Причина теплопроводности: Теплопроводность

Теплопроводность

Так как температура газа в различных местах неодинакова, то и средняя энергия молекул будет отличаться. Из-за теплового движения молекулы перемещаются из одних мест в другие и переносят имеющуюся у них энергию, что и обуславливает процесс теплопроводности. Очевидно, что количество переносимой молекулами энергии зависит от средней скорости движения молекул $\left\langle v\right\rangle $, средней длины свободного пробега молекулы $\left\langle \lambda \right\rangle $ и способности вещества запасать энергию — теплоемкости вещества (с).

В одномерном стационарном случае (T=T(x)) явление теплопроводности описывается уравнением Фурье:

\[dQ=-\chi \frac{dT}{dx}dSdt\ \left(1\right),\]

где $dQ$- количество теплоты, которое переносится за время $dt$ через площадку dS в направлении нормали к этой площадке в сторону убывания температуры, $\chi $- коэффициент теплопроводности, $\frac{dT}{dx}$ — проекция градиента температуры на ось Ox.

Коэффициент теплопроводности

Плотность потока теплоты (количество проходящей в секунду через единичную площадку теплоты) пропорциональна градиенту температуры:

\[j_t=-\chi \frac{dE}{dx}(2)\]

Коэффициент $\chi $ называется коэффициентом теплопроводности.

Рассмотрим теплопроводность в газе. Пусть в направлении оси х отмечается падение температуры. Рассчитаем поток энергии через единичную площадку dS.

рис. 1

Вследствие теплового движения поток энергии идет и слева-направо и справа-налево. Но первый преобладает над вторым, так как молекулы слева имеют более высокую температуру, чем молекулы справа. Разница в этих потоках и дает результирующий поток теплоты через площадку. Отступая от единичной площадки dS на длину свободного пробега вправо и влево, построим куб единичного объема. В среднем одна шестая часть молекул этих кубиков летит по направлению к площадке. Обозначим число степеней свободы молекулы газа через i. Каждая молекула несет тепловую энергию $(ikT)/2$, но из правого кубика она несет $\frac{ikT_1}{2}$, а из левого — $\frac{ikT_2}{2}$, ($T_2>T_1$). Учитывая, что кубики расположены на расстояниях $$ от площадки, то в среднем каждая молекула долетит до площадки и пройдёт через нее без столкновения с другими молекулами.2$) ( минус указывает уменьшение потока тепла):

\[j_t=-\frac{1}{6}\left\langle v\right\rangle n\frac{i}{2}k(T_2-T_1)(2)\]

Так как $\lambda $ мала, то можно представить: $\frac{T_2-T_1}{2}=\frac{dT}{dx}.$ Следовательно:

\[j_t=-\frac{1}{3}\left\langle v\right\rangle n\frac{i}{2}k\frac{dT}{dx}\left(4\right).\]

Получили, что $j_t\sim \frac{dT}{dx}.$ Коэффициент перед производной есть теплопроводность газа:

\[\chi =\frac{1}{3}\left\langle v\right\rangle \frac{i}{2}kn\ \left(5\right).\]

Величина $\frac{i}{2}R=\frac{i}{2}kN_A\ $— теплоемкость моля газа при постоянном объеме газа ${(c}_{\mu V})$, следовательно, $\frac{i}{2}kn=c_{nV}$=$c_V$ — теплоемкость n молекул газа при V=const, то есть теплоёмкость единицы объема газа:

\[{\frac{i}{2}kn=\rho c}_V\ \left(5\right)\to \chi =\frac{1}{3}\left\langle v\right\rangle \rho c_V(6).\]

Более строгий расчет приводит к тому же выражению для теплопроводности, но с немного отличным числовым коэффициентом. Из формулы (5) очевидно, что теплопроводность не зависит от давления. Это справедливо лишь до тех пор, пока $$ мало в сравнении с расстояниями между поверхностями, которые обмениваются теплотой. В противном случае зависимость $\chi $ от давления увеличивается, при чем, если уменьшается давление, то теплопроводность уменьшается.

Пример 2

Задание: Пространство между двумя очень длинными коаксиальными цилиндрами с радиусами $R_1

Решение:

рис.2

Запишем уравнение плотности потока тепла через боковую поверхность цилиндра (площади верхней и нижней поверхности малы в сравнении с боковой, так как цилиндр бесконечно длинный), зная, что поле температур имеет цилиндрическую симметрию:

\[{\ q=j}_tS=-\chi \frac{dT}{dr}S=-\chi \frac{dT}{dr}\cdot 2\pi rl\ \left(2.1\right)\]

По условию задачи получается $q=const$, так как температуры на боковых поверхностях цилиндров поддерживают постоянными. Мы получили дифференциальное уравнение с двумя переменными. Проведем их разделение:

\[-dT=\frac{q}{\chi \cdot 2\pi l}\frac{dr}{r}(2.r_{R_1}{\frac{dr}{r}}(2.3),\]

Надо отметить, что мы исследуем область между первым и вторым цилиндрами, поэтому выбираем гипотетическую цилиндрическую поверхность радиуса r (на рисунке изображена пунктиром). Поэтому пределы интегрирования от $R_1\ до\ r$ и для температуры от $Т_1$до T. Получаем:

\[Т_1-T_2=\frac{q}{\chi \cdot 2\pi l}ln\frac{R_2}{R_1}\to q=\frac{\chi \cdot 2\pi l}{ln\frac{R_2}{R_1}\left(Т_1-T_2\right)}\ (2.5\]

Найдем q. Для этого используем известное нам граничное условие: и r=$R_2$, T=$Т_2$, подставим в (2.4):

\[Т_1-T_2=\frac{q}{\chi \cdot 2\pi l}ln\frac{R_2}{R_1}\to q=\frac{\chi \cdot 2\pi l}{ln\frac{R_2}{R_1}\left(Т_1-T_2\right)}\ (2.5)\]

Подставим в (2.4) q и выразим T. Получаем:

\[T=Т_1+\left(-Т_1+T_2\right)\frac{\chi \cdot 2\pi l}{ln\frac{R_2}{R_1}}\frac{ln\frac{r}{R_1}}{\chi \cdot 2\pi l}=Т_1+(T_2-Т_1)\frac{ln\frac{r}{R_1}}{ln\frac{R_2}{R_1}}\ (2.6)\]

Ответ: Зависимость температуры T от расстояния r выражается формулой:

\[T\left(r\right)=Т_1+\left(T_2-Т_1\right)\frac{ln\frac{r}{R_1}}{ln\frac{R_2}{R_1}}.\]

причина теплопроводности — Школьные Знания.com

решите пожалуйста задачу 5.28 20 баллов

решите пожалуйста задачу 5.27 20 баллов

Вы зимой без одежды находитесь на улице перед вами есть выбор греться на воздухе в -40 или залезть в прорубь где вода +10. Помогите пожалуйста что буд … ет правильно выбрать и почему ?​

32. Під дією сили 196 Н малий поршень гідравлічної машини опускаєтьсяна 25 см. З якою силою діє великий поршень на вантаж, якщо вінпіднімається на 5 м … м?

решите задачу 5.22 20 баллов

Шайбу толкнули по горизонтальной поверхности. Через время τ=0,5 с она оказалась на расстоянии S1=1,1 м от начальной точки, а через 2τ — на расстоянии … S2=1,28 м. Найдите значение коэффициента трения μ между шайбой и поверхностью, при котором это возможно. Ускорение свободного падения g=10 м/с2. Ответ округлите до сотых.

Объясни, почему автомобили должны снижать скорость или останавливаться возле железнодорожных переездов, прежде чем их пересекать. В объяснении использ … уй термин инерция!

а) Напиши сколько показывает каждый динамометр б) с помощью какого динамометра можно измерить тело массой 1,4 кг? Поясни ответ!

На горизонтальной поверхности стола стоит книга. Он подвергается действию силы тяжести и силы упругости. а) с помощью стрелок покажи: силу, с которой … Земля воздействует на книгу; силу, с которой книга воздействует на стол. б) Напишите название каждой силы.

У дверного проема есть небольшой (высотой примерно 1 см) порог.Вася приставил к порогу стул передними ножками,привязал к верхней точке спинки стула ве … ревку и с помощью динамометра выяснил,что стул начинает опрокидываться,когда к веревке перпендикулярно порогу прикладывается горизонтальная сила F1=16Н. Затем он перевернул стул, и теперь стул касается порога своими задними ножками.В этом случае минимальное значение силы, приложенной перпендикулярно порогу в горизонтальном направлении, необходимой для опрокидывания стула,окозалось равно F2=12Н.Расстояние между ножками стула равно а=42 см.Высота верхней точки спинки стула над полом равна Н=72см.Можно считать, что эта точка находится ровно над линией задних ножек.Какую минимальную силу нужно приложить к веревке чтобы опрокинуть стул,если он приставлен к порогу боком? Считайте ускорение свободного падения g=10 мс2.Правая и левая половинки стула симметричны Срочно нужен ответ Спасибо

Большая теплопроводность — металл — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Большая теплопроводность — металл

Cтраница 1

Большая теплопроводность металлов объясняется также наличием свободных электронов. Передача тепловой энергии в металлах осуществляется двояким образом: колебательным движением ионов и движением свободных электронов.  [1]

Большая теплопроводность металлов обеспечивается наличием облака подвижных электронов. Если часть металла нагрета, то кинетическая энергия электронов в этой области возрастает. Электроны распространяются по всему металлу, вызывая рост температуры во всей решетке.  [2]

Большую теплопроводность металлов в сравнении с теплопроводностью изоляторов можно объяснить предположением, что теплопроводность х, обусловленная свободными электронами, значительно превышает теплопроводность кр решетки.  [3]

Ввиду большой теплопроводности металла ( Км 50 ккал / ( м-чх X С) происходит подвод дополнительного тепла к смоченной поверхности вдоль металла резервуара или баллона, поэтому эффективная смоченная поверхность несколько больше действительной, что подтверждается опытными данными.  [4]

Большая электропроводность и большая теплопроводность металлов обусловлены тем, что подвижные электроны переносят электричество и передают тепловые колебания от атома к атому. Вследствие этого металлы обладают электрической проводимостью, которая в тысячи раз больше, чем у других лучших проводников.  [5]

Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов, вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше. Выше мы указали, что наиболее интенсивный переход тепла имеет место в соединении обеих стенок в верхней части горлышка; стремление сделать сечение металла, а следовательно и теплопроводность в этом месте наименьшими привело к созданию Хейландом бутыли, показанной на фиг.  [6]

Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов, вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше.  [7]

В металлических рекуператорах в силу большой теплопроводности металла и малой толщины стенки тепловое сопротивление стенки имеет весьма малое значение, в то время как в керамических рекуператорах оно значительно больше и поэтому им пренебрегать нельзя.  [8]

Беспорядочное движение электронов при отсутствии поля служит объяснением большой теплопроводности металлов. Здесь выравнивание теплового состояния тела совершается гораздо скорее благодаря большой подвижности электронов. Легко понять, что теплопроводность, как и электропроводность, зависит от состояния электронного газа в металле. Поэтому следует ожидать существования зависимости между коэфициентом теплопроводности и удельной электропроводностью одного и того же металла.  [9]

При более высоких температурах эти трубки следует охлаждать, иначе вследствие большой теплопроводности металла будут разрушаться резиновые трубки, которыми газовые пипетки подсоединяются к пробоотборным трубкам.  [11]

Металлические формы при пневматических способах изготовления изделий, имеют еще один недостаток — большую теплопроводность металла и большую теплоемкость массивной металлической формы. Как только разогретый пластик во время выдувания изделия коснется металлической формы, на поверхности пластика образуется твердая корка, и вследствие быстрого отвода тепла через металл эта корка остается твердой во все время формования.  [12]

Эти свободные электроны и обеспечивают высокую электропроводность металлов; их подвижность является также причиной большой теплопроводности металлов.  [13]

Взаимодействие электронов проводимости с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, обусловливает большую теплопроводность металла.  [15]

Страницы:      1    2    3

Теплопроводность твёрдых тел. — Студопедия

Известно, что среди твердых тел различают диэлектрики и проводники тока. К последним относятся все металлы. Наряду со способностью проводить электрический ток, они одновременно обладают аномально высокой (в сравнении с диэлектриками) теплопроводностью. Установлено, что причиной этого являются свободные электроны, которые образуются в кристаллах с металлической связью. Именно они обеспечивают электропроводность и аномально высокую теплопроводность металлов.

Коэффициент электронной теплопроводности в металлах в первом приближении удается определять с помощью соотношения, подобного уже знакомому нам при анализе теплопроводности газов, а именно

. (8.5.9)

Здесь — средняя скорость теплового движения свободных электронов, ;( )- средняя длина свободного пробега электронов в кристаллической решетке, соизмеримая с междоузельным расстоянием; r — плотность электронного газа, r = п_ет_е; п_е— концентрация свободных электронов; т_е —масса электрона; rc_v — изохорная теплоемкость единицы объема электронного газа, , к- постоянная Больцмана.

Помимо электронной теплопроводности, в металлах, как и в диэлектриках, существует еще так называемая решёточная (фононная)теплопроводность.

Механизм решеточной теплопроводности имеет место во всех твердых телах. У диэлектриков он является единственным и качественно отличен от механизма электронной теплопроводности. По существу он целиком связан с особенностями теплового движения частиц, образующих кристаллическую решетку. Эти частицы не являются свободными (в отличие от электронов) и передают тепловые колебания друг другу, благодаря чему в кристалле распространяются упругие волны. Скорость этих волн (она, как мы знаем, совпадает со скоростью звука) в твёрдых телах имеет значения порядка нескольких километров в секунду. Казалось бы, с такой же скоростью должны распространяться в твердом теле и возмущения температуры. Однако реально решеточная теплопроводность сравнительно мала, обычно не превышает ~ 1 Вт/(мК), тогда как электронная теплопроводность ~ 10 ¸ 100Вт/(мК).

Причиной относительно низкой решеточной теплопроводности кристаллов является ангармоничность тепловых колебаний. Упругие волны, встречая на своём пути ангармонически колеблющиеся частицы, интенсивно рассеиваются на них и ослабляются. Рассеяние растет с повышением температуры. При этом теплопроводность кристалла уменьшается. Указанная закономерность для в диэлектриках отчетливо наблюдается в области криогенных и низких температур. Однако в области умеренных и высоких температур решеточная теплопроводность заметно растет, что подтверждает достаточно сложный механизм явлений, определяющих теплопроводность твёрдых тел.

Количественная теория этих вопросов выходит за рамки общего курса физики.

Отметим лишь, что теплопроводность твёрдых тел сложной макро- и микроструктуры (пористые тела, сплавы, полимеры и т. п.) зависит от многих факторов и обычно определяется с достаточной точностью только экспериментальными средствами. Особенно низкой теплопроводностью, как показывает опыт, обладают воздушно-пористые (дисперсные)материалы. Их теплопроводность в основном определяется теплопроводностью воздуха, защемленного в многочисленных замкнутых мелких порах, и может составлять всего l ~ 0,04 ¸ 0,1 Вт/(м К). Дисперсные полимерные материалы (пенопласты, пенополиуретаны, пенополистиролы и т.д.), наряду с разного типа войлоками и тканями, в настоящее время широко применяются в технике для тепловой изоляции разнообразных объектов. По механизму теплопроводности они близки к высокомолекулярным неэлектропроводным жидкостям.

В заключение напомним, что теплопроводность и линейное расширение чувствительны к проявлениям микро- и макроанизотропии в структуре твёрдых тел.

Теплоёмкость твёрдых тел.

Зависимость теплоемкости твердых тел от характера термодинамического процесса проявляется только в области высоких температур. Поэтому обычно говорят просто о теплоёмкости твердых тел, не указывая особенности теплового режима.

При анализе теплоемкости кристаллической решетки тепловые колебания узлов решетки в первом приближении удается считать гармоническими. Согласно классической статистике Максвелла-Больцмана, каждый узел решетки обладает как кинетической, так и потенциальной энергией. Причем у него проявляются только три степени свободы колебательных движений, на которые приходится средняя энергия

(8.5.10)

Очевидно, внутренняя энергия теплового движения кристаллической решетки у 1 моля вещества составляет

(8.5.11)

Молярная теплоемкость кристалла, следовательно, определяется выражением

(8.5.12)

Этот результат находится в согласии с экспериментально установленным в 1819 г законом (правилом) Дюлонга и Пти,согласно которому молярная теплоёмкость всех химически чистых кристаллических твердых тел равна 3R = 25 Дж/(моль К). Этот закон хорошо оправдывается в области умеренных температур.

Однако по мере снижения температуры теплоемкость твердых тел падает и по мере приближения к абсолютному нулю температур весьма резко стремится к нулю по закону кубов Дебая(см рис 8.5.3),

(8.5.13)

Причину таких резких отклонений классической теории теплоемкости твердых тел от реальной ситуации удалось объяснить только в рамках квантовой физики.

Заметим, что количественная теория тепловых свойств твердых тел (их теплоемкости, теплопроводности и теплового расширения) отличается значительной сложностью. Ее основы нуждаются в учете многих факторов, которые удается раскрыть и объяснить только с позиций квантовой физики твердого тела

Кристаллы в отличие от газов и жидкостей являются той формой агрегатного состояния вещества, где практически все макрофизические свойства (механические, тепловые, электромагнитные и химические) существенно зависят от квантовых свойств атомов, молекул и электронов, связанных между собой кристаллической решеткой. Их изучению будет посвящен особый раздел квантовой физики, получивший название физики твёрдого тела.

Электропроводность и теплопроводность металлов — Справочник химика 21

    Металлы образуются из атомов электроположительных элементов. В сплавах определенные места в решетке могут быть заняты либо атомами отдельного компонента, либо различными видами атомов. Высокая электропроводность и теплопроводность металлов обусловлены движением свободных электронов через пространственную решетку. [c.583]
    Электропроводность и теплопроводность металлов [c.218]

    Электропроводность и теплопроводность металлов объясняются подвижностью электронов неполностью заполненных зон, обусловленной тем, что в этих зонах к уровням, занятым электронами, вплотную примыкают свободные уровни, на которые могут переходить (возбуждаться) электроны. [c.91]

    Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование наблюдаемой на опыте зависимости между теплопроводностью и электропроводностью. Был объяснен ряд термоэлектрических явлений. Правда, возникли расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями теплоемкости металлов. Согласно классическому закону равнораспределения энергии электронный газ должен давать вклад в теплоемкость металла, равный 3/2 Я а а 1 моль свободных электронов (если металл одновалентный, это вклад на 1 моль вещества). Однако экспериментально установлено, что вклад электронов в теплоемкость практически равен нулю. Это противоречие нашло объяснение наос- [c.183]

    Табл. 2 показывает также, что электропроводность и теплопроводность металлов не слишком сильно (не более, чем в 2,5 раза) меняются при плавлении. Подобные же результаты были получены [9] для Fe, Со и Ni, у которых отношения Ятв/иж составляют соответственно 1,07, 1,11 и 1,14. Мало изменяются при плавлении и магнитные восприимчивости N1 и Со (9]. [c.14]

    Чрезвычайно высокие по сравнению с другими типами кристаллов значения электропроводности и теплопроводности металлов указывают на высокую подвижность и большую свободу электронов в их пространственной структуре. С точки зрения строения атомов типич- [c.79]

    В металле число атомных орбиталей, участвующих в образовании отдельной молекулярной орбитали, чрезвычайно велико, поскольку каждая атомная орбиталь перекрывается сразу с несколькими другими. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже оказывается очень большим. На рис. 22.20 схематически показано, что происходит при увеличении числа атомных орбиталей, перекрыванием которых создаются молекулярные орбитали. Разность энергий между самой высокой и самой низкой по энергии молекулярными орбиталями не превышает величины, характерной для обычной ковалентной связи, но число молекулярных орбиталей с энергиями, попадающими в этот диапазон, оказывается очень большим. Таким образом, взаимодействие всех валентных орбиталей атомов металла с валентными орбиталями соседних атомов приводит к образованию огромного числа чрезвычайно близко расположенных друг к другу по энергии молекулярных орбиталей, делокализованных по всей кристаллической решетке металла. Различия в энергии между отдельными орбиталями атомов металла настолько незначительны, что для всех практических целей можно считать, будто соответствующие уровни энергии образуют непрерывную зону разрешенных энергетических состояний, как показано на рис. 22.20. Валентные электроны металла неполностью заполняют эту зону. Можно упрощенно представить себе энергетическую зону металла как сосуд, частично наполненный электронами. Такое неполное заселение разрешенных уровней энергии электронами как раз и обусловливает характерные свойства металлов. Электронам, заселяющим орбитали самых верхних заполненных уровней, требуется очень небольшая избыточная энергия, чтобы возбудиться и перейти на орбитали более высоких незанятых уровней. При наличии любого источника возбуждения, как, например, внешнее электрическое поле или приток тепловой энергии, электроны возбуждаются и переходят на прежде незанятые энергетические уровни и таким образом могут свободно перемещаться по всей кристаллической решетке, что и обусловливает высокие электропроводность и теплопроводность металла. [c.361]

    Металлы характеризуются специфическим блеском, высокой электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. В то же время пары металлов — такие же диэлектрики, как и инертные газы, и отличаются от последних сравнительно малой энергией ионизации. Большая электропроводность и теплопроводность металлов, их термоэлектронная эмиссия обусловливается наличием свободных электронов. Считают, что при сближении атомов в процессе формирования металла происходит делокализация валентных электронов. Металл рассматривается как система правильно расположенных в пространстве положительных ионов и перемещающихся среди них делокализованных электронов. Эти электроны компенсируют силы отталкивания между ионами и связывают их в единую кристаллическую решетку. Металлы отличаются большой прочностью связи, мерой которой служит теплота сублимации, т. е. энергия, которую необходимо затратить для разделения твердого металла на изолированные атомы. Значение этой энергии достигает 836 кДж/моль. [c.167]

    Закон зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры теоретически установил и экспериментально проверил Ричардсон [148]. Он дал два теоретических вывода этой зависимости. Первый вывод основан на представлениях электронной теории металлов, созданной для объяснения явлений электропроводности и теплопроводности металлов, контактной разности потенциалов, эффекта Холла и т. д. Согласно этой теории, в металлах, кроме электронов, крепко связанных с атомами, [c.77]

    Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование [c.206]

    Из высокой электропроводности и теплопроводности металлов можно сделать заключение, что, но крайней мере, часть электронов имеет возможность свободно перемещаться но кристаллу и уже под действием слабого электрического поля пли небольшого градиента (перепада) температуры лю кет бразовывяп ся п.анравлеипый поток электроно (Друде, 1902 г.). Согласно теорпп Друде, строение металлов можно представить себе как совокупность положительно. аряже .иых попов (атомных остовов кристаллической структуры), между которыми свободно перемещаются электроны, подчиняющиеся газовым законам ( элект-ронный газ ). [c.197]

    В кристаллах металлов в узлах находятся положительные ионы металлов, а в междоузлиях — электронный газ, способный к передвижению по решетке под действием разности потенциалов или разности температур. Это обусловливает большую электропроводность и теплопроводность металлов. Большинство чистых металлов обладает высокой пластичностью. Это объясняется отсутствием направленности металлической связи, поскольку в узлах решетки находятся ионы одного знака. Как уже говорилось, чистые металлы-элементы кристаллизуются лишь в трех структурах с плотнейшей упаковкой частиц гексагональной (КЧ = 12), гранецентрированной кубической (КЧ = 12), объемноцентрирован-ной кубической (8 ближайших соседей на расстоянии и 6 — на расстоянии 1,15го). [c.293]

    Металлы — вещества с сильно делокализованными электро-намп. Делокализация обусловлена тем, что количество низких по энергии орбиталей у металлов значительно больше числа имеющихся валентных электронов. Высокие электропроводность и теплопроводность металлов и нх блеск объясняются высокой подвижностью электронов на делокализованных орбиталях, а большая пластичность — наличием в их структуре плоскостей скольжения и минимальной направленностью металлических связей. [c.119]

    Задолго до развития теории квантов в XIX в. была разработана теория свободных электронов в металлах. Эта теория исходила из представления, что в металлическом кристалле валентные электроны атомов могут почти свободно, т. е. почти не взаимодействуя с атомными остатками, передвигаться по кристаллическо11 решетке. В э.тектрическом поле эти электроны, названные электронами проводимости, переносят ток, в отличие от валентных электронов атомных остатков. На примерах особенно одновалентных металлов (натрий, Атедь и др.) с помощью этой теории выведены некоторые основные законы физики, например закон Ома, закон Видемана—Франпа (о прямой пропорциональности между электропроводностью и теплопроводностью металла) и др. [c.263]

---

Теплоизоляция

Теплопроводность – это процесс переноса внутренней энергии тела (тепла) от его более нагретых частей к менее нагретым. Интенсивность данного процесса определяется коэффициентом теплопроводности рассматриваемого материала λ. Коэффициент теплопроводности – это количество теплоты, прошедшее через единицу площади изотермической поверхности за единицу времени при градиенте температуры в 1 К/м.

Коэффициент теплопроводности в общем зависит от свойств материала, его структуры, увлажнения, агрегатного состояния и от температуры.

Техническая изоляция ISOTEC — это продукция из минеральной ваты, разработанная для различных областей применения и различных рабочих температур.

Легкая, упругая вата ISOTEC на основе кварца имеет наилучшее соотношение «цена-качество» для стандартных рабочих температур – максимально до 350°C.

Продукция ISOTEC из ваты на основе кварца легко сжимается и восстанавливает свои свойства, что облегчает транспортировку и монтаж. Данные материалы являются негорючими и обладают высокими звукопоглощающими характеристиками.

Продукция ISOTEC из минеральной ваты на основе кварца представлена широким ассортиментом, включая плиты, маты, отличающиеся высокими техническими характеристиками и механической прочностью. Часть наиболее широко используемых матов является гофрированными изделиями (аналогичными ламельным изделиям) с малым коэффициентом монтажного уплотнения.
 

Решения ISOTEC из каменной ваты: высокие механические характеристики для высоких рабочих температур

Для изоляции установок с высокими температурами, которые также требуют применения особо прочных материалов, мы предлагаем широкий ассортимент продукции ISOTEC из каменной ваты.

Продукция ISOTEC из каменной ваты – это экономически эффективные теплоизоляционные решения, отличающиеся высокими прочностными характеристиками. Продукция ISOTEC  является химически нейтральной, не вступает в реакции с известными маслами и растворителями, не создает коррозийно-активных сред при прохождении влаги сквозь изоляцию, контролируется по показателям ионов хлора и другим важным химическим параметрам. Таким образом, изоляция ISOTEC обладает гарантированно высоким качеством.

Ассортимент продукции ISOTEC из каменной ваты включает прошивные маты, плиты и цилиндры.
 

Теплоизоляция систем ОВК

Исследование теплопроводности полимерных композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 536.2.08

Д. П. Волков, Л. А. Кулиева, М. В. Успенская, А. В. Токарев

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изучено влияние стеклянных наполнителей на теплопроводность полимерных материалов на основе полиуретана. Продемонстрировано влияние концентрации наполнителя — стеклянных микрошариков — и температуры нагрева на теплопроводность композиционного материала. Объяснены причины изменения теплопроводности композиции при введении наполнителя, теплопроводность которого отличается на порядок по сравнению с теплопроводностью полимерной матрицы.

Ключевые слова: полимерная композиция, полиуретан, теплопроводность, стеклянные микрошарики.

Широкое использование эластомеров в машино- и приборостроении обусловливает необходимость введения наполнителей в исходные полимерные матрицы, что существенно повышает их эксплутационные и технологические свойства [1]. Предпочтение здесь отдается уретановым эластомерам, представляющим собой литьевые, термопластичные и вальцуемые материалы, широко применяемые для получения конструкционных изделий.

В целях удешевления и уменьшения горючести материалов, а также увеличения коэффициента трения, повышения их атмосферостойкости и увеличения теплопроводности в полимерную матрицу основного или декоративного слоя полиуретанового покрытия вводят наполнители. Например, литьевые материалы судостроительного назначения на основе форпо-лимера СКУ-ПФЛ-100 наполняют кварцевым песком, цинковой пылью и шлифзерном.

Хорошо изученным и широко применяемым материалом в качестве наполнителей различных полимерных композиций являются стеклянные микрошарики (СМТТТ) Такие композиты используются, например, для гашения вибрации, повышения ударопрочности, жесткости и износостойкости, а также при производстве изделий из литьевых полимеров, что позволяет устранить эффекты коробления и усадки. Наполнение полимеров стеклянными микрошариками и другими материалами силикатной природы (стекловолокно, песок, глинозем, порошкообразный асбест, мелкодисперсный кремний) также практикуется как способ повышения огнестойкости.

Исследование теплофизических характеристик наполненных эластомеров является актуальной задачей при расширении возможных областей применения данных композитов. Именно поэтому создание композиций на основе полиуретанов и стеклянных микрошариков и анализ их теплофизических свойств в зависимости от температуры и концентрации составили цель исследований, описанных в настоящей статье.

76 Д. П. Волков, Л. А. Кулиева, М. В. Успенская, А. В. Токарев

В ходе экспериментов были получены форполимеры уретана с использованием двух-стадийного метода [2]. Состав изоцианатсодержащих олигомеров был идентичен составу промышленно выпускаемых продуктов марки СКУ-ПФЛ-100.

Твердые наполненные материалы из жидковязких олигоуретанов были сформованы в виде пластин требуемой толщины, из которых вырубкой на прессе получали образцы для испытаний. Отверждение образцов осуществлялось в течение 3 суток при температуре 80 ± 1 оС. Перед испытаниями исследуемые эластомерные композиции дополнительно подвергались кондиционированию не менее 10 дней при комнатной температуре для завершения стабилизационных процессов, обеспечивающих совокупность физико-механических характеристик.

Зависимость физико-механических свойств полиуретановых композиций от концентрации наполнителя — стеклянных микрошариков диаметром Б<100 мкм — представлена в табл.СК-1445 при скорости растяжения образцов 500 мм/мин.

В таблице приняты следующие обозначения, характеризующие свойства полимерных материалов: ар — прочность образца на разрыв; ер — относительное удлинение образца при разрыве; а100 — прочность образца; у — твердость образца.

_Таблица 1

Олигомер Массовая доля СМШ, % стр, МПа Ер, % СТ100, МПа У, о.е.

СКУ-ПФЛ-100 0 42,0 322 15,6 95

СКУ-ПФЛ-100 5 36,4 300 14,7 95

СКУ-ПФЛ-100 20 28,7 292 13,2 95

СКУ-ПФЛ-100 40 21,4 272 10,8 95

СКУ-ПФЛ-100 60 12,4 260 4,8 95

В ходе эксперимента оценивалось влияние стеклянных микрошариков натрийборосили-катной природы диаметром Б < 300 мкм в качестве наполнителя. Технические характеристики используемых СМШ, являющихся продуктами переработки отходов листового стекла, представлены ниже.

Внешний вид……………………………………………………….Серовато-белый порошок

Диаметр, мкм………………………………………………………………………………………………………………29 <Б >100

Плотность частицы, г/см3…………………………………………………………………………..2,3—2,5

Насыпная плотность, г/см3……………………………………………………………………….1,52

Теплопроводность, Вт/(м-К)……………………………………………………………………0,8—1,3

Гигроскопичность, %, не более…………………………………………………………..0,20

Морозоустойчивость, цикл, не менее…………………………………………50

Температура начала размягчения, °С…………………………………………550—700

Исследования температурной зависимости теплопроводности композиционных полимерных материалов в режиме монотонного нагрева проводились на измерителе теплопроводности ИТ — X — 400. Для измерения теплопроводности использовался метод динамической калориметрии для твердых теплоизоляторов и полупроводников, теоретическое обоснование которого подробно изложено в работе [3]. Образцы изготавливались в виде дисков диаметром 15 мм и высотой около 2 мм; предел допускаемой основной погрешности измерения теплопроводности составил ± 10 %.

Результаты экспериментальных исследований для образца СКУ-ПФЛ-100 диаметром Б < 100 мкм представлены в табл. 2.

Исследование теплопроводности полимерных композиционных материалов 77 _Таблица 2

Температура нагрева t, °C Теплопроводность композита X, Вт/(м-К)

Без наполнителя СМШ — 5 % СМШ — 20 % СМШ — 60 %

50 0,141 0,143 0,161 0,277

75 0,145 0,150 0,169 0,282

100 0,150 0,159 0,180 0,297

125 0,154 0,168 0,188 0,315

150 0,159 0,176 0,201 0,327

Анализ таблицы показывает, что при увеличении температуры нагрева наблюдается увеличение теплопроводности композиции независимо от ее состава. Повышение концентрации наполнителя, обладающего большей теплопроводностью, чем полимерная матрица, приводит к увеличению теплопроводности композиции.

Результаты исследования показали, что введение такого наполнителя (теплопроводность наполнителя и полимера отличаются примерно на порядок) незначительно изменяет теплопроводность композиции. Последнее можно объяснить тем, что пространственные структуры в суспензиях образуются вандерваальсовыми силами сцепления, связывающими частицы через тонкие остаточные прослойки жидкой среды, в частности полимера. В этом случае наполненные полимеры можно рассматривать как систему, состоящую из частиц твердого тела с тонкими полимерными прослойками на поверхности [4], которые существенно снижают теплопроводность всей композиции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Редмен Р. П. Композиционные материалы на основе полиуретанов / Пер. с англ.; Под ред. Ф. А. Шутова. М.: Химия, 1982. 41 с.

2. Любартович С. А., Морозов Ю. Л., Третьяков О. Б. Реакционное формование полиуретанов. М.: Химия, 1990. 288 с.

3. Теплофизические измерения и приборы / Под общ. ред. Е. С. Платунова. Л.: Машиностроение, 1986. 256 с.

4. ЛипатовЮ. С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977. 304 с.

Дмитрий Павлович Волков

Лейла Авазовна Кулиева

Майя Валерьевна Успенская

Алексей Владимирович Токарев —

Рекомендована кафедрой физики и техники оптической связи СПбГУ ИТМО

Сведения об авторах

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и инженерно-физического мониторинга; E-mail: [email protected]

студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и инженерно-физического мониторинга; E-mail: [email protected]

канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики и техники оптической связи; E-mail: [email protected] аспирант; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет), кафедра синтетического каучука и элементоорганических соединений; E-mail: [email protected]

Поступила в редакцию 18.10.07 г.

Что такое теплопроводность? Обзор

Вариация теплопроводности

Теплопроводность конкретного материала сильно зависит от ряда факторов. К ним относятся температурный градиент, свойства материала и длина пути, по которому следует тепло.

Теплопроводность материалов вокруг нас существенно различается: от материалов с низкой проводимостью, таких как воздух со значением 0,024 Вт / м • К при 0 ° C, до металлов с высокой проводимостью, таких как медь (385 Вт / м • К).

Теплопроводность материалов определяет то, как мы их используем, например, материалы с низкой теплопроводностью отлично подходят для изоляции наших домов и предприятий, в то время как материалы с высокой теплопроводностью идеально подходят для приложений, где необходимо быстро и эффективно отводить тепло из одной области. к другому, например, в кухонных принадлежностях и системах охлаждения в электронных устройствах. Выбирая материалы с теплопроводностью, подходящей для области применения, мы можем достичь наилучших возможных характеристик.

Теплопроводность и температура

Из-за того, что движение молекул является основой теплопроводности, температура материала имеет большое влияние на теплопроводность. Молекулы будут двигаться быстрее при более высоких температурах, и поэтому тепло будет передаваться через материал с большей скоростью. Это означает, что теплопроводность одного и того же образца может резко измениться при повышении или понижении температуры.

Способность понимать влияние температуры на теплопроводность имеет решающее значение для обеспечения ожидаемого поведения продуктов при воздействии термического напряжения. Это особенно важно при работе с продуктами, выделяющими тепло, например электроникой, и при разработке материалов для защиты от огня и тепла.

Теплопроводность и структура

Значения теплопроводности существенно различаются в зависимости от материала и сильно зависят от структуры каждого конкретного материала.Некоторые материалы будут иметь разные значения теплопроводности в зависимости от направления распространения тепла; это анизотропные материалы. В этих случаях тепло легче перемещается в определенном направлении из-за того, как устроена конструкция.

При обсуждении тенденций теплопроводности материалы можно разделить на три категории; газы, неметаллические твердые тела и металлические твердые тела. Различия в способностях этих трех категорий к теплопередаче можно объяснить различиями в их структурах и молекулярных движениях.

Газы имеют более низкую относительную теплопроводность, поскольку их молекулы не так плотно упакованы, как в твердых телах, и поэтому теплопередача сильно зависит от свободного движения молекул и скорости молекул.

Газы — плохой теплопередатчик. Напротив, молекулы в неметаллических твердых телах связаны в сетку решетки, и поэтому теплопроводность в основном происходит за счет колебаний в этих решетках. Непосредственная близость этих молекул по сравнению с молекулами газов означает, что неметаллические твердые тела имеют более высокую теплопроводность по сравнению с двумя, однако в этой группе есть большие различия.

Это изменение частично объясняется количеством воздуха, присутствующего в твердом теле, материалы с большим количеством воздушных карманов являются отличными изоляторами, тогда как те, которые более плотно упакованы, будут иметь более высокое значение теплопроводности.

Теплопроводность металлических твердых тел еще раз отличается от предыдущих примеров. Металлы обладают самой высокой теплопроводностью среди любых материалов, за исключением графена, и обладают уникальной комбинацией теплопроводности и электропроводности.Оба эти атрибута передаются одними и теми же молекулами, и связь между ними объясняется законом Видемана-Франца. Этот закон свидетельствует о том, что при определенной температуре электропроводность будет пропорциональна теплопроводности, однако по мере увеличения температуры теплопроводность материала будет расти, а электропроводность — уменьшаться.

Тестирование и измерение теплопроводности

Теплопроводность — важнейший компонент взаимоотношений между материалами, и способность понимать это позволяет нам добиться наилучших характеристик материалов, которые мы используем во всех аспектах нашей жизни.Эффективное испытание и измерение теплопроводности имеют решающее значение для этих усилий. Методы измерения теплопроводности можно разделить на установившиеся или переходные. Это разграничение является определяющей характеристикой того, как работает каждый метод. Методы установившегося состояния требуют, чтобы образец и образец сравнения находились в тепловом равновесии до начала измерений. Для переходных методов это правило не требуется, поэтому результаты выдаются быстрее.

Исследования

Получение пористой муллитовой керамики с низкой теплопроводностью

В этом исследовании анализируется муллитовая керамика, образованная в результате вспенивания и отверждения крахмала муллитового порошка, а также то, как ее теплопроводность изменяется в зависимости от пористости керамики.Теплопроводность измерялась методом источника переходной плоскости Hot Disc (TPS) с TPS 2500 S. По мере увеличения пористости муллитовой керамики увеличивается и теплопроводность.

Материал с фазовым переходом нанографит / парафин с высокой теплопроводностью

Композиты нанографит (NG) / парафин были приготовлены в качестве композитных материалов с фазовым переходом. Добавление NG увеличило теплопроводность композитного материала. Материал, содержащий 10% НГ, имел теплопроводность 0.9362 Вт / м • K

Артикул:

Нейв Р. Гиперфизика. «Теплопроводность». Государственный университет Джорджии.
Доступно по адресу: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html#c1

Материалы курса по неразрушающему контролю. «Теплопроводность». Ресурсный центр по неразрушающему контролю.
Доступно по адресу: https://www.ndeed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Physical_Chemical/ThermalConductivity.htm

Уильямс, М. «Что такое теплопроводность?». Phys.Org. 9 декабря 2014 г.
Доступно по адресу: http://phys.org/news/2014-12-what-is-heat-conduction.html

Что вы подразумеваете под теплопроводностью? Получено из определения теплопроводности

Thermtest База данных термических свойств материалов. Список коэффициентов теплопроводности

Факторы, влияющие на теплопроводность | Sciencing

Теплопроводность, также называемая теплопроводностью, — это поток энергии от чего-то более высокой температуры к чему-то более низкой температуре.Он отличается от электропроводности, которая имеет дело с электрическими токами. Несколько факторов влияют на теплопроводность и скорость передачи энергии. Как указывает веб-сайт Physics Info, поток измеряется не количеством передаваемой энергии, а скоростью ее передачи.

Материал

Тип материала, используемого для теплопроводности, может влиять на скорость потока энергии между двумя областями. Чем больше проводимость материала, тем быстрее течет энергия.Согласно гипертексту физики, материал с наибольшей проводимостью — это гелий II, сверхтекучая форма жидкого гелия, которая существует только при очень низких температурах. Другие материалы с высокой проводимостью — это алмазы, графит, серебро, медь и золото. Жидкости имеют низкий уровень проводимости, а газы еще ниже.

Длина

Длина материала, через который должна проходить энергия, может влиять на скорость, с которой она течет. Чем короче длина, тем быстрее будет течь.Теплопроводность может продолжать увеличиваться даже при увеличении длины — просто она может увеличиваться более медленными темпами, чем раньше.

Разница температур

Теплопроводность зависит от температуры. В зависимости от материала проводника с повышением температуры часто повышается и теплопроводность материала, увеличивая поток энергии.

Типы поперечного сечения

Тип поперечного сечения, например круглый, С-образный или полый, может влиять на теплопроводность, согласно Журналу материаловедения.В статье сообщается, что коэффициент температуропроводности композитов, армированных углеродным волокном С-образной и полой формы, примерно в два раза выше, чем у композитов круглого типа.

Теплопроводность — обзор

3.2.4 Теплопроводность эпоксидных смол

Теплопроводность — это способность материала проводить тепло, и она представляет собой количество тепловой энергии, протекающей в единицу времени через единицу площади с температурой. уклон 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 и эпоксидной смолы с конечной целью повышения теплопроводности. Композиты, состоящие из 20 мас.% Функционализированного графита, показали значительно улучшенную теплопроводность, равную 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 повышенного межфазного взаимодействия между ними.Обработка поверхности частиц с использованием силана оказалась более осуществимой, 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.% AlN, обработанного силаном, 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 превосходную теплопроводность за счет увеличенной площади поверхности в результате улучшенной дисперсии графена и взаимодействий графен-эпоксид. Композиты с 4 phr нековалентно функционализированных графеновых нанолистов 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 и затем использовали 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 эпоксид / ОУНТ с использованием ОУНТ, обработанных поверхностно-активными веществами и ДМФА. В результате обработанные композиты на основе SWCNT показали повышенную теплопроводность, а композит с обработанным поверхностно-активным веществом композитом содержал больше SWCNT и давал большее улучшение примерно на 65% для 0.1 объемная доля ОУНТ [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, чем у чистых MWCNT.Композиты, содержащие 5 об.% BTC-MWCNT, показали выдающуюся теплопроводность 0,96 Вт / м · К, 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 МУНТ.

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]	Нанотрубки, функционализированные полиэдрическими олигосилсесквиоксаном (POSS) из нитрида бора (BN)	30 мас.%	1360% увеличение
Xu et al. [70]	Обработанный силаном BN	57 об.%	Образец 10,3 Вт / м K
	Нитрид алюминия, обработанный силаном (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 MWCNT
Song et al. [72]	Обработанный 1-пиреномасляной кислотой нековалентно функционализированный графен	10%	Образец 1,53 Вт / м K
Chatterjee et al. [73]	Расширенные нанопластинки графена, функционализированные амином	2 мас.%	Увеличение на 36%
Bryning et al.[75]	SWCNT, обработанные поверхностно-активными веществами	0,1 об. Дол.	65% увеличение
Biercuk et al. [76]	Неочищенные ОСУНТ	1 вес.%	Увеличение на 125%
Du et al. [78]	Отдельно стоящие ОУНТ	Получены из 1 мас.% Композита ОУНТ / ПММА	220% увеличение
Yang et al. [79]	Многостенные углеродные нанотрубки с привитыми бензолэтрикарбоновой кислотой (BTC-MWCNTs)	5 об.%	Приложение 0.96 Вт / м · К, увеличение на 684%
Cui et al. [80]	MWCNTs с диоксидом кремния	1 вес.%	67% увеличение
Zhou et al. [81]	Гибридный наполнитель из MWCNT и микрокарбида кремния (SiC)	5 мас.% MWCNT + 55 мас.% Micro-SiC	в 23 раза больше
Shimazaki et al. [84]	Наноцеллюлоза	58 мас.%	Экспонаты более 1 Вт / м · К

Теплопроводность

Теплопроводность

Теплопроводность — это свойство материала.Не будет отличаться от размеры материала, но это зависит от температуры, плотность и влажность материала. Тепловой проводимость материала зависит от его температуры, плотности и содержание влаги. Теплопроводность, обычно встречающаяся в таблицах, составляет значение действительно для нормальной комнатной температуры. Это значение не будет отличаться значительно между 273 и 343 К (0 — 70 ° C). Когда высокие температуры например, в духовках, влияние температуры должно быть учтено.

Как правило, легкие материалы являются лучшими изоляторами, чем тяжелые. потому что легкие материалы часто содержат воздухозаборники. Сухой неподвижный воздух очень низкая проводимость. Слой воздуха не всегда будет хорошим изолятором, потому что тепло легко переносится излучением и конвекция.

Когда материал, например изоляционный, становится влажным, воздух корпуса наполняются водой и, поскольку вода является лучшим проводником чем воздух, увеличивается проводимость материала.Вот почему это очень важно устанавливать изоляционные материалы, когда они сухие и следите за тем, чтобы они оставались сухими.

Проводимость против проводимости

Электропроводность (k) — это свойство материала, означающее его способность проводить тепло через его внутреннюю структуру. Поведение на другом рука является свойством объекта и зависит как от его материала, так и от толщина. Электропроводность равна удельной электропроводности, умноженной на толщину, в дюймах. единиц Вт / м²К. Поскольку проводимость обратно пропорциональна удельному сопротивлению, поэтому общее сопротивление материала может быть выражено как его общее толщина, деленная на общую проводимость.В таблице ниже представлен список строительных материалов и их теплопроводности для сухой (закрытой) и влажные (наружные) условия.

Группа	Материал	Удельная масса (кг / м3)	Теплопроводность (Вт / мК)
			Сухой	мокрый
Металл	Алюминий	2800	204	204
	Медь	9000	372	372
	Свинец	12250	35	35
	Сталь, Чугун	7800	52	52
	цинк	7200	110	110
Натуральный камень	Базальт, Гранит	3000	3.5	3,5
	Bluestone, мрамор	2700	2,5	2,5
	Песчаник	2600	1,6	1,6
Кладка	Кирпич	1600-1900	0,6-0,7	0,9-1,2
	Кирпич силикатный	1900	0.9	1,4
		1000-1400	0,5-0,7
Бетон	Гравийный бетон	2300-2500	2,0 ​​	2,0 ​​
	Легкий бетон	1600-1900	0,7-0,9	1,2–1,4
		1000-1300	0.35-0,5	0,5-0,8
		300-700	0,12-0,23
	Пемзобетон	1000-1400	0,35-0,5	0,5-0,95
		700-1000	0,23-0,35
	Изоляционный бетон	300-700	0.12-0,23
	Ячеистый бетон	1000-1300	0,35-0,5	0,7–1,2
		400-700	0,17-0,23
	Шлакобетон	1600-1900	0,45-0,70	0,7–1,0
		1000-1300	0.23-0,30	0,35-0,5
Неорганическое	Асбестоцемент	1600-1900	0,35-0,7	0,9-1,2
	Гипсокартон	800-1400	0,23-0,45
	Гипсокартон	900	0,20
	Стекло	2500	0.8	0,8
	Пеностекло	150	0,04
	Минеральная вата	35-200	0,04
	Плитка	2000	1,2	1,2
Пластыри	Цемент	1900	0,9	1.5
	Лайм	1600	0,7	0,8
	Гипс	1300	0,5	0,8
Органический	Пробка (развернутая)	100-200	0,04–0,0045
	Линолеум	1200	0,17
	Резина	1200-1500	0.17-0,3
	ДВП	200-400	0,08-0,12	0,09-0,17
Дерево	Твердая древесина	800	0,17	0,23
	Хвойная древесина	550	0,14	0,17
	Фанера	700	0.17	0,23
	Оргалит	1000	0,3
	Мягкая плита	300	0,08
	ДСП	500–1000	0,1-0,3
	Древесно-стружечная плита	350-700	0,1-0,2
Синтетика	Полиэстер (GPV)	1200	0.17
	Полиэтилен, полипропилен	930	0,17
	Поливинилхлорид	1400	0,17
Синтетическая пена	Пенополистирол, эксп. (ПС)	10-40	0,035
	То же, экструдированный	30-40	0.03
	Пенополиуретан (PUR)	30–150	0,025-0,035
	Твердая пена на основе фенольной кислоты	25-200	0,035
	ПВХ-пена	20-50	0,035
Изоляция полости	Изоляция полой стены	20–100	0.05
Битумные материалы	Асфальт	2100	0,7
	Битум	1050	0,2
Вода	Вода	1000	0,58
	Лед	900	2.2
	Снег свежий	80-200	0,1-0,2
	Снег старый	200-800	0,5–1,8
Воздух	Воздух	1,2	0,023
Почва	Почва лесная	1450	0.8
	Глина с песком	1780	0,9
	Влажная песчаная почва	1700	2,0 ​​
	Почва (сухая)	1600	0,3
Напольное покрытие	Плитка напольная	2000	1.5
	Паркет	800	0,17-0,27
	Ковер из нейлонового войлока	0,05
	Ковер (поролон)	0,09
	Пробка	200	0,06-0,07
	Шерсть	400	0.07

Факторы, приводящие к изменению теплопроводности различных материалов

В этой статье объясняется, почему теплопроводность различных материалов / фаз зависит от различных факторов, таких как структура материала, плотность, фаза и состав, а также температура. Прочтите следующую статью об изменении теплопроводности, которое лежит в основе любой физики.

Введение в теплопередачу

В реальном мире мы обычно ощущаем тепло благодаря его температуре. Если температура тела высока, мы можем сказать, что тело имеет высокое содержание тепловой энергии по сравнению с телом при низкой температуре. Теперь это тепло всегда течет от высокой температуры к низкотемпературной области или к положительному температурному градиенту согласно второму закону термодинамики. Эта теплопередача может происходить в трех различных режимах, а именно.Теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. Тепловая конвекция может возникать из-за объемного движения жидкости и при контакте с твердой поверхностью. Тепловое излучение возникает из-за температуры любого тела выше нуля по Кельвину. Все тело, имеющее температуру выше нуля Кельвина, пропускает тепловое излучение. Но теплопроводность или диффузия тепла пропорциональны отрицательному градиенту температуры и константе пропорциональности, называемой «теплопроводностью».Теплопередача за счет теплопроводности = — (теплопроводность) * (Высокая температура — Низкая температура) / Ширина твердого тела.

Введение в теплопроводность

Проще говоря, теплопроводность — это способность любого материала нагреваться или охлаждаться или способность передавать тепло. Теплопроводность различается от одного материала к другому, а также от различных условий. Теплопроводность — это свойство материала, которое в основном зависит от структуры материала с точки зрения химического состава, фазы материала и его текстуры.Теплопроводность также зависит от содержания влаги в материале, а также от того, насколько плотно атомы упакованы в решетке, а также от рабочих условий, таких как давление и температура.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Свободные электроны

У металлов больше свободных электронов по сравнению с жидкостями и газами, поэтому металл хорошо проводит тепло из-за миграции свободных электронов. Металлы имеют плотноупакованную решетку по сравнению с жидкостями и газами.

Чистота материала

Теплопроводность чистого материала выше, чем у легированных материалов. Легирование металлов и наличие примесей вызывают снижение теплопроводности. Например. теплопроводность чистой меди составляет 385 Вт / мК, а у меди с содержанием мышьяка теплопроводность составляет 142 Вт / мК.

Эффект формовки

Обработка металлов, например термическая обработка и формовка металлов, например гибка, волочение и ковка, снижает теплопроводность материала по сравнению с материалом до обработки.

Высокотемпературный

Твердый : При повышении температуры вибрация решетки увеличивается, а свободное движение электронов уменьшается, таким образом, теплопроводность металла уменьшается при повышении температуры.
Газы : Но для газов теплопроводность увеличивается. Причина, по которой при более высокой температуре увеличивается средняя скорость движения молекул газа и удельная теплоемкость, потому что теплопроводность газа равна = (средняя скорость движения) X (удельная теплоемкость) X (средняя плотность пробега).В то время как, Liquid : теплопроводность жидкости также пропорциональна плотности, и при более высокой температуре плотность жидкости уменьшается, таким образом, уменьшается и теплопроводность.

Давление

Теплопроводность слабо зависит от давления вещества. Значит, изменение давления не сильно влияет на теплопроводность.

Плотность

Теплопроводность сильно зависит от плотности материала. Увеличение плотности увеличивает теплопроводность.

Кристаллическая структура

Материал, имеющий правильную кристаллическую структуру, имеет более высокое значение теплопроводности по сравнению с материалом аморфной (неправильной) формы.

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что разные материалы имеют разную теплопроводность. Порядок убывания теплопроводности для различных форм материалов следующий:

1. Чистые металлы
2. Сплавы (комбинация различных металлов)
3. Неметаллические кристаллические структуры
4. Жидкости
5. Газы

Также важна теплопроводность роль в выборе проводника или изолятора. {\ circ} F} \ right) [/ math]. ^[3] Материалы с более высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками тепловой энергии.

Поскольку теплопередача посредством теплопроводности включает в себя передачу энергии без движения материала, логично, что скорость передачи тепла будет зависеть только от разницы температур между двумя точками и теплопроводности материала.

Для получения дополнительной информации о теплопроводности см. Гиперфизика.

Значения для обычных материалов

Теплопроводность, [math] \ kappa [/ math] ^[4]

Материал	Электропроводность при 25 o C
Акрил	0.2
Воздух	0,024
Алюминий	205
Битум	0,17
Латунь	109
Цемент	1,73
Медь	401
Алмаз	1000
Войлок	0,04
Стекло	1,05
Утюг	80
Кислород	0.024
Бумага	0,05
Кремнеземный аэрогель	0,02
Вакуум	0
Вода	0,58

Из таблицы справа видно, что большинство материалов, которые обычно считаются хорошими проводниками, обладают высокой теплопроводностью. В основном металлы обладают очень высокой теплопроводностью, которая хорошо сопоставима с тем, что известно о металлах.Кроме того, изоляционные материалы, такие как аэрогель и изоляция, используемые в домах, имеют низкую теплопроводность, что указывает на то, что они не пропускают тепло через себя. Таким образом, низкая теплопроводность свидетельствует о хорошем изоляционном материале.

Промежуточные материалы не обладают значительными изолирующими или проводящими свойствами. Цемент и стекло не проводят слишком большое количество тепла и не обладают хорошей изоляцией.

Идея о том, что теплопроводность определенных материалов связана с тем, насколько хорошо они изолируют, обеспечивает связь между теплопроводностью и R-значениями / U-значениями.Поскольку значения U и R отражают, насколько хорошо определенный материал сопротивляется потоку тепла, теплопроводность играет роль в формировании этих значений. Однако значения U и R также зависят от толщины материала, тогда как теплопроводность этого не учитывает.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ HyperPhysics. (12 мая 2015 г.). Теплопроводность [Онлайн]. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html
2. ↑ Р. Чабай, Б. Шервуд. (12 мая 2015 г.). Matter & Interactions , 3-е изд., Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, 2011
3. ↑ Д. Грин, Р. Перри. (12 мая 2015 г.). Справочник инженеров-химиков Перри , 7-е изд., McGraw-Hill, 1997.
4. ↑ The Engineering Toolbox. (12 мая 2015 г.). Теплопроводность обычных материалов и газов [Онлайн]. Доступно: http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

Общие сведения о теплопроводности | Advanced Thermal Solutions

Теплопроводность — это объемное свойство, которое описывает способность материала передавать тепло.В следующем уравнении теплопроводность — это коэффициент пропорциональности k . Расстояние теплопередачи определяется как † x , которое перпендикулярно области A . Скорость передачи тепла через материал составляет Q , от температуры T ₁ до температуры T ₂ , когда T ₁ > T ₂ [2].

Рисунок 1.Процесс теплопроводности от горячей (T1) к холодной (T2) поверхности
Теплопроводность материалов играет важную роль в охлаждении электронного оборудования. От кристалла, в котором выделяется тепло, до шкафа, в котором размещена электроника, теплопроводность и, как следствие, теплопроводность являются неотъемлемыми компонентами общего процесса управления температурой.

Путь тепла от матрицы к внешней среде — сложный процесс, который необходимо учитывать при разработке теплового решения.В прошлом многие устройства могли работать без внешнего охлаждающего устройства, такого как радиатор. В этих устройствах сопротивление проводимости от кристалла к плате необходимо было оптимизировать, поскольку первичный путь теплопередачи находился в печатной плате. По мере увеличения уровней мощности передача тепла исключительно на плату становилась недостаточной (кредитная шакита). Большая часть тепла теперь рассеивается непосредственно в окружающую среду через верхнюю поверхность компонента. В этих новых более мощных устройствах важно низкое сопротивление перехода к корпусу, а также конструкция присоединенного радиатора.

Чтобы определить важность теплопроводности материала в конкретном приложении управления температурой (например, теплоотвод), важно разделить общее тепловое сопротивление, связанное с теплопроводностью, на три части: межфазное сопротивление, сопротивление растеканию и сопротивление проводимости.

• Интерфейсный материал улучшает тепловой контакт между несовершенными сопрягаемыми поверхностями. Материал с высокой теплопроводностью и хорошей способностью к смачиванию поверхности снижает межфазное сопротивление .
• Сопротивление растеканию используется для описания теплового сопротивления, связанного с небольшим источником тепла, соединенным с большим радиатором. Среди прочего, теплопроводность основания радиатора напрямую влияет на сопротивление растеканию.
• Сопротивление проводимости — это мера внутреннего теплового сопротивления в радиаторе, когда тепло перемещается от основания к ребрам, где оно рассеивается в окружающую среду. Что касается конструкции радиатора, сопротивление теплопроводности менее важно в условиях естественной конвекции и низкого расхода воздуха и становится более важным при увеличении расхода.

Общие единицы теплопроводности: Вт / мК и БТЕ / ч-фут — ^o F.

Рисунок 2. Теплопроводность тонкой пленки кремния [3].

В электронной промышленности постоянное стремление к меньшему размеру и более высокой скорости значительно уменьшило масштаб многих компонентов. Поскольку этот переход теперь продолжается от макро- к микромасштабу, важно учитывать влияние на теплопроводность и не предполагать, что объемные свойства все еще точны.Уравнения Фурье на основе континуума не могут предсказать тепловые характеристики в этих меньших масштабах. Необходимы более полные методы, такие как уравнение переноса Больцмана и решеточный метод Больцмана [3].

Влияние толщины на проводимость показано на рисунке 2. Характеризуемым материалом является кремний, который широко используется в электронике.

Рисунок 2. Теплопроводность тонкой кремниевой пленки [3]

Как и многие другие физические свойства, теплопроводность может быть анизотропной в зависимости от материала (в зависимости от направления).Кристалл и графит — два примера таких материалов. Графит используется в электронной промышленности, где ценна его высокая проводимость в плоскости. Кристаллы графита имеют очень высокую проводимость в плоскости (~ 2000 Вт / мК) из-за прочной связи углерод-углерод в их базисной плоскости. Однако параллельные базисные плоскости слабо связаны друг с другом, и теплопроводность, перпендикулярная этим плоскостям, довольно низкая (~ 10 Вт / мК) [4].

На теплопроводность влияют не только изменения толщины и ориентации; температура также влияет на общую величину.Из-за повышения температуры материала увеличивается внутренняя скорость частиц и увеличивается теплопроводность. Эта увеличенная скорость передает тепло с меньшим сопротивлением. Закон Видемана-Франца описывает это поведение путем соотнесения теплопроводности и электропроводности с температурой. Важно отметить, что влияние температуры на теплопроводность нелинейно, и его трудно предсказать без предварительного исследования. На графиках ниже показано поведение теплопроводности в широком диапазоне температур.Оба этих материала, нитрид алюминия и кремний, широко используются в электронике (рисунки 3 и 4 соответственно).

В будущем более мощные процессоры с несколькими ядрами еще больше подтолкнут потребность в улучшенной теплопроводности. Следовательно, стоит также изучить другие области исследований и разработок в области повышения теплопроводности для существующих материалов, используемых в корпусах электроники. Одной из таких областей является влияние нанотехнологий на теплопроводность, когда углеродные нанотрубки показали значения проводимости, близкие к проводимости алмаза из-за большой длины свободного пробега фононов [7].Разработка новых и улучшение существующих материалов приведет к более эффективному управлению температурой, поскольку рассеиваемая мощность устройства постоянно растет.

Артикул:

1. Теплопроводность, Американский научный словарь наследия, Houghton Mifflin Company

2. Моран М., Шапиро Х. Основы инженерной термодинамики, стр. 47, 1988 г.

3. Гай, С., Ким, В., Чанг, П., Амон, К., Джон, М., Анизотропная теплопроводность наноразмерных ограниченных тонких пленок через решетку Больцмана, Химическая инженерия, Университет Карнеги-Меллона, ноябрь 2006 г., стр.2006

4. Норли Дж., Роль природного графита в охлаждении электроники, Охлаждение электроники, август 2001 г.

5. Слак, Г.А., Танзилли Р.А., Поль Р.О., Вандерсанде Дж. В., Дж. Phys. Chem. Твердые тела 48, 7 (1987), 641-647

6. Глассбреннер, К. и Слак, Г., Теплопроводность кремния и германия от 3 ° К до точки плавления, Physical Review 134, 4A, 1964

7. Бербер С., Квон Ю., Томанек Д., Необычно высокая теплопроводность углеродных нанотрубок, Physical Review Letters, Том 84, № 20, стр. 4613-4616, 2000 г.

.