От чего зависит скорость теплопроводности
Явление теплопроводности наблюдается всегда, если в веществе имеется разность температур, обусловленная какими-либо внешними причинами. С макроскопической точки зрения явление теплопроводности заключается в переносе тепла от горячего слоя к холодному и продолжающемуся до тех пор, пока температура во всем теле не выровняется. В молекулярно-кинетической же теории процесс теплопроводности объясняется тем, что молекулы из горячего слоя, где они имеют большую среднюю кинетическую энергию, проникая в холодную область, передают при столкновениях молекулам этой области часть их кинетической энергии.
Пусть изменение температуры вещества происходит вдоль оси X, в то время как в плоскости, перпендикулярной этой оси, температура постоянна. Опытным путем Ж. Фурье установил закон, согласно которому количество тепла, переносимое за время dt через площадку dS, перпендикулярную оси X, пропорционально величине площадки, времени переноса и градиенту dT/dx температуры:
где – коэффициент теплопроводности, который, как видно из закона Ж. Фурье, имеет в системе СИ размерность Дж/(м•с•K) = Вт/(м•K), и численно равен количеству тепла, переносимого в единицу времени через единичную площадку при градиенте температуры, равном единице. Знак “минус” означает, что тепло переносится от мест более горячих к более холодным.
Закон Ж. Фурье справедлив для веществ, находящихся в любых агрегатных состояниях.
Введем в рассмотрение плотность потока тепла
т. е. величина q равна количеству тепла, проходимого через единичную площадку в единицу времени. С учетом (3.4.2) закон Фурье примет вид
Если нагреть некоторую часть тела, то начнется необратимый процесс теплопроводности. При этом, если зафиксировать координату x в теле, то температура в этой точке будет, очевидно, изменяться со временем, достигая, в конце концов, равновесной температуры. Поэтому температура T является не только функцией координаты x, но и времени t, т. е. T = T(x, t). Тогда, как видно из (4.5.3), поток q будет зависеть от x и t, т. е. q = q(x, t). Процесс теплопроводности, при котором температура и поток являются функциями времени, называется нестационарным.
Выделим в теле, где происходит одномерный (вдоль оси X) нестационарный процесс теплопроводности, элементарный параллелепипед с площадью основания dS и высотой dx (рис. 1).
 |
| рис. 1 |
Количество тепла, входящее в параллелепипед за время dt через основание с координатой x,
а уходящее через основание с координатой x+dx за то же время
Таким образом, тепло, поступившее в параллелепипед за время dt,
С другой стороны это тепло можно выразить через теплоемкость тела:
где dm и dT – масса и приращение температуры вещества, заключенного в параллелепипеде, соответственно; и – удельная теплоемкость и плотность вещества.
Разложим функцию q(x+dx, t) в ряд по степеням dx в точке x:
Из выражений (3.4.6–3.4.8) находим
Подставляя в последнее уравнение вместо q(x, t) его выражение (3.4.3), получим
Если коэффициент теплопроводности не зависит от x (однородное вещество), то уравнение (3.4.10) примет вид:
где – коэффициент температуропроводности.
Уравнения (3.4.10–3.4.11) носят название дифференциальных уравнений теплопроводности Ж. Фурье. Искомой функцией в этих уравнениях является распределение температуры T(x, t) по пространству и во времени.
Коэффициент температуропроводности a является физическим параметром вещества и имеет размерность м 2 /с. В нестационарных тепловых процессах коэффициент a характеризует скорость изменения температуры. Если коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить теплоту, то коэффициент температуропроводности a есть мера теплоинерционных свойств вещества. В самом деле, из уравнения (3.4.11) следует, что изменение температуры в единицу времени для любой точки вещества пропорционально величине a. Поэтому при прочих одинаковых условиях быстрее увеличивается температура у того вещества, которое имеет больший коэффициент температуропроводности. Сама же величина a тем больше, чем больше тепла способно пропустить вещество в единицу времени через единичную площадку при единичном градиенте температуры (т. е. чем больше ) и чем меньше плотность и теплоемкость вещества. Из опыта известно (см. табл. 4.5.1), что газы имеют малый, а металлы большой коэффициент температуропроводности. Однако для тех и других веществ он является весьма малой величиной, что свидетельствует о медленности процесса теплопроводности.
Теплопроводность
Теплопроводность обусловлена зависящими от местной температуры движениями микроструктурных элементов. В жидкостях и газах микроструктурными движениями являются беспорядочные молекулярные движения, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры. В твердых металлах при средних температурах передача тепла происходит вследствие движения свободных электронов. В неметаллических твердых телах теплопроводность осуществляется упругими акустическими волнами, образующимися вследствие смещений всех молекул и всех атомов из их равновесных положений. Выравнивание температуры из-за теплопроводности понимают, как переход к беспорядочному распределению накладывающихся друг на друга волн, при котором распределение энергии колебаний равномерно во всем теле. В практических условиях теплопроводность в наиболее чистом виде наблюдается в твердых телах.
В основе теории теплопроводности лежит закон Фурье, связывающий перенос тепла внутри тела с температурным состоянием в непосредственной близости от рассматриваемого места – выражается следующим образом:
где: dQ/dτ – скорость перехода тепла (количество тепла за единицу времени); F – площадь сечения, нормального к направлению теплового потока; dt/dl – изменение температуры в направлении теплового потока, т.е. температурный градиент.
Коэффициент λ выражается в Вт/м⋅К (ккал/м⋅час⋅град), называется коэффициентом теплопроводности, он зависит от физико-химических свойств материала и температуры материала. Коэффициент λ показывает сколько тепла пойдет в час через материал поверхностью в 1 м 2 , толщиной в 1 м при разности температур в 1°. В табл. 7.15; 7.16 приведены значения коэффициентов теплопроводности металлов, воздуха, водяного пара, воды при различных температурах. Теплопроводность огнеупоров и теплоизоляционных материалов см. раздел 10.
Воздух проводит тепло примерно в 100 раз меньше, чем твердые тела. Вода проводит тепло примерно в 25 раз больше, чем воздух. Влажные материалы проводят тепло лучше, чем сухие. Наличие примесей, особенно в металлах, может вызвать изменение теплопроводности на 50–75%.
Стационарная теплопроводность. Теплопроводность называется стационарной, если вызвавшая ее разность температур ∆t сохраняется неизменной.
Количество тепла Q, прошедшее через материал (стенку) путем теплопроводности, зависит от толщины материала (стенки) – S, м; разности температур ∆t,°С; поверхности – F, м 2 и определяется уравнением:
Коэффициент теплопередачи здесь будет равен λ/S , т.е. он прямо пропорционален коэффициенту теплопроводности λ и обратно пропорционален толщине стенки – S.
Нестационарная теплопроводность. Теплопроводность называется нестационарной, если вызывающая ее разность температур ∆t является величиной переменной.
Скорость прогрева твердых тел прямо пропорциональна коэффициенту теплопроводности материала ë и обратно пропорциональна объемной теплоемкости Сρ, характеризующей аккумулирующую способность, отношение которых называется коэффициентом температуропроводности:
a = λ/Сρ , м 2 /час.
Для процессов нестационарной теплопроводности коэффициент температуропроводности «а» имеет такое же значение, как коэффициент теплопроводности «λ» при стационарном режиме теплопередачи.
Продолжительность прогрева стенки с достаточной для технических расчетов точностью можно определить по формуле Грум-Гржимайло:
τ ≈ 0,35 S 2 /a, час, где: S – толщина стенки; а – коэффициент температуропроводности (для шамота 0,0015–0,0025 м 2 /час).
Продолжительность прогрева кладки из шамотного огнеупорного кирпича: τ ≈ 175 ⋅ S 2 , час.
Глубину прогрева стенки любой толщины и при любом изменении температуры поверхности можно определить по формуле:
где: tП.СР – средняя температура поверхности за период нагрева в °С.
Если SПР будет больше, чем толщина материала (стенки) S, то наступает стационарный процесс. Если SПР < S, то количество тепла, аккумулированное стенкой QАКК. можно определить по формуле Грум-Гржимайло:
QАКК. = 0,56 ⋅ tПОВ. √tП.СР ⋅ τ , ккал/м 2 ⋅ период.
