Toplotna prevodnost je fizikalna količina, ki določa sposobnost materialov za prevajanje toplote. Z drugimi besedami, toplotna prevodnost je sposobnost snovi, da prenesejo kinetično energijo atomov in molekul na druge snovi, ki so v neposrednem stiku z njimi. V SI se ta vrednost meri v W / (K * m) (vatov na Kelvin meter), kar je enako J / (s * m * K) (Joule na sekund-Kelvin meter).

Koncept toplotne prevodnosti

Gre za intenzivno fizično količino, torej količino, ki opisuje lastnost materije, neodvisno od količine slednje. Intenzivne količine so tudi temperatura, tlak, električna prevodnost, to pomeni, da so te lastnosti enake na kateri koli točki iste snovi. Druga skupina fizikalnih količin je obsežna, ki je določena s količino snovi, na primer mase, prostornine, energije in drugih.

Nasprotna vrednost za toplotno prevodnost je toplotna odpornost, kar odraža sposobnost materiala, da prepreči prenos toplote, ki gre skozi njega. Za izotropni material, to je material, katerega lastnosti so v vseh prostorskih smereh enake, je toplotna prevodnost skalarna količina in je določena kot razmerje toplotnega toka skozi enoto površine na enoto časa do temperaturnega gradienta. Torej, toplotna prevodnost, enaka eni vati na meter, Kelvin, pomeni, da se toplotna energija v enem Joule prenaša skozi material:

  • v eni sekundi;
  • na površini enega kvadratnega metra;
  • na razdalji enega metra;
  • kadar je temperaturna razlika na površinah, ki se nahajajo na razdalji enega metra drug od drugega v materialu, enaka enemu Kelvinu.

Jasno je, da večja kot je vrednost toplotne prevodnosti, boljši material prenaša toploto in obratno. Na primer, vrednost te vrednosti za baker je 380 W / (m * K), ta kovina pa toploto prenaša 10.000 krat bolje kot poliuretan, katere toplotna prevodnost je 0, 035 W / (m * K).

Molekularni prenos toplote

Ko se snov segreva, se povprečna kinetična energija njenih sestavnih delcev poveča, to pomeni, da se stopnja motnje poveča, atomi in molekule začnejo intenzivno nihati in z večjo amplitudo okoli svojih ravnotežnih položajev v materialu. Prenos toplote, ki ga na makroskopski ravni lahko opišemo s Fourierovim zakonom, je na molekularni ravni izmenjava kinetične energije med delci (atomi in molekule) snovi, ne da bi jo prenesli.

Ta razlaga mehanizma toplotne prevodnosti na molekularni ravni ga razlikuje od mehanizma toplotne konvekcije, v katerem pride do prenosa toplote zaradi prenosa snovi. Vse trdne snovi imajo sposobnost prevajanja toplote, medtem ko je toplotna konvekcija možna samo v tekočinah in plinih. Dejansko trdne snovi prenašajo toploto predvsem zaradi toplotne prevodnosti, tekočine in plini pa, če so v njih temperaturni gradienti, prenašajo toploto predvsem zaradi konvekcijskih procesov.

Toplotna prevodnost materialov

Kovine imajo izrazito sposobnost prevajanja toplote. Za polimere je značilna nizka toplotna prevodnost in nekateri od njih praktično ne izvajajo toplote, na primer iz steklenih vlaken, takšni materiali se imenujejo toplotni izolatorji. Da bi ta ali tisti toplotni tok skozi prostor obstajal, je potrebno, da je v tem prostoru nekaj snovi, zato je v odprtem prostoru (prazen prostor) toplotna prevodnost enaka nič.

Za vsak homogen (homogen) material je značilen koeficient toplotne prevodnosti (označen z grško črko lambda), to je vrednost, ki določa, koliko toplote je treba oddati skozi površino 1 m², tako da se v eni sekundi, ko skozi debelino materiala preide en meter, temperatura na njegovih koncih spremeni za 1 K. Ta lastnost je lastna vsakemu materialu in se spreminja glede na njegovo temperaturo, zato se ta koeficient praviloma meri pri sobni temperaturi (300 K) za primerjavo lastnosti različnih snovi.

Če je material heterogen, na primer armirani beton, potem uvedemo koncept koristnega koeficienta toplotne prevodnosti, ki se meri glede na koeficiente homogenih snovi, ki sestavljajo ta material.

Spodnja tabela prikazuje toplotno prevodnost nekaterih kovin in zlitin v W / (m * K) pri temperaturi 300 K (27 ° C):

  • jeklo 47-58;
  • aluminij 237;
  • baker 372, 1-385, 2;
  • bronasta 116-186;
  • cink 106-140;
  • titan 21, 9;
  • kositer 64, 0;
  • svinec 35, 0;
  • železo 80, 2;
  • medenina 81-116;
  • zlato 308, 2;
  • srebro 406, 1-418, 7.

Naslednja tabela prikazuje podatke za nekovinske trdne snovi:

  • fiberglasa 0, 03-0, 07;
  • steklo 0, 6-1, 0;
  • azbest 0, 04;
  • drevo 0, 13;
  • parafin 0, 21;
  • opeka 0, 80;
  • diamant 2300.

Iz upoštevanih podatkov je razvidno, da toplotna prevodnost kovin daleč presega toploto kovin. Izjema je diamant, ki ima koeficient prenosa toplote petkrat več kot baker. Ta lastnost diamanta je povezana z močnimi kovalentnimi vezmi med atomi ogljika, ki tvorijo njegovo kristalno rešetko. Zahvaljujoč tej lastnosti se človek počuti hladno, ko se dotakne diamanta z ustnicami. Lastnost diamanta, da dobro prenaša toplotno energijo, se v mikroelektroniki uporablja za odstranjevanje toplote iz mikrovezja. In tudi ta lastnost se uporablja v posebnih napravah za razlikovanje pravega diamanta od ponaredka.

V nekaterih industrijskih procesih poskušajo povečati sposobnost prenosa toplote, kar dosežejo bodisi zaradi dobrih prevodnikov bodisi s povečanjem stičnega območja med sestavnimi deli konstrukcije. Primeri takšnih modelov so toplotni izmenjevalniki in oddajniki toplote. V drugih primerih, nasprotno, poskušajo zmanjšati toplotno prevodnost, kar dosežejo z uporabo toplotnih izolatorjev, praznin v konstrukcijah in zmanjšanja območja stika elementov.

Koeficienti prenosa toplote za jekla

Sposobnost prenosa toplote na jeklo je odvisna od dveh glavnih dejavnikov: sestave in temperature.

Preprosta ogljikova jekla z naraščajočo vsebnostjo ogljika zmanjšajo njihovo specifično težo, v skladu s katero se tudi njihova sposobnost prenosa toplote s 54 na 36 W / (m * K) zmanjša s spremembo odstotka ogljika v jeklu z 0, 5 na 1, 5%.

Nerjaveča jekla vsebujejo krom (10% ali več), ki skupaj z ogljikom tvori kompleksne karbide, ki preprečujejo oksidacijo materiala in povečujejo tudi elektrodni potencial kovine. Toplotna prevodnost nerjavečega jekla je majhna v primerjavi z drugimi jekli in znaša od 15 do 30 W / (m * K), odvisno od njegove sestave. Toplotno odporna krom-niklja jekla imajo še nižje vrednosti tega koeficienta (11-19 W / (m * K).

Drugi razred je pocinkano jeklo s specifično težo 7.850 kg / m3, ki ga dobimo s prevleko iz jekla, sestavljenega iz železa in cinka. Ker cink lažje izvaja toploto kot železo, bo toplotna prevodnost pocinkanega jekla razmeroma visoka v primerjavi z drugimi jeklenimi razredi. Obsega od 47 do 58 W / (m * K).

Toplotna prevodnost jekla pri različnih temperaturah se praviloma ne spremeni veliko. Na primer, koeficient toplotne prevodnosti jekla 20 se z 86 na 30 W / (m * K) zmanjša, ko se temperatura poveča od sobne temperature na 1200 ° C, pri razredu 08Kh13 pa zvišanje temperature s 100 na 900 ° C ne spremeni koeficienta toplotne prevodnosti (27–28 Š / (m * K).

Dejavniki, ki vplivajo na fizično količino

Sposobnost prevajanja toplote je odvisna od številnih dejavnikov, vključno s temperaturo, strukturo in električnimi lastnostmi snovi.

Temperatura materiala

Vpliv temperature na sposobnost prevajanja toplote se razlikuje za kovine in nekovine. Pri kovinah je prevodnost povezana predvsem s prostimi elektroni. Po zakonu Wiedemanna - Franza je toplotna prevodnost kovine sorazmerna z izdelkom absolutne temperature, izražene v Kelvinu, in njeno električno prevodnostjo. V čistih kovinah se električna prevodnost zmanjšuje z naraščanjem temperature, zato toplotna prevodnost ostane približno konstantna . Pri zlitinah se električna prevodnost z naraščajočo temperaturo malo razlikuje, zato se toplotna prevodnost zlitin povečuje sorazmerno s temperaturo.

Po drugi strani pa je prenos toplote v nekovinah povezan predvsem z vibracijami rešetk in izmenjavo reševalnih fononov. Z izjemo visokokakovostnih kristalov in nizkih temperatur se srednja prosta pot fononov v rešetki pri visokih temperaturah bistveno ne zmanjša, zato ostane toplotna prevodnost konstantna v celotnem temperaturnem območju, to je nepomembno. Pri temperaturah pod temperaturo Debye se sposobnost nekovin, da prenašajo toploto, skupaj s toplotno zmogljivostjo znatno zmanjša.

Fazni prehodi in struktura

Kadar material doživi fazni prehod prvega reda, na primer iz trdnega v tekoče stanje ali iz tekočega v plin, se njegova toplotna prevodnost lahko spremeni. Izrazit primer takšne spremembe je razlika te fizikalne količine za led (2, 18 W / (m * K) in vodo (0, 90 W / (m * K)).

Spremembe v kristalni strukturi materialov vplivajo tudi na toplotno prevodnost, kar je razloženo z anizotropnimi lastnostmi različnih alotropnih sprememb snovi iste sestave. Anizotropija vpliva na različne intenzivnosti sipanja rešetkastih fononov, glavnih nosilcev toplote v nekovinah in v različnih smereh v kristalu. Tu je jasen primer safir, katerega prevodnost se giblje od 32 do 35 W / (m * K), odvisno od smeri.

Električna prevodnost

Toplotna prevodnost v kovinah se razlikuje glede na električno prevodnost po zakonu Wiedemann - Franz. To je posledica dejstva, da valenčni elektroni, ki se prosto gibljejo po kristalni rešetki kovine, prenašajo ne samo električno, temveč tudi toplotno energijo. Pri drugih materialih korelacija med temi vrstami prevodnosti ni izrazita, ker nepomemben prispevek elektronske komponente k toplotni prevodnosti (rešilni fononi igrajo glavno vlogo v mehanizmu prenosa toplote).

Konvekcijski postopek

Zrak in drugi plini so običajno dobri toplotni izolatorji, če konvekcijskega procesa ni. Delo številnih toplotnoizolacijskih materialov, ki vsebujejo veliko število majhnih praznin in pore, temelji na tem načelu. Takšna struktura ne omogoča širjenja konvekcije na velike razdalje. Primera takih materialov, ki jih dobimo človek, sta polistiren in silikon airgel. V naravi toplotni izolatorji, kot so živalske kože in perje ptic, delujejo po istem principu.

Lahki plini, kot sta vodik in gel, imajo visoko toplotno prevodnost, težki plini, kot so argon, ksenon in radon, pa so slabi toplotni prevodniki. Na primer, argon, inertni plin, ki je težji od zraka, se pogosto uporablja kot toplotno izolirno plinsko polnilo v dvojnih oknih in v žarnicah. Izjema je žveplov heksafluorid (plin SF6), ki je močan plin in ima zaradi visoke toplotne zmogljivosti relativno visoko toplotno prevodnost.

Kategorija:

Tehnologija