Андрей Смирнов
Время чтения: ~9 мин.
Просмотров: 0

Теплопроводность металлов

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы.  Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность.  При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени.  Направление  изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются  и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

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.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.

Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.

Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться

Температура материала

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.

Таблица теплопроводности материалов на Па-Пен

Пакля 150 0.05 2300
Панели стеновые из гипса DIN 1863 600…900 0.29…0.41
Парафин 870…920 0.27
Паркет дубовый 1800 0.42 1100
Паркет штучный 1150 0.23 880
Паркет щитовой 700 0.17 880
Пемза 400…700 0.11…0.16
Пемзобетон 800…1600 0.19…0.52 840
Пенобетон 300…1250 0.12…0.35 840
Пеногипс 300…600 0.1…0.15
Пенозолобетон 800…1200 0.17…0.29
Пенопласт ПС-1 100 0.037
Пенопласт ПС-4 70 0.04
Пенопласт ПХВ-1 (ТУ 6-05-1179-75) и ПВ-1 (ТУ 6-05-1158-78) 65…125 0.031…0.052 1260
Пенопласт резопен ФРП-1 65…110 0.041…0.043
Пенополистирол (ГОСТ 15588-70) 40 0.038 1340
Пенополистирол (ТУ 6-05-11-78-78) 100…150 0.041…0.05 1340
Пенополистирол «Пеноплекс» 35…43 0.028…0.03 1600
Пенополиуретан (ТУ В-56-70, ТУ 67-98-75, ТУ 67-87-75) 40…80 0.029…0.041 1470
Пенополиуретановые листы 150 0.035…0.04
Пенополиэтилен 0.035…0.05
Пенополиуретановые панели 0.025
Пеносиликальцит 400…1200 0.122…0.32
Пеностекло легкое 100..200 0.045…0.07
Пеностекло или газо-стекло (ТУ 21-БССР-86-73) 200…400 0.07…0.11 840
Пенофол 44…74 0.037…0.039

Таблица теплопроводности материалов на Пер-Пи

Пергамент 0.071
Пергамин (ГОСТ 2697-83) 600 0.17 1680
Перекрытие армокерамическое с бетонным заполнением без штукатурки 1100…1300 0.7 850
Перекрытие из железобетонных элементов со штукатуркой 1550 1.2 860
Перекрытие монолитное плоское железобетонное 2400 1.55 840
Перлит 200 0.05
Перлит вспученный 100 0.06
Перлитобетон 600…1200 0.12…0.29 840
Перлитопласт-бетон (ТУ 480-1-145-74) 100…200 0.035…0.041 1050
Перлитофосфогелевые изделия (ГОСТ 21500-76) 200…300 0.064…0.076 1050
Песок 0% влажности 1500 0.33 800
Песок 10% влажности 0.97
Песок 20% влажности 1.33
Песок для строительных работ (ГОСТ 8736-77) 1600 0.35 840
Песок речной мелкий 1500 0.3…0.35 700…840
Песок речной мелкий (влажный) 1650 1.13 2090
Песчаник обожженный 1900…2700 1.5
Пихта 450…550 0.1…0.26 2700

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.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Цветок на куске аэрогеля над горелкой Бунзена

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Графен 4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
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.

Таблица теплопроводности материалов на Ке…-Ки…

Кедр красный 500…570 0.095
Кембрик лакированный 0.16
Керамзит 800…1000 0.16…0.2 750
Керамзитовый горох 900…1500 0.17…0.32 750
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией 800…1200 0.23…0.41 840
Керамзитобетон легкий 500…1200 0.18…0.46
Керамзитобетон на керамзитовом песке и керамзитопенобетон 500…1800 0.14…0.66 840
Керамзитобетон на перлитовом песке 800…1000 0.22…0.28 840
Керамика 1700…2300 1.5
Керамика теплая 0.12
Кирпич доменный (огнеупорный) 1000…2000 0.5…0.8
Кирпич диатомовый 500 0.8
Кирпич изоляционный 0.14
Кирпич карборундовый 1000…1300 11…18 700
Кирпич красный плотный 1700…2100 0.67 840…880
Кирпич красный пористый 1500 0.44
Кирпич клинкерный 1800…2000 0.8…1.6
Кирпич кремнеземный 0.15
Кирпич облицовочный 1800 0.93 880
Кирпич пустотелый 0.44
Кирпич силикатный 1000…2200 0.5…1.3 750…840
Кирпич силикатный с тех. пустотами 0.7
Кирпич силикатный щелевой 0.4
Кирпич сплошной 0.67
Кирпич строительный 800…1500 0.23…0.3 800
Кирпич трепельный 700…1300 0.27 710
Кирпич шлаковый 1100…1400 0.58

Таблица теплопроводности материалов на М-О

Магнезия в форме сегментов для изоляции труб 220…300 0.073…0.084
Мастика асфальтовая 2000 0.7
Маты, холсты базальтовые 25…80 0.03…0.04
Маты и полосы из стеклянного волокна прошивные (ТУ 21-23-72-75) 150 0.061 840
Маты минераловатные прошивные (ГОСТ 21880-76) и на синтетическом связующем (ГОСТ 9573-82) 50…125 0.048…0.056 840
МБОР-5, МБОР-5Ф, МБОР-С-5, МБОР-С2-5, МБОР-Б-5 (ТУ 5769-003-48588528-00) 100…150 0.038
Мел 1800…2800 0.8…2.2 800…880
Медь (ГОСТ 859-78) 8500 407 420
Миканит 2000…2200 0.21…0.41 250
Мипора 16…20 0.041 1420
Морозин 100…400 0.048…0.084
Мрамор (облицовка) 2800 2.9 880
Накипь котельная (богатая известью, при 100°С) 1000…2500 0.15…2.3
Накипь котельная (богатая силикатом, при 100°С) 300…1200 0.08…0.23
Настил палубный 630 0.21 1100
Найлон 0.53
Нейлон 1300 0.17…0.24 1600
Неопрен 0.21 1700
Опилки древесные 200…400 0.07…0.093
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации