Что такое теплопроводность в физике

Что такое теплопроводность в физике?

Явление теплопроводности заключается в передаче энергии в виде тепла при непосредственном контакте двух тел без какого-либо обмена материей или с ее обменом. При этом энергия переходит из одного тела или области тела, имеющего более высокую температуру, в тело или область с более низкой температурой. Физической характеристикой, которая определяет параметры передачи тепла, является теплопроводность. Что такое теплопроводность, и как ее описывают в физике? На эти вопросы ответит данная статья.

Общее понятие о теплопроводности и ее природа

Если отвечать простыми словами на вопрос о том, что такое теплопроводность в физике, то следует сказать, что передача тепла между двумя телами или различными областями одного и того же тела является процессом обмена внутренней энергией между частицами, составляющими тело (молекулы, атомы, электроны и ионы). Сама внутренняя энергия состоит из двух важных частей: из кинетической и из потенциальной энергии.

Что такое теплопроводность в физике с точки зрения природы этой величины? На микроскопическом уровне способность материалов проводить тепло зависит от их микроструктуры. Например, для жидкостей и газов указанный физический процесс происходит за счет хаотичных столкновений между молекулами, в твердых телах основная доля переносимого тепла приходится на обмен энергией между свободными электронами (в металлических системах) или фононами (неметаллические вещества), которые представляют собой механические колебания кристаллической решетки.

Математическое представление теплопроводности

Ответим на вопрос о том, что такое теплопроводность, с математической точки зрения. Если взять однородное тело, тогда количество тепла, переданного через него в данном направлении, будет пропорционально площади поверхности, перпендикулярной направлению теплопередачи, теплопроводности самого материала и разнице температур на концах тела, а также будет обратно пропорционально толщине тела.

В итоге получается формула: Q/t = kA(T₂-T₁)/x, здесь Q/t - теплота (энергия), переданная через тело за время t, k - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлено рассматриваемое тело, A - площадь поперечного сечения тела, T₂-T₁ - разница температур на концах тела, причем T₂>T₁, x - толщина тела, через которую передается тепло Q.

Способы передачи тепловой энергии

Рассматривая вопрос о том, что такое теплопроводность материалов, следует упомянуть о возможных способах передачи тепла. Тепловая энергия может передаваться между различными телами с помощью следующих процессов:

• проводимость - этот процесс идет без переноса материи;
• конвекция - перенос тепла непосредственно связан и с движением самой материи;
• излучение - передача тепла осуществляется за счет электромагнитного излучения, то есть с помощью фотонов.

Чтобы тепло было передано с помощью процессов проводимости или конвекции, необходим непосредственный контакт между различными телами с тем отличием, что в процессе проводимости не существует макроскопического движения материи, а в процессе конвекции это движение присутствует. Отметим, что микроскопическое движение имеет место во всех процессах теплопередачи.

Для обычных температур в несколько десятков градусов Цельсия можно сказать, что на долю конвекции и проводимости приходится основная часть передаваемого тепла, а количество энергии, переданной в процессе излучения, является незначительным. Однако излучение начинает играть главную роль в процессе теплопередачи при температурах в несколько сотен и тысяч Кельвин, поскольку количество энергии Q, передаваемой этим способом, растет пропорционально 4-й степени абсолютной температуры, то есть ∼ T⁴. Например, наше солнце теряет большую часть энергии именно за счет излучения.

Теплопроводность твердых тел

Так как в твердых телах каждая молекула или атом находятся в определенном положении и не могут его покинуть, то передача тепла с помощью конвекции оказывается невозможной, и единственным возможным процессом является проводимость. При увеличении температуры тела кинетическая энергия составляющих его частиц увеличивается, и каждая молекула или атом начинают интенсивнее колебаться. Этот процесс приводит к их столкновению с соседними молекулами или атомами, в результате таких столкновений передается кинетическая энергия от частицы к частице до тех пор, пока все частицы тела не будут охвачены этим процессом.

В результате описанного микроскопического механизма при нагреве одного конца металлического стержня температура через некоторое время выравнивается по всему стержню.

Тепло не передается одинаково в различных твердых материалах. Так, существуют материалы, которые обладают хорошей теплопроводностью. Они легко и быстро проводят тепло через себя. Но также существуют плохие теплопроводники или изоляторы, через которые тепло практически не проходит.

Коэффициент теплопроводности для твердых тел

Коэффициент термической проводимости для твердых тел k имеет следующий физический смыл: он указывает на количество теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности в каком-либо теле единичной толщины и бесконечной длины и ширины при разнице температур на его концах, равной одному градусу. В международной системе единиц СИ коэффициент k измеряется в Дж/(с*м*К).

Данный коэффициент в твердых веществах зависит от температуры, поэтому его принято определять при температуре 300 K с целью сравнения способности проводить тепло различными материалами.

Коэффициент теплопроводности для металлов и неметаллических твердых материалов

Все металлы без исключения являются хорошими проводниками тепла, за перенос которого в них отвечает электронный газ. В свою очередь ионные и ковалентные материалы, а также материалы, имеющие волокнистую структуру, являются хорошими теплоизоляторами, то есть плохо проводят тепло. Для полноты раскрытия вопроса о том, что такое теплопроводность, следует заметить, что этот процесс требует обязательного наличия вещества, если он осуществляется за счет конвекции или проводимости, поэтому в вакууме тепло может передаваться только за счет электромагнитного излучения.

В списке ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых металлов и неметаллов в Дж/(с*м*К):

• сталь - 47-58 в зависимости от марки стали;
• алюминий - 209,3;
• бронза - 116-186;
• цинк - 106-140 в зависимости от чистоты;
• медь - 372,1-385,2;
• латунь - 81-116;
• золото - 308,2;
• серебро - 406,1-418,7;
• каучук - 0,04-0,30;
• стекловолокно - 0,03-0,07;
• кирпич - 0,80;
• дерево - 0,13;
• стекло - 0,6-1,0.

Таким образом, теплопроводность металлов на 2-3 порядка превышает значения теплопроводности для изоляторов, которые являются ярким примером ответа на вопрос о том, что такое низкая теплопроводность.

Значение теплопроводности играет важную роль во многих индустриальных процессах. В одних процессах стремятся увеличить ее, используя хорошие теплопроводники и увеличивая площадь контакта, в других же стараются уменьшить теплопроводность, уменьшая площадь контакта и применяя теплоизолирующие материалы.

Конвекция в жидкостях и газах

Передача тепла в текучих средах осуществляется за счет процесса конвекции. Этот процесс предполагает перемещение молекул вещества между зонами с различной температурой, то есть при конвекции происходит перемешивание жидкости или газа. Когда текучая материя отдает тепло, ее молекулы теряют часть кинетической энергии, и материя становится более плотной. Наоборот, когда текучая материя нагревается, ее молекулы увеличивают свою кинетическую энергию, их движение становится более интенсивным, соответственно, объем материи увеличивается, а плотность уменьшается. Именно поэтому холодные слои материи стремятся опуститься вниз под действием силы тяжести, а горячие слои пытаются подняться вверх. Этот процесс приводит к перемешиванию материи, способствуя передачи тепла между ее слоями.

Коэффициент теплопроводности некоторых жидкостей

Если отвечать на вопрос о том, что такое теплопроводность воды, то следует понимать, что она обусловлена конвекционным процессом. Коэффициент теплопроводности для нее равен 0,58 Дж/(с*м*К).

Для других жидкостей эта величина приведена в списке ниже:

• этиловый спирт - 0,17;
• ацетон - 0,16;
• глицерол - 0,28.

То есть значения теплопроводности для жидкостей сравнимы с таковыми для твердых теплоизоляторов.

Конвекция в атмосфере

Важность атмосферной конвекции велика, поскольку благодаря ней существуют такие явления, как ветры, циклоны, образование облаков, дожди и другие. Все эти процессы подчиняются физическим законам термодинамики.

Среди процессов конвекции в атмосфере самым важным является круговорот воды. Здесь следует рассмотреть вопросы о том, что такое теплопроводность и теплоемкость воды. Под теплоемкостью воды понимается физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать 1 кг воды, чтобы ее температура увеличилась на один градус. Оно равно 4220 Дж.

Круговорот воды осуществляется следующим образом: солнце нагревает воды Мирового океана, и часть воды испаряется в атмосферу. За счет процесса конвекции водяной пар поднимается на большую высоту, охлаждается, образуются облака и тучи, которые приводят к возникновению осадков в виде града или дождя.

Теплопроводность | Физика

Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная пе­редача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.

Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.

Закрепим в штативе толстую медную проволоку, а к проволоке прикрепим воском или плас­тилином несколько гвоздиков. При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск плавится, и гвоздики постепенно отпадают от проволоки. Причем сначала отпадают те, что находятся ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Объясняется это следующим обра­зом. Сначала увеличивается скорость движения тех частиц металла, которые находятся ближе к пламени. Температура проволоки в этом месте повышается. При взаимодействии этих частиц с соседними скорость последних также увеличивается, в результате чего повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость движения следующих частиц и т. д., пока не прогреется вся проволока.

Следует помнить, что при теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела, пере­носится лишь энергия.

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой. Положим в нее кусочек льда и станем нагревать верхнюю часть пробирки. Вода у поверхности скоро закипит. Лед же на дне пробирки за это время почти не растает. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и жидких металлов.

Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.

Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышко. Палец при этом долго не чувствует тепла.

Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Следовательно, теплопроводность газов еще меньше.

Итак, теплопроводность различных веществ различна.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, особенно серебро и медь. Если теплопро­водность различных веществ сравнивать с теплопроводностью меди, то окажется, что у железа она меньше примерно в 5 раз, у воды — в 658 раз, у пористого кирпича — в 848 раз, у свежевыпав-шего снега — почти в 4000 раз, у ваты, древесных опилок и овечьей шерсти — почти в 10 ООО раз, а у воздуха она меньше примерно в 20 000 раз. Плохой теплопроводностью обладают также воло­сы, перья, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применя­ют вещества с малой теплопроводностью. Так, ручки для кастрюль, сковородок изготавливают из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а зна­чит, предохраняют помещения от охлаждения. На применении вакуума в качестве теплоизоля­ционного «материала» основано устройство термоса, или сосуда Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Что такое теплопроводность

Сергей Дворянинов
«Квантик» №2, 2019

Отчего, когда в оттепель идёт снег, он тает на руке, а на шубе остаётся?

Л. Н. Толстой, «Тепло» (Рассуждение)

Третий лишний

Вспомним одну старую задачку. Есть автобус, трамвай, троллейбус. Что здесь лишнее?

Лишний автобус, так как он работает на бензине, а не на электричестве, как трамвай и троллейбус. А можно считать лишним трамвай, потому что его колёса не «обуты» в резиновые шины.

А теперь новая задача. Из трёх словосочетаний: тёплый осенний день, тёплое море, тёплая одежда — какое лишнее?

Мы называем день или море тёплыми, если у них соответствующая температура. Называя пальто или куртку тёплой, мы никак не связываем это качество одежды с её температурой как материального предмета. Следовательно, лишняя здесь тёплая одежда.

Называть одежду тёплой позволяет некоторая её физическая характеристика, о которой и расскажем.

Коэффициент теплопроводности

Наступила зима. В квартире батареи центрального отопления нагревают воздух. Почему же температура в комнатах повышается не до температуры батареи, а до меньшего уровня? Да потому, что тепло через стены уходит наружу, на улицу. Что это значит? Тепло — не какой-то физический объект. Но из жизненного опыта вы знаете, что горячее тело нагревает окружающие его холодные тела (а холодное — остужает горячие), и удобно считать, что при этом от горячих тел к холодным передаётся тепло.

Как тепло распространяется в одном теле, от уже нагретых частей к более холодным? Разные материалы проводят тепло по-разному — одни хуже, другие лучше. Поэтому у каждого материала есть свой коэффициент теплопроводности k, равный количеству тепла, которое за 1 секунду проходит через стену из этого материала площадью 1 кв. метр и толщиной 1 метр при разности температур 1 градус.

Понятно, что через стену в два раза большей площади проходит в два раза большее количество тепла, а через стену удвоенной толщины — вдвое меньшее (подумайте, почему?). А ещё оказывается, что чем больше разность температур, тем быстрее передаётся тепло.

Количество тепла, как и любой энергии, измеряют в джоулях (Дж). Например, чтобы вскипятить 1 литр воды комнатной температуры, необходимо «передать воде» 350 000 Дж = 350 кДж. А скорость передачи тепла измеряют в ваттах (Вт). Передача 1 Дж тепла за 1 с соответствует 1 Вт. Например, мощность чайника примерно равна 2 кВт = 2000 Вт.

У силикатного (или белого) кирпича k = 0,81 (далее эту размерность будем опускать), то есть, например, для квадратного метра кирпичной стены толщиной 50 см потери тепла на 1 градус разницы температур составят 1,62 джоуля в секунду (или 1,62 ватта). У дерева k = 0,2, и потому при той же толщине стен деревянный дом теплее кирпичного в 4 раза. В частности, поэтому кирпичные стены делают толще деревянных. А у бетона k = 1,75, и панельный дом, построенный из бетонных плит, получается вдвое холоднее кирпичного с той же толщиной стен. Стены можно утеплять пенопластом — его коэффициент 0,04. Вспомним детский стишок:

Ох, беда, беда, беда,
Наступили холода.
На стекле горюет муха:
«Выпал снег белее пуха!
Если бы мне валенки,
Пусть подшиты, стареньки,
Да суконные штаны —
Дожила бы до весны!»

Дело в том, что у шерстяного войлока (то есть у тех же валенок) k = 0,045. Зимой в валенках намного теплее, чем в кожаных ботинках. Конечно, валенки ноги не греют, а лишь препятствуют большим потерям тепла.

У хлопковой ваты k = 0,055. Потому испокон веков ватные халаты защищали жителей Средней Азии от нестерпимой летней жары. Температура тела человека 36,7°C, температура воздуха 40–45°C. В этом случае ватный халат в минимальной степени способствует подводу тепла к телу, предохраняя человека от перегрева. Точно так же меховые рукавицы защищают руки кузнеца, держащего раскалённую заготовку.

У минеральной ваты k = 0,045–0,055. Её используют для термоизоляции труб отопления.

Газы — плохие проводники тепла, у них коэффициент теплопроводности мал, например у воздуха k = 0,022. Поэтому оконные рамы делали двойными, и в современных стеклопакетах тоже есть воздух между стёклами: можно сказать, что тепло в доме сохраняет не стекло, а воздух внутри рамы. Но газы могут передавать тепло конвекцией, то есть перемешиваться. По этой причине особенно хорошими теплоизоляционными свойствами обладают пористые материалы — поры в них препятствуют конвекции.

Многие птицы зимой во время сильных морозов зарываются в снег. Рыхлый снег почти не проводит тепло и сохраняет примерно одинаковую температуру даже при сильных ночных заморозках. Так спасаться от морозов, да и от хищников, научились глухари, тетерева, куропатки, рябчики. Птицы способны проводить под снегом без движения несколько дней, при этом их потери энергии минимальны. Да и медведи спят в берлогах, занесённых снегом, словно тёплым одеялом.

Среди металлов рекордсменом по теплопроводности можно считать серебро — у него k = 430. У железа k = 92. Если серебряную ложку опустить в кипяток, то удержать её в руках, пожалуй, не удастся: она очень быстро станет нестерпимо горячей. Металлы очень хорошо проводят тепло (гораздо лучше неметаллов), потому что в них есть свободные электроны, которые быстро перемещаются и переносят тепло.

Возвращаясь к тёплой одежде, скажем, что она не греет, а препятствует потерям тепла. Теперь вы легко объясните, какую одежду мы называем холодной.

Напоследок — две задачи.

1. В некоторых современных квартирах делают тёплые полы. Для этого вдоль всего пола прокладывают нагревательные элементы, питающиеся электричеством. А в новых вагонах московского метро появились «тёплые поручни», которые не требуют электропитания. Можете догадаться, как они устроены?

