Теплопроводность

На предыдущем уроке, мы узнали, что существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Сегодня мы поговорим о теплопроводности. Вспомним опыты из предыдущего урока: тела нагревались и охлаждались друг от друга, находясь в непосредственном контакте. Например, летом около фонтана всегда прохладнее, потому что вода холоднее воздуха. Это и называется теплопроводностью — передача внутренней энергии от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Тело обладает плохой или хорошей теплопроводностью в зависимости от того, насколько быстро через это тело проходит тепло. Например, если поджечь деревянную палку с одного конца, то можно легко держать её за другой, не рискуя обжечься. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью. Также, если мы положим кирпич одним концом в огонь, то температура на разных концах будет сильно отличаться и чтобы нагреться потребуется достаточно длительное время. Поэтому кирпич тоже имеет плохую теплопроводность.

Если поставить на плиту кастрюлю, то она очень скоро нагреется, потому что она металлическая. Значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.

image001.png

Следует помнить, что процесс нагревания происходит постепенно. Когда мы хотим закипятить воду, мы наливаем её в кастрюлю, а кастрюлю ставим на плиту. Сначала нагревается дно кастрюли, т.к. оно непосредственно контактирует с плитой. Частицы дна кастрюли получают дополнительную энергию. Эти частицы, в свою очередь, начинают взаимодействовать с соседними частицами, также передавая им дополнительную энергию. Так происходит, пока все тело не нагреется. Здесь мы плавно переходим к теплопроводности жидкостей. Как мы знаем из бытового опыта, несмотря на то, что кастрюля нагревается почти сразу, нужно немного подождать, пока вода закипит. Из этого можно сделать вывод, что у жидкостей не очень хорошая теплопроводность (за исключением жидких металлов, конечно). Этого можно было ожидать, т.к. теплопроводность происходит из-за взаимодействия частиц, а частицы в жидкостях находятся на большем расстоянии, чем в твердых телах. Логично предположить, что у газов теплопроводность ещё хуже, потому что в них молекулы расположены ещё дальше друг от друга. Сделаем несколько наблюдений.

Фен выдувает горячий воздух за счет электрической энергии, которую он потребляет из сети.

Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить. Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счет небольшого слоя воздуха между ними. Значит, воздух обладает плохой теплопроводностью.

Итак, из этих примеров можно сделать вывод, что теплопроводность — это свойство тела и у каждого тела она разная. Шерсть, перья, волосы имеют плохую теплопроводность, что вполне логично, т.к. их основной функцией является защита от холода. Теперь, мы понимаем, что защитой от холода является препятствование передачи внутренней энергии тела окружающей среде. Плохая теплопроводность этих веществ объясняется тем, что их волокна содержат частички воздуха, как и волокна дерева.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (т.е. свободное пространство). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии частиц, которых попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе (мы не можем утверждать, что в космосе абсолютный вакуум, но открытый космос — это почти полностью освобожденное пространство). Возникает вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством излучения, о котором мы поговорим чуть позже.

Мы сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Теперь мы знаем, что если надо предохранить тело от охлаждения или нагревания, то к нему нужно применить материал с плохой теплопроводностью. И наоборот, если требуется нагреть или остудить тело, то используются материалы с хорошей теплопроводностью. Наглядный пример — это сковорода, которая сделана из металла, чтобы на ней можно было готовить.

image002.png

Однако, ручка сковороды сделана из пластмассы, чтобы она не нагревалась.

Теперь мы можем объяснить, почему одежда нас «греет». На самом деле, она не греет, а сохраняет тепло. Зимние куртки наполняют материалом с плохой теплопроводностью. Таким образом, тепло нашего тела меньше передаётся окружающему нас холодному воздуху. Одежда предохраняет нас от непосредственного контакта с окружающей средой, а это играет решающую роль в теплопроводности. В результате, человек теряет гораздо меньше тепла.

Не следует путать с термическим сопротивлением.

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояниявещества.

Различают стационарный и нестационарный процессы теплопроводности в твердом теле. Стационарный процесс характеризуется неизменными во времени параметрами процесса. Такой процесс утанавливается при длительном поддержании температур теплообменивающихся сред на одном и том же уровне. Нестационарный процесс представляет собой неустановившийся тепловой процесс в телах и средах, характеризуемый изменением температуры в пространстве и во времени.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

<math><semantics><mrow><mstyle><mrow><mrow><mover><mi>q</mi><mo>→</mo></mover></mrow></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>ϰ</mi><mrow><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi></mrow><mi>T</mi><mo>,</mo></mstyle></mrow><annotation>{displaystyle {vec {q}}=-varkappa ,mathrm {grad} T,}</annotation></semantics></math>im244-374px-Aerogelflower_filtered.jpg

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен 4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
200—2000
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь нелегированная 47—58
Свинец 35,3
Сталь нержавеющая (аустенитная) [6] 15
Кварц 8
Термопасты высокого качества 5—12 (на основе соединений углерода)
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня 1,51
Базальт 1,3
Стекло 1—1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Бетон на песке 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,05—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1) 0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) 0,029—0,032
Стекловата 0,032—0,041
Каменная вата 0,034—0,039
Пенополиизоцианурат (PIR) 0,023
Пенополиуретан (поролон) 0,019-0,035
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022
Аэрогель 0,017
Диоксид углерода (273—320 K, 100 кПа) 0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа) 0,015
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

  1. Фурье закон // Естествознание. Энциклопедический словарь (рус.).
  2. Д.В. Сивухин. Общий курс физики: термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2006. — С. 345.
  3. Исследование теплопроводности газов. (недоступная ссылка) // Методические указания.
  4. J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  5. C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.
  6. Merkblatt 821Архивная копия от 8 августа 2014 на Wayback Machine (PDF; 614 kB); Сталь нержавеющая, свойства стали (нем.), таблица 9

См. также

Большая российская · Britannica (онлайн) · Britannica (онлайн)
Нормативный контроль GND: 4064191-0 · Microsoft: 97346530

modif.png Эта страница в последний раз была отредактирована 22 марта 2021 в 12:15. ТолкованиеПеревод

Теплопроводность
>Не следует путать с термическим сопротивлением.

Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояниявещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергияатомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал площадью 1 кв.м за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте. Данная численная характеристика используется для расчета теплопроводности для калибрования и охлаждения профильных изделий.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

где  — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,  — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью),  — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.[1]

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где  — полная мощность тепловых потерь,  — площадь сечения параллелепипеда,  — перепад температур граней,  — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума почти ноль (чем глубже вакуум, тем ближе к нулю). Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, тепло в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где  — постоянная Больцмана,  — заряд электрона.

Коэффициент теплопроводности газов

Коэффициент теплопроводности газов определяется формулой[2]

Где: i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5, для одноатомного i=3), k — постоянная Больцмана, M — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из не радиоактивных газов — у ксенона).

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т.п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[3], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[4]

Если время релаксации пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен (4840±440) — (5300±480)
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 382—390
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 93,7
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1-1,15
КПТ-8 0,7
Водапри нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,14—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Вата 0,055
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

другие вещества

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Кальций 201
Бериллий 201
Вольфрам 173
Магний 156
Родий 150
Иридий 147
Молибден 138
Рутений 117
Хром 93,9
Осмий 87,6
Титан 21,9
Тефлон 0,25
Бумага 0,14
Полистирол 0,082
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Стекловолокно 0,036
Пробковое дерево 0,035
Пеноизол 0,035
Каучуквспененный 0,03
Аргон 0,0177
Аэрогель 0,017
Ксенон 0,0057

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы). Так же в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

  1. Естествознание. Энциклопедический словарь. Закон Фурье.
  2. Исследование теплопроводности газов. // Методические указания.
  3. J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  4. C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.

См. также

Другие книги по запросу «Теплопроводность» >>

  • Доклады и сообщения
  • Разное
  • Теплопроводность

Тепловодность – это своеобразный процесс, при котором более нагретые тела либо частицы отдают свою энергию «собратьям» с гораздо меньшим нагревом, можно сказать, делятся своим теплом ради того, чтобы другие тела либо частицы могли также полноценно существовать и функционировать.

Довольно благородно, не правда ли? Теперь стоит разобраться в нюансах данного явления. Перенос энергии происходит только при тесном взаимодействии частиц, где менее нагретая получает долю энергии, распространяющейся от более нагретой. Подобный вид энергии называется «кинетической».

Иногда способность вещества производить тепло также называется «теплопроводностью».

Пожалуй, основной доктриной, на которую стоит опираться, в данной сфере является закон Фурье, утверждающий, что существует зависимость и пропорциональность между потоком энергии и температурой. Что же касается, вакуума, то здесь теплопроводность практически нулевая, что довольно обосновано – поскольку в подобной среде концетрация каких – либо веществ и частиц предельно низкая.

Именно поэтому стенки термоса предаются специальной обработке золотом либо иными металлами. Теплопроводность также имеет связь с электропроводностью, что доказывает закон Видемана – Франца. Инертные газы имеют наименьшую теплопроводность, а наибольшей – легкие, поскольку имеют достаточное количество частиц.

Что же касается различного рода высокочастотных и ультразвуковых процессов, на них вышеупомянутый закон Фурье и вовсе не распространяется. В любом случае, даже имея достаточное количество доказательств и формул, стоит учитывать все нюансы, такие как: условия среды, в  которых происходит теплообмен, виды и типы частиц, которые в данном процессе могут действовать по разному и прочее, учитывая также, что в любых расчетах возможна погрешность.

В завершение следует отметить, что невозможно отрицать важность данного явления для науки и жизни конкретного человека. Так или иначе, мы существуем в мире частиц, материалов и веществ, которые этим обладают, да и сами люди  вполне способны передавать друг другу тепло, что тоже можно назвать своего рода теплопроводностью.

Доклад №2

Что такое теплопроводность? Под теплопроводностью принято понимать процесс,, при котором более нагретые частицы отдают свою энергию частицам с гораздо меньшим нагревом. Это явление дает возможность вторым частицам за счет перенятой энергии полноценно функционировать.

Для успешного протекания процесса необходимо соблюдение следующего условия: возможность переноса энергии зависит от взаимодействия частиц – частицы должны находиться в тесной связи между собой. При таком состоянии менее нагретые частицы получают часть энергии от более нагретых. Такую энергию называют кинетической.

Существует также процесс не только передачи частицами энергии, но и выработки энергии самими частицами. Это явление также называют теплопроводность.

Существуют нюансы, которые, несмотря на наличие выведенных формул и доказательств, стоит учитывать при протекании процесса теплопроводности. К таким нюансам относятся:

  • виды частиц, типы частиц, которые участвуют в процессе;
  • условия среди протекания процесса теплопроводности;
  • погрешности в математических расчетах.

Теперь поговорим о том, какие вещества обладают теплопроводностью. Ранее уже было сказано, что теплопроводностью обладают газы. Стоит отметить, что помимо газов огромное количество веществ и материалов также обладают этим свойством. Например, различные строительные материалы, такие как пластик, дерево, керамика. Не стоит забывать и об агрегатных состояниях веществ – жидкости также имеют свойство отдавать и перенимать тепло.

Явление теплопроводности играет важную роль не только в науке, но и в жизни человека. Наш мир состоит из многообразия веществ и материалов с данным свойством. Можно сказать, что даже сами люди в какой-то степени обладают теплопроводностью, ведь тела также способны отдавать и вырабатывать тепло.

8 класс

Теплопроводность

doklad-teploprovodnost-8-klass-soobshhenie.jpg

Популярные темы сообщений

  • Первый паровоз

    О создании машин, работающих благодаря применению пара ученые задумались еще за долго, до реальной нужды применения таких машин. Первые мысли у ученых появились примерно в 17 веке. В это время, умы мира, работали над тем,

  • Гаршин Всеволод Михайлович

    Всеволод Михайлович Гаршин известный русский прозаик родился 2 февраля 1855 г. в имении отца Михаила Егоровича в Екатеринославской губернии, затем семья переехала в Старобельск, позже – в Харьков.

  • Город Тамбов

    Тамбов – старинный город с тысячелетней историей, располагающийся в самом центре европейской части России на территории Центрального Федерального округа. Свыше 290 000 жителей населяет живописное место,

Используемые источники:

  • https://videouroki.net/video/4-tieploprovodnost.html
  • https://wiki2.org/ru/теплопроводность
  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/8691
  • https://more-dokladov.ru/doklad-soobshchenie/raznoe/teploprovodnost-8-klass