Теплопроводность серебра и алюминия

Коэффициент теплопроводности и теплопередачи стали, 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.

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.

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.

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.

Источник: https://obrabotkametalla.info/stal/koefficient-teploprovodnosti-i-teploperedachi-stali

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

Металл	Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
— 100		100	300	700
Алюминий	2,45	2,38	2,30	2,26	0,9
Бериллий	4,1	2,3	1,7	1,25	0,9
Ванадий	—	—	0,31	0,34	—
Висмут	0,11	0,08	0,07	0,11	0,15
Вольфрам	2,05	1,90	1,65	1,45	1,2
Гафний	—	—	0,22	0,21	—
Железо	0,94	0,76	0,69	0,55	0,34
Золото	3,3	3,1	3,1	—	—
Индий	—	0,25	—	—	—
Иридий	1,51	1,48	1,43	—	—
Кадмий	0,96	0,92	0,90	0,95	0,44 (400°)
Калий	—	0,99	—	0,42	0,34
Кальций	—	0,98	—	—	—
Кобальт	—	0,69	—	—	—
Литий	—	0,71	0,73	—	—
Магний	1,6	1,5	1,5	1,45	—
Медь	4,05	3,85	3,82	3,76	3,50
Молибден	1,4	1,43	—	—	1,04 (1000°)
Натрий	1,35	1,35	0,85	0,76	0,60
Никель	0,97	0,91	0,83	0,64	0,66
Ниобий	0,49	0,49	0,51	0,56	—
Олово	0,74	0,64	0,60	0,33	—
Палладий	0,69	0,67	0,74	—	—
Платина	0,68	0,69	0,72	0,76	0,84
Рений	—	0,71	—	—	—
Родий	1,54	1,52	1,47	—	—
Ртуть	0,33	0,09	0.1	0,115	—
Свинец	0,37	0,35	0,335	0,315	0,19
Серебро	4,22	4,18	4,17	3,62	—
Сурьма	0,23	0,18	0,17	0,17	0,21
Таллий	0,41	0,43	0,49	0,25 (400 0)
Тантал	0,54	0,54	—	—	—
Титан	—	—	0,16	0,15	—
Торий	—	0,41	0,39	0,40	0,45
Уран	—	0,24	0,26	0,31	0,40
Хром	—	0,86	0,85	0,80	0,63
Цинк	1,14	1,13	1,09	1,00	0,56
Цирконий	—	0,21	0,20	0,19	—

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.

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.

Источник: https://prompriem.ru/metally/teploprovodnost.html

Коэффициент теплопроводности металлов (Таблица)

Теплопроводность многих металлов следует соотношению k = 2,5·10-8σT, где Т обозначает температуру в °К, а σ — электропроводность в единицах (ом·см)-1. Это соотно­шение, которое лучше всего оправдывается для хороших проводников электричества и при высоких температурах, можно применять и для определения коэффициентов тепло­проводности.

Соотношение kpcp=const, где р обозначает плотность, а ср — удельную теплоем­кость при постоянном давлении, было предложено Стормом для того, чтобы объяснить температурные изменения этих величин для некоторых металлов и сплавов.

Таблица коэффициент теплопроводности металлов

Элементы с металлической электропроводностью (числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе)

Металл	Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
— 100		100	300	700
Алюминий	2,45	2,38	2,30	2,26	0,9
Бериллий	4,1	2,3	1,7	1,25	0,9
Ванадий	—	—	0,31	0,34	—
Висмут	0,11	0,08	0,07	0,11	0,15
Вольфрам	2,05	1,90	1,65	1,45	1,2
Гафний	—	—	0,22	0,21	—
Железо	0,94	0,76	0,69	0,55	0,34
Золото	3,3	3,1	3,1	—	—
Индий	—	0,25	—	—	—
Иридий	1,51	1,48	1,43	—	—
Кадмий	0,96	0,92	0,90	0,95	0,44 (400°)
Калий	—	0,99	—	0,42	0,34
Кальций	—	0,98	—	—	—
Кобальт	—	0,69	—	—	—
Литий	—	0,71	0,73	—	—
Магний	1,6	1,5	1,5	1,45	—
Медь	4,05	3,85	3,82	3,76	3,50
Молибден	1,4	1,43	—	—	1,04 (1000°)
Натрий	1,35	1,35	0,85	0,76	0,60
Никель	0,97	0,91	0,83	0,64	0,66
Ниобий	0,49	0,49	0,51	0,56	—
Олово	0,74	0,64	0,60	0,33	—
Палладий	0,69	0,67	0,74	—	—
Платина	0,68	0,69	0,72	0,76	0,84
Рений	—	0,71	—	—	—
Родий	1,54	1,52	1,47	—	—
Ртуть	0,33	0,09	0.1	0,115	—
Свинец	0,37	0,35	0,335	0,315	0,19
Серебро	4,22	4,18	4,17	3,62	—
Сурьма	0,23	0,18	0,17	0,17	0,21
Таллий	0,41	0,43	0,49	0,25 (400 0)
Тантал	0,54	0,54	—	—	—
Титан	—	—	0,16	0,15	—
Торий	—	0,41	0,39	0,40	0,45
Уран	—	0,24	0,26	0,31	0,40
Хром	—	0,86	0,85	0,80	0,63
Цинк	1,14	1,13	1,09	1,00	0,56
Цирконий	—	0,21	0,20	0,19	—

Таблица коэффициент теплопроводности полупроводники и изоляторы

Вещество	Коэффициент теплопроводности при температура, °С
— 100		100	500	700
Германий	1,05	0,63	—	—	—
Графит	—	0,5—4,0	0,5—3,0	0,4-1,7	0,4-0,9
Йод	—	0,004	—	—	—
Углерод	—	0,016	0,017	0,019	0,023
Селен	—	0,0024	—	—	—
Кремний	—	0,84	—	—	—
Сера	—	0,0029	0,0023	—	—
Теллур	—	0,015	—	—	—

Источник: https://infotables.ru/fizika/49-koeffitsient-teploprovodnosti-veshchestv/351-koeffitsient-teploprovodnosti-metally-i-splavy-tablitsa

У какого металла самая высокая теплопроводность

В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).

Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.

Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях.

Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл.

Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).

Источник:
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

https://www.youtube.com/watch?v=qiAe0dkoOXs

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:

q→=−ϰgrad(T),{displaystyle {vec {q}}=-varkappa ,mathrm {grad} (T),}

где q→{displaystyle {vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{displaystyle varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){displaystyle mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). 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):

P=−ϰSΔTl,{displaystyle P=-varkappa {frac {SDelta T}{l}},}

где P{displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{displaystyle Delta T} — перепад температур граней, l{displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{displaystyle varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{displaystyle sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{displaystyle {frac {varkappa }{sigma }}={frac {pi {2}}{3}}left({frac {k}{e}}right){2}T,}где k{displaystyle k} — постоянная Больцмана; e{displaystyle e} — заряд электрона; T{displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{displaystyle varkappa sim {frac {1}{3}}rho c_{v}lambda {bar {v}},}

где ρ{displaystyle rho } — плотность газа, cv{displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{displaystyle lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{displaystyle {bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ=ik3π3/2d2RTμ,{displaystyle varkappa ={frac {ik}{3pi {3/2}d{2}}}{sqrt {frac {RT}{mu }}},}

где i{displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{displaystyle i=3}), k{displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{displaystyle mu } — молярная масса, T{displaystyle T} — абсолютная температура, d{displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{displaystyle R} — 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): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{displaystyle varkappa sim {frac {1}{3}}rho c_{v}l{bar {v}}propto P}, где l{displaystyle l} — размер сосуда, P{displaystyle P} — 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

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 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, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

Если время релаксации τ{displaystyle tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Графен	4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз	1001—2600
Графит	278,4—2435
Арсенид бора	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
Сталь нержавеющая (аустенитная)	15
Кварц	8
Термопасты высокого качества	5—6
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
Силиконовое масло	0,16
Пенобетон	0,05—0,3
Газобетон	0,1—0,3
Древесина	0,15
Нефтяные масла	0,12
Свежий снег	0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1)	0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4)	0,029—0,032
Стекловата	0,032—0,041
Каменная вата	0,034—0,039
Воздух (300 K, 100 кПа)	0,022
Аэрогель	0,017
Аргон (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
• Тепловое излучение
• Закон Ньютона — Рихмана
• Уравнение диффузии
• Теплоизоляция

Ссылки

• Теплопроводность воды и водяного пара
• Коэффициенты теплопроводности элементов
• Таблица теплопроводности веществ и материалов

Самый теплопроводный металл: общие характеристики

Именно серебро лидирует в этом негласном конкурсе, имея теплопроводность в 408 Ватт на метр помноженный на Кельвин, опережая по этому показателю такие элементы с высоким коэффициентом удельной теплопроводности, как медь (384 Вт/(м*К), золото (312 Вт/(м*К) и алюминий (203 Вт/(м*К).

Будучи обладателем пальмы первенства, самый теплопроводный металл имеет наиболее широкое применение в различных сферах производства, причем, список того, где можно использовать серебро, можно продолжать до чуть ли не до бесконечности.

Примечательно, что благодаря своим уникальным качествам, наиболее теплопроводный металл в мире использовался с самых давних времен, ведь согласно сохранившихся исторических очерков, еще воины древнего Египта широко использовали серебро для максимального ускорения процесса заживления ран и увечий, полученных в жестоких боях.

Так, изготавливая тоненькие пластинки из чистого серебра и прикладывая их к ранам различны типов, они с удивлением отмечали целебные свойства, которыми обладал этот благородный металл.

Нельзя не уделить внимание той огромной роли серебра, которую оно играло для православия, ведь в большинстве русских церквей все сосуды и атрибутику старались изготавливать именно из него и ни для кого не секрет, что посеребренная вода, именуемая святой, способна сохранятся годами в закрытых емкостях, не меняя при этом свой цвет и запах. А все потому, что серебро способно выступать, как своеобразное средство для дезинфекции, применимое не только для воды. Однако, на этом полезные свойства данного металла отнюдь не заканчиваются, ведь помимо высокой теплопроводности, он обладает отличной электропроводностью, а также совершенно не подвержен процессам окисления даже при длительном контакте с влажной средой. Благодаря своим многочисленным уникальным свойствам, серебро широко используется для изготовления мелких комплектующих для различного рода электроприборов, и именно поэтому техника с деталями из этого благородного металла пользуется таким большим спросом.

Рассуждая на тему о сферах применения серебра, невозможно упустить из внимания тот вклад, который продолжает вносить этот металл в ювелирное искусство, ведь оно пользуется не меньшей популярностью, чем золото.

Причем, помимо всевозможных колец, сережек и браслетов, серебро используется для изготовления изысканных столовых приборов и различного рода декоративных элементов, в том числе интерьерных. И речь идет не только о красоте, но и о функциональности.

Кроме того, серебро прекрасно подходит для изготовления целого ряда вспомогательных инструментов и довольно сложно придумать лучший материал, с помощью которого можно будет выполнять чеканку монет и орденов. При этом использовать его можно не только в чистом виде, но и во всевозможных сплавах и соединениях.

Так, определенные химические соединения, в которых принимает непосредственное участие аргентум, активно используются для изготовления зарядных батарей аккумуляторов, которые славятся своей способностью при относительно малом внутреннем сопротивлении генерировать большой ток.

Источник: https://otoplenie-help.ru/u-kakogo-metalla-samaya-vysokaya-teploprovodnost.html