Теплопроводность
Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить тепловую энергию от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела путём хаотического движения частиц тела (атомов, молекул, электронов и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Различают стационарный и нестационарный процессы теплопроводности в твёрдом теле. Стационарный процесс характеризуется неизменными во времени параметрами процесса, такой процесс устанавливается при длительном поддержании температур теплообменивающихся сред на одном и том же уровне. Нестационарный процесс представляет собой неустановившийся тепловой процесс в телах и средах, характеризуемый изменением температуры в пространстве и во времени.
Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.
Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).
Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества: молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.
Закон теплопроводности Фурье
В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:
где — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.[1]
В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):
где — полная мощность тепловой передачи, — площадь сечения параллелепипеда, — перепад температур граней, — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.
Связь с электропроводностью
Связь коэффициента теплопроводности с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:
- где — постоянная Больцмана,
- — заряд электрона,
- — абсолютная температура.
Коэффициент теплопроводности газов
В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле[2]
где — плотность газа, — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, — средняя длина свободного пробега молекул газа, — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как[3]
где — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа , для одноатомного ), — постоянная Больцмана, — молярная масса, — абсолютная температура, — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).
Теплопроводность в сильно разреженных газах
Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): , где — размер сосуда, — давление.
Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.
Обобщения закона Фурье
Закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в этой модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[4], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[5]
Если время релаксации пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.
Коэффициент теплопроводности
Коэффициент теплопроводности в 1 Вт/(м·К) означает, что:
- 1 квадратный метр вещества передаёт за 1 секунду 1 джоуль энергии на расстояние в 1 метр вследствие разницы температур в 1 кельвин.
- 1 квадратный метр вещества передаёт энергию на расстояние в 1 метр со скоростью 1 ватт вследствие разницы температур в 1 кельвин.
Коэффициенты теплопроводности различных веществ
Материал | Теплопроводность, Вт/(м·K) |
---|---|
Графен | 4840 ± 440 — 5300 ± 480 |
Алмаз | 1001 — 2600 |
Графит | 278,4 — 2435 |
Арсенид бора[англ.] | 200 — 2000 |
Карбид кремния | 490 |
Серебро | 430 |
Медь | 401 |
Оксид бериллия | 370 |
Золото | 320 |
Алюминий | 202 — 236 |
Нитрид алюминия | 200 |
Нитрид бора | 180 |
Кремний | 150 |
Латунь | 97 — 111 |
Хром | 107 |
Железо | 92 |
Платина | 70 |
Олово | 67 |
Оксид цинка | 54 |
Сталь нелегированная | 47 — 58 |
Свинец | 35,3 |
Титан | 21,9 |
Сталь нержавеющая (аустенитная)[6] | 15 |
Кварц | 8 |
Термопаста высокого качества | 5 — 12 (на основе соединений углерода) |
Гранит | 2,4 |
Бетон сплошной | 1,75 |
Бетон на гравии или щебне из природного камня | 1,51 |
Базальт | 1,3 |
Стекло | 1 — 1,15 |
Термопаста КПТ-8 | 0,7 |
Бетон на песке | 0,7 |
Вода при нормальных условиях | 0,6 |
Кирпич строительный | 0,2 — 0,7 |
Газобетон | 0,1 — 0,3 |
Пенобетон | 0,05 — 0,3 |
Силиконовое масло | 0,16 |
Древесина | 0,15 |
Нефтяные масла | 0,12 |
Свежий снег | 0,10 — 0,15 |
Пенополистирол (горючесть Г1) | 0,038 — 0,052 |
Стекловата | 0,032 — 0,041 |
Каменная вата | 0,034 — 0,039 |
Пенополиуретан (поролон) | 0,029 — 0,041 |
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) | 0,029 — 0,032 |
Пенополиизоцианурат (PIR) | 0,023 |
Воздух (300 K, 100 кПа) | 0,022 |
Аэрогель | 0,017 |
Диоксид углерода (273—320 K, 100 кПа) | 0,017 |
Аргон (240—273 K, 100 кПа) | 0,015 |
Вакуум (абсолютный) | 0 (строго) |
Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.
См. также
- Теплопередача
- Конвекция
- Равновесный градиент температуры[] (см. градиент)
- Тепловое излучение
- Закон Ньютона — Рихмана
- Уравнение диффузии
- Теплоизоляция
Ссылки
- Александров А.А, Орлов К. А., Очков В. Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник — М.: Издательский дом МЭИ. 2009
- Коэффициенты теплопроводности элементов
- Таблица теплопроводности веществ и материалов
- Ученые выявили нарушение закона Фурье после 200 лет — новое открытие в теплопередаче // 8.03.2024
Примечания
- ↑ Фурье закон // Естествознание. Энциклопедический словарь .
- ↑ Д.В. Сивухин. Общий курс физики: термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2006. — С. 345.
- ↑ Исследование теплопроводности газов. (недоступная ссылка) // Методические указания.
- ↑ J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
- ↑ C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.
- ↑ Merkblatt 821 Архивная копия от 8 августа 2014 на Wayback Machine (PDF; 614 kB); Сталь нержавеющая, свойства стали (нем.), таблица 9