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 kpc_p=const, где р обозначает плотность, а с_р — 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)

Таблица коэффициент теплопроводности полупроводники и изоляторы

что это такое + таблица значений

Строительное дело предусматривает использование любых подходящих материалов. Главные критерии – безопасность для жизни и здоровья, тепловая проводимость, надёжность. Далее следуют, цена, свойства эстетичности, универсальность применения и т.д.

Рассмотрим одну из важнейших характеристик стройматериалов — коэффициент теплопроводности, так как именно от этого свойства во многом зависит, к примеру, уровень комфорта в доме.

Содержание статьи:

• Что такое КТП строительного материала?
  • Влияние факторов на уровень теплопроводности
  • Стройматериалы с минимальным КТП
  • Влияние влаги на теплопроводность стройматериала
  • Методы определения коэффициента
• Таблица теплопроводности стройматериалов
• Выводы и полезное видео по теме

Что такое КТП строительного материала?

Теоретически, да и практически тоже, строительными материалами, как правило, создаются две поверхности – наружная и внутренняя. С точки зрения физики, теплая область всегда стремится к холодной области.

Применительно к стройматериалу, тепло будет стремиться от одной поверхности (более теплой) к другой поверхности (менее теплой). Вот, собственно, способность материала относительно такого перехода и называется – коэффициентом теплопроводности или в аббревиатуре — КТП.

Схема, поясняющая эффект теплопроводности: 1 – тепловая энергия; 2 – коэффициент теплопроводности; 3 – температура первой поверхности; 4 – температура второй поверхности; 5 – толщина стройматериала

Характеристика КТП обычно строится на основе испытаний, когда берётся экспериментальный экземпляр размерами 100х100 см и к нему применяется тепловое воздействие с учётом разницы температур двух поверхностей в 1 градус. Время воздействия 1 час.

Соответственно, измеряется теплопроводность в Ваттах на метр на градус (Вт/м°C). Коэффициент обозначается греческим символом λ.

По умолчанию, теплопроводность различных материалов для строительства со значением меньше 0,175 Вт/м°C, приравнивает эти материалы к разряду изоляционных.

Современным производством освоены технологии изготовления стройматериалов, уровень КТП которых составляет меньше 0,05 Вт/м°C. Благодаря таким изделиям, удается достичь выраженного экономического эффекта в плане потребления энергетических ресурсов.

Влияние факторов на уровень теплопроводности

Каждый отдельно взятый стройматериал имеет определенное строение и обладает своеобразным физическим состоянием.

Основой этого являются:

• размерность кристаллов структуры;
• фазовое состояние вещества;
• степень кристаллизации;
• анизотропия теплопроводности кристаллов;
• объем пористости и структуры;
• направление теплового потока.

Все это – факторы влияния. Определенное влияние на уровень КТП также оказывает химический состав и примеси. Количество примесей, как показала практика, оказывает особенно выразительное влияние на уровень теплопроводности кристаллических компонентов.

Изоляционные стройматериалы – класс продуктов под строительство, созданных с учётом свойств КТП, приближенных к оптимальным свойствам. Однако достичь идеальной теплопроводности при сохранении других качеств, крайне сложно

В свою очередь влияние на КТП оказывают условия эксплуатации стройматериала — температура, давление, уровень влажности и др.

Стройматериалы с минимальным КТП

Согласно исследованиям, минимальным значением теплопроводности (около 0,023 Вт/м°C) обладает сухой воздух.

С точки зрения применения сухого воздуха в структуре строительного материала, необходима конструкция, где сухой воздух пребывает внутри замкнутых многочисленных пространств небольшого объёма. Конструктивно такая конфигурация представлена в образе многочисленных пор внутри структуры.

Отсюда логичный вывод: малым уровнем КТП должен обладать стройматериал, внутренняя структура которого представляет собой пористое образование.

Причём, в зависимости от максимально допустимой пористости материала, значение теплопроводности приближается к значению КТП сухого воздуха.

Созданию строительного материала с минимальной теплопроводностью способствует пористая структура. Чем больше содержится пор разного объема в структуре материала, тем лучший КТП допустимо получить

В современном производстве применяются несколько технологий для получения пористости строительного материала.

В частности, используются технологии:

• пенообразования;
• газообразования;
• водозатворения;
• вспучивания;
• внедрения добавок;
• создания волоконных каркасов.

Следует отметить: коэффициент теплопроводности напрямую связан с такими свойствами, как плотность, теплоемкость, температурная проводимость.

Значение теплопроводности может быть рассчитано по формуле:

λ = Q / S *(T₁-T₂)*t,

Где:

• Q – количество тепла;
• S – толщина материала;
• T₁, T₂ – температура с двух сторон материала;
• t — время.

Средняя величина плотности и теплопроводности обратно пропорциональна величине пористости. Поэтому, исходя из плотности структуры стройматериала, зависимость от нее теплопроводности можно рассчитать так:

λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d² – 0,16,

Где: d – значение плотности. Это формула В.П. Некрасова, демонстрирующая влияние плотности конкретного материала на значение его КТП.

Влияние влаги на теплопроводность стройматериала

Опять же судя по примерам использования стройматериалов на практике, выясняется негативное влияние влаги на КТП стройматериала. Замечено – чем большему увлажнению подвергается стройматериал, тем более высоким становится значение КТП.

Различными способами стремятся защитить от воздействия влаги материал, используемый в строительстве. Эта мера вполне оправдана, учитывая повышение коэффициента для мокрого стройматериала

Обосновать такой момент несложно. Воздействие влаги на структуру строительного материала сопровождается увлажнением воздуха в порах и частичным замещением воздушной среды.

Учитывая, что параметр коэффициента теплопроводности для воды составляет 0,58 Вт/м°C, становится понятным существенное повышение КТП материала.

Следует также отметить более негативный эффект, когда вода, попадающая в пористую структуру, дополнительно замораживается – превращается в лёд.

Соответственно, несложно просчитать ещё большее увеличение теплопроводности, принимая во внимание параметры КТП льда, равного значению 2,3 Вт/м°C. Прирост примерно в четыре раза к параметру теплопроводности воды.

Одной из причин отказа от зимнего строительства в пользу стройки летом следует считать именно фактор возможного подмораживания некоторых видов стройматериалов и как следствие – повышения теплопроводности

Отсюда становятся очевидными строительные требования относительно защиты изоляционных стройматериалов от попадания влаги. Ведь уровень теплопроводности растёт в прямой пропорциональности от количественной влажности.

Не менее значимым видится и другой момент – обратный, когда структура строительного материала подвергается существенному нагреву. Чрезмерно высокая температура также провоцирует рост теплопроводности.

Происходит такое по причине повышения кинематической энергии молекул, составляющих структурную основу стройматериала.

Правда, существует класс материалов, структура которых, напротив, приобретает лучшие свойства теплопроводности в режиме сильного нагрева. Одним из таких материалов является металл.

Если под сильным нагревом большая часть широко распространенных стройматериалов изменяет теплопроводность в сторону увеличения, сильный нагрев металла приводит к обратному эффекту — КТП металла понижается

Методы определения коэффициента

Используются разные методики в этом направлении, но по факту все технологии измерения объединены двумя группами методов:

1. Режим стационарных измерений.
2. Режим нестационарных измерений.

Стационарная методика подразумевает работу с параметрами, неизменными с течением времени или изменяющимися в незначительной степени. Эта технология, судя по практическим применениям, позволяет рассчитывать на более точные результаты КТП.

Действия, направленные на измерения теплопроводности, стационарный способ допускает проводить в широком температурном диапазоне — 20 – 700 °C. Но вместе с тем, стационарная технология считается трудоёмкой и сложной методикой, требующей большого количества времени на исполнение.

Пример аппарата, предназначенного под выполнение измерений коэффициента теплопроводности. Это одна из современных цифровых конструкций, обеспечивающая получение быстрого и точного результата

Другая технология измерений – нестационарная, видится более упрощенной, требующей для исполнения работ от 10 до 30 минут. Однако в этом случае существенно ограничен диапазон температур. Тем не менее, методика нашла широкое применение в условиях производственного сектора.

Таблица теплопроводности стройматериалов

Подвергать измерениям многие существующие и широко используемые стройматериалы не имеет смысла.

Все эти продукты, как правило, испытаны неоднократно, на основании чего составлена таблица теплопроводности строительных материалов, куда входят практически все нужные на стройке материалы.

Один из вариантов такой таблицы представлен ниже, где КТП — коэффициент теплопроводности:

Материал (стройматериал)	Плотность, м3	КТП сухая, Вт/мºC	% влажн. _1			% влажн._2	КТП при влажн._1, Вт/мºC		КТП при влажн._2, Вт/мºC
Битум кровельный	1400	0,27	0			0	0,27		0,27
Битум кровельный	1000	0,17	0			0	0,17		0,17
Шифер кровельный	1800	0,35	2			3	0,47		0,52
Шифер кровельный	1600	0,23	2			3	0,35		0,41
Битум кровельный	1200	0,22	0			0	0,22		0,22
Лист асбоцементный	1800	0,35	2			3	0,47		0,52
Лист асбестоцементный	1600	0,23	2			3	0,35		0,41
Асфальтобетон	2100	1,05	0			0	1,05		1,05
Толь строительная	600	0,17	0			0	0,17		0,17
Бетон (на гравийной подушке)	1600	0,46	4			6	0,46		0,55
Бетон (на шлаковой подушке)	1800	0,46	4			6	0,56		0,67
Бетон (на щебенке)	2400	1,51	2			3	1,74		1,86
Бетон (на песчаной подушке)	1000	0,28	9			13	0,35		0,41
Бетон (пористая структура)	1000	0,29	10			15	0,41		0,47
Бетон (сплошная структура)	2500	1,89	2			3	1,92		2,04
Пемзобетон	1600	0,52	4			6	0,62		0,68
Битум строительный	1400	0,27	0			0	0,27		0,27
Битум строительный	1200	0,22	0			0	0,22		0,22
Минеральная вата облегченная	50	0,048	2			5	0,052		0,06
Минеральная вата тяжелая	125	0,056	2			5	0,064		0,07
Минеральная вата	75	0,052	2			5	0,06		0,064
Лист вермикулитовый	200	0,065	1			3	0,08		0,095
Лист вермикулитовый	150	0,060	1			3	0,074		0,098
Газо-пено-золо бетон	800	0,17	15			22	0,35		0,41
Газо-пено-золо бетон	1000	0,23	15			22	0,44		0,50
Газо-пено-золо бетон	1200	0,29	15			22	0,52		0,58
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	300	0,08	8			12	0,11		0,13
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	400	0,11	8			12	0,14		0,15
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	600	0,14	8			12	0,22		0,26
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	800	0,21	10			15	0,33		0,37
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	1000	0,29	10			15	0,41		0,47
Строительный гипс плита	1200	0,35	4			6	0,41		0,46
Гравий керамзитовый	600	2,14	2			3	0,21		0,23
Гравий керамзитовый	800	0,18	2			3	0,21		0,23
Гранит (базальт)	2800	3,49	0			0	3,49		3,49
Гравий керамзитовый	400	0,12	2			3	0,13		0,14
Гравий керамзитовый	300	0,108	2			3	0,12		0,13
Гравий керамзитовый	200	0,099	2			3	0,11		0,12
Гравий шунгизитовый	800	0,16	2			4	0,20		0,23
Гравий шунгизитовый	600	0,13	2			4	0,16		0,20
Гравий шунгизитовый	400	0,11	2			4	0,13		0,14
Дерево сосна поперечные волокна	500	0,09	15			20	0,14		0,18
Фанера клееная	600	0,12	10			13	0,15		0,18
Дерево сосна вдоль волокон	500	0,18	15			20	0,29		0,35
Дерево дуба поперек волокон	700	0,23	10			15	0,18		0,23
Металл дюралюминий	2600	221	0			0	221		221
Железобетон	2500	1,69	2			3	1,92		2,04
Туфобетон	1600	0,52	7			10	0,7		0,81
Известняк	2000	0,93	2			3	1,16		1,28
Раствор извести с песком	1700	0,52	2			4	0,70		0,87
Песок под строительные работы	1600	0,035	1			2	0,47		0,58
Туфобетон	1800	0,64	7			10	0,87		0,99
Облицовочный картон	1000	0,18	5			10	0,21		0,23
Многослойный строительный картон	650	0,13	6			12	0,15		0,18
Вспененный каучук	60-95	0,034	5			15	0,04		0,054
Керамзитобетон	1400	0,47	5			10	0,56		0,65
Керамзитобетон	1600	0,58	5			10	0,67		0,78
Керамзитобетон	1800	0,86	5			10	0,80		0,92
Кирпич (пустотный)	1400	0,41	1			2	0,52		0,58
Кирпич (керамический)	1600	0,47	1			2	0,58		0,64
Пакля строительная	150	0,05	7			12	0,06		0,07
Кирпич (силикатный)	1500	0,64	2			4	0,7		0,81
Кирпич (сплошной)	1800	0,88	1			2	0,7		0,81
Кирпич (шлаковый)	1700	0,52	1,5			3	0,64		0,76
Кирпич (глиняный)	1600	0,47	2			4	0,58		0,7
Кирпич (трепельный)	1200	0,35	2			4	0,47		0,52
Металл медь	8500	407	0			0	407		407
Сухая штукатурка (лист)	1050	0,15	4			6	0,34		0,36
Плиты минеральной ваты	350	0,091	2			5	0,09		0,11
Плиты минеральной ваты	300	0,070	2			5	0,087		0,09
Плиты минеральной ваты	200	0,070	2			5	0,076		0,08
Плиты минеральной ваты	100	0,056	2			5	0,06		0,07
Линолеум ПВХ	1800	0,38	0			0	0,38		0,38
Пенобетон	1000	0,29	8			12	0,38		0,43
Пенобетон	800	0,21	8			12	0,33		0,37
Пенобетон	600	0,14	8			12	0,22		0,26
Пенобетон	400	0,11	6			12	0,14		0,15
Пенобетон на известняке	1000	0,31	12			18	0,48		0,55
Пенобетон на цементе	1200	0,37	15			22	0,60		0,66
Пенополистирол (ПСБ-С25)	15 — 25	0,029 – 0,033	2			10	0,035 – 0,052		0,040 – 0,059
Пенополистирол (ПСБ-С35)	25 — 35	0,036 – 0,041	2			20	0,034		0,039
Лист пенополиуретановый	80	0,041	2			5	0,05		0,05
Панель пенополиуретановая	60	0,035	2			5	0,41		0,41
Облегченное пеностекло	200	0,07	1			2	0,08		0,09
Утяжеленное пеностекло	400	0,11	1			2	0,12		0,14
Пергамин	600	0,17	0			0	0,17		0,17
Перлит	400	0,111	1			2	0,12		0,13
Плита перлитоцементная	200	0,041	2			3	0,052		0,06
Мрамор	2800	2,91	0			0	2,91		2,91
Туф	2000	0,76	3			5	0,93		1,05
Бетон на зольном гравии	1400	0,47	5			8	0,52		0,58
Плита ДВП (ДСП)	200	0,06	10			12	0,07		0,08
Плита ДВП (ДСП)	400	0,08	10			12	0,11		0,13
Плита ДВП (ДСП)	600	0,11	10			12	0,13		0,16
Плита ДВП (ДСП)	800	0,13	10			12	0,19		0,23
Плита ДВП (ДСП)	1000	0,15	10			12	0,23		0,29
Полистиролбетон на портландцементе	600	0,14	4			8	0,17		0,20
Вермикулитобетон	800	0,21	8			13	0,23		0,26
Вермикулитобетон	600	0,14	8			13	0,16		0,17
Вермикулитобетон	400	0,09	8			13	0,11		0,13
Вермикулитобетон	300	0,08	8			13	0,09		0,11
Рубероид	600	0,17	0			0	0,17		0,17
Плита фибролит	800	0,16	10			15	0,24		0,30
Металл сталь	7850	58	0			0	58		58
Стекло	2500	0,76	0			0	0,76		0,76
Стекловата	50	0,048	2			5	0,052		0,06
Стекловолокно	50	0,056	2			5	0,06		0,064
Плита фибролит	600	0,12	10			15	0,18		0,23
Плита фибролит	400	0,08	10			15	0,13		0,16
Плита фибролит	300	0,07	10			15	0,09		0,14
Клееная фанера	600	0,12	10			13	0,15		0,18
Плита камышитовая	300	0,07	10			15	0,09		0,14
Раствор цементо-песчаный	1800	0,58	2			4	0,76		0,93
Металл чугун	7200	50	0			0	50		50
Раствор цементно-шлаковый	1400	0,41	2			4	0,52		0,64
Раствор сложного песка	1700	0,52	2			4	0,70		0,87
Сухая штукатурка	800	0,15	4			6	0,19		0,21
Плита камышитовая	200	0,06	10			15	0,07		0,09
Цементная штукатурка	1050	0,15	4			6	0,34		0,36
Плита торфяная	300	0,064	15			20	0,07		0,08
Плита торфяная	200	0,052	15			20	0,06		0,064

Рекомендуем также прочесть и другие наши статьи, где мы рассказываем о том как правильно выбирать утеплитель:

Выводы и полезное видео по теме

Видеоролик тематически направленный, где достаточно подробно разъясняется – что такое КТП и «с чем его едят». Ознакомившись с материалом, представленным в ролике, появляются высокие шансы стать профессиональным строителем.

Очевидный момент – потенциальному строителю обязательно необходимо знать о теплопроводности и ее зависимости от различных факторов. Эти знания помогут строить не просто качественно, но с высокой степенью надежности и долговечности объекта. Использование коэффициента по существу – это реальная экономия денег, допустим, на оплате за те же коммунальные услуги.

Если у вас появились вопросы или есть ценная информация  по теме статьи, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

14.5 Проведение – физика колледжа 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Расчет теплопроводности.
• Наблюдайте за теплопроводностью при столкновениях.
• Исследование теплопроводности обычных веществ.

Рисунок
14.13

Изоляция используется для ограничения передачи тепла изнутри наружу (зимой) и снаружи внутрь (летом). (кредит: Джайлз Дуглас)

Ваши ноги мерзнут, когда вы идете босиком по ковру в гостиной в своем холодном доме, а затем ступаете на плиточный пол в кухне. Этот результат интригует, поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру. Различные ощущения объясняются разной скоростью теплопередачи: потеря тепла за один и тот же промежуток времени больше для кожи, соприкасающейся с плиткой, чем с ковром, поэтому перепад температуры на плитке больше.

Некоторые материалы проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В общем, хорошие проводники электричества (такие металлы, как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, тогда как изоляторы электричества (дерево, пластик и резина) плохо проводят тепло. На рис. 14.14 показаны молекулы в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия молекулы в горячем теле выше, чем в более холодном. При столкновении двух молекул происходит передача энергии от молекулы с большей кинетической энергией к молекуле с меньшей кинетической энергией. Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур ΔΤ=Τгоряч-Tхолод ΔΤ=Τгоряч-Tхолод. Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды. И наоборот, если температуры одинаковы, чистая скорость теплопередачи падает до нуля и достигается равновесие. В связи с тем, что число соударений увеличивается с увеличением площади, теплопроводность зависит от площади поперечного сечения. Если вы коснетесь холодной стены ладонью, ваша рука остынет быстрее, чем если вы просто коснетесь ее кончиком пальца.

Рисунок
14.14

Молекулы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этом рисунке молекула в области более низких температур (справа) имеет низкую энергию до столкновения, но ее энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, молекула в области более высоких температур (левая сторона) имеет высокую энергию перед столкновением, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Третьим фактором механизма теплопроводности является толщина материала, через который передается тепло. На рисунке ниже показана плита материала с разными температурами с обеих сторон. Предположим, что T2T2 больше, чем T1T1, так что тепло передается слева направо. Перенос тепла с левой стороны на правую осуществляется за счет серии столкновений молекул. Чем толще материал, тем больше времени требуется для передачи того же количества тепла. Эта модель объясняет, почему толстая одежда теплее зимой, чем тонкая, и почему арктические млекопитающие защищаются толстым жиром.

Рисунок
14.15

Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой, будь то оконное стекло или жир моржа. Температура материала T2T2 слева и T1T1 справа, где T2T2 больше, чем T1T1. Скорость теплопереноса теплопроводностью прямо пропорциональна площади поверхности AA, разнице температур T2-T1T2-T1 и проводимости вещества kk. Скорость теплообмена обратно пропорциональна толщине dd.

Наконец, скорость теплопередачи зависит от свойств материала, описываемых коэффициентом теплопроводности. Все четыре фактора включены в простое уравнение, которое было выведено и подтверждено экспериментами. Скорость кондуктивной теплопередачи через пластину материала, такую ​​как на рис. 14.15, определяется как

Qt=kA(T2-T1)d, Qt=kA(T2-T1)d,

14,26

где Q/tQ/t — скорость теплопередачи в ваттах или килокалориях в секунду, kk — теплопроводность материала, AA и dd — его площадь поверхности и толщина, как показано на рис. 14.15, и (T2−T1) (T2−T1) — разность температур поперек плиты. В таблице 14.3 приведены репрезентативные значения теплопроводности.

Пример
14,5

Расчет теплопередачи за счет теплопроводности: скорость теплопроводности через коробку для льда

Коробка для льда из пенополистирола имеет общую площадь 0,950 м20,950 м2 и среднюю толщину стенок 2,50 см. В коробке находится лед, вода и напитки в банках при температуре 0ºC0ºC. Внутренняя часть коробки остается холодной за счет таяния льда. Сколько льда растает за сутки, если ящик со льдом хранить в багажнике автомобиля при температуре 35,0ºC35,0ºC?

Стратегия

Этот вопрос касается как тепла для фазового перехода (таяние льда), так и переноса тепла путем теплопроводности. Чтобы найти количество растаявшего льда, мы должны найти чистое переданное тепло. Это значение можно получить, рассчитав скорость теплопередачи теплопроводностью и умножив на время.

Решение

1. Определите известное. A=0,950 м2;d=2,50 см=0,0250 м;T1=0°C;T2=35,0°C,t=1 день=24 часа=86 400 с.A=0,950 м2;d=2,50 см=0,0250 м;T1=0°C;T2 =35,0ºC,t=1 день=24 часа=86 400 с.

   14,27

2. Определите неизвестные. Нам нужно найти массу льда, мм. Нам также нужно будет найти чистую теплоту, переданную для таяния льда, QQ.
3. Определите, какие уравнения использовать. Скорость теплопередачи за счет проводимости определяется выражением
   Qt=kA(T2−T1)d.Qt=kA(T2−T1)d.

   14,28

4. Тепло используется для таяния льда: Q=mLf.Q=mLf.
5. Вставьте известные значения:
   Qt=0,010 Дж/с⋅м⋅ºC0,950 м235,0ºC−0ºC0,0250 m=13,3 Дж/с.Qt=0,010 Дж/с⋅м⋅ºC0,950 м235,0ºC−0ºC0,0250 m=13,3 Дж /с.

   14,29

6. Умножьте скорость теплопередачи на время (1 день = 86 400 с1 день = 86 400 с):
   Q=Q/tt=13,3 Дж/с86 400 с=1,15×106 Дж. Q=Q/tt=13,3 Дж/с86 400 с=1,15×106 Дж.

   14.30

7. Установите это значение равным теплу, переданному для таяния льда: Q=mLfQ=mLf. Решите для массы мм:
   м=QLf=1,15×106 Дж334×103 Дж/кг=3,44 кг.м=QLf=1,15×106 Дж334×103 Дж/кг=3,44 кг.

   14.31

Обсуждение

Результат 3,44 кг или около 7,6 фунтов кажется правильным, исходя из опыта. Вы можете рассчитывать на то, что будете использовать около 4 кг (7–10 фунтов) мешка со льдом в день. Если вы добавляете какие-либо теплые блюда или напитки, требуется немного дополнительного льда.

Проверка электропроводности в таблице 14.3 показывает, что пенополистирол является очень плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором. Другие хорошие изоляторы включают стекловолокно, шерсть и гусиный пух. Как и пенополистирол, все они включают в себя множество небольших воздушных карманов, использующих плохую теплопроводность воздуха.

Стол
14. 3

Теплопроводность обычных веществ ⁷

Для создания хороших изоляторов часто используют комбинацию материала и толщины — чем меньше проводимость kk и больше толщина dd, тем лучше. Отношение d/kd/k, таким образом, будет большим для хорошего изолятора. Отношение d/kd/k называется коэффициентом RR. Скорость кондуктивной теплопередачи обратно пропорциональна RR. Чем больше значение RR, тем лучше изоляция. Коэффициенты RR чаще всего указываются для бытовой изоляции, холодильников и т.п., к сожалению, они по-прежнему выражены в неметрических единицах фут ² ·°F·ч/БТЕ, хотя единица измерения обычно не указывается (1 британская тепловая единица [БТЕ] — это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1,0 фунта воды на 1,0 °F). Несколько репрезентативных значений представляют собой коэффициент RR, равный 11, для войлоков из стекловолокна толщиной 3,5 дюйма (кусков) изоляции, и коэффициент RR, равный 19, для войлоков из стекловолокна толщиной 6,5 дюймов. Стены обычно утепляются 3,5-дюймовыми плитами, а потолки обычно изолируются 6,5-дюймовыми плитами. В холодном климате для потолков и стен можно использовать более толстые войлочные панели.

Рисунок
14.16

Стекловолокно используется для изоляции стен и потолков, чтобы предотвратить передачу тепла между внутренней частью здания и внешней средой.

Обратите внимание, что в таблице 14.3 лучшие теплопроводники — серебро, медь, золото и алюминий — также являются лучшими проводниками электричества, опять же в зависимости от плотности свободных электронов в них. Кухонная утварь обычно изготавливается из хороших проводников.

Пример
14,6

Расчет разницы температур, поддерживаемой теплопередачей: теплопроводность через алюминиевый поддон

Вода кипит в алюминиевой кастрюле, поставленной на электрический элемент на плите. Сотейник имеет дно толщиной 0,800 см и диаметром 14,0 см. Кипящая вода испаряется со скоростью 1,00 г/с. Какова разница температур поперек (сквозь) дна кастрюли?

Стратегия

Теплопроводность через алюминий является здесь основным методом теплопередачи, поэтому мы используем уравнение для скорости теплопередачи и находим разность температур _.

T2-T1=QtdkA.T2-T1=QtdkA.

14,32

Решение

1. Найдите известные числа и переведите их в единицы СИ.

   Толщина поддона, d=0,800 см=8,0×10-3 м, d=0,800 см=8,0×10-3 м, площадь поддона, A=π(0,14/2)2 м2=1,54× 10−2 м2A=π(0,14/2)2 м2=1,54×10−2 м2, а теплопроводность k=220 Дж/с⋅м⋅°C.k=220 Дж/с⋅м⋅°C.

2. Рассчитайте необходимую теплоту парообразования 1 г воды:
   Q=mLv=1,00×10-3 кг2256×103 Дж/кг=2256 Дж. Q=mLv=1,00×10-3 кг2256×103 Дж/кг=2256 Дж.

   14.33

3. Рассчитайте скорость теплопередачи, учитывая, что 1 г воды тает за одну секунду:
   Q/t=2256 Дж/с или 2,26 кВт. Q/t=2256 Дж/с или 2,26 кВт.

   14,34

4. Подставьте известные значения в уравнение и найдите разницу температур:
   . 3м220 Дж/с⋅м⋅ºC1,54×10−2 м2=5,33ºC.

   14,35

Обсуждение

Значение теплопередачи Q/t = 2,26 кВт или 2256 Дж/с Q/t = 2,26 кВт или 2256 Дж/с типично для электроплиты. Это значение дает удивительно малую разницу температур между плитой и кастрюлей. Учтите, что горелка плиты раскалена докрасна, а температура внутри кастрюли почти 100ºC100ºC из-за ее контакта с кипящей водой. Этот контакт эффективно охлаждает дно кастрюли, несмотря на его близость к очень горячей горелке плиты. Алюминий является настолько хорошим проводником, что достаточно этой небольшой разницы температур для передачи тепла в кастрюле мощностью 2,26 кВт.

Проводимость вызвана беспорядочным движением атомов и молекул. Таким образом, это неэффективный механизм переноса тепла на макроскопические расстояния и короткие временные расстояния. Возьмем, к примеру, температуру на Земле, которая была бы невыносимо холодной ночью и очень жаркой днем, если бы перенос тепла в атмосфере осуществлялся только за счет теплопроводности. В другом примере автомобильные двигатели перегревались бы, если бы не было более эффективного способа отвода избыточного тепла от поршней.

Проверьте свое понимание

Как изменится скорость теплопередачи за счет теплопроводности, если все пространственные измерения удвоятся?

Решение

Поскольку площадь является произведением двух пространственных измерений, она увеличивается в четыре раза при удвоении каждого измерения Afinal=(2d)2=4d2=4AinitialAfinal=(2d)2=4d2=4Ainitial. Расстояние, однако, просто удваивается. Поскольку разность температур и коэффициент теплопроводности не зависят от пространственных размеров, скорость теплопередачи за счет теплопроводности увеличивается в четыре раза, деленное на два, или в два раза:

Qtfinal=kAfinalT2-T1dfinal=k4AinitialT2-T12dinitial=2kAinitialT2-T1dinitial=2Qintial.

14.36

Тепловые свойства строительных материалов

Предыдущие столбцы технических данных охватывают тепловые свойства многих материалов, которые являются общими для упаковки электроники. Технические данные для этого выпуска шире по объему и касаются обычных строительных материалов, некоторые из которых используются в лабораторных условиях теплопередачи, в дополнение к их обычным строительным применениям. Знание теплопроводности и теплоемкости предметов, используемых для создания или поддержки испытательного набора, часто требуется для понимания и интерпретации результатов (или, по крайней мере, для понимания того, почему для достижения теплового равновесия требуется так много времени).

В таблице 1 перечислены некоторые строительные материалы и их тепловые свойства при номинальной комнатной температуре. Металлы и сплавы не были включены, поскольку они рассматривались ранее. Следует отметить, что эти значения приблизительны и относятся к конкретному типу материала. Некоторые материалы поглощают воду, что, в свою очередь, меняет их свойства. Например, теплопроводность древесины может увеличиться на 15% во влажном состоянии. Материалы, используемые в качестве изоляторов, зависящих от воздуха, таких как одеяла из стекловолокна, проявляют большее изменение свойств во влажном состоянии. Стоит отметить, что диапазон теплопроводностей у этих материалов довольно скромный (около двух порядков).

Таблица 1. Тепловые свойства конструкционных материалов при комнатной температуре [1-4]

Увеличение затрат на энергию и новое осознание того, что сведение к минимуму нежелательной теплопередачи полезно, продолжают стимулировать использование строительных методов и материалов с низким энергопотреблением. Преимущества эффективного управления температурой внутренней электроники также должны сочетаться с теплоэффективной конструкцией помещения. Использование изолирующих материалов (с низкой теплопроводностью) может быть желательным, но природа не предоставила настоящие теплоизоляционные материалы, по крайней мере, по сравнению с диапазоном выбора материалов для электропроводности. Исследование термических свойств этих типов материалов приведет к значительным отклонениям данных из-за различий в составе и различных условий испытаний.

Для многих материалов данные могут быть найдены с точки зрения значения R. Значение R представляет собой обратную величину теплопроводности и измеряется в футах ² мкФ·ч/БТЕ (иногда данные показаны в единицах СИ K·м ² /Вт и обычно обозначаются как RSI). Большее значение R указывает на более ограниченный путь теплового потока. При условии, что указана толщина, можно получить приблизительную теплопроводность. Однако путаница и разногласия по поводу экстраполяции значений R на значение толщины, а также тот факт, что большинство этих материалов используются в средах с влагой и движущимся воздухом и подвержены старению, навязывают стандарты в отношении того, как их следует измерять, сообщать и рекламировать.