Tepelná vodivosť je fyzikálna veličina, ktorá určuje schopnosť materiálov viesť teplo. Inými slovami, tepelná vodivosť je schopnosť látok prenášať kinetickú energiu atómov a molekúl na iné látky, ktoré sú s nimi v priamom kontakte. V SI sa táto hodnota meria vo W / (K * m) (wattoch na meter Kelvina), čo je ekvivalentné J / (s * m * K) (joule na sekundu-Kelvin meter).

Pojem tepelnej vodivosti

Je to intenzívne fyzikálne množstvo, to znamená množstvo, ktoré opisuje vlastnosť hmoty, nezávisle od množstva tohto množstva. Intenzívne veličiny sú tiež teplota, tlak, elektrická vodivosť, to znamená, že tieto charakteristiky sú rovnaké v ktoromkoľvek bode tej istej látky. Ďalšia skupina fyzikálnych veličín je rozsiahla, ktorá je určená množstvom látky, napríklad hmotnosťou, objemom, energiou a ďalšími.

Opačná hodnota pre tepelnú vodivosť je tepelná odolnosť, ktorá odráža schopnosť materiálu zabrániť prenosu tepla cez neho. V prípade izotropného materiálu, tj materiálu, ktorého vlastnosti sú rovnaké vo všetkých priestorových smeroch, je tepelná vodivosť skalárna veličina a je definovaná ako pomer tepelného toku cez jednotku plochy za jednotku času k teplotnému gradientu. Tepelná vodivosť rovnajúca sa 1 wattu na meter kelvinov znamená, že tepelná energia v jednom joule sa prenáša materiálom:

  • za jednu sekundu;
  • na ploche jedného štvorcového metra;
  • vo vzdialenosti jedného metra;
  • keď je teplotný rozdiel na povrchoch umiestnených vo vzdialenosti jeden meter od seba v materiáli rovný jednému Kelvinu.

Je zrejmé, že čím vyššia je hodnota tepelnej vodivosti, tým lepšie materiál vedie teplo a naopak. Napríklad hodnota tejto hodnoty pre meď je 380 W / (m * K) a tento kov prenáša teplo 10 000 krát lepšie ako polyuretán, ktorého tepelná vodivosť je 0, 035 W / (m * K).

Molekulárny prenos tepla

Keď sa hmota zahreje, zvýši sa priemerná kinetická energia častíc, ktoré ju tvoria, to znamená, že sa zvyšuje úroveň poruchy, atómy a molekuly začnú oscilovať intenzívnejšie as väčšou amplitúdou okolo svojich rovnovážnych polôh v materiáli. Prenos tepla, ktorý možno na makroskopickej úrovni opísať Fourierovým zákonom, na molekulárnej úrovni je výmena kinetickej energie medzi časticami (atómami a molekulami) látky bez jej prenosu.

Toto vysvetlenie mechanizmu tepelnej vodivosti na molekulárnej úrovni ho odlišuje od mechanizmu tepelnej konvekcie, pri ktorom dochádza k prenosu tepla v dôsledku prenosu hmoty. Všetky tuhé látky majú schopnosť viesť teplo, zatiaľ čo tepelná konvekcia je možná iba v tekutinách a plynoch. V skutočnosti tuhé látky prenášajú teplo hlavne v dôsledku tepelnej vodivosti a kvapaliny a plyny, ak v nich sú teplotné gradienty, prenášajú teplo hlavne v dôsledku konvekčných procesov.

Tepelná vodivosť materiálov

Kovy majú výraznú schopnosť viesť teplo. Polyméry sa vyznačujú nízkou tepelnou vodivosťou a niektoré z nich prakticky nevedú teplo, napríklad zo sklenených vlákien, takéto materiály sa nazývajú tepelné izolátory. Na to, aby existoval tepelný tok priestorom, je potrebné, aby v tomto priestore bola nejaká látka, preto v otvorenom priestore (prázdny priestor) je tepelná vodivosť nulová.

Každý homogénny (homogénny) materiál sa vyznačuje koeficientom tepelnej vodivosti (označeným gréckym písmenom lambda), čo je hodnota, ktorá určuje, koľko tepla je potrebné preniesť cez plochu 1 m², takže za jednu sekundu sa mení teplota na jeho konci o jeden meter, a tým sa mení teplota na jeho konci. Táto vlastnosť je inherentná pre každý materiál a líši sa v závislosti od teploty, preto sa tento koeficient spravidla meria pri izbovej teplote (300 K), aby sa porovnali vlastnosti rôznych látok.

Ak je materiál heterogénny, napríklad železobetón, zavádza sa koncept užitočného koeficientu tepelnej vodivosti, ktorý sa meria podľa koeficientov homogénnych látok, ktoré tento materiál tvoria.

Nasledujúca tabuľka ukazuje tepelnú vodivosť niektorých kovov a zliatin vo W / (m * K) pri teplote 300 K (27 ° C):

  • oceľ 47-58;
  • hliník 237;
  • meď 372, 1-385, 2;
  • bronz 116-186;
  • zinok 106 - 140;
  • titán 21, 9;
  • cín 64, 0;
  • olovo 35, 0;
  • železo 80, 2;
  • mosadz 81-116;
  • zlato 308, 2;
  • striebro 406, 1-418, 7.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené údaje pre nekovové pevné látky:

  • sklolaminát 0, 03-0, 07;
  • sklo 0, 6 - 1, 0;
  • azbest 0, 04;
  • strom 0, 13;
  • parafín 0, 21;
  • tehla 0, 80;
  • diamant 2300.

Z uvažovaných údajov vyplýva, že tepelná vodivosť kovov ďaleko prevyšuje tepelnú vodivosť kovov. Výnimkou je diamant, ktorý má koeficient prestupu tepla päťkrát väčší ako meď. Táto vlastnosť diamantu je spojená so silnými kovalentnými väzbami medzi atómami uhlíka, ktoré tvoria jeho kryštalickú mriežku. Vďaka tejto vlastnosti sa človek cíti studený, keď sa jeho pery dotýka diamantu. Vlastnosť diamantu na prenos tepelnej energie sa používa v mikroelektronike na odvádzanie tepla z mikroobvodov. A táto vlastnosť sa používa aj v špeciálnych zariadeniach na odlíšenie skutočného diamantu od falošných.

V niektorých priemyselných procesoch sa snažia zvýšiť schopnosť prenosu tepla, ktorá sa dosahuje buď vďaka dobrým vodičom, alebo zväčšením kontaktnej plochy medzi komponentmi štruktúry. Príkladmi takýchto konštrukcií sú výmenníky tepla a rozptyľovače tepla. V iných prípadoch sa naopak snažia znižovať tepelnú vodivosť, ktorá sa dosahuje použitím tepelných izolátorov, dutín v štruktúrach a zmenšením kontaktnej plochy prvkov.

Koeficienty prestupu tepla pre ocele

Schopnosť prenášať teplo na ocele závisí od dvoch hlavných faktorov: zloženia a teploty.

Jednoduché uhlíkové ocele so zvyšujúcim sa obsahom uhlíka znižujú svoju špecifickú hmotnosť, podľa ktorej sa znižuje aj ich schopnosť prenášať teplo z 54 na 36 W / (m * K) so zmenou percentuálneho podielu uhlíka v oceli z 0, 5 na 1, 5%.

Nerezové ocele obsahujú chróm (10% alebo viac), ktorý spolu s uhlíkom vytvára komplexné karbidy, ktoré bránia oxidácii materiálu, a tiež zvyšuje elektródový potenciál kovu. Tepelná vodivosť nehrdzavejúcej ocele je nízka v porovnaní s inými ocelami a pohybuje sa od 15 do 30 W / (m * K) v závislosti od jej zloženia. Žiaruvzdorné chrómniklové ocele odolné voči teplu majú ešte nižšie hodnoty tohto koeficientu (11-19 W / (m * K).

Ďalšou triedou je galvanizovaná oceľ so špecifickou hmotnosťou 7 850 kg / m3, ktorá sa získava povrchovou úpravou ocele pozostávajúcej zo železa a zinku. Pretože zinok vedie teplo ľahšie ako železo, bude tepelná vodivosť galvanizovanej ocele v porovnaní s inými triedami ocele relatívne vysoká. Je v rozsahu od 47 do 58 W / (m * K).

Tepelná vodivosť ocele pri rôznych teplotách sa spravidla príliš nemení. Napríklad koeficient tepelnej vodivosti ocele 20 klesá z 86 na 30 W / (m * K), keď sa teplota zvýši z teploty miestnosti na 1200 ° C, a pre stupeň 08 Kh13 zvýšenie teploty zo 100 na 900 ° C nemení svoj koeficient tepelnej vodivosti (27–28). W / (m * K).

