Таблица теплопроводности материалов и утеплителей по толщине: Теплопроводность утеплителей таблица

Таблица теплопроводности материалов и утеплителей по толщине: Теплопроводность утеплителей таблица

Толщина утеплителя, сравнение теплопроводности материалов ГК ВЕРИ

Необходимость использования Систем утепления WDVS вызвана высокой экономической эффективностью.

Вслед за странами Европы, в Российской Федерации приняли новые нормы теплового сопротивления ограждающих и несущих конструкций, направленные на снижение эксплуатационных расходов и энергосбережение.

С выходом СНиП II-3-79*, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» прежние нормы теплового сопротивления устарели. Новыми нормами предусмотрено резкое возрастание требуемого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.
Теперь прежде использовавшиеся подходы в строительстве не соответствуют новым нормативным документам, необходимо менять принципы проектирования и строительства, внедрять современные технологии.

Как показали расчёты, однослойные конструкции экономически не отвечают принятым новым нормам строительной теплотехники. К примеру, в случае использования высокой несущей способности железобетона или кирпичной кладки, для того, чтобы этим же материалом выдержать нормы теплового сопротивления, толщину стен необходимо увеличить соответственно до 6 и 2,3 метров, что противоречит здравому смыслу. Если же использовать материалы с лучшими показателями по тепловому сопротивлению, то их несущая способность сильно ограничена, к примеру, как у газобетона и керамзитобетона, а пенополистирол и минвата, эффективные утеплители, вообще не являются конструкционными материалами.

На данный момент нет абсолютного строительного материала, у которого бы была высокая несущая способность в сочетании с высоким коэффициентом теплового сопротивления.

Чтобы отвечать всем нормам строительства и энергосбережения необходимо здание строить по принципу многослойных конструкций, где одна часть будет выполнять несущую функцию, вторая — тепловую защиту здания. В таком случае толщина стен остаётся разумной, соблюдается нормированное тепловое сопротивление стен.

Системы WDVS по своим теплотехническим показателям являются самыми оптимальными из всех представленных на рынке фасадных систем.
Таблица необходимой толщины утеплителя для выполнения требований действующих норм по тепловому сопротивлению:

Таблица, где:

1 — географическая точка
2 — средняя температура отопительного периода
3 — продолжительность отопительного периода в сутках
4 — градусо-сутки отопительного периода Dd, °С * сут
5 — нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq, м2*°С/Вт стен
6 — требуемая толщина утеплителя

Условия выполнения расчётов для таблицы:

1. Расчёт основывается на требованиях СНиП 23-02-2003
2. За пример расчёта взята группа зданий 1 — Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты, гостиницы и общежития.
3. За несущую стену в таблице принимается кирпичная кладка толщиной 510 мм из глиняного обыкновенного кирпича на цементно-песчаном растворе l = 0,76 Вт/(м * °С)
4. Коэффициент теплопроводности берётся для зон А.
5. Расчётная температура внутреннего воздуха помещения + 21 °С «жилая комната в холодный период года» (ГОСТ 30494-96)
6. Rreq рассчитано по формуле Rreq=aDd+b для данного географического места
7. Расчёт:

Формула расчёта общего сопротивления теплопередаче многослойных ограждений:

R0= Rв + Rв.п + Rн.к + Rо.к + Rн
Rв — сопротивление теплообмену у внутренней поверхности конструкции
Rн — сопротивление теплообмену у наружной поверхности конструкции
Rв.п — сопротивление теплопроводности воздушной прослойки (20 мм)
Rн.к — сопротивление теплопроводности несущей конструкции
Rо. к — сопротивление теплопроводности ограждающей конструкции
R = d/l
d — толщина однородного материала в м,
l — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м * °С)
R0 = 0,115 + 0,02/7,3 + 0,51/0,76 + dу/l + 0,043 = 0,832 + dу/l
dу — толщина теплоизоляции
R0 = Rreq

Формула расчёта толщины утеплителя для данных условий:
dу = l * ( Rreq — 0,832 )

а) — за среднюю толщину воздушной прослойки между стеной и теплоизоляцией принято 20 мм
б) — коэффициент теплопроводности пенополистирола ПСБ-С-25Ф l = 0,039 Вт/(м * °С) на основании протокола испытаний*
в) — коэффициент теплопроводности фасадной минваты l = 0,041 Вт/(м * °С) на основании протокола испытаний*

* — в таблице даны усреднённые показатели необходимой толщины этих двух типов утеплителя.

Примерный расчёт толщины стен из однородного материала для выполнения требований СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
* для сравнительного анализа используются данные климатической зоны г. Москвы и Московской области.

Условия выполнения расчётов для таблицы:

1. Нормируемое значение сопротивления теплопередаче Rreq = 3,14
2. Толщина однородного материала d= Rreq * l

Таким образом, из таблицы видно, что для того, чтобы построить здание из однородного материала, отвечающее современным требованиям теплосопротивления, к примеру, из традиционной кирпичной кладки, даже из дырчатого кирпича, толщина стен должна быть не менее 1,53 метра.

Чтобы наглядно показать, какой толщины необходим материал для выполнения требований по теплосопротивлению стен из однородного материала, выполнен расчёт, учитывающий конструктивные особенности применения материалов, получились следующие результаты:

В данной таблице указаны расчётные данные по теплопроводности материалов.

По данным таблицы для наглядности получается следующая диаграмма:

* — статья отредактирована 12.05.2008

 

«Всё о системах утепления фасадов»

 

Оригинал новости «Какой толщины должен быть утеплитель, сравнение теплопроводности материалов. »

Расчет толщины используемого утеплителя

Утеплитель — это универсальный материал для создания в доме оптимального микроклимата, защиты от теплопотерь. Сегодня в качестве такого материала можно использовать различные варианты, начиная от опилок и заканчивая современными напыляемыми теплоизоляторами. Наиболее часто для частного малоэтажного строительства применяются минеральная вата и пенопласт.

Минеральная вата и пенопласт — материалы, которые наиболее часто используются в качестве утеплителей.

Перед монтажом необходимо выполнить расчет толщины утеплителя. Это позволит узнать, какой именно материал можно использовать исходя из определенных параметров. При проведении вычислений толщины утеплителя ориентируются на нормативы и требования, внимание следует обращать не только на сам теплоизолятор, но и на то, из чего выполнена конструкция дома, межкомнатная перегородка или конструкция крыши.

Что влияет на толщину теплоизолятора?

При проведении расчета следует учесть несколько параметров:

Таблица расчета толщины теплоизоляции.

  1. Эксплуатационная плотность. Выбирать изолятор следует таким образом, чтобы плотность и теплопроводность были оптимальными для стен из конкретного материала.
  2. Нагрузка на конструкцию. Все утеплители обладают различным весом, при этом чем больше плотность, тем выше вес. Для каменного или кирпичного дома подойдет практически любой утеплитель, его вес не будет критичным для строения. Для деревянных и каркасных домов такой показатель является гораздо важнее, так как при большой толщине и оказываемая нагрузка на конструкцию будет значительной.
  3. Наличие точки росы. При расчете изолятора внимание надо уделить тому, что слишком толстый или тонкий материал приведет к формированию точки росы внутри стены или утеплителя. В этом месте будет скапливаться конденсат, материал быстро придет в негодность, на стенах дома начнет образовываться плесень.

Есть еще один параметр, о котором забывать нельзя. Он касается материала изготовления самой стены, использования внутренней и внешней отделки. Например, при наличии штукатурки толщина может браться меньшая, чем ее расчетное значение, так как слой штукатурки сам по себе является отличным теплоизоляционным средством.

Вернуться к оглавлению

Сравнение параметров теплопроводности материалов

Когда планируется к использованию теплоизоляционный материал, необходимо учесть, какого именно типа он будет. Сегодня на рынке предлагается большое количество подобных средств, но все они отличаются внешним видом, способом укладки, теплофизическим свойствами.

Схема минеральной ваты в качестве утеплителя.

Пенополистирол, который применяется в строительстве довольно часто, является одним из популярных утеплителей. Он имеет коэффициент теплопроводности в 0,042, соответствующий толщине слоя в 124 мм. На деле для стен материал применяется тоньше, до 100 мм.

Минеральная вата стоит на втором месте по популярности, утепление при помощи этого материала простое, быстрое, особого опыта иметь не надо. Коэффициент теплопроводности равен 0,046 при толщине слоя в 135 мм. При выборе теплоизолятора такого типа необходимо учесть его назначение. Сегодня производители предлагают плиты и рулоны уже фиксированной толщины, т. е. подобрать средство не составит труда.

В качестве утепления могут быть использованы специальные керамические теплые блоки. Внешне они напоминают большие кирпичи, которые укладываются на специальный клей. Коэффициент теплопроводности равен 0,17 при параметрах слоя в 575 мм. Натуральное дерево также часто применяется для строительства теплых и комфортных домов. Используется клееный брус или массив сосны, коэффициент теплопроводности равен 0,18, толщина — 530 мм. При сравнении различных типов утеплителей предпочтение отдается первым двум вариантам. Показатели их теплопроводности и сравнение толщины слоя делают минеральную вату и пенопласт наиболее выгодными для утепления дома.

Вернуться к оглавлению

Расчет толщины пенопласта для утепления дома

Расчет толщины теплоизолятора для стен можно подробно рассмотреть на примере с пенопластом. Вычисление рекомендуется поручать специалистам, но при наличии определенных знаний и использовании формул можно узнать необходимую толщину самостоятельно.

Расчет толщины пенопласта для утепления дома.

Следует обратить внимание на теплосопротивление — это величина R. Расчет толщины выполняется в этом случае, исходя из данных по климатической зоне, где находится строение. Например, строительство проводится в зоне I, тут теплосопротивление равно 2,8 м²К/Вт. Если теплосопротивление нужно вычислить отдельно для нескольких слоев (случается, что конструкция имеет сложный пирог), то необходимо брать сумму показателей для разных материалов.

Расчет толщины с учетом такого значения проводится по формуле:

R = p/k, где:

  • Р — это значение для толщины материала;
  • К — значение для коэффициента теплопроводности.

К примеру, необходимо провести расчет теплоизолятора для стен из кирпича (при кладке в 2 кирпича) при условии использования утеплителя из пенополистирола типа ПСБ25. Сначала требуется получить значение теплосопротивления. Например, размер стены составляет 0,51 м, а коэффициент теплопроводности равен 0,7 (для силикатного кирпича). В этом случае R = 0,51/0,7 = 0,73 м²К/Вт.

Расчет пенопласта для стен включает в себя проведение таких вычислений:

Формула расчета толщины теплоизоляции.

  1. Общее теплосопротивление равно Rутеплителя — R стены из кирпича=2,8 — 0,73 = 2,07 м² К/Вт.
  2. Исходя из полученных данных выполняется расчет пенопласта ПСБ для стен: p (псб-25) = R(псб-25)*k(псб-25) = 2,07*0,035=0,072 м. Коэффициент к = 0,035 — это фиксированное значение.

Проведенный расчет теплоизолятора для кирпичной стены из пенопласта ПСБ 25 составляет 0,072 м, или 72 мм. Надо учесть наличие воздушной прослойки между отдельными силикатными кирпичами. Она предусмотрена строительными нормами и может быть равна 5-10 см. Кроме нее имеется внутренняя отделка, фасадный материал, которые у стандартной кирпичной стены могут занимать определенную толщину. Таким образом, для силикатных кирпичных стен, согласно полученным данным, лучше всего применять пенопласт ПСБ 25 с толщиной плиты в 70 мм.

Вернуться к оглавлению

Какие показатели у минеральной ваты?

Одним из наиболее часто применяемых материалов для стен дома является минеральная вата. Этот материал выпускается в виде плит или рулонов, он легко укладывается, обладает при этом отличными теплофизическими свойствами.

При покупке минеральной ваты следует обращать внимание на то, что производители уже указывают назначение материала с определенной толщиной.

Схема расчета толщины утеплителя.

Для расчета можно не применять сложные формулы, а воспользоваться уже готовыми нормативными данными и значениями, которые позволяют узнать требования к теплосопротивлению. Более подробно особенности такого несложного расчета описаны выше на примере пенопласта (процесс здесь ничем не отличается).

Минеральная вата для утепления строительных конструкций сегодня выпускается с такой стандартной толщиной (на примере ISOVER):

  • утепление для всех строительных конструкций: 40-150 мм, 40-200 мм, 50-200 мм;
  • утепление, звукоизоляция для стен, потолков, внутренних межкомнатных перегородок;
  • тепло- звукоизоляция для пола плавающего типа — 20-50 мм;
  • теплоизоляция для скатов кровли — 50-200 мм;
  • теплоизоляция для плоской кровли — 50-170 мм;
  • тепло- звукоизоляция для оштукатуренных стен — 50-200 мм.

При выборе теплоизолятора необходимо сразу определить, в какой климатической зоне находится дом, узнать плотность материала, так как от этого значение толщины может изменяться.

http://ostroymaterialah.ru/youtu.be/dKLzgsxM17w

Утеплитель — универсальный материал, чаще всего в строительстве сегодня применяется пенопласт или минеральная вата. Особое внимание следует уделить подбору толщины, для этого достаточно провести несложный расчет.

Читайте также: Колонны своими руками
Как и чем утеплить панельный дом снаружи
Какой утеплитель лучше — читайте здесь.

Методы измерения теплопроводности двумерных материалов: обзор

1. Куанг Ю., Линдси Л., Ши С., Ван С., Хуанг Б. Теплопроводность графена, опосредованная деформацией и размером. Междунар. J. Тепломассообмен. 2016; 101:772–778. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.05.072. [CrossRef] [Google Scholar]

2. Юсефи Ф., Хоейни Ф., Раджабпур А. Теплопроводность и термическая ректификация нанопористого графена: моделирование молекулярной динамики. Междунар. J. Тепломассообмен. 2020;146:118884. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118884. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Liu F., Wang Y., Liu X., Wang J., Guo H. Баллистический транспорт в монослойных транзисторах с черным фосфором. IEEE транс. Электрон. Устройства. 2014;61:3871–3876. doi: 10.1109/ted.2014.2353213. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Mannix A.J., Zhang Z., Guisinger N.P., Yakobson B.I., Hersam M.C. Борофен как прототип для разработки синтетических 2D материалов. Нац. нанотехнологии. 2018;13:444–450. doi: 10.1038/s41565-018-0157-4. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

5. Пэн Б., Чжан Х., Шао Х., Сюй Ю., Чжан Р., Чжу Х. Электронные, оптические и термодинамические свойства борофена на основе расчетов из первых принципов. Дж. Матер. хим. C. 2016;4:3592–3598. doi: 10.1039/C6TC00115G. [CrossRef] [Google Scholar]

6. Chen L., Shi X., Yu N., Zhang X., Du X., Lin J. Измерение и анализ теплопроводности пленок Ti3C2Tx MXene. Материалы. 2018;11:1701. doi: 10.3390/ma11091701. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

7. Zha X.-H., Zhou J., Zhou Y., Huang Q., He J., Francisco J.S., Luo K., Du S. Перспективная подвижность электронов и высокая теплопроводность в Sc 2 CT 2 ( T = F, OH) MXenes. Наномасштаб. 2016;8:6110–6117. doi: 10.1039/C5NR08639F. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

8. Мортазави Б., Подрябинкин Е.В., Рош С., Рабчук Т., Чжуан Х., Шапеев А.В. Межатомные потенциалы с машинным обучением позволяют проводить многомасштабное моделирование решеточной теплопроводности в гетероструктурах графен/борофен из первых принципов. Матер. Гориз. 2020;7:2359–2367. doi: 10.1039/D0MH00787K. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

9. Рахман М.Х., Ислам М.С., Ислам М.С., Чоудхури Э.Х., Бозе П., Джаян Р., Ислам М.М. Фононная теплопроводность ван-дер-ваальсовой гетероструктуры станен/hBN. физ. хим. хим. физ. 2021;23:11028–11038. doi: 10.1039/D1CP00343G. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

10. Майелифарташ А., Абдол М.А., Садехзаде С. Теплопроводность и поведение межфазного термического сопротивления для гетероструктуры полианилин-карбид бора. физ. хим. хим. физ. 2021;23:13310–13322. дои: 10.1039/D1CP00562F. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Wang X., Cui Y., Li T., Lei M., Li J., Wei Z. Последние достижения в области функциональных двумерных фотонных и оптоэлектронных устройств. Доп. Опц. Матер. 2019;7:1801274. doi: 10.1002/adom.201801274. [CrossRef] [Google Scholar]

12. Мунтяну Р.-Э., Морено П.С., Брамини М., Гаспар С. Двумерные материалы в электрохимических сенсорах для использования in vitro или in vivo. Анальный. Биоанал. хим. 2020; 413: 701–725. doi: 10.1007/s00216-020-02831-1. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

13. Донг Ю., Ву З.-С., Рен В., Ченг Х.-М., Бао С. Графен: многообещающий двумерный материал для электрохимического накопления энергии. науч. Бык. 2017;62:724–740. doi: 10.1016/j.scib.2017.04.010. [CrossRef] [Google Scholar]

14. Кришнамурти А., Раджак П., Норуззаде П., Сингх Д.Дж., Калия Р.К., Накано А., Вашишта П. Теплопроводность монослоев MoS 2 на основе моделирования молекулярной динамики. АИП Пров. 2019;9:035042. doi: 10.1063/1.5085336. [CrossRef] [Академия Google]

15. Кандемир А., Япичиоглу Х., Киначи А., Чагин Т., Севик С. Тепловые транспортные свойства монослоев MoS 2 и MoSe 2 . Нанотехнологии. 2016;27:055703. doi: 10.1088/0957-4484/27/5/055703. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

16. Бреннер Д.В., Шендерова О.А., Харрисон Дж.А., Стюарт С.Дж., Ни Б., Синнотт С.Б. Выражение потенциальной энергии реактивного эмпирического порядка связи второго поколения (REBO) для углеводородов. Дж. Физ. Конденс. Мэтт. 2002; 14:783. дои: 10.1088/0953-8984/14/4/312. [CrossRef] [Google Scholar]

17. Хан А.И., Навид И.А., Ношин М., Уддин Х.М.А., Хоссейн Ф.Ф., Субрина С. Исследование теплопроводности графеновой наноленты методом равновесной молекулярной динамики (МД): сравнительное исследование по МД потенциалы. Электроника. 2015;4:1109–1124. doi: 10.3390/electronics4041109. [CrossRef] [Google Scholar]

18. Liu G., Gao Z., Li G.-L., Wang H. Аномально низкая теплопроводность двумерного селенена: исследование ab initio. Дж. Заявл. физ. 2020;127:065103. дои: 10.1063/1.5135092. [CrossRef] [Google Scholar]

19. Hong Y., Zhang J., Zeng X.C. Тепловой перенос в фосфорене и материалах на его основе: обзор численных исследований. Китайский физ. Б. 2018; 27:036501. doi: 10.1088/1674-1056/27/3/036501. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Лю Г., Ван Х., Гао Ю., Чжоу Дж., Ван Х. Анизотропная собственная решеточная теплопроводность борофана на основе расчетов из первых принципов. физ. хим. хим. физ. 2017;19:2843–2849. doi: 10.1039/C6CP07367K. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

21. Zulfiqar M., Zhao Y., Li G., Li Z., Ni J. Собственная теплопроводность монослойных дихалькогенидов переходных металлов MX 2 (M = Mo, W.; X = S, Se, Te) Sci . Отчет 2019; 9: 1–7. doi: 10.1038/s41598-019-40882-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

22. Li W., Carrete J., Katcho N.A., Mingo N. ShengBTE: Решатель уравнения переноса Больцмана для фононов. вычисл. физ. коммун. 2014; 185:1747–1758. doi: 10.1016/j.cpc.2014.02.015. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

23. Бузерар Г., Тебо С., Пекорарио С., Адесси С. Резкое влияние вакансий на время жизни фононов и теплопроводность в графене. Дж. Физ. Конденс. Мэтт. 2020;32:295702. doi: 10.1088/1361-648X/ab7f70. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

24. Чжан В., Фишер Т.С., Минго Н. Метод атомистической функции Грина: эффективный подход к моделированию наномасштабного фононного транспорта. номер Теплопередача. Часть B Фундамент. 2007; 51: 333–349. doi: 10.1080/104077

  • 144755. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

    25. Чжан В., Фишер Т., Минго Н. Моделирование межфазного переноса фононов в гетероструктурах Si–Ge с использованием атомистического метода функций Грина. Дж. Теплопередача. 2007; 129: 483–491. doi: 10.1115/1.2709656. [CrossRef] [Google Scholar]

    26. Li X., Yang R. Влияние несоответствия решеток на передачу фононов и теплопроводность интерфейса на границах разнородных материалов. физ. Ред. Б. 2012; 86:054305. doi: 10.1103/PhysRevB.86.054305. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

    27. Ким П., Ши Л., Маджумдар А., МакЮэн П.Л. Измерения теплового переноса индивидуальных многослойных нанотрубок. физ. Преподобный Летт. 2001;87:215502. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.215502. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    28. Shi L., Li D., Yu C., Jang W., Kim D., Yao Z., Kim P., Majumdar A. Измерение тепловых и термоэлектрических свойств одномерных наноструктур с помощью микроизготовленного устройства. Дж. Теплопередача. 2003; 125:881–888. doi: 10.1115/1.1597619. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

    29. Джо И., Петтес М.Т., Линдси Л., Оу Э., Уэзерс А., Мур А.Л., Яо З., Ши Л. Повторное исследование теплопроводности в базисной плоскости взвешенных образцов графена, измеренное электротермическим микроанализом. мостовые методы. АИП Пров. 2015;5:053206. doi: 10.1063/1.4921519. [CrossRef] [Google Scholar]

    30. Wang C., Guo J., Dong L., Aiyiti A., Xu X., Li B. Превосходная теплопроводность в подвесном двухслойном гексагональном нитриде бора. науч. Отчет 2016; 6: 1–6. doi: 10.1038/srep25334. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    31. Джо И., Петтес М.Т., Оу Э., Ву В., Ши Л. Теплопроводность в базисной плоскости малослойного дисульфида молибдена. заявл. физ. лат. 2014;104:201902. doi: 10.1063/1.4876965. [CrossRef] [Google Scholar]

    32. Ван Ю., Сюй Н., Ли Д., Чжу Дж. Тепловые свойства двумерных слоистых материалов. Доп. Функц. Матер. 2017;27:1604134. doi: 10.1002/adfm.201604134. [CrossRef] [Google Scholar]

    33. Liu C.-K., Yu C.-K., Chien H.-C., Kuo S.-L., Hsu C.-Y., Dai M.- Дж., Луо Г.-Л., Хуанг С.-К., Хуанг М.-Дж. Теплопроводность пленок сверхрешеток Si/SiGe. Дж. Заявл. физ. 2008;104:114301. doi: 10.1063/1.3032602. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

    34. Chen Z., Jang W., Bao W., Lau C.N., Dames C. Термическое контактное сопротивление между графеном и диоксидом кремния. заявл. физ. лат. 2009;95:161910. doi: 10.1063/1.3245315. [CrossRef] [Google Scholar]

    35. Zhang D., Behbahanian A., Roberts N.A. Измерение теплопроводности нанесенных тонкопленочных материалов методом 3$\omega$. архив 20202007.00087 [Google Scholar]

    36. Кэхилл Д.Г. Измерение теплопроводности от 30 до 750 К: метод 3ω. преподобный наук. Инструм. 1990;61:802–808. дои: 10.1063/1.1141498. [CrossRef] [Google Scholar]

    37. Кэхилл Д.Г. Анализ теплового потока в слоистых структурах для теплового отражения во временной области. преподобный наук. Инструм. 2004; 75: 5119–5122. doi: 10.1063/1.1819431. [CrossRef] [Google Scholar]

    38. Schmidt A.J., Chen X., Chen G. Накопление импульсов, радиальная теплопроводность и анизотропная теплопроводность в нестационарном теплоотражении насос-зонд. преподобный наук. Инструм. 2008;79:114902. doi: 10.1063/1.3006335. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

    39. Панг Ю., Цзян П., Ян Р. Метод обработки данных на основе машинного обучения для измерения термоотражательной способности во временной области (TDTR). J. Прикладная физ. 2021;130:084901. doi: 10.1063/5.0057796. [CrossRef] [Google Scholar]

    40. Schmidt A.J., Cheaito R., Chiesa M. Метод термоотражения в частотной области для характеристики тепловых свойств. преподобный наук. Инструм. 2009;80:094901. doi: 10.1063/1.3212673. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    41. Liu J., Choi G.-M., Cahill D.G. Измерение анизотропной теплопроводности дисульфида молибдена с помощью магнитооптического эффекта Керра с временным разрешением. Дж. Заявл. физ. 2014;116:233107. дои: 10.1063/1.43. [CrossRef] [Google Scholar]

    42. Jiang P., Qian X., Gu X., Yang R. Исследование анизотропной теплопроводности дихалькогенидов переходных металлов MX2 (M = Mo, W и X = S, Se) с использованием термоотражения во временной области. Доп. Матер. 2017;29:1701068. doi: 10.1002/adma.201701068. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    43. Ван Ю., Сюй Л., Ян З., Се Х., Цзян П., Дай Дж., Луо В., Яо Ю., Хитц Э., Ян Р. Тепловое управление при высоких температурах с помощью нанолистов из нитрида бора. Наномасштаб. 2018;10:167–173. дои: 10.1039/C7NR07058F. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    44. Jang H., Wood J.D., Ryder C.R., Hersam M.C., Cahill D.G. Анизотропная теплопроводность вспученного черного фосфора. Доп. Матер. 2015; 27:8017–8022. doi: 10.1002/adma.201503466. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    45. Лу Б., Чжан Л., Балогун О. Измерения теплового переноса в поперечной плоскости через несколько слоев графеновой пленки, выращенной методом CVD, на кремниевой подложке. АИП Пров. 2019;9:045126. doi: 10.1063/1.5095934. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

    46. Рахман М., Шахзаде М., Писана С. Одновременное измерение анизотропной теплопроводности и тепловой граничной проводимости двумерных материалов. Дж. Заявл. физ. 2019;126:205103. doi: 10.1063/1.5118315. [CrossRef] [Google Scholar]

    47. Yan R., Simpson J.R., Bertolazzi S., Brivio J., Watson M., Wu X., Kis A., Luo T., Hight Walker A.R., Xing H.G. Теплопроводность монослоя дисульфида молибдена, полученного с помощью температурно-зависимой рамановской спектроскопии. АКС Нано. 2014;8:986–993. doi: 10.1021/nn405826k. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    48. Xu S., Wang T., Hurley D., Yue Y., Wang X. Разработка дифференциального комбинационного рассеяния во временной области для нестационарного теплового исследования материалов. Опц. Выражать. 2015;23:10040–10056. doi: 10.1364/OE.23.010040. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    49. Wang T., Xu S., Hurley D.H., Yue Y., Wang X. Рамановское рассеяние с частотным разрешением для нестационарного теплового зондирования и измерения температуропроводности. Опц. лат. 2016;41:80–83. doi: 10.1364/OL.41.000080. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

    50. Ван Т., Хань М., Ван Р., Юань П. , Сюй С., Ван X. Характеристика анизотропной теплопроводности взвешенного черного фосфора толщиной в нм с помощью рамановской спектроскопии с частотным разрешением. Дж. Заявл. физ. 2018;123:145104. дои: 10.1063/1.5023800. [CrossRef] [Google Scholar]

    51. Yuan P., Wang R., Wang T., Wang X., Xie Y. Немонотонная зависимость теплопроводности в плоскости от толщины для малослойного MoS 2: от 2,4 до 37,8 нм. физ. хим. хим. физ. 2018;20:25752–25761. дои: 10.1039/C8CP02858C. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    52. Zobeiri H., Wang R., Zhang Q., Zhu G., Wang X. Перенос горячих носителей и перенос фононов в пленках WS2 с подвеской нм. Acta Mater. 2019;175:222–237. doi: 10.1016/j.actamat.2019.06.011. [CrossRef] [Google Scholar]

    53. Wang R., Zobeiri H., Xie Y., Wang X., Zhang X., Yue Y. Различение температур оптических и акустических фононов и коэффициента их энергетической связи при фотонном возбуждении в нм 2D материалы. Доп. науч. 2020;7:2000097. doi: 10.1002/advs.202000097. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    54. Бао Х., Чен Дж., