.%	Образец 10,3 Вт / м K
Xu et al.[70]	Обработанный силаном нитрид алюминия (AlN)	60 об.%	Образец 11,0 Вт / м K
Teng et al. [71]	Обработанные пиреном нековалентно функционализированные нанолисты графена	4 phr	На 20% больше, чем у композита на основе чистого графена и на 267% больше, чем у композита на основе нетронутых МУНТ
Song et al.[72]	Обработанный 1-пиреномасляной кислотой нековалентно функционализированный графен	10%	Образец 1,53 Вт / м K
Chatterjee et al. [73]	Функционализированные амином расширенные нанопластинки графена	2 мас.%	Увеличение на 36%
Bryning et al. [75]	ОУНТ, обработанные поверхностно-активными веществами	0,1 об. Фракции	Увеличение на 65%
Biercuk et al. [76]	Неочищенные ОСУНТ	1 вес.%	Увеличение на 125%
Du et al.[78]	Отдельно стоящие ОУНТ	Приготовлены из 1 мас.% Композита ОУНТ / ПММА	Увеличение 220%
Yang et al. [79]	Многослойные углеродные нанотрубки с привитыми бензолэтрикарбоновой кислотой (BTC-MWCNT)	5 об.%	Пример 0,96 Вт / м · К, увеличение на 684%
Cui et al. [80]	MWCNTs, покрытые диоксидом кремния	1 мас.%	67% увеличение
Zhou et al. [81]	Гибридный наполнитель из MWCNT и микрокарбида кремния (SiC)	5 мас.% MWCNT + 55 мас.% Micro-SiC	в 23 раза выше
Shimazaki et al.[84]	Наноцеллюлоза	58 вес.%	Экспонат более 1 Вт / м K

Теплопроводность – Энциклопедия Нового Света

Испытание на огнестойкость, используемое для проверки передачи тепла через противопожарные заглушки и пенетранты, используемые в строительстве перечисление и одобрение использования и соответствия.

В физике теплопроводность , k {\ displaystyle k}, это свойство материала, которое указывает на его способность проводить тепло. Он появляется прежде всего в законе Фурье для теплопроводности.

Проводимость – наиболее важное средство передачи тепла в твердом теле. Зная значения теплопроводности различных материалов, можно сравнить, насколько хорошо они проводят тепло. Чем выше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло. В микроскопическом масштабе проводимость возникает, когда горячие, быстро движущиеся или колеблющиеся атомы и молекулы взаимодействуют с соседними атомами и молекулами, передавая часть своей энергии (тепла) этим соседним атомам.В изоляторах тепловой поток почти полностью переносится фононными колебаниями.

Математический фон

Во-первых, теплопроводность можно определить по формуле:

H = ΔQΔt = k × A × ΔTx {\ displaystyle H = {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}} = k \ times A \ times {\ frac {\ Delta T} {x} }}

где ΔQΔt {\ displaystyle {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}}} – скорость теплового потока, k – теплопроводность, A – общая площадь поверхности Δ T – разность температур, а x – толщина проводящей поверхности, разделяющей две температуры.

Таким образом, преобразование уравнения дает теплопроводность,

k = ΔQΔt × 1A × xΔT {\ displaystyle k = {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}} \ times {\ frac {1} {A}} \ times {\ frac {x} {\ Delta T}}}

(Примечание: ΔTx {\ displaystyle {\ frac {\ Delta T} {x}}} – это градиент температуры)

Другими словами, он определяется как количество тепла Δ Q , переданное за время Δ t через толщину x в направлении, перпендикулярном поверхности площадью A , из-за разность температур Δ T , в установившемся режиме и когда теплопередача зависит только от температурного градиента.

С другой стороны, это можно представить как поток тепла (энергия на единицу площади в единицу времени), деленный на градиент температуры (разность температур на единицу длины).

k = ΔQA × Δt × xΔT {\ displaystyle k = {\ frac {\ Delta Q} {A \ times {} \ Delta t}} \ times {\ frac {x} {\ Delta T}}}

Типичными единицами являются СИ: Вт / (м · К) и английские единицы: БТЕ · фут / (ч · фут² · ° F). Для преобразования между ними используйте соотношение 1 Британские тепловые единицы · фут / (ч · фут² · ° F) = 1,730735 Вт / (м · К).^[1]

Примеры

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

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

Воздух и другие газы, как правило, являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. Следовательно, многие изоляционные материалы функционируют просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию. Их примеры включают вспененный и экструдированный полистирол (обычно называемый «пенополистиролом») и аэрогель кремнезема. Природные биологические изоляторы, такие как мех и перья, достигают аналогичного эффекта, резко подавляя конвекцию воздуха или воды возле кожи животного.

Теплопроводность важна для теплоизоляции зданий и смежных областей. Однако материалы, используемые в таких отраслях, редко подвергаются стандартам химической чистоты. Значения k для некоторых строительных материалов перечислены ниже. Их следует считать приблизительными из-за неопределенностей, связанных с определениями материалов.

Следующая таблица предназначена в качестве небольшой выборки данных для иллюстрации теплопроводности различных типов веществ. Более полный перечень измеренных значений k см. В справочных материалах.

Список коэффициентов теплопроводности

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

Измерение

Вообще говоря, существует ряд возможностей для измерения теплопроводности, каждая из которых подходит для ограниченного диапазона материалов, в зависимости от тепловых свойств и температуры среды.Можно различать методы установившегося и переходного режима.

Обычно методы установившегося состояния выполняют измерение, когда температура измеряемого материала не изменяется со временем. Это упрощает анализ сигналов (устойчивое состояние подразумевает постоянные сигналы). Обычно недостатком является то, что для этого требуется хорошо спроектированная экспериментальная установка. Разделенный стержень (различных типов) – это наиболее распространенное устройство, используемое для консолидированных проб горных пород.

Переходные методы выполняют измерения в процессе нагрева.Преимущество в том, что измерения можно проводить относительно быстро. Переходные методы обычно выполняются с помощью игольчатых зондов (вставленных в образцы или погруженных на дно океана).

Для хороших проводников тепла можно использовать метод стержня Серла. Для плохих проводников тепла можно использовать дисковый метод Лиза. Также можно использовать альтернативный традиционный метод с использованием настоящих термометров. Тестер теплопроводности, один из инструментов геммологии, определяет, являются ли драгоценные камни настоящими алмазами, используя уникально высокую теплопроводность алмаза.

Стандартные методы измерения

Стандарт IEEE 442-1981, «Руководство IEEE по измерениям теплового сопротивления почвы», см. Также gradient_thermal_properties. ^[4]

Стандарт IEEE 98-2002, «Стандарт подготовки процедур испытаний для термической оценки твердых электроизоляционных материалов» ^[5]

Стандарт ASTM D5470-06, Стандарт Метод испытания теплопроводных свойств теплопроводных электроизоляционных материалов “^[6]

Стандарт ASTM E1225-04,” Стандартный метод испытания теплопроводности твердых тел с помощью метода контролируемого сравнительного продольного теплового потока ” ^[7]

Стандарт ASTM D5930-01, «Стандартный метод испытания теплопроводности пластмасс с помощью метода нестационарного линейного источника» ^[8]

Стандарт ASTM D2717-95, ” Стандартный метод испытаний теплопроводности жидкостей »^[9]

Разница между американскими и европейскими обозначениями

В Европе коэффициент k строительных материалов (например,грамм. оконное стекло) называется λ-значением.

U-значение раньше называлось k-значением в Европе, но теперь его также называют U-значением.

Значение К (с большой буквы) относится в Европе к общей стоимости изоляции здания. K-значение получается путем умножения форм-фактора здания (= общая внутренняя поверхность внешних стен здания, деленная на общий объем здания) на среднее значение U внешних стен здания. . Таким образом, значение K выражается как (m ².м ^-3). (W.K ^-1. м ^-2) = W.K ^-1. м ^-3. Таким образом, для дома объемом 400 м³ и коэффициентом К 0,45 (новая европейская норма. Его обычно называют K45) теоретически потребуется 180 Вт для поддержания внутренней температуры на 1 градус К выше внешней температуры. Так, чтобы поддерживать в доме температуру 20 ° C, когда на улице морозы (0 ° C), требуется 3600 Вт постоянного обогрева.

Связанные термины

Обратная величина теплопроводности равна , удельное тепловое сопротивление , измеренное в кельвин-метрах на ватт (К · м · Вт ⁻¹).

При работе с известным количеством материала можно описать его теплопроводность и взаимное свойство тепловое сопротивление . К сожалению, эти термины имеют разные определения.

Первое определение (общее)

Для общенаучного использования, теплопроводность – это количество тепла, которое проходит за единицу времени через пластину определенной площади и толщины , когда ее противоположные стороны различаются по температуре на один градус.Для пластины с теплопроводностью k , площадью A и толщиной L это составляет кА / л , измеренное в Вт · К ^-1 (эквивалент: Вт / ° C). Теплопроводность и проводимость аналогичны электрической проводимости (А · м ^-1 · В ^-1) и электрической проводимости (А · В ^-1).

Существует также мера, известная как коэффициент теплопередачи: количество тепла, которое проходит за единицу времени через единицу площади пластины определенной толщины, когда ее противоположные стороны различаются по температуре на один градус.Ответная – , теплоизоляция . В итоге:

теплопроводность = кА / L , измеренная в Вт · К ⁻¹
- тепловое сопротивление = L / кА , измеренное в K · Вт ⁻¹ (эквивалент к: ° C / Вт)
коэффициент теплопередачи = k / L , измеряется в Вт · K ^-1 · м ^-2
- теплоизоляция = L / k , измеряется в K · м² · W ^-1.

Коэффициент теплопередачи также известен как теплопроводность

Термическое сопротивление

Когда термические сопротивления возникают последовательно, они складываются. Таким образом, когда тепло проходит через два компонента, каждый с сопротивлением 1 ° C / Вт, общее сопротивление составляет 2 ° C / Вт.

Общая проблема инженерного проектирования включает выбор радиатора подходящего размера для данного источника тепла. Работа в единицах теплового сопротивления значительно упрощает расчет конструкции.Для оценки производительности можно использовать следующую формулу:

Rhs = ΔTPth − Rs {\ displaystyle R_ {hs} = {\ frac {\ Delta T} {P_ {th}}} – R_ {s}}

где:

R _hs – максимальное тепловое сопротивление радиатора окружающей среде, ° C / Вт
ΔT {\ displaystyle \ Delta T} – разница температур (падение температуры), ° C.
P _th – тепловая мощность (тепловой поток), в ваттах
R _s – тепловое сопротивление источника тепла в ° C / Вт

Например, если компонент выделяет 100 Вт тепла и имеет тепловое сопротивление 0.5 ° C / Вт, какое максимальное тепловое сопротивление радиатора? Допустим, максимальная температура составляет 125 ° C, а температура окружающей среды – 25 ° C; тогда ΔT {\ displaystyle \ Delta T} равно 100 ° C. В этом случае тепловое сопротивление радиатора окружающей среде должно составлять 0,5 ° C / Вт или меньше.

Второе определение (здания)

Когда речь идет о зданиях, термическое сопротивление или R-значение означает то, что описано выше как теплоизоляция, а теплопроводность означает обратное.Для материалов, соединенных последовательно, эти тепловые сопротивления (в отличие от проводимости) можно просто сложить, чтобы получить тепловое сопротивление для всего.

Третий член, коэффициент теплопередачи , включает теплопроводность конструкции наряду с теплопередачей за счет конвекции и излучения. Он измеряется в тех же единицах, что и теплопроводность, и иногда известен как композитный теплопроводность . Термин , значение U , является еще одним синонимом.

Таким образом, для пластины с теплопроводностью k (значение k ^[10]), площадь A и толщина L :

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

Текстильная промышленность

В текстильных изделиях значение tog может указываться как мера теплового сопротивления вместо меры в единицах СИ.

Истоки

Теплопроводность системы определяется тем, как взаимодействуют атомы, составляющие систему. Нет простых и правильных выражений для теплопроводности. Существует два разных подхода к расчету теплопроводности системы.

Первый подход использует отношения Грина-Кубо.Хотя здесь используются аналитические выражения, которые в принципе могут быть решены, для расчета теплопроводности плотной жидкости или твердого тела с использованием этого соотношения требуется использование компьютерного моделирования молекулярной динамики.

Второй подход основан на подходе времени релаксации. Известно, что из-за ангармонизма внутри кристаллического потенциала фононы в системе рассеиваются. Существует три основных механизма рассеяния (Шривастава, 1990):

Граничное рассеяние, попадание фонона на границу системы;
Рассеяние на дефекте массы, фонон, ударяющийся о примесь внутри системы, и рассеяние;
Фонон-фононное рассеяние, фонон распадается на два фонона с более низкой энергией или фонон сталкивается с другим фононом и сливается с одним фононом с более высокой энергией.

См. Также

Банкноты

↑ Perry’s Chemical Engineers ‘Handbook, 7-е изд., Таблица 1-4.
↑ ^2,0 ^2,1 Теплопроводность некоторых распространенных материалов Проверено 26 мая 2008 г.
↑ Теплопроводность металлов Проверено 26 мая 2008 г.
↑ Руководство IEEE по измерениям теплового сопротивления почвы Проверено 26 мая 2008 г.
↑ Стандарт подготовки процедур испытаний для термической оценки твердых электроизоляционных материалов, последнее обращение 26 мая 2008 г.
↑ Стандартный метод испытаний теплопроводящих свойств теплопроводных электроизоляционных материалов, последнее обращение 26 мая 2008 г.
↑ Стандартный метод испытаний теплопроводности твердых тел с помощью метода охраняемого сравнительного продольного теплового потока Проверено 26 мая 2008 г.
↑ Стандартный метод испытания теплопроводности пластмасс с помощью метода нестационарного линейного источника, получено 26 мая 2008 г.
↑ Стандартный метод испытаний теплопроводности жидкостей, получено 26 мая 2008 г.
↑ Определение значения k из Plastics New Zealand Получено 26 мая 2008 г.

Список литературы

Байерлейн, Ральф. 2003. Теплофизика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521658381
Халлидей, Дэвид, Роберт Резник и Джерл Уокер. 1997. Основы физики , 5-е изд. Нью-Йорк: Вили. ISBN 0471105589
Serway, Raymond A. и John W. Jewett. 2004. Физика для ученых и инженеров. Бельмонт, Калифорния: Томсон-Брукс / Коул. ISBN 0534408427
Шривастава Г. П. 1990. Физика фононов. Бристоль: А. Хильгер. ISBN 0852741537
Янг, Хью Д. и Роджер А. Фридман. 2003. Физика для ученых и инженеров . Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон. ISBN 080538684X

Внешние ссылки

Все ссылки получены 6 февраля 2020 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia, и на самоотверженных добровольцев, вносящих вклад в Фонд Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в энциклопедию Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Введение в термическую и электрическую проводимость (все содержание)

Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предназначена для удобства, но не отображает все содержимое TLP. Например, отсутствуют какие-либо видеоклипы и ответы на вопросы.Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержание

Цели
Перед тем, как начать
Введение
Введение в проводимость
Металлы: модель электропроводности Друде
Факторы, влияющие на электрическую проводимость
Металлы теплопроводные
Электропроводность: неметаллы
Неметаллы: тепловые фононы
Приложения
Сводка
Вопросы
Далее

Цели

По завершении этого пакета TLP вам необходимо:

Понимать основные механизмы и модели теплопроводности и теплопроводности металлов и неметаллов.
Помните о некоторых факторах, которые влияют на оба типа проводимости.
Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед тем, как начать

Этот TLP является введением, поэтому никаких специальных знаний не требуется. Однако есть и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе для дальнейшего чтения.

Введение

Электропроводность охватывает невероятно большой порядок величин (30!) От изоляторов до металлов и даже может быть бесконечным в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, привело к компьютерной революции и постоянно увеличивающейся миниатюризации

Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков величины, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических путешествий до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, важно понимать, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; между теплопроводностью и электропроводностью в металлах существуют близкие параллели, в то время как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

Введение в проводимость

Электропроводность

Важно не запутаться в проводимости, проводимости, сопротивлении и удельном сопротивлении.

Свойства материалов: электропроводность σ и удельное электрическое сопротивление ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

где J – плотность тока (ток на единицу площади), а E – градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще выражается как \ (V = I R \).

Для изотропного материала:

\ [\ sigma = \ frac 1 \ rho \]

Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметр ( Ом · м ), а для проводимости – обратная величина ( Ом ^-1 м ^-1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

\ [R = \ rho \ frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя не означает, что сами электроны движутся так быстро.Вместо этого типичная дрейфовая скорость электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с ^-1. Это подробно описано в разделе моделей Друде.

Еще одно уместное напоминание о потенциале и токе: ток – это поток электронов, а потенциал – это движущая сила, заставляющая их течь. Обладая достаточным потенциалом, электроны могут переносить заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшие электрические проводники (кроме сверхпроводников) – это чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 ²⁸ нОм, что на 27 порядков отличается!

теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно знать концепцию теплопередачи, которая представляет собой движение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит при нескольких обстоятельствах:

Когда объект имеет температуру, отличную от окружающей его температуры;
Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта, контактирующего с ним;
Когда внутри объекта существует температурный градиент.

Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, которая не находится в тепловом равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Передача тепловой энергии происходит только через 3 режима: теплопроводность, конвекция и излучение. Каждый режим имеет свой механизм и скорость передачи тепла, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость передачи тепла зависит от того, насколько преобладает определенный режим.

Проводимость включает передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний – применимо к твердым телам.

Конвекция включает передачу тепловой энергии в движущейся среде – горячий газ / жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за разницы в плотности).

Излучение связано с передачей тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце – хороший пример передачи энергии через (близкий) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, Κ, – это свойство материала, которое указывает на способность проводить тепло.Согласно первому закону Фурье тепловой поток пропорционален разности температур, площади поверхности и длине образца:

\ [H = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ kappa A \ frac {\ Delta T} {l} \]

где ΔQ / Δt – скорость теплопередачи, A – площадь поверхности, а l – длина.

Лучшие металлические теплопроводники – это чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт · м ^-1 K ^-1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт · м ^-1 K ^-1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов преобладает над теплопроводностью.

Основной материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, удивительно, является неметаллом: чистый монокристаллический алмаз, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт · м ^-1 K ^-1. Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности алмаза. Сильные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло передается фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, которые заменяют атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. Е. Проводимости) потребует рассмотрения не только всех ядер положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном, , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с продвинутыми моделями это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию за счет использования классической механики и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся по прямым линиям, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
τ , среднее время между столкновениями (время рассеяния , ) и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями ( среднее свободное путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E, и, таким образом, ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v ₀, скорость по истечении времени t определяется как:

\ [v = v_ {0} – \ frac {eEt} {m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v ₀ будет равно нулю.{2} \ tau E} {m} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ – подвижность , которая определяется как

\ [\ mu = \ frac {| v |} {E} = \ frac {eE \ tau} {mE} = \ frac {e \ tau} {m} \]

Конечный результат всей этой математики – разумное приближение проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре, используя кинетическую теорию газов для оценки скорости дрейфа, модель Друде дает σ ~ 10 ⁶ Ом ^-1 м ^-1.Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ ~ 2,13 × 10 ⁵ Ом ^-1 м ^-1).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. В отсутствие приложенного поля видно, что электроны перемещаются беспорядочно. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском проваливается. Чтобы иметь возможность более точно предсказать проводимость этих материалов, требуются квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Это выходит за рамки настоящего TLP

. Сверхпроводники
также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти на сайте Superconductivity TLP.
Факторы, влияющие на электрическую проводимость
Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) Легко определить.Есть три важных случая:
Чистые и почти чистые металлы
Для чистых металлов при температуре около комнатной удельное сопротивление линейно зависит от температуры.
\ [\ rho_2 = \ rho_1 [1 + \ alpha (T_2 – T_1)] \]
Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой по правилу Маттизена:
\ [\ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {defect}}}} + {\ rho _ {{\ rm {Thermal}}}} \]
Низкотемпературное удельное сопротивление (\ ({\ rho _ {{\ rm {defect}}}} \)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы.Следовательно, оно ниже в отожженных металлических образцах с крупными кристаллами и выше в сплавах и закаленных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах электроны будут иметь больше энергии, чтобы двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (а, следовательно, и проводимость уменьшается) с увеличением температуры. Причина этого в том, что с повышением температуры электроны чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что приводит к увеличению удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается ρ _{термическим}.
Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематично проиллюстрирована в следующем моделировании. Используйте ползунок для изменения температуры, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув мышью внутри решетки.
Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.
Сплавы – твердый раствор
Как и раньше, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордхейма:
\ [\ rho = \ chi _ {\ alpha} \ rho _ {\ alpha} + \ chi _ {\ beta} \ rho _ {\ beta} + C \ chi _ {\ alpha} \ chi _ {\ beta} \]
, где C – постоянная величина, CA и CB – атомные доли металлов A и B, удельные сопротивления которых равны ρA и ρB соответственно.2 \]
, где ΔZ – разность валентностей растворенного вещества и растворителя.
Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут иметь большее влияние на удельное сопротивление.
Сплавы – многофазные
Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).
\ [\ rho = \ chi_ \ alpha \ rho_ \ alpha + \ chi_ \ beta \ rho_ \ beta \]
Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордхейма и правило смешения.
Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.
Металлы теплопроводные
Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но эффект перекрывается электронной проводимостью.
Следующая симуляция показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы приложить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить радиатор к противоположной стороне образца, используя кнопку «сток».
Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.
Закон Видеманна-Франца
Так как преобладающий метод теплопроводности у металлов одинаковый для теплопроводности и электропроводности (т.{- 2}} \]
Этот закон можно объяснить тем фактом, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса тепла и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, так как это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электропроводность уменьшается с увеличением скорости частиц, поскольку столкновения отвлекают электроны от прямого переноса заряда.
Электропроводность: неметаллы
Хотя модель Друде достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не предсказывает свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.
Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.
Ионная проводимость
Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они по-прежнему проводят электричество.
Это механизм ионной проводимости, при котором некоторые заряженные ионы могут перемещаться через объемную решетку (с помощью обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).
Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры находятся в пределах от 500 до 1000 градусов C.Поскольку они действуют по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывала бы простая модель Друде.
Напряжение пробоя
Существует важный и потенциально смертельный механизм, благодаря которому изолятор может стать проводящим. В воздухе это обычно распознается как молния. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», делая его временно более проводящим.
Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.
Для первоначального возбуждения паров ртути в свете люминесцентной лампы необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такого света, как внезапное возгорание с соответствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приводит к небольшому свечению на концах.
Под высоким напряжением может проводиться даже оргстекло. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» от Берт Хикман
Более подробную информацию можно найти на странице Dielectrics TLP по разбивке
.
Неметаллы: тепловые фононы
Как упоминалось ранее, металлы имеют два режима теплопроводности: на основе электронов и на основе фононов. Для неметаллов имеется относительно мало свободных электронов, поэтому преобладает фононный метод.
Тепло можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и все вещи в атомном масштабе, здесь есть квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантована (и пропорциональна частоте). Фонон – это квант колебательной энергии, и за счет комбинации (суперпозиции) многих фононов тепло наблюдается макроскопически.
Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантована в квазичастицу, называемую фононом . Это аналог фотона в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые можно отнести к термически возбужденным фотонам.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и теплопроводность материала.
Фонон – это квантово-механическая адаптация нормальной модальной вибрации в классической механике. Ключевым свойством фононов является дуальность волна-частица; нормальные моды имеют волновые явления в классической механике, но приобретают поведение, подобное частицам в квантовой механике.
Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:
\ [\ varepsilon = (n + \ frac {1} {2}) \ hbar \ omega \]
с квантовым числом n .Член \ (\ frac {1} {2} \ hbar \ omega \) – это энергия нулевой точки моды. Это определяется как минимально возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.
Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов примерно равна частоте звука, а частота оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, поскольку в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.
Если кристаллическая решетка имеет нулевую температуру, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетку нагревают и поддерживают при ненулевой температуре, ее энергия не постоянна, а колеблется случайным образом около некоторого среднего значения. Эти флуктуации энергии вызваны случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку температура решетки порождает эти фононы, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут создаваться или разрушаться случайными колебаниями энергии.
Принято считать, что фононы тоже имеют импульс и, следовательно, могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, существует чистое движение фононов – от более горячей части решетки к более холодной, где они разрушаются. Электроны должны сохранять нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.
Следующая симуляция показывает схематические оптические и акустические фононы в двумерной решетке и дает возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого поля.
Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.
Рассеяние Umklapp
Когда два фонона сталкиваются, образующийся фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ обработки частиц, движущихся в решетке квантово-механическим способом в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данной TLP, но более подробно исследуется в TLP зон Бриллюэна), приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (вне первой зоны Бриллюэна), то образующийся фонон движется почти в противоположном направлении.Это Umklapp scattering , оно преобладает при более высоких температурах, снижая теплопроводность при повышении температуры.
Приложения
Кремниевые чипы
Поскольку электрические свойства меняются в зависимости от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый памятью с произвольным доступом с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge ₂ Sb ₂ Te ₅).
Аморфное состояние является полупроводником, а в (поли) кристаллической форме – металлическим.При нагревании выше точки стеклования, но ниже точки плавления кристаллизуется ранее полупроводниковая аморфная ячейка. Точно так же, полностью расплавившись, а затем быстро охлаждая клетку, она остается в металлическом кристаллическом состоянии.
Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Варьируя условия нагрева, различная пропорция каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной – правило смеси применяется, поскольку фактически это две фазы.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления для каждой ячейки, увеличивая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.
Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, процесс 22 нм). Охладитель должен отводить указанное количество тепла с поверхности кристалла, которое обычно составляет менее 10 см ². Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно делается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, намного хуже, чем большинство металлов, поэтому ее используют только в качестве тонкого слоя для замены воздушных зазоров.
Электропроводность – не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубы, обычно сделанные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.
Космос
Теплоизоляторы находят множество применений, разработка которых связана с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т.е. не пропускает тепло, но не плавится)
Особенно известное применение теплоизоляции – это (ныне снятые с производства) плитки космических челноков, которые отвечают за защиту челнока во время повторного входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи они могут раскалиться докрасна, а внутри шаттла астронавты живы.
Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.
Аэрогель – это твердотельный материал с чрезвычайно низкой плотностью, сделанный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое тело чрезвычайно низкой плотности, что делает его эффективным теплоизолятором.
Одно применение аэрогелей – легкий коллектор микрометеоритов, аэрогель был использован.Хотя он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.
Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большой массив аэрогелевых кирпичей готов к запуску в космос, а образовавшаяся космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю
Aerogels могут изготавливаться из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нано-пены» с открытыми ячейками). Однако чаще всего используется силикат. Аэрогели кремнезема были впервые открыты в 1931 году.
Аэрогели обладают экстремальной структурой и экстремальными физическими свойствами. Высокая пористость структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг м ^– ³.
Аэрогели являются хорошими теплоизоляционными материалами, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами благодаря тому, что воздух не может циркулировать по решетке.Кремнеземный аэрогель является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что диоксид кремния плохо проводит тепло – металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, потому что углерод способен поглощать инфракрасное излучение, которое передает тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучший аэрогель – это кремнезем, легированный углеродом.
Трансмиссия
Одно из самых масштабных применений электрических проводников – передача энергии.
К сожалению, свойства, которые желательны для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.
Алюминиевые сплавы могут быть очень прочными из-за своей плотности, но, согласно правилу Нордхейма, они намного хуже проводят.
Существует огромное множество сталей, но, опять же, межузельные атомы углерода увеличивают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим кабель большего диаметра, который из-за плотности стали оказывается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные пилоны, что составляет значительную часть стоимости.
Медь, хотя и подходит для домашней электропроводки, является плотной и все более дорогой.
Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.
Для большинства воздушных силовых кабелей решением является использование двух материалов – стальной жилы, окруженной множеством отдельных алюминиевых жил. Это позволяет получить легкие, высокопрочные кабели с приемлемой проводимостью.
Сверхпроводники
были испытаны для передачи энергии, но только под землей, и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).
Термоэлектрический эффект
Термоэлектрический эффект – это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне устройства разная температура. Он также может работать «в обратном направлении», поэтому, когда на него подается напряжение, создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.
Эффект Пельтье заключается в том, что когда (постоянный) ток течет через переход металл-полупроводник, тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различается, и это различие компенсируется теплом.
Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, более подробно рассмотренной в TLP по полупроводникам.
Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.
Сводка
Мы рассмотрели основы электрической и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности в зависимости от температуры.Вы должны понимать, что металлы имеют больше механизмов теплопередачи, чем их неметаллические аналоги, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных применений тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, была установлена связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов, включая закон Видемана-Франца.
Суммируя факторы, влияющие на проводимость:
Температура – при повышении температуры увеличивается средняя энергия, приходящаяся на один фонон, и, благодаря механизму рассеяния с перекрытием, теплопроводность уменьшается.Фононы также больше рассеивают электроны.
Плотность электронов (в металлах) – если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.
Легирование – межузельные частицы рассеивают электроны и уменьшают проводимость. Фазовые границы, примеси, дислокации и т. Д. Снижают проводимость даже при низкой температуре.
Вопросы
Быстрые вопросы
Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP.Если нет, то вам следует пройти через это еще раз!
Для фононов нормальные моды
Каким образом кристаллические решетки влияют на электроны, исходя из предположений модели свободных электронов?
Разброс Umklapp:
Что из следующего верно согласно закону Видемана-Франца?
Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?
Какой из них является правильным с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что это чистые материалы)?
а Nb ₃ Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 300K, Cu при 300K.
б Ag при 300K, Cu при 300K, Nb ₃ Sn при 4K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 300K.
c Nb ₃ Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 300K.
d Nb ₃ Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 4K.
e Nb ₃ Sn при 4K, Cu при 300K, Nb ₃ Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.
Далее
Книги
Курс химии A NST IB и / или курс физики NST IB также более подробно рассматривают проведение.
Сайтов
Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Витти
Фотография и видео:
Веб-разработка: Лианн Саллоус и Дэвид Брук
DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Институт натурального камня – Какой натуральный камень лучше всего подходит для обогреваемых поверхностей
Тепло всегда течет из более теплых мест в более холодные.Передача тепловой энергии через твердый материал называется теплопроводностью. Есть определенные области применения, где теплопередача или теплопроводность природного камня становится важным фактором при выборе наилучшего материала и дизайна. Камень, обрамляющий камин или варочную панель, между источником тепла и легковоспламеняющимся материалом, является примером, в котором перед выбором необходимо тщательно определить проводимость камня. Другим распространенным применением является система обогреваемого покрытия, где теплопроводность камня становится фактором, определяющим системные требования для эффективного таяния снега и льда с поверхности дорожного покрытия.В этом бюллетене представлены измеренные значения теплопроводности (значение k) и термического сопротивления (значение R) для наиболее распространенных типов природного камня, используемых в строительстве из обычных типов камня.
Тип материала k-значение
(Теплопроводность)
(Вт / мК) R-значение
Эквивалент (R) ³
(Час • фут ² • ºF / британских тепловых единиц)
Гранит (высокая стоимость) ¹ 1.73 0,083
Гранит (низкая стоимость) ¹ 3,98 0,038
Гранит (Barre) ² 2,79 0,052
Известняк (высокая ценность) ¹ 1,26 0,114
Известняк (низкая стоимость) ¹ 1.33 0,108
Известняк (Салем) ² 2,15 0,067
Мрамор (высокая стоимость) ¹ 2,07 0,070
Мрамор (низкая стоимость) ¹ 2,94 0,049
Мрамор (Halston) ¹ 2.80 0,051
Песчаник (высокая ценность) ¹ 1,83 0,079
Песчаник (Низкая ценность – Береа) ² 2,90 0,050
Кварцит (Sioux) ¹ 5,38 0,027
1 .. Холман, Дж. П. Теплопередача.7-е изд., Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1900. (Приложение A.3)
2. Введение в теплопередачу. 2-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 1990. (Приложение A)
3. Термическое сопротивление или R-значение зависит от толщины материала. Эти значения были рассчитаны для образца размерного камня толщиной 1 дюйм.
В центральном столбце приведенной выше таблицы приведены значения теплопроводности природных камней. Значение k является мерой скорости теплопередачи через твердый материал.Если материал имеет значение k, равное 1,00, это означает, что 1 квадратный метр материала толщиной 1 метр будет передавать тепло со скоростью 1 ватт на каждый градус Кельвина разницы температур между противоположными поверхностями. Высокое значение указывает на то, что материал более проводящий, а низкое значение означает, что он более изолирующий. В правом столбце приведенной выше таблицы указан эквивалент R-значения (R) камня толщиной 1 дюйм, измеренный в часах на квадратные футы на градусы Фаренгейта на британские тепловые единицы. Высокое значение – это наивысший результат теста, полученный в диапазоне образцов, а низкое значение – это самый низкий достигнутый тестовый балл.Это общепринятый метод измерения изоляционных свойств изделий.
Институт натурального камня благодарит компанию SGS US Testing, члена Института натурального камня, Талса, Оклахома, за руководство и консультации.
Этот технический бюллетень содержит общие рекомендации. Американский институт мрамора и его компании-члены не несут ответственности за любое использование или неправильное использование, которое приводит к ущербу любого рода, включая потерю прав, материалов и телесные повреждения, предположительно вызванные прямо или косвенно информацией, содержащейся в этом документе.
Систематическая переоценка решеточной теплопроводности в материалах с электрически резистивными границами зерен
Снижение теплопроводности κ материала посредством наноструктурирования для создания зерен малого размера является одной из наиболее распространенных стратегий улучшения термоэлектрических материалов. В таких поликристаллических материалах теплоносящие фононы рассеиваются на границах зерен, что напрямую улучшает термоэлектрическую добротность и, в конечном итоге, добротность zT .Однако в некоторых случаях, например, в Mg ₃ Sb ₂ , SnSe и Mg ₂ Si наблюдается противоположная тенденция, когда более высокая теплопроводность решетки сообщается в мелкозернистом поликристаллическом материале, чем в крупнозернистые или монокристаллические материалы. Этот нефизический результат указывает на проблему с обычным использованием закона Видемана – Франца. Здесь мы прослеживаем этот проблемный результат к электрическому сопротивлению на границах зерен, что приводит к завышенной оценке фононного или решеточного вклада в теплопроводность κ _L .В материалах со значительным электрическим сопротивлением границ зерен расчетный электронный вклад в теплопроводность LσT является низким, поскольку измеренная электрическая проводимость σ низкая. Однако внутри зерна электроны могут по-прежнему переносить больше тепла, чем предполагает общая проводимость, что приводит к завышению κ _L , если обычный κ _L = κ – LσT использованы с измеренными значениями κ и σ .Показано, что завышение κ _L в мелкозернистых образцах распространяется на широкий спектр термоэлектрических материалов, включая Mg ₃ Sb ₂ , Mg 2 Si , PbTe, PbSe, SnSe, (Hf, Zr) CoSb, CoSb ₃ и Bi ₂ Te ₃ сплавов, и необходима поправка для правильного понимания и прогнозирования их заряда и нагрева транспорт.
4.3: Теплопроводность – Physics LibreTexts
На рисунке IV.1 показан поток тепла со скоростью dQ / dt вдоль стержня с площадью поперечного сечения A материала. По длине планки наблюдается перепад температур (поэтому по ней течет тепло). На расстоянии x от конца стержня температура составляет T ; на расстоянии x + δ x это T + δ T .Обратите внимание, что если тепло течет в положительном направлении, как показано, δ T должно быть отрицательным. То есть, ближе к правому концу планки холоднее. Температурный градиент dT / dx отрицательный. Тепло течет в направлении, противоположном градиенту температуры.
Отношение скорости теплового потока на единицу площади к отрицательному градиенту температуры называется теплопроводностью материала:
\ [\ frac {dQ} {dt} = -KA \ frac {dT} {dx}. \]
Я использую символ K для обозначения теплопроводности.Другие часто встречающиеся символы – это k или λ. Его единица СИ – Вт · м ⁻¹ K ⁻¹.
Я определил это в одномерной ситуации и для изотропной среды, в этом случае тепловой поток противоположен градиенту температуры. Можно представить, что в анизотропной среде скорость теплового потока и градиент температуры могут быть разными параллельно разным кристаллографическим осям. В этом случае тепловой поток и температурный градиент не могут быть строго антипараллельными, а теплопроводность является тензорной величиной.Такая ситуация не будет касаться нас в этой главе.
Если в нашем одномерном примере нет утечки тепла по сторонам стержня, то скорость потока тепла вдоль стержня должна быть одинаковой по всей длине стержня, что означает, что градиент температуры является однородным. по длине проволоки. Возможно, проще представить отсутствие потерь тепла с боков, чем добиться этого на практике. Если бы стержень был расположен в вакууме, не было бы потерь на теплопроводность или конвекцию, а если бы стержень был очень блестящим, потери на излучение были бы незначительными.
Значения по порядку величины теплопроводности обычных веществ
Воздух 0,03 Вт м ⁻¹ K ⁻¹
Вода 0,6
Стекло 0,8
Fe 80
Al 240
Cu 400
Легко представить, как тепло может проводиться по твердому телу, когда колебания атомов на одном конце твердого тела передаются следующим атомам, когда один атом подталкивает следующий, и так далее. Однако из таблицы видно, и во всяком случае общеизвестно, что одни вещества (металлы) проводят тепло намного лучше, чем другие.Действительно, среди металлов существует тесная корреляция между теплопроводностью и электропроводностью (при данной температуре). Это говорит о том, что механизм теплопроводности в металлах такой же, как и для электропроводности. Тепло в металле переносится в основном электронами.
Было бы интересно найти в Интернете или других источниках данные о теплопроводности и электропроводности ряда металлов. Может быть обнаружено, что теплопроводность, K , иногда указывается в незнакомых «практических» единицах, таких как БТЕ в час на квадратный фут для температурного градиента 1 F ° на дюйм, и переводят их в единицы СИ, Вт · м. ⁻¹ K ⁻¹ может быть немного сложной задачей.Электропроводность σ несколько уменьшается с повышением температуры (как и теплопроводность, но в меньшей степени), поэтому было бы важно найти их все при одинаковой температуре. 2 = 2.{-1}. \]
Здесь k – постоянная Больцмана, а e – заряд электрона. Было обнаружено, что это предсказание хорошо выполняется при комнатной температуре и выше, но при низких температурах электропроводность быстро увеличивается с понижением температуры, и отношение начинает падать значительно ниже значения, предсказанного уравнением 4.2.2, приближаясь к нулю при 0 К.
Читатель может быть знаком со следующими терминами в области электричества
Электропроводность σ
Электропроводность G
Удельное сопротивление ρ
Сопротивление R
Они связаны соотношением G = 1/ R , σ = 1 / ρ, R = ρ l / A , G = σ A / l ,
, где l и A – длина и площадь поперечного сечения проводника.Читатель, вероятно, также знает, что сопротивления складываются последовательно, а проводимости складываются параллельно. Мы можем определить некоторые аналогичные величины, относящиеся к тепловому потоку. Таким образом, удельное сопротивление обратно пропорционально проводимости, сопротивление составляет л / А, в раз больше удельного сопротивления, проводимость составляет А / л, в раз больше проводимости, и так далее. Эти концепции могут пригодиться в следующем жанре задач, любимых экзаменаторами.
Помещение имеет стены площадью A ₁, толщиной d ₁, теплопроводностью K ₁, дверь площадью A ₂, толщиной d ₂, теплопроводность K ₂, а площадь окна A ₃, толщина d ₃, теплопроводность K ₃, температура внутри T ₁ и температура на улице T ₂.Какова скорость потери тепла из помещения?
У нас есть три параллельных проводимости: \ (\ frac {K_1 A_1} {d_1}, ~ \ frac {K_2 A_2} {d_2}, \) и \ (\ frac {K_3 A_3} {d_3} \), и так что у нас
\ [\ frac {dQ} {dt} = \ left (\ frac {K_1 A_1} {d_1} + \ frac {K_2 A_2} {d_2} + \ frac {K_3 A_3} {d_3} \ right) (T_2 – Т_1).

	а	Nb ₃ Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 300K, Cu при 300K.
	б	Ag при 300K, Cu при 300K, Nb ₃ Sn при 4K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 300K.
	c	Nb ₃ Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 300K.
	d	Nb ₃ Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb ₃ Sn при 4K.
	e	Nb ₃ Sn при 4K, Cu при 300K, Nb ₃ Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.

Тип материала	k-значение (Теплопроводность) (Вт / мК)	R-значение Эквивалент (R) ³ (Час • фут ² • ºF / британских тепловых единиц)
Гранит (высокая стоимость) ¹	1.73	0,083
Гранит (низкая стоимость) ¹	3,98	0,038
Гранит (Barre) ²	2,79	0,052
Известняк (высокая ценность) ¹	1,26	0,114
Известняк (низкая стоимость) ¹	1.33	0,108
Известняк (Салем) ²	2,15	0,067
Мрамор (высокая стоимость) ¹	2,07	0,070
Мрамор (низкая стоимость) ¹	2,94	0,049
Мрамор (Halston) ¹	2.80	0,051
Песчаник (высокая ценность) ¹	1,83	0,079
Песчаник (Низкая ценность – Береа) ²	2,90	0,050
Кварцит (Sioux) ¹	5,38	0,027

Теплопроводность виды: Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

Виды теплопередачи. Теплопроводность. Конвекция. Излучение

1. Виды теплопередачи

15. Виды теплопередачи

Виды теплопередачи. Теплопроводность, конвекция, излучение

Презентация по теме “Виды теплообмена”

Документ «Виды теплопередачи.

План урока, Виды теплопередачи. Теплопроводность

7 Теплопередача, закон фурье, теплопроводность, конвекция, излучение

Рекомендуемые файлы

Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

1. Введение: открытая задача

2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Текст для составления вопросов:

Задание ученикам (слайд 6):

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

5. Д/З. На выбор учеников

Ответ (для учителя):

6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Справка: Бора

Теплопроводность – обзор

3.2.4 Теплопроводность эпоксидных смол

Теплопроводность – Энциклопедия Нового Света

Математический фон

Примеры

Список коэффициентов теплопроводности

Измерение

Стандартные методы измерения

Разница между американскими и европейскими обозначениями

Связанные термины

Первое определение (общее)

Термическое сопротивление

Второе определение (здания)

Текстильная промышленность

Истоки

См. Также

Банкноты

Список литературы

Внешние ссылки

Кредиты

Введение в термическую и электрическую проводимость (все содержание)

Содержание

Цели

Перед тем, как начать

Введение

Введение в проводимость

Электропроводность

теплопроводность:

Металлы: модель электропроводности Друде

Факторы, влияющие на электрическую проводимость

Чистые и почти чистые металлы

Сплавы – твердый раствор

Сплавы – многофазные

Металлы теплопроводные

Закон Видеманна-Франца

Электропроводность: неметаллы

Ионная проводимость

Напряжение пробоя

Неметаллы: тепловые фононы

Рассеяние Umklapp

Приложения

Кремниевые чипы

Космос

Трансмиссия

Термоэлектрический эффект

Сводка

Вопросы

Быстрые вопросы

Далее

Книги

Сайтов

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Институт натурального камня – Какой натуральный камень лучше всего подходит для обогреваемых поверхностей