2. Эта задача очень старая. Два полярника вышли из палатки на лёд. Падающий сверху снег на комбинезоне одного потихоньку таял, а у другого — нет, делая человека похожим на снеговика. У кого одежда теплее?

Ответы

1. «Тёплые поручни» — это обычные никелированные поручни, покрытые тонким слоем пластика. Пластик плохо проводит тепло, и поэтому тепло от человеческих рук не распространяется вдоль такого поручня. Это создаёт ощущение, что поручень тёплый.

2. Если снежинки на комбинезоне тают, то температура на его поверхности плюсовая. Стало быть, такой комбинезон плохо сохраняет тепло человеческого тела и отводит его в окружающую среду. Теплее одежда у того полярника, который похож на снеговика.

Художник Максим Калякин

Теплопроводность. Примеры вокруг нас

Способы передачи тепла

В самой обычной квартире находится множество объектов и устройств, которые помогут продемонстрировать некоторые физические явления и законы, причем из самых разных разделов этой науки — от классической механики до квантовой физики и начал теории относительности.

Например, почему окно в квартире, отделяющее ее от морозного воздуха всего двумя тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина заключается в особом свойстве вещества — теплопроводности.

Теплообмен, или теплопередача, — это физический процесс, при котором тепло переносится от теплого объекта к холодному (или от теплой части одного объекта к холодной). Теплопередача может происходить при непосредственном контакте двух объектов (теплопроводность), перемешивании газов или жидкостей (конвекция) и излучении тепла.

Теплопроводность — способность материала передавать через свой объем тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях предмета. Данное явление объясняется тем, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, переносится из более нагретых частей предмета к его менее нагретым частям.

Различные материалы проводят теплоту по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Воздух — очень плохой проводник тепла, если только он не движется. А вот перемещение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому, в чем легко убедиться, подержав руку над пламенем (только не следует подносить ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или устройства, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла. Про них можно сказать, что они хорошие тепло-изоляторы. Именно таковы наши окна.

Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему его объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.

Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах, в отличие от атомов, не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему тела, перенося при этом тепло.

Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с водой поставить на плиту (неважно какую — газовую или электрическую)? Молекулы горящего газа или раскаленной электрической спирали станут двигаться намного быстрее, чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интенсивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое движение передается через металл к жидкости в чайнике.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?

Теплопроводность зависит от плотности материала, его строения, пористости, а также от того, как упорядочены атомы в веществе. С увеличением средней плотности теплопроводность возрастает, а чем выше пористость (меньше плотность) материала, тем ниже теплопроводность. У металлов атомы упакованы плотно и упорядоченно, поэтому теплопроводность металлов очень высока — они быстро отдают и получают тепло. В газах основную часть объема составляет пустота, молекулы в газе встречаются редко и пробегают большие расстояния, пока не столкнутся друг с другом, поэтому газы плохо передают тепло и являются хорошими теплоизоляторами. Чем менее плотный газ, тем медленнее он передает тепло. К примеру, в космосе, где царит почти абсолютная пустота (вакуум), тепло передается только путем излучения.

Поделиться ссылкой

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ — Физический энциклопедический словарь

Один из видов переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию темп-ры. При Т. перенос энергии осуществляется в результате непосредств. передачи энергии от ч-ц (молекул, атомов, эл-нов), обладающих большей энергией, ч-цам с меньшей энергией. Если относит. изменение темп-ры Т на расстоянии ср. длины свободного пробега ч-ц l мало, то выполняется осн. закон Т. (закон Фурье): плотность теплового потока q пропорциональна градиенту темп-ры grad Т:

где l — коэфф. Т., или просто Т., не зависит от grad Т (l зависит от агрегатного состояния в-ва, его атомно-молекулярного строения, темп-ры, давления, состава и т. д.).

Отклонения от закона Фурье могут появиться при очень больших значениях grad Т (напр., в сильных ударных волнах), при низких температурах (для жидкого Не II) и при темп-рах =104—105 К, 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 темп-ры газа теряет смысл. В этом случае рассматривают не процесс Т. в газе, а теплообмен между телами, находящимися в газовой среде. Процесс Т. в сплошной среде описывается теплопроводности уравнением. Для идеального газа, состоящего из тв. сферич. молекул диаметром d, согласно кинетической теории газов, справедливо следующее выражение для l

где r — плотность газа, cV — теплоёмкость единицы массы газа при пост. объёме V, v — ср. скорость движения молекул. Поскольку l пропорциональна 1/р, а r= р (р — давление газа), то Т. такого газа не зависит от р. Кроме того, коэффициенты Т. l и вязкости h связаны соотношением: l=5/2hcV. В случае газа, состоящего из многоатомных молекул, существенный вклад в К вносят внутр. степени свободы молекул, что учитывает соотношение:

l=hcV((9g-5)/4),

где g=cp/cV, cp — теплоёмкость при постоянном р. В реальных газах Т.— довольно сложная ф-ция Т и р, причём с ростом Т и р значение l возрастает. Для газовых смесей l может быть как больше, так и меньше Я компонентов смеси, т. е. Т.— нелинейная ф-ция состава.

В плотных газах и жидкостях ср. расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул, а кинетич. энергия движения молекул того же порядка, что и потенц. энергия межмолекулярного взаимодействия. В связи с этим перенос энергии столкновениями происходит значительно интенсивнее, чем в разреженных газах, и скорость передачи энергии молекул от горячих изотер

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

«Виды теплопередачи:
теплопроводность, конвекция, излучение»

---

---

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа.  Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.

---

Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».

Следующая тема: «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость».

 

Что такое теплопроводность? Обзор

• Узнать цену
• концентраторы Thermtest
  • Термтест
  • Thermtest Europe
  • Thermtest Латинская Америка

• Продукты
  • Продукты
    • Колонка 1
      • HFM-100 Тепломер
      • TLS-100 Источник переходных линий
      • THW-L1 Переходный горячий провод
      • THW-L2 Переходный горячий провод
      • GHFM-02 Измеритель теплового потока защищенный
      • TPS-EFF Переходной плоский источник
    • Колонка 2
      • TPS Источник переходной плоскости
      • Измерительная платформа МП-2
    • Колонка 3
      • DSC-L600 Дифференциальный сканирующий калориметр
      • ТГА-1000 Анализатор термогравиметрический
      • ТГА-1500 Анализатор термогравиметрический

.

Примеры и приложения теплопроводности

«Скорость потока тепла через противоположные грани метрового куба вещества, поддерживаемого при разнице температур в один кельвин, называется теплопроводностью этого вещества».

Что такое формула теплопроводности?

Теплопроводность в разных материалах происходит с разной скоростью. В металлах тепло течет быстро по сравнению с изоляторами, такими как дерево или резина.Рассмотрим сплошной блок:

Одна из двух противоположных сторон, каждая из которых имеет площадь поперечного сечения A, нагревается до температуры T1. Тепло Q течет по длине L к противоположной стороне при температуре T2 за t секунд.

«Количество тепла, которое течет в единицу времени, называется скоростью потока тепла».

Таким образом, Скорость потока тепла = Q / t ………. (1)

Было замечено, что скорость, с которой тепло проходит через твердый объект, зависит от различных факторов.

• Площадь поперечного сечения твердого тела:

Большая площадь поперечного сечения A твердого тела содержит большее количество молекул и свободных электронов на каждом слое, параллельном его площади поперечного сечения, и, следовательно, больше будет скорость потока тепла через твердые тела.Таким образом:

Скорость потока тепла Q / t ∝ A… .. (2)

Чем больше расстояние между горячим и холодным концом твердых тел, тем больше времени потребуется для отвода тепла к более холодному концу. и меньше будет скорость потока тепла. Таким образом:

Скорость потока тепла Q / t ∝ 1 / л…. (3)

• Разница температур между концами

Больше температура разница (T1 - T2) между горячей и холодной сторонами твердых тел, тем больше будет скорость потока тепла.Таким образом:

Скорость потока тепла составляет Q / t (T1 - T2)…. (4)

Комбинируя вышеуказанные факторы, получаем:

Q / t ∝ A (T1 -T2) / L

Скорость потока тепла Q / t = KA (T1 - T2) / L… .. (5)

Здесь K - коэффициент пропорциональности, называемый теплопроводностью твердых тел. Его значение зависит от природы вещества и отличается для разных материалов. Из приведенного выше уравнения (5) мы находим K как:

K = Q / t × L / A (T1 - T2)….. (6)

Примеры теплопроводности

Примеры теплопроводности некоторых веществ приведены в таблице:

Следите за обновлениями на сайте Physicsabout.com по связанным темам, которые приведены ниже.
Проводимость тепла
Конвенция тепла
Излучение тепла

.

Теплопроводность - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Теплопроводность - это способность материала проводить тепло. Металлы хороши в теплопроводности. Теплопроводность материала - это определяющее свойство, которое помогает в разработке эффективных технологий нагрева / охлаждения. Значение теплопроводности можно определить путем измерения скорости, с которой тепло может проходить через материал.

Термическое сопротивление противоположно теплопроводности.Это означает, что тепло не проводит много. Материалы с высоким удельным сопротивлением называются «термоизоляторами» и используются в одежде, термосах, домашних изоляционных материалах и автомобилях, чтобы согреться, или в холодильниках, морозильниках и термосах, чтобы вещи оставались холодными.

Теплопроводность часто обозначается греческой буквой «каппа», κ {\ displaystyle \ kappa}. Единицы теплопроводности - ватты на метр-кельвин. Ватты - это мера мощности, метры - мера длины, а кельвины - мера температуры.По единицам измерения мы видим, что теплопроводность - это мера того, сколько энергии проходит через расстояние из-за разницы температур.

Некоторые отличные теплоизоляторы: Вакуум, Аэрогель, Полиуретан

Вот некоторые отличные проводники тепла: Серебро, медь, бриллиант

Серебро - один из наиболее теплопроводных материалов (и довольно распространен), поэтому с серебром можно провести несколько интересных экспериментов, которые очень хорошо показывают, как работает теплопроводность.

Один пример: вы кладете 2 ложки в кипящую воду, одна из которых стальная, а другая серебряная. Когда вы вынимаете ложки из кипящей воды, серебряная ложка горячее, чем стальная. Причина этого в том, что серебро проводит тепло лучше, чем сталь. Серебряная ложка также будет остывать быстрее из-за этого, так как лучше отводит тепло.

Другой пример теплопроводности серебра - нанесение различных материалов на кубики льда. Шайба для утюга просто сядет на лед и постепенно станет холоднее.Медный пенни растает через кубик льда и быстрее остывает. Серебряная монета, ложка или кольцо на кубике льда погрузится в него, как если бы кубик льда был сделан из густого сиропа, а серебро почти мгновенно станет ледяным. Опять же, это потому, что серебро действительно хорошо поглощает тепло из воздуха и передает его кубику льда. Медь тоже хороша в этом, но не так хорошо, как серебро.

.

Узнайте о теплопроводности | Chegg.com

В чистых металлах на теплопроводность больше влияет количество свободных электронов, чем колебания решетки. Несколько свободных электронов существуют в чистых металлах и вносят больший вклад в более высокое значение теплопроводности, чем колебания решетки. При повышении температуры В металле теплопроводность уменьшается из-за увеличения турбулентности в электронном потоке. Ниже показано движение электронов в чистых металлах.

Теплопроводность неметалла намного меньше, чем у чистого металла, потому что в неметалле гораздо меньше свободных электронов, чем в чистом металле. Теплопроводность неметалла больше зависит от колебаний решетки, чем от потока электронов. При увеличении температуры неметалла увеличивается вибрация его решетки, что приводит к увеличению значения его теплопроводности. Вибрация решетки в неметаллах показана ниже.

В сплаве двух металлов теплопроводность обычно намного ниже, чем у любого из металлов.В сплаве теплопроводность зависит как от количества свободных электронов, так и от колебаний решетки. При повышении температуры сплава увеличивается как поток электронов, так и колебания решетки, что приводит к умеренному значению теплопроводности.

.

Теплопроводность - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Теплопроводность (или теплопроводность ) - это движение тепла от одного объекта к другому, имеющему разную температуру, когда они касаются друг друга. Например, мы можем согреть руки, дотронувшись до грелки. Когда холодные руки касаются грелки, тепло перетекает от более горячего объекта (грелки) к более холодному (руке). Люди делают вещи с разной теплопроводностью, например, посуду для обогрева или изолированные контейнеры, чтобы горячие вещи оставались горячими или холодные.

Другими способами передачи тепла являются тепловое излучение и / или конвекция. Обычно одновременно происходит более одного из этих процессов.

В атомной теории твердые тела, жидкости и газы состоят из крошечных частиц, называемых «атомами». Температура материала измеряет скорость движения атомов, а тепло измеряет общее количество энергии, вызванной вибрацией атомов.

Электропроводность может возникнуть при нагревании одной части материала. Атомы в этой части вибрируют быстрее и чаще поражают своих соседей.Столкновения заставляют эти атомы двигаться быстрее, передавая им тепловую энергию. Таким образом энергия проходит через твердое тело. (Скорее похоже на то, как энергия проходит по падающим домино).

Атомная картина также помогает объяснить, почему проводимость более важна в твердых телах: в твердых телах атомы расположены близко друг к другу и не могут двигаться. В жидкостях и газах частицы могут двигаться мимо друг друга, поэтому столкновения случаются реже.

Закон теплопроводности , также известный как закон Фурье , означает, что скорость передачи тепла через материал во времени пропорциональна отрицательному градиенту температуры и площади под прямым углом к ​​этому градиент, по которому течет тепло:

∂Q∂t = −k∮S∇T⋅dS {\ displaystyle {\ frac {\ partial Q} {\ partial t}} = - k \ oint _ {S} {\ nabla T \ cdot \, dS }}

где:

Q - количество переданного тепла, а

т - это время, а

k - теплопроводность материала »и

S - это область, через которую проходит тепло, а

T - температура.

Теплопроводность обычно зависит от температуры, но для некоторых распространенных материалов это изменение может быть небольшим в значительном диапазоне температур.

.

Теплопроводность выбранных материалов и газов

Теплопроводность - это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло. Теплопроводность может быть определена как

"количество тепла, передаваемого через единицу толщины материала в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, за счет градиента единичной температуры в условиях устойчивого состояния"

Теплопроводность единицы - [Вт / (м · К)] в системе СИ и [БТЕ / (час фут ° F)] в британской системе мер.

См. Также изменения теплопроводности в зависимости от температуры и давления , для: воздуха, аммиака, двуокиси углерода и воды

Теплопроводность для обычных материалов и продуктов:

900 900 78 0,1 - 0,22 0,606

Теплопроводность - k - Вт / (м · К)
Материал / вещество	Температура
	25 o C (77 o F)	125 o C (257 o F)	225 o C (437 o F)
	Acetals	0.23
Ацетон	0,16
Ацетилен (газ)	0,018
Акрил	0,2
Воздух, атмосфера (газ)	0,0262	0,0333	0,0398
Воздух, высота над уровнем моря 10000 м	0,020
Агат	10,9
Спирт	0.17
Глинозем	36	26
Алюминий
Алюминий Латунь	121
Оксид алюминия	30
Аммиак (газ)	0,0249	0,0369	0,0528
Сурьма	18,5
Яблоко (85.6% влаги)	0,39
Аргон (газ)	0,016
Асбестоцементная плита 1)	0,744
Асбестоцементные листы 1)	0,166
Асбестоцемент 1)	2,07
Асбест в рыхлой упаковке 1)	0.15
Асбестовая плита 1)	0,14
Асфальт	0,75
Бальсовое дерево	0,048
Битум
Слои битума / войлока	0,5
Говядина постная (влажность 78,9%)	0.43 - 0,48
Бензол	0,16
Бериллий
Висмут	8,1
Битум	0,17
Доменный газ (газ)	0,02
Шкала котла	1,2 - 3,5
Бор	25
Латунь
Бризовый блок	0.10 - 0,20
Кирпич плотный	1,31
Кирпич огневой	0,47
Кирпич изоляционный	0,15
Кирпич обыкновенный (Строительный кирпич )	0,6 -1,0
Кирпичная кладка плотная	1,6
Бром (газ)	0,004
Бронза
Коричневая железная руда	0.58
Масло (влажность 15%)	0,20
Кадмий
Силикат кальция	0,05
Углерод	1,7
Двуокись углерода (газ)	0,0146
Окись углерода	0,0232
Чугун
Целлюлоза, хлопок, древесная масса и регенерированные	0.23
Ацетат целлюлозы, формованный, лист	0,17 - 0,33
Нитрат целлюлозы, целлулоид	0,12 - 0,21
Цемент, Портленд	0,29
Цемент, строительный раствор	1,73
Керамические материалы
Мел	0.09
Древесный уголь	0,084
Хлорированный полиэфир	0,13
Хлор (газ)	0,0081
Хром никелевая сталь	16,3
Хром
Оксид хрома	0,42
Глина, от сухой до влажной	0.15 - 1,8
Глина насыщенная	0,6 - 2,5
Уголь	0,2
Кобальт
Треск (влажность 83% содержание)	0,54
Кокс	0,184
Бетон, легкий	0,1 - 0,3
Бетон, средний	0.4 - 0,7
Бетон, плотный	1,0 - 1,8
Бетон, камень	1,7
Константан	23,3
Медь
Кориан (керамический наполнитель)	1,06
Пробковая плита	0,043
Пробка, повторно гранулированная	0.044
Пробка	0,07
Хлопок	0,04
Вата	0,029
Углеродистая сталь
Утеплитель из шерсти	0,029
Купроникель 30%	30
Алмаз	1000
Диатомовая земля (Sil-o-cel)	0.06
Диатомит	0,12
Дуралий
Земля, сухая	1,5
Эбонит	0,17
11,6
Моторное масло	0,15
Этан (газ)	0.018
Эфир	0,14
Этилен (газ)	0,017
Эпоксидный	0,35
Этиленгликоль	0,25
Перья	0,034
Войлок	0,04
Стекловолокно	0.04
Волокнистая изоляционная плита	0,048
Древесноволокнистая плита	0,2
Огнеупорный кирпич 500 o C	1,4
Фтор (газ)	0,0254
Пеностекло	0,045
Дихлордифторметан R-12 (газ)	0.007
Дихлордифторметан R-12 (жидкость)	0,09
Бензин	0,15
Стекло	1.05
Стекло, жемчуг, жемчуг	0,18
Стекло, жемчуг, насыщенное	0,76
Стекло, окно	0.96
Стекло-вата Изоляция	0,04
Глицерин	0,28
Золото
Гранит	1,7 - 4,0
Графит	168
Гравий	0,7
Земля или почва, очень влажная зона	1.4
Земля или почва, влажная зона	1,0
Земля или почва, сухая зона	0,5
Земля или почва, очень сухая зона	0,33
Гипсокартон	0,17
Волос	0,05
ДВП высокой плотности	0.15
Лиственные породы (дуб, клен ...)	0,16
Hastelloy C	12
Гелий (газ)	0,142
Мед ( 12,6% влажности)	0,5
Соляная кислота (газ)	0,013
Водород (газ)	0,168
Сероводород (газ)	0.013
Лед (0 o C, 32 o F)	2,18
Инконель	15
Чугун	47-58
Изоляционные материалы	0,035 - 0,16
Йод	0,44
Иридий	147
Железо
Оксид железа	0 .58
Капок изоляция	0,034
Керосин	0,15
Криптон (газ)	0,0088
Свинец
, сухой	0,14
Известняк	1,26 - 1,33
Литий
Магнезиальная изоляция (85%)	0.07
Магнезит	4,15
Магний
Магниевый сплав	70-145
Мрамор	2,08 - 2,94
Ртуть, жидкость
Метан (газ)	0,030
Метанол	0.21
Слюда	0,71
Молоко	0,53
Изоляционные материалы из минеральной ваты, шерстяные одеяла ..	0,04
Молибден
Монель
Неон (газ)	0,046
Неопрен	0.05
Никель
Оксид азота (газ)	0,0238
Азот (газ)	0,024
Закись азота (газ)	0,0151
Нейлон 6, Нейлон 6/6	0,25
Масло машинное смазочное SAE 50	0,15
Оливковое масло	0.17
Кислород (газ)	0,024
Палладий	70,9
Бумага	0,05
Парафиновый воск	0,25
Торф	0,08
Перлит, атмосферное давление	0,031
Перлит, вакуум	0.00137
Фенольные литые смолы	0,15
Формовочные смеси фенолформальдегид	0,13 - 0,25
Фосфорбронза	110			Pinchbe20 159
Пек	0,13
Карьерный уголь	0.24
Гипс светлый	0,2
Гипс, металлическая планка	0,47
Гипс песочный	0,71
Гипс, деревянная планка	0,28
Пластилин	0,65 - 0,8
Пластмассы вспененные (изоляционные материалы)	0.03
Платина
Плутоний
Фанера	0,13
Поликарбонат	0,19
Полиэстер
Полиэтилен низкой плотности, PEL	0,33
Полиэтилен высокой плотности, PEH	0.42 - 0,51
Полиизопреновый каучук	0,13
Полиизопреновый твердая резина	0,16
Полиметилметакрилат	0,17 - 0,25
Полипропилен
Полистирол вспененный	0,03
Полистирол	0.043
Пенополиуретан	0,03
Фарфор	1,5
Калий	1
Картофель, сырая мякоть	0,55
			Пропан (газ)	0,015
Политетрафторэтилен (ПТФЭ)	0,25
Поливинилхлорид, ПВХ	0.19
Стекло Pyrex	1,005
Кварц минеральный	3
Радон (газ)	0,0033
Красный металл
Рений
Родий
Порода, твердая	2-7
Порода, пористая вулканическая (туф)	0.5 - 2,5
Изоляция из каменной ваты	0,045
Канифоль	0,32
Резина, ячеистая	0,045
Резина натуральная	0,13
Рубидий
Лосось (влажность 73%)	0,50
Песок сухой	0.15 - 0,25
Песок влажный	0,25 - 2
Песок насыщенный	2-4
Песчаник	1,7
Опилки	0,08
Селен
Овечья шерсть	0,039
Аэрогель кремнезема	0.02
Кремниевая литая смола	0,15 - 0,32
Карбид кремния	120
Кремниевое масло	0,1
Серебро
Шлаковая вата	0,042
Сланец	2,01
Снег (температура <0 o C)	0.05 - 0,25
Натрий
Хвойные породы (пихта, сосна ..)	0,12
Почва, глина	1,1
Почва, с органическими материя	0,15 - 2
Грунт насыщенный	0,6 - 4
Припой 50-50	50
Сажа	0.07
Насыщенный пар	0,0184
Пар низкого давления	0,0188
Стеатит	2
Сталь углеродистая
Сталь, нержавеющая сталь
Изоляция соломенной плиты, сжатая	0,09
Пенополистирол	0.033
Диоксид серы (газ)	0,0086
Сера кристаллическая	0,2
Сахара	0,087 - 0,22
Тантал
Смола	0,19
Теллур	4,9
Торий
Древесина, ольха	0.17
Древесина, ясень	0,16
Древесина, береза ​​	0,14
Древесина, лиственница	0,12
Древесина, клен	0,16
Древесина дубовая	0,17
Древесина осина	0,14
Древесина оспа	0.19
Древесина, бук красный	0,14
Древесина, сосна красная	0,15
Древесина, сосна белая	0,15
Древесина ореха	0,15
Олово
Титан
Вольфрам
Уран
Пенополиуретан	0.021
Вакуум	0
Гранулы вермикулита	0,065
Виниловый эфир	0,25
Вода, пар (пар)		0,0267	0,0359
Пшеничная мука	0.45
Белый металл	35-70
Древесина поперек волокон, белая сосна	0,12
Древесина поперек волокон, бальза	0,055
Древесина поперек волокон, сосна желтая, древесина	0,147
Дерево, дуб	0,17
Шерсть, войлок	0.07
Древесная вата, плита	0,1 - 0,15
Ксенон (газ)	0,0051
Цинк

¹⁾ Асбест плохо для здоровья человека, когда крошечные абразивные волокна попадают в легкие, где они могут повредить легочную ткань. Это, по-видимому, усугубляется курением сигарет, в результате чего возникают мезотелиома и рак легких.

Пример - кондуктивная теплопередача через алюминиевый бак по сравнению с баком из нержавеющей стали

Кондуктивная теплопередача через стенку кастрюли может быть рассчитана как

q = (k / s) A dT (1)

или, альтернативно,

q / A = (к / с) dT

где

q = теплопередача (Вт, БТЕ / ч)

A = площадь поверхности ( м ² , фут ² )

q / A = теплопередача на единицу площади (Вт / м ² , БТЕ / (ч фут ² ))

k = теплопроводность (Вт / мК, БТЕ / (час фут ° F) )

dT = t ₁ - t ₂ = разница температур ( ^o C, ^o F)

s = толщина стены (м, фут)
9000 8

Калькулятор теплопроводности

k = теплопроводность (Вт / мК, БТЕ / (час фут ° F) )

с = толщина стенки (м, фут)

A = площадь поверхности (м ² , фут ² )

dT = t ₁ - t ₂ = разница температур ( ^o C, ^o F)

Примечание! - общая теплопередача через поверхность определяется « общим коэффициентом теплопередачи », который в дополнение к кондуктивной теплопередаче зависит от

Кондуктивная теплопередача через алюминиевую стенку горшка толщиной 2 мм - разность температур 80 ^o C

Коэффициент теплопроводности для алюминия составляет 215 Вт / (м · К) (из таблицы выше).Кондуктивная теплопередача на единицу площади может быть рассчитана как

q / A = [(215 Вт / (м · K)) / (2 10 ^-3 м)] (80 ^o C)

= 8600000 (Вт / м ² )

= 8600 (кВт / м ² )

Проводящая теплопередача через стенку емкости из нержавеющей стали толщиной 2 мм - разница температур 80 ^o C

Теплопроводность для нержавеющей стали 17 Вт / (м · К) (из таблицы выше).Кондуктивная теплопередача на единицу площади может быть рассчитана как

q / A = [(17 Вт / (м · K)) / (2 10 ^-3 м) ] (80 ^o C)

= 680000 (Вт / м ² )

= 680 (кВт / м ² )

.

---

Смотрите также

• 
  Полочки под обувь
• 
  Какая резьба на патроне дрели
• 
  Признаки закисления почвы на огороде
• 
  Схема сборки электрощита
• 
  Электрод что такое
• 
  Колодец для водопровода в частном доме
• 
  Устройство погреба при высоком уровне грунтовых вод
• 
  Пенополистирол экструдированный характеристики теплопроводность
• 
  Известковый раствор пропорции для штукатурки
• 
  Точка росы определение
• 
  Нужно ли под