Свойство металла проводить теплоту это

Всем известно, что теплота может «путешествовать» с одного места на другое. Однако нам пока что неизвестно, каким же образом это происходит? Одинаково ли протекают теплообменные процессы в твёрдых телах, жидкостях и газах? И какова природа передачи теплоты? Чтобы ответить на эти вопросы, проведём эксперимент.

Возьмём железный гвоздь и стеклянную палочку и будем нагревать их концы в пламени спиртовки.

Через некоторое время мы почувствуем тепло. К пальцам, которые держат железный гвоздь, оно дойдёт гораздо быстрее, и вскоре мы не сможем удержать гвоздь, поскольку его температура значительно повысится. Стеклянную же палочку мы ещё долго сможем держать, хотя со временем и её температура повысится до такой степени, что будет печь пальцы.

В рассмотренном нами эксперименте происходит перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым. Вы сами можете привести множество примеров такого переноса теплоты.

Такая передача энергии происходит в результате столкновения частиц. Она передаётся как бы по цепочке, последовательно слой за слоем, и со временем температура всех частей тела выравнивается.

Проведём ещё один опыт. К металлическому стержню, закрепленному в штативе, с помощью воска или пластилина прикрепим несколько кнопок. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки.

Через некоторое время мы увидим, что кнопки начнут отпадать от стержня: сначала отпадёт та кнопка, которая находится ближе к пламени, а затем поочерёдно все остальные.

Поскольку кнопки отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно.

Почему это происходит? Попробуем разобраться, используя знания, полученные нами на предыдущих уроках.

Мы знаем, что в твёрдом теле (например, в металле) частицы взаимодействуют между собой, потенциальная энергия их велика, и они могут совершать колебательные движения около определенных положений. Модель структуры твердого тела (металла) можно представить в виде кристаллической решётки.

Модель кристаллической решётки

Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню.

Это можно уподобить передаче энергии колебательного движения от одного человека к другому в цепочке стоящих рядом, взявшихся за руки людей. Если один человек будет смещаться, то в одну, то в другую сторону, то он вызовет смещение по очереди и всех остальных.

• Обращаем внимание на то, что перемещение вещества от одного тела к другому или от одной части тела к другой, не происходит, но при этом передаётся энергия.
• Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.
• Так как взаимодействие молекул и тепловое движение у разных веществ неодинаковы, то и теплопроводность веществ разная.

Чтобы в этом убедиться, проделаем следующий опыт. Возьмём сосуд с горячей водой и стержни одинакового размера из различных материалов, например, из серебра, латуни, стали, стекла и дерева. Верхние концы стержней погрузим в сосуд так, чтобы они прогревались водой. А к свободным нижним концам этих стержней прикрепим воском или пластилином кнопки.

Через некоторое время мы заметим, что первым отпадает кнопка от серебряного стержня. Значит серебро — это очень хороший проводник тепла. Затем отпадает гвоздик от стержня из латуни, а потом и от стального.

Ждать же, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, приходится очень долго. Значит,  дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность.

Так теплопроводность дерева примерно в три тысячи раз меньше теплопроводности серебра. Убедиться в этом можно на опыте. Деревянную или стеклянную палочку можно безопасно держать рукой, в то время как другой ее конец, находящийся в пламени спиртовки, уже горит или плавится.

Становится понятным, почему деревянные дома лучше сохраняют тепло, чем кирпичные, почему ручки паяльников, кастрюль и сковородок делают из пластмассы или дерева.

Материалы, которые очень плохо проводят тепло, называют теплоизоляторами.

Теперь зададимся вопросом, а могут ли проводить теплоту газы? Что бы на него ответить, проделаем такой опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Можно заметить, что нагревание воздуха идёт, но очень медленно, что подтверждается незначительным повышением показания термометра.

Приведём ещё несколько примеров. И так, все вы знаете, что фен выдувает горячий воздух за счёт 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 счёт небольшого слоя воздуха между ними.

Двойные стёкла в оконной раме

Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю.

Значит, энергия переносится только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом. Поэтому, например, сильно разреженные газы практически не проводят теплоту.

Это их свойство применяют, в частности, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре.

Такими образом, теплопроводность газов очень малая, особенно по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел. Так, например, теплопроводность обычного воздуха, которым мы с вами дышим, почти в 10 000 раз меньше, чем теплопроводность меди.

А теперь давайте выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Так как взаимодействие молекул у жидкостей значительное, то перенос энергии молекулами у них лучше, чем у газов, но хуже, чем у твёрдых тел.

Чтобы в этом убедиться, проведём такой опыт. Возьмём пробирку с водой, на дно которой поместим кусочек льда. Чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему какой-либо металлический предмет.

Будем нагревать верхнюю часть пробирки в спиртовке.

Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, но лёд на дне при этом не растает. Это говорит о том, что теплопроводность воды малая, хотя и больше чем у воздуха. Следует помнить, что металлы, находящиеся в жидком состоянии (это, например, медь, олово и так далее) обладают хорошей теплопроводностью.

Таким образом, теплопроводность жидкости действительно занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

И так, из всех рассмотренных нами примеров мы можем сделать вывод о том, что теплопроводность — это свойство тел, и у каждого тела она разная. Например, шерсть, перья и волосы имеют плохую теплопроводность. Это объясняется тем, что между их волокнами содержатся частички воздуха.

Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду из которой едят, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии молекул или других частиц, которых в вакууме попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе.

Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения. Но нём мы поговорим с вами в следующий раз.

Коэффициенты теплопередачи сталей и других материалов: факторы, влияющие на теплопроводность сплавов

Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло.

Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними.

В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).

Понятие теплопроводности

Она является интенсивной физической величиной, то есть величиной, которая описывает свойство материи, не зависящей от количества последней. Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, то есть эти характеристики одинаковы в любой точке одного и того же вещества. Другой группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, например, масса, объем, энергия и другие.

Противоположной величиной для теплопроводности является теплосопротивляемость, которая отражает способность материала препятствовать переносу проходящего через него тепла. Для изотропного материала, то есть материала, свойства которого одинаковы во всех пространственных направлениях, теплопроводность является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры. Так, теплопроводность, равная одному ватту на метр-Кельвин, означает, что тепловая энергия в один Джоуль переносится через материал:

• за одну секунду;
• через площадь один метр квадратный;
• на расстояние один метр;
• когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.

Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот. Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).

Перенос тепла на молекулярном уровне

Когда материя нагревается, увеличивается средняя кинетическая энергия составляющих ее частиц, то есть увеличивается уровень беспорядка, атомы и молекулы начинают более интенсивно и с большей амплитудой колебаться около своих равновесных положений в материале. Перенос тепла, который на макроскопическом уровне можно описать законом Фурье, на молекулярном уровне представляет собой обмен кинетической энергией между частицами (атомами и молекулами) вещества, без переноса последнего.

Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества.

Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах.

Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.

Теплопроводность материалов

Ярко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

Каждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

• сталь 47—58;
• алюминий 237;
• медь 372,1—385,2;
• бронза 116—186;
• цинк 106—140;
• титан 21,9;
• олово 64,0;
• свинец 35,0;
• железо 80,2;
• латунь 81—116;
• золото 308,2;
• серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

• стекловолокно 0,03—0,07;
• стекло 0,6—1,0;
• асбест 0,04;
• дерево 0,13;
• парафин 0,21;
• кирпич 0,80;
• алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции.

Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла.

В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Коэффициенты теплопередачи сталей

Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.

Простые углеродные стали при увеличении содержания углерода снижают свой удельный вес, в соответствии с которым также уменьшается и их способность переносить тепло от 54 до 36 Вт/(м*К) при изменении процента углерода в стали от 0,5 до 1,5%.

Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла.

Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава.

Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).

Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).

Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами.

За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава.

Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле.

Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца.

Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию.

Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор.

Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель.

В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла.

Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках.

Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс.

Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции.

Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача.

В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики.

Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве.

Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов.

Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Таблица 1

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

• вида металла;
• химического состава;
• пористости;
• размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями.

Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину.

Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Таблица 2

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град.

Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры.

Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град.

Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град.

А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий.

Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения.

Примером использования свойств металлических изделий является:

• кухонная посуда с различными свойствами;
• оборудование для пайки труб;
• утюги;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для подогрева воды;
• приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия.

В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации.

Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Введение

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.

Наибольшее значение имеет коэффициент теплопроводности металлов, для которых . Наиболее теплопроводным металлом является серебро , затем идут чистая медь , золото , алюминий и т.д. Для большинства металлов рост температуры приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Эта зависимость может быть приближенно аппроксимирована уравнением прямой линии

(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.

При этом можно пользоваться уравнением (3), имея ввиду, что для твердых тел — диэлектриков в>0.

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.

Поэтому при отсутствии справочных данных достоверная величина л может быть найдена лишь опытным путем.

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