QАКК. = 2,345 ⋅ tПОВ. √tП.СР ⋅ τ , кДж/м 2 ⋅ период.
Здесь tПОВ. – температура поверхности стенки в °С к концу периода нагрева; τ – час.
Таблица 7.15. Теплопроводность металлов, значения ë даны в Вт/м ⋅ К (ккал/м ⋅ ч ⋅ град)
| Металлы и сплавы | Температура плавления, °С | Температура, °С | |||||
| 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Алюминий | 659 | 202,4 (174) | 204,7 (176) | 214,6 (184,5) | 230,3 (198) | 248,9 (214) | — |
| Железо | 1535 | 60,5 (52,0) | 55,2 (47,5) | 51,8 (44,5) | 48,4 (41,6) | 45,0 (38,7) | 39,8 (34,2) |
| Латунь | 940 | 96,8 (83,2) | 103,8 (89,2) | 108,9 (93,6) | 114,0 (98,0) | 115,5 (99,3) | — |
| Медь | 1080 | 387,3 (333) | 376,8 (324) | 372,2 (320) | 366,4 (315) | 508,6 (312) | 358,2 (308) |
| Никель | 1450 | 62,2 (53,5) | 58,5 (50,3) | 57,0 (49) | 55,2 (47,5) | — | — |
| Олово | 231 | 62,2 (53,5) | 58,5 (50,3) | 57,0 (49) | — | — | — |
| Свинец | 327 | 34,5 (29,7) | 34,5 (29,7) | 32,9 (28,3) | 31,2 (26,8) | — | — |
| Серебро | 960 | 418,7 (360) | 411,7 (354) | — | — | — | — |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Сталь (1%С) | 1500 | — | 44,9 (38,6) | 44,9 (38,6) | 43,3 (37,2) | 39,8 (34,2) | 38,0 (32,7) |
| Тантал | 2900 | 55,2 (47,5) | — | — | — | — | — |
| Цинк | 419 | 112,2 (96,5) | 110,5 (95,0) | 107,1 (92,1) | 101,9 (87,6) | 93,4 (80,3) | — |
| Чугун | 1200 | 50,1 (43,1) | 48,4 (41,6) | — | — | — | — |
| Чугун высококремнистый | 1260 | 51,9 (44,6) | — | — | — | — | — |
| Висмут | 271,3 | 8,1 (7,0) | 6,7 (5,8) | — | — | — | — |
| Золото | 1063 | 291,9 (251,0) | 294,2 (253,0) | — | — | — | — |
| Кадмий | 320,9 | 93,0 (80,0) | 90,5 (77,8) | — | — | — | — |
| Магний | 651 | 159,3 (137) | — | — | — | — | — |
| Платина | 1769,3 | 69,5 (59,8) | 72,4 (62,3) | — | — | — | — |
| Ртуть | — 38,87 | 6,2 (5,35) | 9,87 (8,33) | — | — | — | — |
| Сурьма | 630,5 | 18,4 (15,8) | 16,7 (14,4) | — | — | — | — |
| Константан (60%Cu + 40%Ni) | 22,7 (19,5) | 26,7 (23,0) | — | — | — | — | |
| Манганин (84%Cu + 4%Ni + + 12%Mn) | 22,1 (19,0) | 26,3 (22,6) | — | — | — | — | |
| Никелевое серебро | 29,1 (25,0) | 37,2 (32,0) | — | — | — | — | |
Таблица 7.16. Коэффициенты теплопроводности воздуха, водяного пара и воды, Вт/м ⋅ К (ккал/м ⋅ ч ⋅ град)
| Среда | Температура °С | ||||
| 0 | 100 | 200 | 300 | 500 | |
| Воздух | 0,0237 (0,0204) | 0,03 (0,0259) | 0,0365 (0,0314) | 0,0420 (0,0361) | 0,0526 (0,0452) |
| Водяной пар | — | 0,0234 (0,0201) | 0,03 (0,0258) | 0,0366 (0,0315) | — |
| 0 | 20 | 30 | 70 | 100 | |
| Вода | 0,558 (0,48) | 0,597 (0,513) | 0,644 (0,554) | 0,663 (0,57) | 0,682 (0,586) |
Для определения теплопотерь через стены топки, через неэкранированные стены котла и для определения температур наружной поверхности используют графики и диаграммы см. Приложения.
Нормы тепловых потерь и предельные толщины тепловой изоляции приведены в таблице 7.17; 7.18; 7.19.
Таблица 7.17. Предельные толщины тепловой изоляции для трубопроводов, прокладываемых в помещениях и на открытом воздухе
Таблица 7.18. Предельные толщины тепловой изоляции для водяных теплопроводов, прокладываемых в непроходных каналах
| Диаметр условного прохода , мм | Предельная толщина, мм |
| 100 |
Теплопроводность
Почему зимой нельзя лизать качели и греют ли нас валенки и пуховики? Вместе с экспертом разберемся в механизмах передачи тепла, сравним теплопроводность различных материалов и узнаем, какие еще есть способы теплообмена
Помните, как здорово промозглым осенним вечером закутаться в пушистый теплый плед и пить какао из большой чашки в горошек? Окружающий холод будто бы сразу отступает, а в душе поселяется уют и умиротворение. Мало кто в такие минуты задумывается о том, что плед на самом деле не греет: он всего лишь не дает теплу нашего тела рассеяться в воздухе. А вот горячее какао, напротив, старательно делится с нами своим теплом.
Вместе с экспертом разберемся, как связаны эти явления с понятием теплопроводности, вспомним формулу из курса физики и узнаем, как разные материалы проводят тепло.
Определение теплопроводности
Теплопроводность, как видно из названия, это способность материала проводить тепло. Также это явление передачи энергии благодаря столкновению частиц вещества либо внутри физического тела, либо от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Полезная информация о теплопроводности
| Для численного измерения теплопроводности используется коэффициент теплопроводности λ. | Чем он выше, тем выше способность материала передавать тепло. |
| Теплопроводность зависит от плотности материала и размера его частиц. | Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают металлы, наименьшим – газы. |
| В вакууме теплообмен невозможен. | Так как в вакууме нет частиц вещества, а значит, нечему обмениваться энергией. |
Единицы измерения теплопроводности
Численное выражение способности материала проводить тепло – коэффициент теплопроводности. Он обозначается буквой λ (лямбда) и измеряется в Вт/(м*К).
С помощью этого коэффициента можно понять, какое количество теплоты передается через материал с площадью поперечного сечения 1 м² и толщиной 1 метр за 1 секунду при разности температур в 1 градус.
Например, коэффициент теплопроводности воды – 0,6 Вт/(м*К). Значит, за 1 секунду через объем воды площадью 1 м² и высотой 1 м при разности температур в 1 градус пройдет 0,6 Вт тепла.
Формула вычисления теплопроводности
Коэффициент теплопроводности вычисляется по следующей формуле:
\(\mathrm\lambda\;=\frac<\;\mathrm Q\cdot\mathrm d\;><\mathrm S\cdot\mathrm t\cdot\mathrm<ΔT>>,\;\mathrm\)
Q – количество проходящего через материал тепла в джоулях (Дж)
d – толщина материала в метрах (м)
S – площадь поперечного сечения в метрах квадратных (м²)
t – длительность процесса в секундах (с)
ΔT – разность температур в градусах (К)
Механизмы теплопроводности
Чтобы разобраться в механизме теплопроводности, для начала нужно понять, чем отличается холодный материал от нагретого. И если говорить совсем простыми словами, в нагретом веществе молекулы движутся быстрее, чем в холодном. Особенно заметно это, конечно, в случае твердых материалов, так как в холодном виде их молекулы смирно стоят на своих местах в кристаллической решетке.
При нагреве частицы вещества получают кинетическую энергию и начинают колебаться или, в случае с жидкостями и газами, быстро двигаться. Процесс передачи энергии от одной молекулы вещества к другой во время их столкновения и называется теплопроводностью. Собственно, поэтому любой предмет нагревается не сразу целиком, а постепенно: необходимо время на то, чтобы одни частицы передали тепло другим. Скорость, с которой это происходит, определяется коэффициентом теплопроводности того или иного материала.
это интересно
Определение мощности простыми и научными словами
Другие способы теплопередачи
Наряду с теплопроводностью существует еще два способа передачи тепла: конвекция и излучение. Рассмотрим подробнее каждый из них, но не будем забывать, что в жизни все три варианта теплообмена чаще всего происходят одновременно.
С явлением смешанной передачи тепла сталкивался каждый, кто видел чашку с горячим чаем:
- стенки кружки нагреваются от чая при непосредственном контакте – это теплопроводность;
- горячий пар поднимается вверх – конвекция;
- ощущение тепла даже на расстоянии от кружки – излучение.
Конвекция
Конвекцией называется перенос тепла в пространстве вместе с нагретым веществом: горячий воздух от батареи поднимается к потолку, холодные частички воды опускаются вниз в виде тумана. Так как во время конвекции происходит перемешивание вещества, это явление возможно только в жидкостях и газах.
Излучение
Еще один способ теплопередачи – излучение, то есть передача тепла без движения молекул. Как думаете, какой объект в природе является самым ярким примером этого процесса? Конечно, Солнце! Солнечное тепло передается сквозь космический вакуум безо всяких молекул и нагревает поверхность Земли и все, что на ней находится.
это интересно
Закон Кулона
Что это такое и как применяется на практике один из фундаментальных законов физики
Виды и свойства теплопроводности
Давайте условно разделим теплопроводность на внутреннюю, то есть процесс передачи тепла внутри одного физического тела, и внешнюю, то есть передачу тепла от одного объекта к другому при непосредственном физическом контакте. При этом скорость передачи тепла увеличивается пропорционально разнице температур: чем больше разница, тем быстрее идет теплоотдача.
Также нужно помнить, что теплообмен всегда идет от участка с высокой температурой к участку с низкой, а не наоборот. Потому аккумулятор холода в термосумке не отдает свой холод вашему эскимо, а только забирает тепло из окружающего пространства. И делает это до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой воздуха внутри сумки. А мороженое, вынутое из морозилки в жаркий день, сразу же начинает нагреваться от соприкосновения с горячим воздухом и стремительно тает. В обоих случаях мы имеем дело с внешней теплопроводностью.
Те, кто пытался в детстве на морозе ради эксперимента лизнуть металлические качели, трубу, турник или любой другой большой кусок металла, также испытали на себе действие внешней теплопроводности. Тепло от влажного языка практически моментально поглощается холодным железом, которое при этом совершенно не нагревается за счет огромной теплоемкости. А вот язык резко охлаждается, верхние слои кожи замерзают и покрываются слоем льда, и лед становится отличным «клеем», намертво связывая недальновидного экспериментатора и объект его исследования.
Отлепить язык от качелей можно, если нагреть металл до температуры выше нуля. Лед растает и язык будет спасен вместе с его обладателем. Например, можно использовать воду, теплую или даже комнатной температуры, или активно подышать на место соприкосновения языка с металлом. Но, конечно, нельзя использовать огонь или кипяток, чтобы не обжечься!
Внутренняя теплопроводность также актуальна зимой: чем ниже коэффициент теплопроводности материала, тем лучше он будет сохранять тепло внутри дома, машины или даже одежды. Например, теплопроводность войлока, из которого делают валенки, около 0.04 Вт/м*K, именно поэтому в них не замерзнешь даже в самые лютые морозы. Наши ноги, имея температуру 36,6 градусов, нагревают воздух внутри валенка, но тепло от молекул внутреннего слоя войлока добирается до внешней поверхности очень медленно и не сразу рассеивается в холодном воздухе. Получается, нас греют не валенки, а наш собственный организм, и главная задача – не дать его усилиям пропасть.
Точно так же действуют и пуховики: теплопроводность перо-пуховой смеси или искусственного материала тинсулейта примерно 0,03 Вт/м*K, а значит, тепло тела будет довольно долго сохраняться внутри куртки, не улетая в окружающее пространство.
Таблица теплопроводности различных материалов
Составим таблицу коэффициентов теплопроводности различных материалов.
| Материал | Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м*К) |
| Серебро | 420 |
| Медь | 395 |
| Золото | 320 |
| Алюминий | 207 |
| Железо | 92 |
| Нержавеющая сталь (нержавейка) | 15 |
| Стекло | 1,15 |
| Вода | 0,6 |
| Древесина | 0,15 – 0,2 |
| Тинсулейт | 0,04 |
| Войлок | 0,03 |
| Воздух | 0,026 |
| Вакуум абсолютный | 0 |
Задачи по теме «Теплопроводность»
Решим несколько задач по теме для закрепления материала.
Задача 1
Представим, что на столе стоит три свечи, а над ними горизонтально закреплены пластины одинаковой толщины и ширины, но из разных металлов:
- из алюминия
- из меди
- из нержавеющей стали.
Концы пластин находятся ровно над фитилями свечек, а на расстоянии 10 см от края к нижней стороне каждой пластины с помощью воска приклеена гайка.
Посмотрите на таблицу теплопроводности материалов и попробуйте ответить, какая гайка упадет первой, а какая – последней, если свечи зажечь одновременно?
Задача 2
Ответьте на вопросы, связанные с теплопроводностью материалов:
- Почему окна с двойными стеклопакетами лучше защищают от холода, чем одинарные?
- Почему во время приготовления еды в духовке используются перчатки, наполненные ватой или войлоком, а не обыкновенные резиновые?
- Какое помещение легче нагреть с помощью обогревателя в холодное время года: металлический вагончик-бытовку или деревянный дом? Допустим, что площадь и высота потолков у бытовки и дома одинаковые.
- Если завернуть эскимо в теплую норковую шубу, оно растет быстрее?
- Какой вид кофе остынет быстрее, если их начальная температура одинакова: эспрессо с молоком или капучино?
Задача 3
Главный отличник класса Вася Эйнштейнов поспорил со своим другом Петей Кулачковым, что капнет на раскаленную сковороду водой, но та не испарится в течение 15 секунд. Проигравший должен будет целый месяц покупать победителю булочки в школьной столовой. Петя сразу же согласился заключить пари, ведь он был уверен, что никому не удастся провернуть такой трюк!
Как думаете, кто победит в этом споре? Попробуйте объяснить свой ответ.
Ответы к задачам
Сверимся с ответами для самопроверки.
Задача 1
Как видно из таблицы, медь имеет самый высокий коэффициент теплопроводности – 395 Вт/(м*К), алюминий – 207 Вт/(м*К), а нержавеющая сталь – самый низкий, всего 15 Вт/(м*К). Из этого делаем вывод, что при одинаковой площади сечения пластин по меди тепло будет передаваться по направлению от свечи к гайке почти в два раза быстрее, чем по алюминию, и в 26 раз быстрее, чем по нержавеющей стали. А значит, воск сначала расплавится на второй пластине, после нее – на первой, и самым последним – на третьей.
Задача 2
Ответьте на вопросы, связанные с теплопроводностью материалов:
- Между двумя слоями стекла в двойных стеклопакетах находится воздух, имеющий низкую теплопроводность. Именно он помогает лучше сохранять тепло внутри помещения.
- Войлок за счет своей низкой теплопроводности не только защищает наши ноги от холода, когда мы носим валенки, но и не позволяет обжечься о горячий противень. А латекс, из которого часто делают хозяйственные перчатки, не только хорошо проводит тепло, но и имеет температуру плавления 130-150 градусов, а еда в духовке готовится при 180-200 градусов: такие перчатки просто расплавятся.
- Металл отлично проводит тепло, значит, во время нагревания воздуха внутри бытовки тепло будет быстро передаваться наружу. А вот дерево сохранит тепло внутри дома.
- Как раз наоборот: шуба сыграет роль термоса и не даст мороженому нагреться от окружающего воздуха, благодаря чему таять оно будет гораздо медленнее.
- Как мы знаем, воздух проводит тепло хуже, чем жидкость, а значит, молочная пенка на капучино сыграет роль теплоизолятора, и этот напиток будет остывать медленнее, чем эспрессо с молоком.
Задача 3
Конечно, Вася не стал бы предлагать такой спор, если бы не был на сто процентов уверенным в своей победе. Но в чем же его секрет?
Дело в эффекте Лейденфроста – явлении, названном в честь немецкого физика, который описал его еще в середине XVIII века. Заключается этот эффект в том, что при температуре поверхности выше 170-180 градусов Цельсия нижний слой попавшей на нее капли воды почти моментально превращается в пар. Этот пар стремится вверх и отталкивает каплю от дна сковородки. А еще является естественным теплоизолятором (коэффициент теплопроводности пара – 0,035 Вт/(м*К), что в 20 раз ниже, чем у воды), поэтому для нагрева оставшейся части капли требуется достаточно много времени.
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Крутова Юлия Сергеевна, учитель физики МОУ СОШ №16, Орехово-Зуевский городской округ:
Почему у тел разная теплопроводность?
Теплопроводность напрямую связана с внутренним строением вещества, зависит от размеров молекул и расстояний между ними.
Каким образом передается энергия при теплопроводности?
Теплопроводность – это вид теплообмена. Происходит перенос энергии от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым. Все вещества состоят из молекул, и если рассматривать два тела, то можно сказать, что молекулы более нагретого тела движутся быстрее, сталкиваются с молекулами менее нагретого тела (они движутся медленнее) и заставляют двигаться быстрее, что и повышает температуру.
Почему теплопроводность изучают на уроке физики в 8 классе?
В 8 классе начинается изучение раздела «Тепловые явления», так как восьмиклассники знакомы с понятием энергии, знают закон сохранения энергии, имеют представление о строении вещества, то есть база для изучения есть.
Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица на сайте Nedvio
Теплопроводность строительных материалов стала популярной темой в последние годы. Это связано с тем, что люди стали чаще задумываться о том, как сэкономить на отоплении дома зимой, либо сделать их более экологичными (если они отапливаются на угле, мазуте или другом неэкологичном топливе).
Полагаем, многие из вас уже слышали, что одни материалы хорошо проводят тепло, а другие — не очень. Соответственно из одних дома получаются сразу теплыми, а из других — их обязательно нужно утеплять. Но как же все это считают? По каким критериям и формулам? Об этом мы расскажем вам в данной статье.
Коэффициент теплопроводности Лямбда. Что это такое?
Коэффициент λ (лямбда) — это, пожалуй, наиболее важный параметр всех теплоизоляционных материалов. Его значение указывает на то, сколько тепла материал может пропускать через себя. То есть его показатель теплопроводности.
Чем ниже значение коэффициента λ (лямбда), тем меньше проводимость материала и, следовательно, он лучше изолирован от тепловых потерь. Это означает, что при одинаковых условиях больше тепла будет проходить через вещество с большей теплопроводностью.
Как же высчитывается этот коэффициент? Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда уходит в область более низкой температуры. Для тела в форме теплопроводного кубоида в стационарных условиях количество передаваемого тепла зависит от вещества, пропорционально поперечному сечению тела, разности температур и времени теплопередачи.
Таким образом формула расчет будет выглядеть так:
- λ (лямбда) — коэффициент теплопроводности;
- ΔQ — количество тепла, протекающего через тело;
- t — время;
- L — длина тела;
- S — площадь поперечного сечения корпуса;
- ΔT — разность температур в направлении теплопроводности;
- d — толщина перегородки.
За единицу измерения теплопроводности принимается система СИ — [Вт / (м · К)]. Она выражает количество теплового потока через единицу поверхности материала заданной толщины, если разница температур между двумя его сторонами составляет 1 Кельвин. Измеряют все эти показатели в специальных строительных лабораториях.
От чего зависит теплопроводность?
Итак, как мы уже убедились, коэффициент теплопроводности λ (лямбда) характеризует интенсивность теплопередачи через конкретный материал.
Так, например, наиболее теплопроводными являются металлы, а самыми слабыми — газы. Еще все проводники электричества, такие как медь, алюминий, золото или серебро, также хорошо пропускают через себя тепло, в то время как электрические изоляторы (дерево, пластик, резина) наоборот задерживают его.
Что может повлиять на этот показатель, кроме самого материала? Например, температура. Теплопроводность изоляционных материалов увеличивается с повышением температуры, а у металлов — напротив, уменьшается. Еще может повлиять наличие примесей. Сплавы разнородных металлов обычно имеют более низкую теплопроводность, чем их легирующие элементы.
В целом, теплопроводность веществ зависит, в основном, от их структуры, пористости, и прежде всего от их плотности. Поэтому, если производитель заявляет о низком значении лямбда при низкой плотности материала, — эта информация, как правило, не имеет ничего общего с действительностью и просто рекламный ход.
Значения теплопроводности для различных материалов
Сравнить, насколько тот или иной материал может пропускать тепло, вы можете воспользовавшись данной таблицей:
Теплопроводность [Вт / (м · К)]
Войлок, маты и плиты из минеральной ваты
0,16 — 0,3 (сосна и ель), 0,22 — 0,4 (дуб)
Н ержавеющая сталь
Применение коэффициента теплопроводности в строительстве
В строительстве действует одно простое правило — коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже. Все потому, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньше можно сделать толщину изоляционного слоя, чтобы обеспечить конкретное значение коэффициента теплопередачи через стены или перегородки.
В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирол, графитовые плиты или минеральная вата) стремятся минимизировать толщину изделия за счет уменьшения коэффициента λ (лямбда), например, для полистирола он составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 у кирпича.
Что касается строительных материалов, то при их производстве коэффициент теплопроводности не имеет столь большого значения, однако в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким показателем λ (например, керамических блоков, структурных изоляционных панелей, блоков из ячеистого бетона). Такие материалы позволяют построить однослойную стену (без утеплителя) или с минимально возможной толщиной утеплительного слоя.
Важно: коэффициент теплопроводности лямбда зависит от плотности материала, поэтому при покупке, к примеру, пенополистирола, обратите внимание на вес продукта. Если вес слишком мал, значит плиты не имеют заявленной теплоизоляции. Добавим, что производитель обязан указывать заявленное значение коэффициента теплопроводности на каждой упаковке.
Какой же строительный материал самый теплый?
В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная (базальтовая, каменная) вата. Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и сегодня широко применяются в утеплении домов.
Для наглядности о том, насколько эффективны эти материалы, покажем вам следующую иллюстрацию. На ней отображено какой толщины материала достаточно, чтобы удерживать тепло в стене дома:
А как же воздух и газообразные вещества? — спросите вы. Ведь у них коэффициент Лямбда еще меньше? Это верно, Но если мы имеем дело с газами и жидкостями, помимо теплопроводности, здесь надо также учитывать и перемещение тепла внутри них — то есть конвекции (непрерывного движения воздуха, когда более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный — опускается).
Подобное явление имеет место в пористых материалах, поэтому они имеют более высокие значения теплопроводности, чем сплошные материалы. Все дело в том, что небольшие частички газа (воздух, углекислый газ) скрываются в пустотах таких материалов. Хотя такое может случится и с другими материалами — в случае если воздушные поры в них будут слишком большими, в них может также начать происходить конвекция.
Разница между теплопроводностью и теплопередачей
Помимо коэффициента теплопроводности Лямбда существует также коэффициент теплопередачи U . Они звучат похоже, но обозначают совершенно разные вещи.
Так, если коэффициент теплопроводности является характеристикой определенного материала, то коэффициент теплопередачи U определяет степень теплоизоляции стены или перегородки. Проще говоря — коэффициент теплопроводности является исходным и напрямую влияет на значение коэффициента теплоотдачи U.
Если вам интересно получить больше информации на эту тему, а также узнать: какими материалами лучше всего утеплить ваш дом, в чем отличия между разными типами утеплителей, мы советуем прочитать эту статью.