Теплопроводность металлов и сплавов, коэффициент теплопроводности

Так что же такое теплопроводность? С точки зрения физики теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Можно сказать проще, теплопроводность – это  способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной.

Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой.

Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

На практике, например в строительстве при теплоизоляции зданий, рассматривается другой аспект теплопроводности, связанный с передачей тепловой энергии. В качестве примера возьмем “абстрактный дом”.

В “абстрактном доме” стоит нагреватель, который поддерживает внутри дома постоянную температуру, скажем, 25 °С. На улице температура тоже постоянная, например, 0 °С.

Вполне понятно, что если выключить обогреватель, то через некоторое время в доме тоже будет 0 °С. Все тепло (тепловая энергия) через стены уйдет на улицу.

Чтобы поддерживать температуру в доме 25 °С, нагреватель должен  постоянно работать. Нагреватель постоянно создает тепло, которое постоянно уходит через стены на улицу.

Коэффициент теплопроводности

Количество тепла, которое проходит через стены (а по научному – интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности) зависит от разности температур (в доме и на улице), от площади стен и теплопроводности материала, из которого сделаны эти стены.

Для количественной оценки теплопроводности существует коэффициент теплопроводности материалов. Этот коэффициент отражает свойство вещества проводить тепловую энергию. Чем больше значение коэффициента теплопроводности материала, тем лучше он проводит тепло.

Если мы собираемся утеплять дом, то надо выбирать материалы с небольшим значением этого коэффициента. Чем он меньше, тем лучше. Сейчас  в качестве материалов для утепления зданий  наибольшее распространение получили утеплители из минеральной ваты, и различных пенопластов.

Коэффициент теплопроводности материалов обозначается буквой ? (греческая строчная буква лямбда)  и выражается в Вт/(м2*К). Это означает, что если взять стену из кирпича, с коэффициентом теплопроводности 0,67 Вт/(м2*К), толщиной 1 метр и площадью 1 м2.

, то при разнице температур в 1 градус, через стену будет проходить 0,67 ватта тепловой энергии. Если разница температур будет 10 градусов, то будет проходить уже 6,7 ватта. А если при такой разнице температур  стену сделать 10 см, то потери тепла будут уже 67 ватт.

Подробней о методике расчета теплопотерь зданий можно посмотреть здесь.

Следует отметить, что значения коэффициента теплопроводности материалов указываются для толщины материала в 1 метр. Чтобы определить теплопроводность материала для любой другой толщины, надо коэффициент теплопроводности разделить на нужную толщину, выраженную в метрах.

В строительных нормах и расчетах часто используется понятие “тепловое сопротивление материала”. Это величина обратная теплопроводности.  Если, на пример, теплопроводность пенопласта толщиной 10 см – 0,37 Вт/(м2*К), то его тепловое сопротивление будет равно 1 / 0,37 Вт/(м2*К) = 2,7 (м2*К)/Вт.

Коэффициент теплопроводности материалов

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.

Материал	Коэфф. тепл. Вт/(м2*К)
Алебастровые плиты	0,470
Алюминий	230,0
Асбест (шифер)	0,350
Асбест волокнистый	0,150
Асбестоцемент	1,760
Асбоцементные плиты	0,350
Асфальт	0,720
Асфальт в полах	0,800
Бакелит	0,230
Бетон на каменном щебне	1,300
Бетон на песке	0,700
Бетон пористый	1,400
Бетон сплошной	1,750
Бетон термоизоляционный	0,180
Битум	0,470
Бумага	0,140
Вата минеральная легкая	0,045
Вата минеральная тяжелая	0,055
Вата хлопковая	0,055
Вермикулитовые листы	0,100
Войлок шерстяной	0,045
Гипс строительный	0,350
Глинозем	2,330
Гравий (наполнитель)	0,930
Гранит, базальт	3,500
Грунт 10% воды	1,750
Грунт 20% воды	2,100
Грунт песчаный	1,160
Грунт сухой	0,400
Грунт утрамбованный	1,050
Гудрон	0,300
Древесина – доски	0,150
Древесина – фанера	0,150
Древесина твердых пород	0,200
Древесно-стружечная плита ДСП	0,200
Дюралюминий	160,0
Железобетон	1,700
Зола древесная	0,150
Известняк	1,700
Известь-песок раствор	0,870
Ипорка (вспененная смола)	0,038
Камень	1,400
Картон строительный многослойный	0,130
Каучук вспененный	0,030
Каучук натуральный	0,042
Каучук фторированный	0,055
Керамзитобетон	0,200
Кирпич кремнеземный	0,150
Кирпич пустотелый	0,440
Кирпич силикатный	0,810
Кирпич сплошной	0,670
Кирпич шлаковый	0,580
Кремнезистые плиты	0,070
Латунь	110,0
Лед 0°С	2,210
Лед -20°С	2,440
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности)	0,150
Медь	380,0
Мипора	0,085
Опилки – засыпка	0,095
Опилки древесные сухие	0,065
ПВХ	0,190
Пенобетон	0,300
Пенопласт ПС-1	0,037
Пенопласт ПС-4	0,040
Пенопласт ПХВ-1	0,050
Пенопласт резопен ФРП	0,045
Пенополистирол ПС-Б	0,040
Пенополистирол ПС-БС	0,040
Пенополиуретановые листы	0,035
Пенополиуретановые панели	0,025
Пеностекло легкое	0,060
Пеностекло тяжелое	0,080
Пергамин	0,170
Перлит	0,050
Перлито-цементные плиты	0,080
Песок 0% влажности	0,330
Песок 10% влажности	0,970
Песок 20% влажности	1,330
Песчаник обожженный	1,500
Плитка облицовочная	1,050
Плитка термоизоляционная ПМТБ-2	0,036
Полистирол	0,082
Поролон	0,040
Портландцемент раствор	0,470
Пробковая плита	0,043
Пробковые листы легкие	0,035
Пробковые листы тяжелые	0,050
Резина	0,150
Рубероид	0,170
Сланец	2,100
Снег	1,500
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450…550 кг/куб.м, 15% влажности)	0,150
Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности)	0,230
Сталь	52,0
Стекло	1,150
Стекловата	0,050
Стекловолокно	0,036
Стеклотекстолит	0,300
Стружки – набивка	0,120
Тефлон	0,250
Толь бумажный	0,230
Цементные плиты	1,920
Цемент-песок раствор	1,200
Чугун	56,0
Шлак гранулированный	0,150
Шлак котельный	0,290
Шлакобетон	0,600
Штукатурка сухая	0,210
Штукатурка цементная	0,900
Эбонит	0,160

Источник: http://www.econel.ru/teploprovodnost/

ПОИСК

    Теплопроводность. Теплопроводность металлических материалов в значительной мере зависит от чистоты металлов. Теплопроводность сплавов, как правило, ниже, чем чистых металлов. Используемая обычно в расчетах средняя теплопроводность [c.147]

    Коэффициенты теплопроводности сплавов алюминия [3, 6] [c.265]

    Коэффициент теплопроводности сплавов, Вт/ м-К) [7, 13, 14, 16, 18] [c.122]

    Коэффициенты теплопроводности и электропроводимости сплавов значительно ниже, чем у образующих их металлов, т. е. теплопроводность сплавов всегда меньше, чем у основного, наиболее теплопроводного компонента. Для многих сплавов минимум теплопроводности наблюдается при составе 1 1. [c.342]

    Коэффициенты теплопроводности сплавов меди [3,6] [c.264]

    Определить приближенное значение теплопроводности сплава. [c.180]

    Для определения теплопроводности сплавов, сверхпроводников и диэлектриков на сегодня единственным надежным методом остается экспериментальный (см. разд. 9). [c.234]

    Реальные диаграммы плавкости, используемые для выбора промышленных сплавов, естественно, гораздо сложнее и представляют собой сочетание рассмотренных диаграмм плавкости.

Диаграммы плавкости — частный случай диаграмм состав — свойство , в которых в качестве свойства изучаются температуры фазовых превращений.

Вообще на диаграммах состав — свойство можно проследить изменение физико-механических свойств (ов, 6) и физических свойств (удельное сопротивление, теплопроводность сплавов в зависимости от состава). [c.278]

•     Коэффициенты теплопроводности сплавов урана 6] [c.266]
•     Коэффициенты теплопроводности сплавов никеля [3,6] [c.265]
•     Коэффициенты теплопроводности сплавов [c.266]
•     Общая зависимость коэффициента теплопроводности сплавов [c.342]

    В неупорядоченных сплавах можно, по-видимому, считать, что вклад электронов в теплопроводность по порядку величины такой же, как и вклад фононов.

Однако теплопроводность сплавов значительно ниже теплопроводности металлов и характер зависимости и (Т) у них иной (см. рис.

67) это обстоятельство часто используется при подборе материалов для низкотемпературных приборов и устройств. [c.156]

Рис.. 260. Теплопроводность сплавов урана [3951

    Коэффициенты теплопроводности сплавов свинца [6] [c.266]

    Коэффициенты теплопроводности сплавов Na, [c.267]

    Большую роль играют процессы диффузии из глубины пробы к поверхностному слою. Теплопроводность сплава также оказывает влияние на выход вещества из электродов. При уменьшении теплопроводности сплава повышается количество испаряемого из электрода вещества. [c.244]

    Теплопроводность сплавов урана [395] [c.673]

    В условиях высоких температур на теплопроводность почти не влияет чистота материала. Теплопроводность сплавов, как правило, ниже теплопроводности чистых металлов.

У особо чистых металлов наблюдается при низких температурах (2—100 К) максимум теплопроводности. Теплопроводность легированной меди примерно в 8 раз меньше, чем у нелегированной.

Наиболее полные сведения по теплопроводности материалов приведены в работах [16, 72]. [c.62]

    Диаграммы плавкости — частный случай диаграмм состав — свойство , в которых в качестве свойства изучаются температуры. фазовых превращений. Вообще на диаграммах состав — свойство можно проследить изменение физико-механических свойств (а 8) и физических свойств (удельное сопротивление, теплопроводность сплавов в зависимости от состава). [c.233]

    В работе [407] приведены результаты исследования теплопроводности сплавов системы.

Коэффициент линейного расширения, исследованный в этой же работе, с возрастанием концентрации селенида индия, увеличивается. [c.165]

    Теплопроводность вблизи комнатной температуры измерялась на установке, описанной в [11]. Результаты измерений представлены на рис. 2. Из графика видно, что теплопроводность сплавов проходит через минимум вблизи состава, соответствующего содержанию 20% М Qe. [c.408]

    Однако это не значит, что всякая работа с магнием чревата опасностью пожара или взрыва.

Поджечь магний можно, только расплавив его, а сделать это в обычных условиях не так-то просто — большая теплопроводность сплава ие позволит спичке или даже факелу превратить литые изделия в белый порошок окиси.

А вот со стружкой или тонкой лентой из магния нужно действительно обращаться очень осторожно. [c.196]

    Чем выше содержание углерода, тем лучше механические свойства и обрабатываемость сплава, но химическая стойкость уменьшается. Теплопроводность сплава примерно вдвое меньше, чем теплопроводность обычного чугуна. [c.108]

    Удельный вес хромистого чугуна 7,4—7,5, линейная усадка 1,6—1,9%. Сплав весьма склонен к образованию усадочных раковин. Теплопроводность сплава составляет около половины теплопроводности железа, что следует принимать во внимание при изготовлении тепловой аппаратуры из хромистого чугуна. [c.130]

При установлении режима нагрева этих сплавов необходимо учитывать скорость нагрева и длительность выдержки при данной температуре.

Скорость нагрева определяется наличием фазовых превращений, степенью растворимости упрочняющих фаз и теплопроводностью сплавов. [c.216]

    Трудности борьбы с расслоением медных сплавов, содержащих больщие количества свинца, облегчаются введением в бронзу никеля, марганца или заливкой сплава в водоохлаждаемые металлические формы. При добавлении никеля необходимо учитывать, что никель снижает теплопроводность сплава, уменьшая теплоотдачу вкладыша. [c.544]

    Серебристо-белый, блестящий, сравнительно мягкий металл получается, например, при электролизе расплава ВеС . Не взаимодействует с воздухом и водой даже при температуре красного каления. Используется в сплавах с медью и никелем и придает им прекрасную электро- и теплопроводность. Сплавы с медью применяются для изготовления неискрящего электроинструмента. [c.32]

    Интересно отметить, что камера сгорания выполнена с двухоболочечной рубашкой охлаждения, как и ЖРД первой немецкой ракеты Фау-2 , хотя затем в течение длительного периода преимущество отдавалось трубчатым конструкциям.

Возврат к двухоболочечной конструкции при высоком давлении стал возможным благодаря использованию новых материалов и технологических процессов.

Огневая стенка, которая должна выдерживать давление 20 МПа и температуру 3300 К, выполнена из специального теплопроводного сплава нарлой 2, состоящего в основном из меди с добавками серебра и циркония. Литая тонкостенная заготовка сначала формуется на оправке (рис.

    Легкоплавкие сплавы также можно использовать в честве горючих теплоносителей Например сплав гда (50% висмута 25% свинца, 12,5% кадмия и, 5% олова) имеет температуру плавления около °С Ценное свойство сплавов, обеспечивающее равно-рность нагрева,— высокие значения их коэффициен в теплопроводности, так, теплопроводность сплава гда более чем в сто раз превышает теплопроводность зелинового масла Рабочий интервал температур лава Вуда 70—350 °С Однако при температуре выше [c.115]

    Добавление к металлу с высокой теплопроводностью небольших количеств менее теплопроводного металла резко снижает теплопроводность сплава. Наоборот, добавление к металлу с низкой теплопроводностью долей высокопроводящего компонента не дает заметного роста теплопроводности сплава. С повышением температуры теплопроводность большинства сплавов и жидких металлов понижается. [c.342]

    В случае одного и того же основного металла в сплаве число Лорёнца в известных пределах почти не зависит от природы присадочного металла, и теплопроводность может быть выражена через электропроводимость. Теплопроводность сплавов, как и металлов, уменьшается после их термообработки или охлаждения и увеличивается с температурой (кроме железа и никеля). [c.342]

    Тейлопроводность металлических материалов в значительной мере зависи от чистоты металлов. При высоких температурах теплопроводность еще мало чувствительна к чистоте и температуре материала. Теплопроводность сплавов, как правило, ниже теплопроводности чистых материалов.

При низких температурах (2-100 К) наблвдается максимум теплопроводности, превышающий в ряде с.пучаев во много раз его значение при комнатной температуре. У всех цветных металлов температурный коэЩициент теплопроводности положителен.

Следует отметить весьма значительное падение теплопроводности алшиния и его сплавов при температурах ниже 20 К. [c.127]

    Существование твердых растворов этого соединения с германием было предсказано и обнаружено в работах [7, 8]. Характер замещения атомов в СиОегРз германием исследован в работе [8].

Поскольку характер замещения атомов должен определенным образом сказываться на концентрационной зависимости теплопроводности сплавов, результаты проведенных нами измерений сопоставлены с некоторыми теоретическими выводами работ [9, 10]. [c.408]

Изучение теплопроводности сплавов систем германий — кремний, арсенид галлия — арсенид индия и других проводилось ранее рядом авторов [6—8].

В работе [9] на основе модели Колоуэя [4] получено выражение для теплового сопротивления неупорядоченных сплавов  [c.246]

    В системе калий — натрий образуется соединение Na K (46,0 вес. % К.), плавящееся инкон-груэнтно при 7°. Эвтектич. точка лежит при —12,5° и 77,2 вес. % К. При комнатной темп-ре сплавы с содержанием 40—90 вес. % К. представляют собой серебристо-белые жидкости. Ввиду близости свойств К.

и натрия такие физич. свойства их жидких сплавов, как плотность, теплоемкость, вязкость, давление паров, плавно изменяются с изменением состава и могут быть с достаточной для практич. целей точностью рассчитаны путем интерполяции.

Электросопротивление и теплопроводность сплавов К—Na выше соответ- [c.175]

Источник: https://www.chem21.info/info/1288668/

Теплопроводность цветных металлов, теплоемкость и плотность сплавов

Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов

В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.

Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда.

По данным таблицы видно, что высокую теплопроводность (при комнатной температуре) имеют магниевые сплавы и никель. Низкая же теплопроводность свойственна нихрому, инвару и сплаву Вуда.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Теплопроводность металлов, алюминиевых, медных и никелевых сплавов в таблице дана в интервале температуры от 0 до 600°С в размерности Вт/(м·град). Металлы и сплавы: алюминий, алюминиевые сплавы, дюралюминий, латунь, медь, монель, нейзильбер, нихром, нихром железистый, сталь мягкая. Алюминиевые сплавы имеют большую теплопроводность, чем латунь и сплавы никеля.

Коэффициенты теплопроводности сплавов

В таблице даны значения теплопроводности сплавов в интервале температуры от 20 до 200ºС. Сплавы: алюминиевая бронза, бронза, бронза фосфористая, инвар, константан, манганин, магниевые сплавы, медные сплавы, сплав Розе, сплав Вуда, никелевые сплавы, никелевое серебро, платиноиридий, сплав электрон, платинородий.

Удельное сопротивление и температурный коэффициент расширения (КТР) металлической проволоки (при 18ºС)

В таблице указаны значения удельного электрического сопротивления и КТР металлической проволоки, выполненной из различных металлов и сплавов.

Материал проволоки: алюминий, вольфрам, железо, золото, латунь, манганин, медь, никель, константан, нихром, олово, платина, свинец, серебро, цинк.

Как видно из таблицы, нихромовая проволока имеет высокое удельное электрическое сопротивление и успешно применяется в качестве спиралей накаливания нагревательных элементов множества бытовых и промышленных устройств.

Удельная теплоемкость цветных сплавов

В таблице приведены величины удельной (массовой) теплоемкости двухкомпонентных и многокомпонентных цветных сплавов, не содержащих железа, при температуре от 123 до 1000К. Теплоемкость указана в размерности кДж/(кг·град).

Дана теплоемкость следующих сплавов: сплавы, содержащие алюминий, медь, магний, ванадий, цинк, висмут, золото, свинец, олово, кадмий, никель, иридий, платина, калий, натрий, марганец, титан, сплав висмут — свинец — олово, сплав висмут-свинец, висмут — свинец — кадмий, алюмель, сплав липовица, нихром, сплав розе.

Также существует отдельная таблица, где представлена удельная теплоемкость металлов при различных температурах.

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов приведена в таблице при температуре от 0 до 1300ºС. Размерность теплоемкости кал/(г·град).

Теплоемкость специальных сплавов: алюмель, белл-металл, сплав Вуда, инвар, липовица сплав, манганин, монель, сплав Розе, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb — Bi, Pb — Bi — Sn, Zn — Sn — Ni — Fe — Mn.

Плотность сплавов

Представлена таблица значений плотности сплавов при комнатной температуре. Приведены следующие сплавы: бронза, оловянистая, фосфористая, дюралюминий, инвар, константан, латунь, магналиум, манганин, монель — металл, платино — иридиевый сплав, сплав Вуда, сталь катаная, литая.

ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте внимательны! Плотность сплавов в таблице указана в степени 10-3. Не забудьте умножить на 1000! Например, плотность катанной стали изменяется в пределах от 7850 до 8000 кг/м3.

Источники:

Источник: http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i-splavy/teploprovodnost-metallov-teploemkost-i-plotnost-splavov

Теплопроводность металлов и сплавов

Теплопроводность изменяется в диапазоне: . Самая большая теплопроводность у серебра, а наименьшая у висмута. С увеличение температуры теплопроводность металлов и сплавов уменьшается.

Общая зависимость значений коэффициентов теплопроводности веществ, приведена на Рис. 9.2.

Рис. 9.2 Значения коэффициентов теплопроводности веществ

Уравнение Фурье-Кирхгофа устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке тела. Схема площади поверхности тела, воспринимаемая тепловой поток и принятая система координат приведены на Рис. 9.3.

Рис. 9.3 Тело и принятая система координат

При постоянной теплопроводности уравнение упрощается:

где — коэффициент температуропроводности, м2/с.

Дифференциальное уравнение описывает множество явлений теплопроводности. Чтобы из бесчисленного количества этих явлений выделить одно и дать его полное математическое описание, к дифференциальному уравнению теплопроводности необходимо добавить условия однозначности, которые содержат геометрические, физические, временные и граничные условия.

• Геометрические условия определяют форму и размеры тела, в котором протекает изучаемый процесс.
• Физические условия задаются теплофизическим параметрами λ, сv, и распределением внутренних источников теплоты.
• Временные (начальные) условия содержат распределение температуры тела и его параметров в начальный момент времени.

Граничные условия определяют особенности протекания процесса на поверхности тела. Граничные условия могут быть заданы несколькими способами.

Граничные условия I рода.В этом случае задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени: .

— температура поверхности тела; координаты поверхности тела; — время.

Граничные условия II рода. В этом случае заданной является величина плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела в любой момент времени: .

Граничные условия III рода. В этом случае задается температура среды и условия теплообмена этой среды с поверхностью тела.

Для описания интенсивности теплообмена между поверхностью тела и средой используется гипотеза Ньютона — Рихмана, согласно которой:

. Здесь — коэффициент теплоотдачи Вт/(м2 К).

С учетом этого Граничные условия III рода запишется в виде:

Граничные условия IV рода формируются на основании равенства тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения тел:

1. При совершенном тепловом контакте оба тела на поверхности соприкосновения имеют одинаковую температуру.
2. Дифференциальное уравнение теплопроводности совместно с условиями однозначности дает полную математическую формулировку конкретной задачи теплопроводности, решение которой, может быть выполнено аналитически, численным или экспериментальным (подобий и аналогий) методами.
3. Стационарная теплопроводность через однослойную плоскую стенку при граничных условиях I рода
4. При стационарном режиме температурное поле не зависит от времени, соответственно дифференциальное уравнение теплопроводности примет вид:

Рис.9.4 Схема однослойной плоской стенки (теплопроводность)

Для случая неограниченной плоской стенки Рис.9.4, при граничных условиях 1-го рода, дифференциальное уравнение теплопроводности запишется в виде: . Считая, что внутренний источник теплоты , для конечных размеров стенки уравнение примет вид:

где q – плотность теплового потока, [Вт/м2];

l — коэффициент теплопроводности вещества ; l/d — тепловая проводимость. d/l =R – термическое сопротивление (м·К)/Вт.

Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку.

1). Однородная цилиндрическая стенка.

Рассмотрим однородный однослойный цилиндр длиной l, внутренним диаметром d1и внешним диаметром d2 Рис.9.5.

Рис.9.5 Схема однослойной цилиндрической стенки

Температуры поверхностей стенки –tст1 и tст2.

• Уравнение теплопроводности по закону Фурье в цилиндрических координатах: Q = — λ·2·π·r ·l· ∂t / ∂r или Q = 2·π·λ·l·Δt/ln(d2/d1), где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор; λ – κоэффициент теплопроводности стенки.
• Для цилиндрических поверхностей вводят понятия тепловой поток единицы длины l цилиндрической поверхности (линейная плотность теплового потока), для которой расчетные формулы будут: ql = Q/l =2·π·λ·Δt /ln(d2/d1), [Вт/м].
• Температура тела внутри стенки с координатой dх:
• tx = tст1 – (tст1 – tст2) ln(dx/d1) / ln(d2/d1).

Допустим, цилиндрическая стенка состоит из трех плотно прилегающих слоев Рис.9.6 —многослойная цилиндрическая стенка.

Рис.9.6 Схема многослойной цилиндрической стенки

1. Температура внутренней поверхности стенки – tст1, температура наружной поверхности стенки –tст2, коэффициенты теплопроводности слоев -λ1, λ2, λ3, диаметры слоев d1, d2, d3, d4. Тепловые потоки для слоев будут:
2. 1-й слой Q = 2·π· λ1·l·(tст1 – tсл1)/ ln(d2/d1),
3. 2-й слой Q = 2·π·λ2·l·(tсл1 – tсл2)/ ln(d3/d2),
4. 3-й слой Q = 2·π·λ3·l·(tсл2 – tст2)/ ln(d4/d3),
5. Решая полученные уравнения, получаем для теплового потока через многослойную стенку:
6. Q = 2·π·l·(tст1 – tст2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3].
7. Для линейной плотности теплового потока имеем:
8. ql = Q/l = 2·π· (t1 – t2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3].
9. Температуру между слоями находим из следующих уравнений:

tсл1 = tст1 – ql·ln(d2/d1) / 2·π·λ1. tсл2 = tсл1 – ql·ln(d3/d2) / 2·π·λ2.

Однородный полый шар Рис.9.7.

Рис.9.7 Однородная шаровая стенки

• Внутренний диаметр d1, внешний диаметр d2, температура внутренней поверхности стенки – tст1, температура наружной поверхности стенки –tст2, коэффициент теплопроводности стенки -λ. Уравнение теплопроводности по закону Фурье в сферических координатах: Q = — λ·4·π·r2 ∂t / ∂r или
• Q =4·π·λ·Δt/(1/r2 — 1/r1) =2·π·λ·Δt/(1/d1 — 1/d2) =
• = 2·π·λ·d1·d2·Δt /(d2 — d1) = π·λ·d1·d2·Δt / δ,
• где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор; δ –толщина стенки.

Нестационарная теплопроводность характеризуется изменением температурного поля во времени и связана с изменением энтальпии тела при его нагреве или охлаждении. Безразмерная температура тела Θ определяется с помощью числа Био и Фурье и безразмерной координаты, обозначаемой для пластины , а для цилиндра .

Для дальнейшего рассмотрения вопроса примем, что охлаждение (нагревание) тел происходит в среде с постоянной температурой , при постоянном коэффициенте теплоотдачи . — теплопроводность и температуропроводность материала тела, — характерный размер тела, для пластины , для цилиндра , — соответственно текущие координаты.Рассмотрим тела с одномерным температурным полем на примере пластины толщиной 2δ. Безразмерная температура пластины:

Здесь T – температура в пластине для момента времени t в точке с координатой x; T0 – температура пластины в начальный момент времени.

температура в середине толщины пластины (X=0):

температура внутри пластины на расстоянии х от ее средней плоскости:

Соответствующие значения P, N, μ1 μ12 – определяются как f(Bi) по справочным таблицам и графикам. Аналогичные операции выполняются и для цилиндра. Схема нестационарной теплопроводности тел конечных размеров Рис. 9.8.

Рис.9.8 Схема нестационарной теплопроводности тел конечных размеров

Температура в телах конечных размеров определяется на основе теоремы о перемножении решений: безразмерная температура тела конечных размеров при нагревании (охлаждении) равна произведению безразмерных температур тел с бесконечным размером, при пересечении которых образовано данное конечное тело. Соответственно для параллелепипеда, образованного пересечением плоских пластин безразмерная температура определится как: .

Значения средних температур входящих в выражения определяются по вышеизложенной методике для каждой стороны, образованной бесконечной пластины с учетом места расположения интересующей нас точки в параллелепипеде.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/2_3650_teploprovodnost-metallov-i-splavov.html

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле.

Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия.

Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен.

При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов.

В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление.

Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава.

Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал.

По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.

Следующая глава

Источник: https://tech.wikireading.ru/16441

Введение

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая > Перейти к загрузке файла

Определение коэффициента теплопроводности металлов играет важную роль в некоторых областях, например в металлургии, радиотехнике, машиностроении, строительстве. В настоящее время существует множество различных методов, с помощью которых можно определить коэффициент теплопроводности металлов. Данная работа посвящена изучению основного свойства металлов — теплопроводности, а также изучению методов исследования теплопроводности. Объектом исследования является теплопроводность металлов, а так же различные методы лабораторных исследований. Предмет исследования — коэффициенты теплопроводности металлов. Планируемый результат — постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов» на основе калориметрического метода. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: — изучение теории теплопроводности металлов; — изучение методов определения коэффициента теплопроводности; — подбор лабораторного оборудования; — экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металлов; — постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов». Работа состоит из трёх глав, в которых раскрыты поставленные задачи. Закон Фурье Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).[9] Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени dф. [8]

(1)

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Знак минус в формуле (1) указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. 

Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется тепловым потоком:

(2)

Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.[8]

Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества

Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Коэффициент теплопроводности — количество теплоты, проходящее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно grad t.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Эти обстоятельства должны учитываться при использовании справочных таблиц.

(3)

здесь л, л0 — соответственно коэффициенты теплопроводности при данной температуре t и при 00C, в — температурный коэффициент. Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям.

Например, при появлении в меди даже следов мышьяка её коэффициент теплопроводности снижается с 395 до 142; для стали при 0,1 % углерода л = 52 , при 1,0 % — л = 40 , при 1,5 % углерода л=36 .

На коэффициент теплопроводности влияет и термическая обработка. Так, у закаленной углеродистой стали л на 10 — 25% ниже, чем у мягкой. По этим причинам коэффициенты теплопроводности торговых образцов металла при одинаковых температурах могут существенно различаться.

Следует отметить, что для сплавов, в отличие от чистых металлов, характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры.

К сожалению, установить какие — либо общие количественные закономерности, которым подчиняется коэффициент теплопроводности сплавов, пока не удалось.

Величина коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов — диэлектриков во много раз меньше, чем у металлов и составляет 0,02 — 3,0 .

Для подавляющего большинства из них (исключение составляет магнезитовый кирпич) с ростом температуры коэффициент теплопроводности возрастает.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.). Для них и порошкообразных материалов коэффициент теплопроводности существенно зависит от объемной плотности.

Это обусловлено тем, что с ростом пористости, большая часть объема заполняется воздухом, коэффициент теплопроводности которого очень низок. Вместе с тем, чем выше пористость, тем ниже объемная плотность материала.

Таким образом, уменьшение объемной плотности материала, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению л.

Например, для асбеста уменьшение объемной плотности с 800 кг/м, до 400 кг/м, приводит к уменьшению с 0,248 до 0,105 . Очень велико влияние влажности. Например, для сухого кирпича л = 0,35, для жидкости 0,6, а для влажного кирпича л=1,0 .

На эти явления надо обращать внимание при определении и технических расчетах теплопроводности. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08 — 0,7 . При этом, для подавляющего большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности убывает. Исключение составляют вода и глицерин.

Коэффициент теплопроводности газов еще ниже  .

Коэффициент теплопроводности газов растет с повышением температуры. В пределах от 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), т.е. в области, которая наиболее часто встречается на практике, л от давления не зависит.

Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно.

При значении л < 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Для решения задач теплопроводности необходимо располагать сведениями о некоторых макроскопических свойствах (теплофизических параметрах) вещества: коэффициенте теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости. [5]

Объяснение теплопроводности металлов

Теплопроводность металлов очень велика. Она не сводится к теплопроводности решетки, следовательно, здесь должен действовать ещё один механизм передачи тепла.

Оказывается, что в чистых металлах теплопроводность осуществляется практически полностью за счет электронного газа, и лишь в сильно загрязненных металлах и сплавах, где проводимость мала, вклад теплопроводности решетки оказывается существенным. [4.c 524]

Численную характеристику теплопроводности материала можно определить количеством теплоты, проходящей сквозь материал определённой толщины за определённое время. Численная характеристика важна при расчете теплопроводности различных профильных изделий.

Коэффициенты теплопроводности различных металлов

Материал	Коэффициент теплопроводности,
Серебро	430
Медь	382-390
Золото	320
Алюминий	202-236
Латунь	97-111
Железо	92
Олово	67
Сталь	47

Источник: https://studbooks.net/1926223/matematika_himiya_fizika/teploprovodnost_metallov