Сопротивление теплопроводности материалов – :

Содержание

1.2 Теплопроводность строительных материалов

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

На
коэффициент теплопроводности материала
влияют следующие свойства материала.

Плотность
(пористость): чем больше в материале
замкнутых пор, тем меньше коэффициент
теплопроводности,
поскольку

любого
плотного материала не менее чем в 100 раз
превышает
воздуха.

  • Химико-минералогический
    состав. Любой строительный материал
    имеет в своем составе кристаллические
    и аморфные вещества в различных
    соотношениях. Чем выше процент
    кристаллических веществ, тем больше
    коэффициент теплопроводности.

  • Собственная
    температура материала. Чем она выше,
    тем большей теплопроводностью обладает
    конструкция.

  • Влажность
    материала. При увлажнении конструкции
    в поры, заполненные воздухом, попадает
    вода, коэффициент теплопроводности
    которой выше, чем у воздуха, приблизительно
    в 20 раз. Поэтому теплопроводность
    материала резко возрастает, возникает
    опасность промерзания ограждающей
    конструкции. При промерзании конструкции
    вода, находящаяся в порах, превращается
    в лёд, коэффициент теплопроводности
    которого выше, чем у воды, еще в 4 раза.
    Поэтому так важно не допускать
    переувлажнения ограждающих конструкций.

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

1.3 Термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче)

R,
м2·оС
/Вт,

важнейшее теплотехническое свойство
ограждения. Оно характеризуется разностью
температур внутренней и наружной
поверхности ограждения, через 1 м2
которого проходит 1 ватт тепловой энергии
(1 килокалория в час).

,
(2)

где
δ

толщина ограждения, м;

λ
— коэффициент теплопроводности, Вт/м·оС.

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

2. Теплопередача в однородном ограждении при установившемся потоке тепла

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

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

При
передаче тепла через ограждающую
конструкцию происходит падение
температуры от tв
до
tн.
При этом общий температурный перепад
tв
tнсостоит
из суммы трех температурных перепадов:

  1. температурный
    перепад tвв
    возникает из-за того, что температура
    внутренней поверхности ограждения τв
    всегда
    на несколько градусов ниже, чем
    температура воздуха в помещении tв;

  2. τвн
    температурный перепад в пределах
    толщины ограждающей конструкции;

  3. τнtн
    — температурный перепад, возникающий
    вследствие того, что температура
    наружной поверхности ограждения τн
    несколько
    выше температуры наружного воздуха
    tн.

Каждый
из этих температурных перепадов вызван
конкретным сопротивлением переносу
тепла:

  1. перепад
    tвв

    сопротивлением
    тепловосприятию

    внутренней поверхности ограждения Rв;

  2. перепад
    τвн
    термическим
    сопротивлением конструкции
    Rк;

  3. перепад
    τнtн
    сопротивлением
    теплоотдаче

    наружной поверхности ограждения Rн.

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

Общее
(приведенное) термическое сопротивление
однослойной ограждающей конструкции
Ro,
м2·
о
С/Вт,
равно сумме всех отдельных сопротивлений,
т. е.

,
(3)

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

αн

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

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

studfiles.net

Термическое сопротивление и коэффициенты диффузионного сопротивления строительных материалов | Строительная физика | Строительное проектирование

Коэффициент теплопроводности λ ккал/ (м • ч • °С) Нумерация Материал Объёмная масса, кг/ м3 Термическое сопротивление,м2 • ч • град/ (см •ккал) Ориентировочные значения диффузионного сопротивления μ
1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ КАМНИ И ГРУНТ
1.1. Естественные камни, растительный грунт
3 1.11 Плотные естественные камни (мрамор, гранит и т.д.)   0,003 пароизоляция
2 1.12 Пористые естественные камни(песчаник, ракушечник, конгломерат и др.)   0,005 10
1,2 1.13 Песок и гравийный песок естественной влажности 1800 0,0083 2
1,8 1.14 Связной грунт естественной влажности 1700 0,0056 2
1.2. Суглинок
0,8 1.21 Плотный суглинок и блоки из него 2100 0,0125 10
0,6 1.22 Солома с глиной 1700 0,0166 4
0,4 1.23 Лёгкий суглинок 1200 0,025 4
0,4 1.24 Жердь, обмотанная соломой с глиняной обмазкой 1600 0,025 4
1.3. Сухие заполнители перекрытий и других конструкций
0,5 1.31 Песок 1300 0,02 2
0,7 1.32 Гравий, мелкий щебень 1500 0,014 2
0,16 1.33 Пемзовый гравий 900 0,0625 2
0,16 1.34 Каменноугольный шлак 700 0,0625 2
0,12 1.35 Доменный шлак 1000 0,0835 2
0,35 1.36 Кирпичный бой   0,0286 2
2. РАСТВОРЫ И БЕТОНЫ
2.1. Штукатурка (внутренняя и наружная), бесшовные полы, растворные швы
  2.11 Известковый раствор, раствор на гидравлической извести 1700    
0,75 Известково-цементный раствор 1900 0,0133 10
1,2 2.12 Цементный раствор 2100 0,0084 15
  2.13 Гипсовый раствор, чистый гипс, известково-гипсовый раствор 1200    
0,6 Ангидритовый раствор 1700 0,0166 6
2.2. Тяжёлые и лёгкие бетоны (в бесшовных конструкциях и большеразмерных плитах)
Бетон на гравии и мелком щебне с плотной структурой
1,3 2.21 Бетоны марок В ≤ 120 2200 0,0077 20
1,75 Бетоны марок В ≤ 160 2400 0,0057 35*
0,65 2.22 Бетон на кирпичном щебне с плотной структурой 1600 0,0153 9
0,8 1800 0,0125 12
0,9 2.23 Железобетон на кирпичном щебне 2000 0,0111 18
0,55 2.24 Бетон с пористым заполнителем 1500 0,0182 3
0,7 Бетон с непористым заполнителем, например, гравием 1700 0,0143 4
0,95 1900 0,0105 6
0,4 2.25 Бетон на кирпичном щебне 1200 0,025 3
0,5 Бетон на доменном шлаке 1400 0,02 4
0,65 Бетон на пористом шлаке 1600 0,0154 6
0,25 2.26 Пемзобетон, керамзитобетон и бетон на вспененном или гранулированном доменном шлаке 800 0,04 2,5
0,3 1000 0,033 6
0,4 1200 0,025 10
0,12 2.27 Газо- и пенобетон с паропрогревом, лёгкий известковый бетон 400 0,0835 2,5
0,16 500 0,0625 3
0,2 600 0,05 3,5
0,25 800 0,04 6,5
0,3 1000 0,033 10
0,35 2.28 Деревобетон 80 0,0286 3
0,45 1000 0,0222 3,5
2.3. Бетонные и гипсовые плиты
0,3 2.31 Асбестоцементные плиты прессованные и непресованные 1800 0,033 34
0,3 2.32 Стеновые блоки из лёгкого бетона (DIN 18162) 2200 0,033 34
0,25 2.321 Сборные плиты из естественной пемзы 800 0,04 2,2
0,3 2.322 Панели из керамзито- и пенобетона 1000 0,033 5
0,4 2.323 Шлакабетонные блоки 1200 0,025 10
0,5 2.324 Панели из бетона на спекшейся пемзе, кирпичном щебне, туфе, легкобетонные панели на смешанном заполнителе 1400 0,02 10
2.33. Гипсовые панели (DIN 18163)
0,25 2.331 Пористый гипс 600 0,04 2
0,28 700 0,036 2
0,35 2.332 Гипс с наполнителем, пустотами или порами 900 0,029 3,5
0,4 2.333 Гипс (гипсовые панели) 1000 0,025 6
0,5 1200 0,2 6
0,5 2.334 Гипс со смешанным заполнителем 1200 0,2 6
0,18 2.34 Гипсовые плиты с двусторонней картонной обшивкой толщиной до 15 мм 1200 0,056 6
2.4. Кладка из бетонных камней (включая растворные швы)
  2.41 Силикатный кирпич (DIN106, ч.1)
0,9 2.411 Твёрдый силикатный кирпич > 1800 0,011 30
0,9 2.412 Полнотелый силикатный кирпич > 1800 0,011 30
0,85 1800 0,0118 30
0,6 2.413 Дырчатый силикатный кирпич 1200 0,0209 5
0,48 1440 0,0167 7
0,48 2.414 Пустотелые силикатные блоки 1000 0,0232 3,5
0,43 1200 0,0209 5
0,6 2.42 Керамзитовые блоки (DIN 398)
0,75 2.421 Керамзитовые блоки марок HS100 и HS150 1800 0,0167 10
0,35 2.422 Керамзитовые блоки марки HHS 1800 0,0133 15
0,4 2.43 Легкобетонные полнотелые блоки (DIN 18152) 1000 0,025 3,5
0,45 1200 0,0222 5
0,55 1400 0,0182 6,5
0,68 1600 0,0147 9
  2.44 Легкобетонные пустотелые блоки (DIN 18151)
0,38 2.441 Двухкамерные блоки 1000* 0,0263 2
0,42 1200* 0,0238 2,5
0,48 1400* 0,0209 3,5
0,42 2.442 Трёхкамерные блоки 1400* 0,0238 3,5
0,48 1800* 0,0209 4,5
0,3 2.45 Газо- и пенобетонные блоки (DIN 4165) и лёгкие известково-бетонные блоки с паропрогревом 600 0,0333 3,5
0,35 800 0,025 10
0,4 1000 0,025 10
0,38 2.46 То же, с твердением на воздухе 800 0,0263 6
0,48 1000 0,0209 10
0,6 1200 0,0167 16
0,38 2.47 Блоки из деревобетона 800 0,0263 3
0,48 1000 0,0208 3,5
3. КИРПИЧ И ПЛИТКА
3.1. Кладка из кирпича (DIN 105), включая растворные швы
0,9 3.11 Клинкер для надземных сооружений ≥ 1900 0,011 20
0,68 3.12 Клинкер с вертикальными пустотами 0,0147 20
0,4 3.13 Полнотелый кирпич, облицовочный кирпич 1000 0,025 3,5
0,45 1200 0,022 4,5
0,52 1400 0,0192 6
0,68 1800 0,0147 10
0,4 3.14 Дырчатый кирпич, дырчатый облицовочный кирпич 1000 0,025 3,5
0,45 1200 0,022 4,5
0,52 1400 0,0192 6
0,9 3.2 Керамическая плитка 2000 0,011 200
4. СТЕКЛО
0,7 4,1 Листовое стекло (оконное, среднее значение)   0,0142
5. МЕТАЛЛЫ
50 5.1 Чугун и сталь   0,0002
330 5.2 Медь   0,00003
55 5.3 Бронза, медное литьё   0,00018
175 5.4 Аллюминий   9000000
6. ДРЕВЕСИНА, ВЫСУШЕННАЯ НА ВОЗДУХЕ (DIN 4074)
0,18 6.1 Дуб 800 0,056 100
0,15 6.2 Бук 800 0,067 80
0,12 6.3 Ель, сосна, пихта 600 0,083 110
0,12 6.4 Клееная фанера 600 0,083 100
7. ИСКУССТВЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
0,16 7.1 Линолеум 1200 0,062 пароизоляция
  7.2 Ксилолитовые и аналогичные покрытия (DIN 272)
0,4 7.21 Подготовка и нижний слой двухслойных полов 1800 0,025 пароизоляция
0,6 7.22 Промышленные полы и ходовой слой 2200 0,016 пароизоляция
8. БИТУМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
0,6 8.1 Асфальт 2100 0,017 пароизоляция
0,15 8.2 Битумы 1050 0,067 пароизоляция
0,16 8.3 Кровельный картон 1100 0,063 пароизоляция
9. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
0,035** 9.1 Минеральные волокнистые теплоизоляционные материалы (стекло-, каменно-, шлаковолокнистые, DIN 18165) 30 – 200 0,286** 1,4
0,04** 9.2 Растительные волокнистые теплоизоляционные материалы (из морской травы, кокосовые, древесные, торфоволокнистые, DIN 18165) 30 – 200 0,25** 2
0,06 9.3 Строительная шлаковата без наполнителя   0,167 1,4
0,12 9.4 Лёгкие плиты из древесной шерсти (DIN 1101) толщиной 15 мм 570 0,083 11
0,08 То же, толщиной 25 и 35 мм 460/ 415 0,125 6,5
0,07 То же, толщиной 50 мм и более 390/ 360 0,14 4
0,04 9.5 Древесно-волокнистые плиты 200 0,2 3
0,05 300 0,2 3
0,035 9.6 Пробковые плиты 120 0,286 30
0,038 160 0,63 30
0,04 200 0,25 30
0,055 9.7 Паркет из пробковых плит 450 0,182  
0,04 9.8 Плиты из волокнистого картона с пропиткой битумом 55 0,25 пароизоляция
0,035 9.9 Вспененная синтетическая смола в виде брусков и хлопьев   0,286   
0,035* Стипорол типа 1 13 и более 0,286** 25
0,035 Стипорол типа 2 16 и более 0,286 33
0,035 Стипорол типа 3 20 и более 0,286 42
Стипорол типа 4 25 и более 0,286 50
Коэффициент теплопроводности λ ккал/ (м • ч • °С) Нумерация Материал Объёмная масса, кг/ м3 Термическое сопротивление,м2 • ч • град/ (см •ккал) Ориентировочные значения диффузионного сопротивления μ

neufert.totalarch.com

Теплопроводность. Коэффициент теплопроводности материала. Термическое сопротивление.

4. Теплоотдача у поверхности ограждения. Закон Ньютона. Коэффициент теплоотдачи.

Теплоотдача – теплообмен между поверхностью твердого тела и подвижной средой.

5. Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций. Требуемое сопротивление теплопередаче. Рекомендации по выбору ограждающих конструкций с заданными теплозащитными свойствами.

6. Распределение температур в ограждающих конструкциях. Определение температур по толщине стены графическим способом.

 

7. Сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций. нормирование площади остекления. Выбор окон с высокими теплозащитными свойствами.

f – это выраженное в процентах отношение площадей окон к суммарной площади наружных стен, включающей светопроемы, все продольные и торцевые стены.

· Если коэффициент остекленности фасада f не превышает 18% — для жилых зданий и 25% — для общественных зданий, то конструкция окон выбирается следующим образом:

o рассчитывается требуемое сопротивление (Rreq = a · D + b , a и b – коэффициенты для соответствующих групп зданий и вида ограждающих конструкций. D – градусо-сутки D = (tint – tht)· zht; tint – расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, tht , zht – средняя температура наружного воздуха и продолжительность в сутках отопительного периода)

o выбирается светопрозрачная конструкция из условия: R0 ≥ Rreq.

 

· Если коэффициент остекленности фасада f более 18% — для жилых зданий и более 25% — для общественных зданий, то следует выбрать окна с приведенным сопротивлением теплопередаче R0 :

не менее 0,51, если D <=3500, °С×сут;

не менее 0,56, если 3500 <D <=5200, °С×сут;

не менее 0,65, если 5200 < D <=7000, °С×сут.

Конструкцию окна выбираем.

8. Санитарно- гигиеническое требование к ограждающим конструкциям.

В холодный период года температура внутренней поверхности ограждения tsi несколько ниже, чем температура воздуха помещения tint. Воздух, соприкасаясь с холодной поверхностью, также будет охлаждаться. Если температура поверхности достаточно низкая, водяной пар, содержащийся в воздухе, будет конденсироваться на ней в виде мелких капель. Конденсация влаги из воздуха будет происходить, если температура внутренней поверхности ограждения окажется ниже точки росы внутреннего воздуха. Образовавшийся конденсат приводит к отсыреванию поверхности, появлению на ней плесени и т.д., что вредно сказывается на здоровье людей. Поэтому практически для всех помещений устанавливается санитарно-гигиеническое требование, согласно которому должно быть исключено выпадение конденсата на всех участках внутренней поверхности наружных ограждений (кроме окон). Следовательно, должно выполняться условие


tsi > td ,

где td – точка росы внутреннего воздуха. (- Это температура, при которой данное парциальное давление водяного пара eint будет = давлению насыщенного водяного пара).

9. Характеристики влажностного состояния воздуха.

10. Конденсация влаги на внутренней поверхности ограждения. Меры по ее предотвращению.

11. процесс паропроницания и его характеристики.

Паропроницание – процесс диффузии водяного пара через ограждающую конструкцию, обусловленный разностью парциальных давлений по обе стороны конструкции.

12. Нарушение влажностного режима ограждающей конструкции. Пароизоляция.

13. Ветровой режим, его характеристики. Учет ветрового режима при проектировании зданий.

Для создания аэрации будущей застройки учитывают данные о ветровом режиме местности. Комфортный аэрационный режим обеспечивает проветривание территорий, необходимое для удаления загрязнителей из ее воздушного пространства. Регулирование аэрационного режима осуществляют путем создания специальными приемами застройки ветрового затенения территории или, наоборот, ее проветривания.

Например, применяют ветрозащитные протяжные прямолинейные или многогранные здания, расположенные фасадами перпендикулярно или под небольшим углом к ветрам, господствующим в зимний период. Зимой сочетание низких температур даже с ветром, характеризующимся комфортной скоростью, отрицательно сказывается на самочувствии человека. Ветрозащитные здания используют как экраны или формируют из них аэродинамические комплексы, внутри которых, в зоне ветровой тени, располагают здания обычного типа. Длина ветровой тени здания зависит от его длины, высоты, положения по отношению к направлению ветра, а также орографии участка застройки. Применяют ветрозащитные пояса зеленых насаждений.


В условиях малых скоростей ветра используют здания типа башен, а многосекционные здания располагают под углом 45° к направлению благоприятного ветра, так как при такой постановке здания резко снижаются размеры ветровой тени. При направлении ветра вдоль фасадов зданий исходная скорость ветра практически не снижается, а около наветренных торцов образуются зоны повышенных скоростей ветра. Специальными приемами застройки можно эффективно регулировать аэрационные режимы.

cyberpedia.su

Теплопроводность • ru.knowledgr.com

В физике теплопроводность (часто обозначал k, λ, или κ) является собственностью материала провести высокую температуру. Это оценено прежде всего с точки зрения Закона Фурье для тепловой проводимости.

Теплопередача происходит по более высокому уровню через материалы высокой теплопроводности, чем через материалы низкой теплопроводности. Соответственно, материалы высокой теплопроводности широко используются в приложениях теплоотвода, и материалы низкой теплопроводности используются в качестве тепловой изоляции. Теплопроводность материала может зависеть от температуры. Аналог теплопроводности называют тепловым удельным сопротивлением.

Единицы теплопроводности

В единицах СИ теплопроводность измерена в ваттах за метр kelvin (W / (m · K)).

Измерение теплопроводности — MLTΘ. Эти переменные — (M) масса, (L) длина, (T) время и (Θ) температура.

В Имперских единицах теплопроводность измерена в BTU / (час · ft ⋅ ° F).

Другие единицы, которые тесно связаны с теплопроводностью, распространены в строительстве и текстильных отраслях промышленности. Строительная промышленность использует единицы, такие как R-стоимость (сопротивление) и U-стоимость (проводимость). Хотя связано с теплопроводностью материала, используемого в продукте изоляции, R и U-ценностях зависят от толщины продукта.

Аналогично у текстильной промышленности есть несколько единиц включая пальто и clo, которые выражают тепловое сопротивление материала в пути, аналогичном R-ценностям, используемым в строительной промышленности.

Измерение

Есть много способов измерить теплопроводность. Каждый из них подходит для ограниченного диапазона материалов, в зависимости от тепловых свойств и средней температуры. Между установившимися и переходными методами есть различие.

В целом установившиеся методы полезны, когда температура материала не изменяется со временем. Это делает анализ сигнала прямым (устойчивое состояние подразумевает постоянные сигналы). Недостаток — то, что хорошо спроектированная экспериментальная установка обычно необходима. Разделенный Бар (различные типы) является наиболее распространенным устройством, используемым для объединенных горных твердых частиц.

Экспериментальные значения

Теплопроводность важна в материальной науке, исследовании, электронике, теплоизоляции и смежных областях, особенно где высокие рабочие температуры достигнуты. Несколько материалов показывают в списке тепловых проводимостей. Их нужно считать приблизительными из-за неуверенности, связанной с материальными определениями.

Высокие темпы производства энергии в пределах электроники или турбин требуют использования материалов с высокой теплопроводностью, таких как медь (см.: Медь в теплообменниках), алюминий и серебро. С другой стороны, материалы с низкой тепловой проводимостью, такие как полистирол и глинозем, используются в строительстве или в печах, чтобы замедлить поток высокой температуры, т.е. в целях изоляции.

Определения

Аналог теплопроводности — тепловое удельное сопротивление, обычно выражаемое в kelvin-метрах за ватт (K · m · W). Для данной толщины материала, что тепловое сопротивление особого строительства и взаимная собственность, тепловая проводимость, могут быть вычислены. К сожалению, там отличаются определения для этих условий.

Проводимость

Для общего научного использования тепловая проводимость — количество высокой температуры, которая проходит в единицу времени через пластину особой области и толщины, когда ее противоположные лица отличаются по температуре одним kelvin. Для пластины теплопроводности k, область A и толщина L, вычисленная проводимость является kA/L, измеренным в W · K (эквивалентный: W / ° C). Тепловой проводимостью которого особое строительство — инверсия теплового сопротивления. Теплопроводность и проводимость походят на электрическую проводимость (A · m · V) и электрическая проводимость (A · V).

Есть также мера, известная как коэффициент теплопередачи: количество высокой температуры, которая проходит в единицу времени через область единицы пластины особой толщины, когда ее противоположные лица отличаются по температуре одним kelvin. Аналог — тепловое сопротивление изоляции. Таким образом:

  • тепловая проводимость = kA/L, измеренный в W · K
  • тепловое сопротивление = L / (kA), измеренный в K · W (эквивалентный: °C/W)
  • коэффициент теплопередачи = k/L, измеренный в W · K · m
  • тепловое сопротивление изоляции = L/k, измеренный в K · m · W.

Коэффициент теплопередачи также известен как тепловой доступ в том смысле, что, может быть замечен как допускающий, что высокая температура течет.

Сопротивление

Тепловое сопротивление — способность материала сопротивляться потоку высокой температуры.

Тепловое сопротивление — аналог тепловой проводимости, т.е., понижать ее стоимость поднимет тепловую проводимость и наоборот.

Когда тепловые сопротивления происходят последовательно, они совокупные. Таким образом, когда тепловые потоки последовательно через два компонента каждый с сопротивлением 3 °C/W, полное сопротивление 3+3=6 °C/W.

Общая проблема инженерного проектирования включает выбор соответствующего размерного теплоотвода для данного источника тепла. Работа в единицах теплового сопротивления значительно упрощает вычисление дизайна. Следующая формула может использоваться, чтобы оценить работу:

:

где:

  • R — максимальное тепловое сопротивление теплоотвода к окружающему в °C/W (эквивалентный K/W)
  • ΔT — необходимый перепад температур (температурное снижение) в °C
  • P — тепловая власть (тепловой поток) в ваттах
  • R — тепловое сопротивление источника тепла в °C/W

Например, если компонент производит 100 Вт высокой температуры и имеет тепловое сопротивление 0.5 °C/W, каково максимальное тепловое сопротивление теплоотвода? Предположим, что максимальная температура — 125 °C, и температура окружающей среды — 25 °C; тогда ΔT — 100 °C. Тепловое сопротивление теплоотвода окружающему должно тогда быть 0.5 °C/W или меньше (компонент полного сопротивления, и теплоотвод — тогда 1.0 °C/W).

Коэффициент пропускания

Третий срок, тепловой коэффициент пропускания, определяет количество тепловой проводимости структуры наряду с теплопередачей из-за конвекции и радиации. Это измерено в тех же самых единицах как тепловая проводимость и иногда известно как сложная тепловая проводимость. Термин U-стоимость часто используется.

Доступ

Тепловой доступ материала, такого как строительная ткань, является мерой способности материала передать высокую температуру в присутствии перепада температур на противоположных сторонах материала. Тепловой доступ измерен в тех же самых единицах как коэффициент теплопередачи, власть (ватты) за область единицы (квадратные метры) за изменение температуры (kelvin). Тепловой доступ строительной ткани затрагивает тепловой ответ здания на изменение в наружной температуре.

Влияние на факторы

Температура

Эффект температуры на теплопроводности отличается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость происходит прежде всего из-за свободных электронов. После закона Видемана-Франца теплопроводность металлов приблизительно пропорциональна абсолютной температуре (в kelvin) времена электрическая проводимость. В чистых металлах электрические уменьшения проводимости с увеличением температуры и таким образом продукт этих двух, теплопроводности, остается приблизительно постоянным. В сплавах изменение в электрической проводимости обычно меньше и таким образом увеличения теплопроводности с температурой, часто пропорционально к температуре.

С другой стороны, тепловая проводимость в неметаллах происходит главным образом из-за колебаний решетки (фононы). За исключением высококачественных кристаллов при низких температурах, фонон означает, что свободный путь не уменьшен значительно при более высоких температурах. Таким образом теплопроводность неметаллов приблизительно постоянная при низких температурах. При низких температурах значительно ниже температуры Дебая, уменьшений теплопроводности, как делает теплоемкость.

Химическая фаза

Когда материал подвергается фазовому переходу от тела до жидкости, или от жидкости до газа может измениться теплопроводность. Примером этого было бы изменение в теплопроводности, которая происходит когда лед (теплопроводность 2,18 Вт / (m · K) в 0 °C), тает, чтобы сформировать жидкую воду (теплопроводность 0,56 Вт / (m · K) в 0 °C).

Тепловая анизотропия

Чистые прозрачные вещества могут показать различные тепловые проводимости вдоль различных кристаллических топоров, из-за различий в сцеплении фонона вдоль данной кристаллической оси. Сапфир — известный пример переменной теплопроводности, основанной на ориентации и температуре с 35 Вт / (m · K) вдоль C-оси и 32 Вт / (m · K) вдоль A-оси.

Электрическая проводимость

В металлах теплопроводность приблизительно отслеживает электрическую проводимость согласно закону Видемана-Франца, поскольку свободно движущиеся электроны валентности передают не только электрический ток, но также и тепловую энергию. Однако общая корреляция между электрической и тепловой проводимостью не держится для других материалов, из-за увеличенной важности перевозчиков фонона для высокой температуры в неметаллах. Высоко электрически проводящее серебро менее тепло проводящее, чем алмаз, который является электрическим изолятором, но из-за его организованного множества атомов это проводящее из высокой температуры через фононы.

Магнитное поле

Влияние магнитных полей на теплопроводности известно как эффект Righi-Ледука.

Конвекция

Воздух и другие газы — вообще хорошие изоляторы, в отсутствие конвекции. Поэтому, много изоляционных материалов функционируют просто при наличии большого количества газонаполненных карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию. Примеры их включают расширенный и вытесненный полистирол (обычно называемый «пенополистиролом») и аэрогель кварца, а также теплая одежда. Естественные, биологические изоляторы, такие как мех и перья достигают подобных эффектов, существенно запрещая конвекцию воздуха или воды около шкуры животного.

У

легких газов, таких как водород и гелий, как правило, есть высокая теплопроводность. У плотных газов, таких как ксенон и dichlorodifluoromethane есть низкая теплопроводность. У исключения, гексафторида серы, плотного газа, есть относительно высокая теплопроводность из-за ее способности высокой температуры. Аргон, газ, более плотный, чем воздух, часто используется в изолированном застеклении (дважды застекленные окна), чтобы улучшить их особенности изоляции.

Физическое происхождение

Тепловым потоком чрезвычайно трудно управлять и изолировать в лабораторном урегулировании. На атомном уровне нет никаких простых, правильных выражений для теплопроводности. Атомарно, теплопроводность системы определена тем, как взаимодействуют атомы, составляющие систему. Есть два разных подхода для вычисления теплопроводности системы.

  • Первый подход использует Зеленые-Kubo отношения. Хотя это использует аналитические выражения, которые, в принципе, могут быть решены, вычислив теплопроводность плотной жидкости, или тело, используя это отношение требует использования молекулярного компьютерного моделирования динамики.
  • Второй подход основан на подходе времени релаксации. Из-за anharmonicity в пределах кристаллического потенциала, фононы в системе, как известно, рассеиваются. Есть три главных механизма для рассеивания:
  • Граничное рассеивание, фонон, поражающий границу системы;
  • Массовое рассеивание дефекта, фонон, поражающий примесь в пределах системы и рассеивания;
  • Рассеивание фонона фонона, фонон, врывающийся в два более низких энергетических фонона или фонон, сталкивающийся с другим фононом и сливающийся в один фонон более высокой энергии.

Волны решетки

Перенос тепла и в аморфных и в прозрачных диэлектрических твердых частицах посредством упругих колебаний решетки (фононы). Этот способ транспортировки ограничен упругим рассеиванием акустических фононов в дефектах решетки. Эти предсказания были подтверждены экспериментами Чанга и Джонса на коммерческих очках и стеклокерамиках, где средние свободные пути были ограничены «внутренней границей, рассеивающейся» к шкалам расстояний от 10 см до 10 см.

Фонон средний свободный путь был связан непосредственно с эффективной продолжительностью релаксации для процессов без направленной корреляции. Если V скорость группы пакета волны фонона, то продолжительность релаксации определена как:

:

где t — характерное время релаксации. Так как у продольных волн есть намного большая скорость фазы, чем поперечные волны, V намного больше, чем V, и продолжительность релаксации или средний свободный путь продольных фононов будут намного больше. Таким образом теплопроводность будет в основном определена скоростью продольных фононов.

Относительно зависимости скорости волны на длине волны или частоте (дисперсия), низкочастотные фононы длинной длины волны будут ограничены в продолжительность релаксации упругим Рейли, рассеивающимся. Этот тип рассеяния света от мелких частиц пропорционален четвертой власти частоты. Для более высоких частот уменьшится власть частоты, до при самом высоком рассеивании частот почти независимая частота. Подобные аргументы были впоследствии обобщены ко многому стакану, формирующему вещества, используя Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

Фононы в акустическом отделении доминируют над тепловой проводимостью фонона, поскольку у них есть большая энергетическая дисперсия и поэтому большее распределение скоростей фонона. Дополнительные оптические способы могли также быть вызваны присутствием внутренней структуры (т.е., обвинение или масса) в пункте решетки; подразумевается, что скорость группы этих способов низкая, и поэтому их вклад в теплопроводность решетки λ маленький.

Каждый способ фонона может быть разделен на одно продольное и два поперечных отделения поляризации. Экстраполируя феноменологию решетки указывает на элементарные ячейки, замечено, что общее количество степеней свободы 3pq, когда p — число примитивных клеток с q атомами/элементарной ячейкой. От этих только 3 пунктов связаны с акустическими способами, остающиеся 3 пункта (q-1) приспособлены через оптические отделения. Это подразумевает, что структуры с большим p и q содержат большее число оптических способов и уменьшенного λ.

От этих идей можно прийти к заключению, что увеличение кристаллической сложности, которая описана фактором сложности CF (определенный как число элементарной ячейки атомов / примитивной элементарной ячейки), уменьшает λ. Мишлин Руфос и П.Г. Клеменс получили точную пропорциональность в их статье Thermal Conductivity of Complex Dielectric Crystals at Phys. Ред. B 7, 5379-5386 (1973). Это было сделано, предположив, что время релаксации τ уменьшается с растущим числом атомов в элементарной ячейке и затем вычислении параметров выражения для теплопроводности в высоких температурах соответственно.

Описание anharmonic эффектов сложное, потому что точное лечение как в гармоническом случае не возможно, и фононы больше не точный eigensolutions к уравнениям движения. Даже если бы состояние движения кристалла могло бы быть описано с плоской волной в определенное время, его точность прогрессивно ухудшалась бы со временем. Развитие времени должно было бы быть описано, введя спектр других фононов, который известен как распад фонона. Два самых важных anharmonic эффекта — тепловое расширение и теплопроводность фонона.

Только, когда фонон номер «n» отклоняется от «n» стоимости равновесия, может тепловой ток возникать, как заявлено в следующем выражении

:

где v — энергетическая транспортная скорость фононов. Только два механизма существуют, который может вызвать изменение времени «n» в особом регионе. Число фононов, которые распространяются в область из соседних областей, отличается от тех, которые распространяются, или распад фононов в той же самой области в другие фононы. Специальная форма уравнения Больцманна

:

государства это. Когда условия устойчивого состояния приняты, полное производное число времени числа фонона — ноль, потому что температура постоянная вовремя, и поэтому число фонона остается также постоянным. Изменение времени из-за распада фонона описано со временем релаксации (τ) приближение

:

который заявляет что, чем больше число фонона отклоняется от его стоимости равновесия, тем больше его изменения времени увеличивается. При условиях устойчивого состояния и местном тепловом равновесии приняты, мы получаем следующее уравнение

:

Используя приближение времени релаксации для уравнения Больцманна и принятие установившихся условий, может быть определена теплопроводность фонона λ. Температурная зависимость для λ происходит из разнообразия процессов, значение которых для λ зависит от диапазона температуры интереса. Подразумевайте, что свободный путь — один фактор, который определяет температурную зависимость для λ, как заявлено в следующем уравнении

:

где Λ — средний свободный путь для фонона и обозначает теплоемкость. Это уравнение — результат объединения четырех предыдущих уравнений друг с другом и зная это для кубических или изотропических систем и.

При низких температурах (определен определенной высокой температурой и поэтому пропорционален T.

Квазиимпульс фонона определен как ℏq и отличается от нормального импульса вследствие того, что это только определено в пределах произвольного взаимного вектора решетки. При более высоких температурах (10 K и квазиимпульс, где q — вектор волны фонона инцидента и q, q являются векторами волны проистекающих фононов, может также включить взаимный вектор решетки G усложнение энергетического транспортного процесса. Эти процессы могут также полностью изменить направление энергетического транспорта.

Поэтому, эти процессы также известны как Umklapp (U) процессы и могут только произойти, когда фононы с достаточно большими q-векторами взволнованы, потому что, если сумма qand q пункты за пределами Бриллюэна не зонируют импульс, сохранен, и процесс — нормальное рассеивание (N-процесс). Вероятность фонона, чтобы иметь энергию E дана распределением Больцмана. К U-процессу, чтобы произойти распадающийся фонон, чтобы иметь вектор волны q, который является примерно половиной диаметра зоны Бриллюэна, потому что иначе квазиимпульс не был бы сохранен.

Поэтому, эти фононы должны обладать энергией, который является значительной частью энергии Дебая, которая необходима, чтобы произвести новые фононы. Вероятность для этого пропорциональна, с. У температурной зависимости среднего свободного пути есть показательная форма. Присутствие взаимного вектора волны решетки подразумевает чистый фонон backscattering и сопротивление фонону и тепловому транспорту, заканчивающемуся конечный λ, поскольку это означает, что импульс не сохранен. Только процессы несохранения импульса могут вызвать тепловое сопротивление.

При высоких температурах (T> Θ) у среднего свободного пути и поэтому λ есть температурная зависимость T, к которому прибывает от формулы, делая следующее приближение

Теплопроводность обычно описывается уравнением Больцманна с приближением времени релаксации, в котором рассеивание фонона — ограничивающий фактор. Другой подход должен использовать аналитические модели или молекулярную динамику, или Монте-Карло базировал методы, чтобы описать теплопроводность в твердых частицах.

Короткие фононы длины волны сильно рассеяны атомами примеси, если сплавленная фаза присутствует, но середина и длинные фононы длины волны менее затронуты. Середина и длинные фононы длины волны несут значительную часть высокой температуры, так чтобы далее уменьшить теплопроводность решетки, нужно ввести структуры, чтобы рассеять эти фононы. Это достигнуто, введя механизм рассеивания интерфейса, который требует структур, характерная длина которых более длительна, чем тот из атома примеси. Некоторыми возможными способами понять эти интерфейсы является nanocomposites и включенный nanoparticles/structures.

Электронная теплопроводность

Горячие электроны от более высоких энергетических государств несут больше тепловой энергии, чем холодные электроны, в то время как электрическая проводимость довольно нечувствительна к энергетическому распределению перевозчиков, потому что сумма обвинения, что электроны несут, не зависит от их энергии. Это — физическая причина большей чувствительности электронной теплопроводности к энергетической зависимости плотности государств и время релаксации, соответственно.

Махан и Софо (PNAS 1996 93 (15) 7436-7439) показали, что материалы с определенной электронной структурой уменьшили электронную теплопроводность. Основанный на их анализе можно продемонстрировать, что, если электронная плотность государств в материале близко к функции дельты, электронная теплопроводность опускается до нуля. Беря следующее уравнение, где λ — электронная теплопроводность, когда электрохимический потенциальный градиент в образце — ноль как отправная точка. Так же следующий шаг транспортные коэффициенты написан как после

:,

:

:,

где и радиус Бора. Безразмерные интегралы я определен как

:,

где s (x) является безразмерной транспортной функцией распределения. Интегралы я — моменты функции

:,

где x — энергия перевозчиков. Заменяя предыдущими формулами транспортный коэффициент к уравнению для λ мы получаем следующее уравнение

:.

От предыдущего уравнения мы видим, что λ, чтобы быть нолем член в скобках, содержащий, я называю, должен быть ноль. Теперь, если мы принимаем это

:,

где δ — функция дельты Дирака, я называю, получают следующие выражения

:,

:,

:.

Заменяя этими выражениями на уравнение для λ, мы видим, что это идет в ноль. Поэтому, P (x) должна быть функция дельты.

Уравнения

В изотропической среде теплопроводность — параметр k в выражении Фурье для теплового потока

:

где тепловой поток (количество тепла, текущее в секунду и за область единицы) и температурный градиент. Знак в выражении выбран так, чтобы всегда k> 0, поскольку высокая температура всегда вытекала из высокой температуры к низкой температуре. Это — прямое следствие второго закона термодинамики.

В одномерном случае q = H/A с H количество тепла, текущее в секунду через поверхность с областью A и температурный градиент, является dT/dx так

:

В случае тепло изолированного бара (кроме в концах) в устойчивом состоянии H постоянный. Если A постоянный также, выражение может быть объединено с результатом

:

где T и T — температуры в горячем конце и холодном конце соответственно, и L — длина бара. Удобно ввести интеграл теплопроводности

:

Уровень теплового потока тогда дан

:

Если перепад температур — маленький k, может быть взят в качестве постоянного. В этом случае

:

Простая кинетическая картина

В этой Секции мы получим выражение для теплопроводности. Рассмотрите газ с ужасными взаимодействиями, но незначительным объемом в пределах вертикального температурного градиента. Верхняя сторона горячая и более низкий холод стороны. Есть нисходящий энергетический поток вследствие того, что у газовых атомов, понижения, есть более высокая энергия, чем атомы повышение. Чистый поток энергии в секунду — тепловой поток H. Тепловой поток пропорционален числу частиц, которые пересекают область в секунду. Это число пропорционально продукту nvA, где n — плотность частицы и v средняя скорость частицы. Величина теплового потока также будет пропорциональна на сумму энергии, транспортируемой за частицу так с теплоемкостью за частицу c и некоторый характерный перепад температур ΔT. До сих пор у нас есть

:

Единица H — J/s, и правой стороны это (particle/m) • (m/s) • (J / (K • частица)) • (m) • (K) = J/s, таким образом, это уже имеет правильное измерение. Только числовой фактор отсутствует. Для ΔT мы берем перепад температур газа между двумя столкновениями

:

где l — средний свободный путь. Подробные кинетические вычисления показывают, что числовой фактор-1/3, таким образом, в целом,

:

Сравнение с выражением с одним измерением для теплового потока, данного выше, дает как конечный результат

:

Плотность частицы и теплоемкость за частицу могут быть объединены как теплоемкость за единичный объем

так

:

где C — теплоемкость коренного зуба в постоянном объеме и V объем коренного зуба.

Для ужасного газа средний свободный путь дан

:

где σ — поперечное сечение столкновения. Так

:

Теплоемкость за частицу c и поперечное сечение σ оба является температурным независимым политиком, таким образом, температурная зависимость k определена зависимостью T v. Для monatomic газа, с атомной массой M, v дан

:

Так

:

Это выражение также показывает, почему у газов с малой массой (водород, гелий) есть высокая теплопроводность.

Для металлов при низких температурах высокую температуру несут, главным образом, свободные электроны. В этом случае средняя скорость — скорость Ферми, которая является температурным независимым политиком. Средний свободный путь определен примесями и кристаллическими недостатками, которые являются температурным независимым политиком также. Таким образом, единственное температурно-зависимое количество — теплоемкость c, который, в этом случае, пропорционален T. Так

:

с k константа. Для чистых металлов, таких как медь, серебро, и т.д. l большое, таким образом, теплопроводность высока. При более высоких температурах средний свободный путь ограничен фононами, таким образом, теплопроводность имеет тенденцию уменьшаться с температурой. В сплавах плотность примесей очень высока, таким образом, l и, следовательно k, маленькие. Поэтому сплавы, такие как нержавеющая сталь, могут использоваться для тепловой изоляции.

См. также

  • Медь в теплообменниках
  • Теплопередача
  • Механизмы теплопередачи
  • Изолированные трубы
  • Граничное тепловое сопротивление
  • Лазерный анализ вспышки
  • Определенная высокая температура
  • Тепловой квант проводимости
  • Тепловая проводимость контакта
  • Тепловая диффузивность
  • Тепловой ректификатор
  • Тепловое сопротивление в электронике

Примечания

Ссылки

Дополнительные материалы для чтения

  • Halliday, Дэвид; Resnick, Роберт; & Ходок, Джирл (1997). Основные принципы Физики (5-й редактор). John Wiley and Sons, нью-йоркский ISBN 0-471-10558-9.
  • Сривэстэва Г. П (1990), физика фононов. Адам Хилджер, IOP Publishing Ltd, Бристоль.
  • ТМ 5-852-6 АФРИКАНСКИХ 88-19, Том 6 (Публикация инженерного войска)
  • Рид, C. R., Prausnitz, J. M., Полинг Б. Э., Свойства газов и жидкостей, IV выпусков, Graw-холма МГц, 1 987
  • Р. Джовен, R. Десять кубометров, А. Ахмед, П. Рузбехджэвэн, Б. Минэи, «Тепловые свойства углеволокна / соединения эпоксидной смолы с различной тканью переплетаются», в: SAMPE Международные Слушания Симпозиума, Чарлстон, Южная Каролина; 2 012

Внешние ссылки

  • Воздушный калькулятор теплопроводности
  • J Chem смеси газа Физики

ru.knowledgr.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о