Faktory ovplyvňujúce fyzickú veličinu

Schopnosť viesť teplo závisí od mnohých faktorov, vrátane teploty, štruktúry a elektrických vlastností látky.

Teplota materiálu

Vplyv teploty na schopnosť viesť teplo sa u kovov a nekovov mení. V kovoch je vodivosť spojená najmä s voľnými elektrónmi. Podľa zákona Wiedemann - Franz je tepelná vodivosť kovu úmerná súčinu absolútnej teploty vyjadrenej v kelvine a jeho elektrickej vodivosti. V čistých kovoch klesá elektrická vodivosť so zvyšujúcou sa teplotou, takže tepelná vodivosť zostáva približne konštantná . V prípade zliatin sa elektrická vodivosť mení s rastúcou teplotou, preto sa tepelná vodivosť zliatin zvyšuje úmerne s teplotou.

Na druhej strane je prenos tepla v nekovoch spojený najmä s vibráciami mriežky a výmenou fonónov mriežky. S výnimkou vysokokvalitných kryštálov a nízkych teplôt stredná voľná dráha fonónu v mriežke pri vysokých teplotách významne neklesá, preto tepelná vodivosť zostáva konštantná v celom teplotnom rozsahu, t.j. je zanedbateľná. Pri teplotách pod teplotou Debye je schopnosť nekovov viesť teplo spolu s ich tepelnou kapacitou výrazne znížená.

Fázové prechody a štruktúra

Ak sa u materiálu vyskytne fázový prechod prvého poriadku, napríklad z tuhého do kvapalného stavu alebo z kvapaliny do plynu, môže sa zmeniť jeho tepelná vodivosť. Pozoruhodný príklad takejto zmeny je rozdiel tohto fyzikálneho množstva pre ľad (2, 18 W / (m * K) a vodu (0, 90 W / (m * K)).

Zmeny v kryštálovej štruktúre materiálov tiež ovplyvňujú tepelnú vodivosť, čo sa vysvetľuje anizotropnými vlastnosťami rôznych alotrópnych modifikácií látky s rovnakým zložením. Anizotropia ovplyvňuje rôzne intenzity rozptylu mriežkových fonónov, hlavných nosičov tepla v nekovoch av rôznych smeroch v kryštáli. Tu je živým príkladom zafír, ktorého vodivosť sa mení v závislosti od smeru od 32 do 35 W / (m * K).

Elektrická vodivosť

Tepelná vodivosť v kovoch sa mení s elektrickou vodivosťou podľa Wiedemann - Franzovho zákona. Je to spôsobené skutočnosťou, že valenčné elektróny, voľne sa pohybujúce po kryštálovej mriežke kovu, prenášajú nielen elektrickú, ale aj tepelnú energiu. Pri iných materiáloch nie je korelácia medzi týmito typmi vodivosti výrazná z dôvodu zanedbateľného prínosu elektronických komponentov k tepelnej vodivosti (mrežové fonóny hrajú hlavnú úlohu v mechanizme prenosu tepla).

Proces prúdenia

Vzduch a iné plyny sú všeobecne dobré tepelné izolátory v neprítomnosti konvekčného procesu. Práca mnohých tepelne izolačných materiálov obsahujúcich veľké množstvo malých dutín a pórov je založená na tomto princípe. Takáto štruktúra neumožňuje šírenie konvekcie na veľké vzdialenosti. Príkladmi takýchto materiálov získaných človekom sú polystyrén a silicídny aerogél. V prírode tepelné izolátory, ako sú zvieracie kože a perie vtákov, fungujú na rovnakom princípe.

Ľahké plyny, ako napríklad vodík a gél, majú vysokú tepelnú vodivosť a ťažké plyny, ako napríklad argón, xenón a radón, sú slabými tepelnými vodičmi. Napríklad argón, inertný plyn, ktorý je ťažší ako vzduch, sa často používa ako tepelnoizolačný výplň plynu v dvojitých oknách a žiarovkách. Výnimkou je fluorid sírový (plyn SF6), ktorý je ťažkým plynom a má vďaka svojej vysokej tepelnej kapacite relatívne vysokú tepelnú vodivosť.

Kategórie:

Technológie