Теплопроводность

Материал из ВикиЭнерго
Перейти к: навигация, поиск

Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

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

В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:

6a747bb10907ebdd936547f3d8a9e75c.jpg

(A503479fbb4a1663a735caa805f7a6cb.jpg — вектор потока тепла — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, Ea38f46762194f0bb469a5d8de39619a.jpgкоэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью), T — температура.) Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

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

4eb1dc10ad0e5e11f793fce9631bd351.jpg

(P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ∆Т — перепад температур граней, h — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями)

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

Содержание

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001-2600
Серебро 430
Медь 382-390
Золото 320
Алюминий 202-236
Латунь 97-111
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1
Вода 0,6
Кирпич строительный 0,2 — 0,7
Пенобетон 0,14 — 0,3
Газобетон 0,1 — 0,3
Дерево 0,15
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Пеноизол 0,035
Воздух (300 K, 100 kPa) 0,026
Воздух (сухой неподвижный) 0,024-0,031
Аргон 0,0177
Ксенон 0,0057
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример - Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример - фен, греющие вентиляторы).


Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума стремится к нулю. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тепло в вакууме передаётся только излучением. Поэтому для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность хуже излучает и лучше отражает), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

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

Bfba1fa44941c3405eef5968414c2c2b.jpg

где kпостоянная Больцмана, e — заряд электрона.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. д. Инерционность в уравнения переноса первым ввел МаксвеллJ. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49., а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.

C69089065c487dbbe6d9f318ed36c5d0.jpg

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

Примечания

<references />

См. также

Другие способы теплопередачи


Первоначальная версия этой статьи была взята из русской Википедии на условиях лицензии GNU FDL. Авторы: http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Теплопроводность&action=history
Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструменты