1 мм изоляции Астратек = 50 мм рулонной изоляции
Продажа, расчет, проведение работ
Главная arrow Теоретические данные arrow Теплопроводность
Теплопроводность

Теплопроводность, один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При Т. перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Если относительное изменение температуры Т на расстоянии средней длины свободного пробега частиц l мало, то выполняется основной закон Т. (закон Фурье): плотность теплового потока q пропорциональна градиенту температуры grad T, то есть , (1)где l — коэффициент Т., или просто Т., не зависит от grad T [l зависит от агрегатного состояния вещества (см. табл.), его атомно-молекулярного строения, температуры и давления, состава (в случае смеси или раствора) и т. д.].Значения коэффициента теплопроводности l для некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении

Вещество                              t, ° C    l, вт/(м×К)
      Газы
      Водород...…….…………... 0        0,1655  
      Гелий.……………………...0        0,1411
      Кислород.……………….... 0        0,0239
      Азот...…………………......-3        0,0237
      Воздух …………………..... 4        0,0226
      Металлы
      Серебро ………………........0          429
      Медь……………………......0          403
      Железо …………………..... 0         86,5
      Олово.…………………...... 0         68,2
      Свинец.………………….....0         35,6
      Жидкости 
      Ртуть.……………………..... 0         7,82        
      Вода..……………………..... 20      0,599
      Ацетон.…………………....  16      0,190
      Этиловый спирт………….. 20      0,167
      Бензол..…………………....  22,5   0,158
      Минералы и 
      материалы
      Хлорид натрия …….……... 0           6,9  
      Турмалин ………………..... 0           4,6
      Стекло...…………………... 18      0,4—1
      Дерево.…………………..... 18   0,16—0,25
      Асбест.…………………..... 18         0,12

     Отклонения от закона Фурье могут появиться при очень больших значениях grad T (например, в сильных ударных волнах), при низких температурах (для жидкого гелия Не II) и при высоких температурах порядка десятков и сотен тысяч градусов, когда в газах перенос энергии осуществляется не только в результате межатомных столкновений, но в основном за счёт излучения (лучистая Т.). В разреженных газах, когда l сравнимо с расстоянием L между стенками, ограничивающими объём газа, молекулы чаще сталкиваются со стенками, чем между собой. При этом нарушается условие применимости закона Фурье и само понятие локальной температуры газа теряет смысл. В этом случае рассматривают не процесс Т. в газе, а теплообмен между телами, находящимися в газовой среде. Процесс переноса теплоты —Т. — в сплошной среде описывается теплопроводности уравнением. Для идеального газа, состоящего из твёрдых сферических молекул диаметром d, согласно кинетической теории газов, справедливо следующее выражение для \ (при  ): , (2)где r — плотность газа, cv — теплоёмкость единицы массы газа при постоянном объёме V,   — средняя скорость движения молекул. Поскольку J пропорциональна 1/р, а r ~ р (р — давление газа), то Т. такого газа не зависит от давления. Кроме того, коэффициент Т. l и вязкости m связаны соотношением:  . В случае газа, состоящего из многоатомных молекул, существенный вклад в l дают внутренние степени свободы молекул, что учитывает соотношение:  ,где g = ср/cv, ср — теплоёмкость при постоянном давлении. В реальных газах коэффициент Т. — довольно сложная функция температуры и давления, причём с ростом Т и р значение l возрастает. Для газовых смесей l может быть как больше, так и меньше коэффициента Т. компонентов смеси, то есть Т. — нелинейная функция состава.
В плотных газах и жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул, а кинетическая энергия движения молекул того же порядка, что и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. В связи с этим перенос энергии столкновениями происходит значительно интенсивнее, чем в разреженных газах, и скорость передачи энергии молекул от горячих изотермических слоев жидкости к более холодным близка к скорости распространения малых возмущений давления, равной скорости звука, т. е.  , где us  — скорость звука в жидкости,   — среднее расстояние между молекулами. Эта формула лучше всего выполняется для одноатомных жидкостей. Как правило, l жидкостей убывает с ростом Т и слабо возрастает с ростом р. Т. твёрдых тел имеет различную природу в зависимости от типа твёрдого тела. В диэлектриках, не имеющих свободных электрических зарядов, перенос энергии теплового движения осуществляется фононами — квазичастицами, квантами упругих колебаний атомов кристалла (см. Колебания кристаллической решётки, Квазичастицы). У твёрдых диэлектриков  , где с — теплоёмкость диэлектрика, совпадающая с теплоёмкостью газа фононов,   — средняя скорость движения фононов, приблизительно равная скорости звука,   — средняя длина свободного пробега фононов. Существование определённого конечного значения l — следствие рассеяния фононов на фононах, на дефектах кристаллической решётки (в частности, на границах кристаллитов и на границе образца).
Температурная зависимость л. определяется зависимостью от температуры с и l. При высоких температурах (T >> QD, где QD — Дебая температура) главным механизмом, ограничивающим l, служит фонон-фононное рассеяние, связанное с ангармонизмом колебаний атомов кристалла. фонон-фононный механизм теплосопротивления (1/l — коэффициент теплосопротивления) возможен только благодаря процессам переброса (см. Твёрдое тело), в результате которых происходит торможение потока фононов. Чем Т выше, тем с большей вероятностью осуществляются процессы переброса, а l уменьшается: при T >> QD l ~ 1/T и, следовательно, l ~ 1/T, так как с в этих условиях слабо зависит от Т. С уменьшением Т (при T << QD) длина свободного пробега, определяемая фонон-фононным рассеянием, резко растет (  ) и, как правило, ограничивается размерами образца (R). Теплоёмкость при T << QD убывает ~ Т3 благодаря чему l при понижении температуры проходит через максимум. Температура, при которой l имеет максимум, определяется из равенства l (T) » R.Т. металлов определяется движением и взаимодействием носителей тока — электронов проводимости. В общем случае для металла коэффициент Т. равен сумме решёточной фононной lреш и электронной lэ составляющих: l = lэ + lреш, причём при обычных температурах, как правило, lэ &#179; lреш. В процессе теплопроводности каждый электрон переносит при наличии градиента температуры энергию kT, благодаря чему отношение электронной части коэффициента Т. lэ, к электрической проводимости s в широком интервале температур пропорционально температуре (Видемана — Франца закон): , (3)где k — Больцмана постоянная, е — заряд электрона. В связи с тем, что у большинства металлов lреш &#163; lэ, в законе Видемана — Франца можно с хорошей точностью заменить lэ на l. Обнаруженные отклонения от равенства (3) нашли своё объяснение в неупругости столкновений электронов. У полуметаллов Bi и Sb lреш сравнима с lэ, что связано у них с малостью числа свободных электронов. Явление переноса теплоты в полупроводниках сложнее, чем в диэлектриках и металлах, во-первых, в связи с тем, что для них существенны обе составляющие Т. (lэ и lреш), а, во-вторых, в связи со значительным влиянием на коэффициент Т. примесей, процессов биполярной диффузии, переноса экситонов и др. факторов. Влияние давления на l твёрдых тел с хорошей точностью выражается линейной зависимостью l от р, причём у многих металлов и минералов l растет с ростом р.
Лит.: Лыков А, В., Теория теплопроводности, М., 1967;
Рейф Ф., Статистическая физика, пер. с англ., М., 1972
(Берклеевский курс физики, т. 5); Роберте Дж., Теплота и термодинамика, пер. с англ., М.- Л., 1950;
Гиршфельдер Дж., Кертисс., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961;
 3айман Дж., Принципы теории твердого тела, пер. с англ., М., 1966;
Киттель Ч., Элементарная физика твердого тела, пер. с англ., М., 1965;
Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966.
  С. П. Малышенко.

 
< Пред.   След. >

Астратек Москва: тел. +7 (499) 346 36 26,  +7 (985) 727 76 78,




 
Типы покрытий АСТРАТЕК®
Теплоизоляционное полимерное покрытие АСТРАТЕК®
Теплоизоляционное полимерное покрытие АСТРАТЕК® металл

Теплоизоляционное полимерное покрытие АСТРАТЕК® фасад
Водно-дисперсионные краски и грунтовки GROSS®
Грунтовка по металлу GROSS® металл
Универсальная грунтовка GROSS® фасад
Краски водно-дисперсионные GROSS® фасад, GROSS® интерьер
Использование Астратек
Применение АСТРАТЕК в строительстве
Применение АСТРАТЕК на трубопроводах
Применение АСТРАТЕК в хозяйстве
Применение АСТРАТЕК на предприятиях


Страница сгенерирована за 0.013514 секунд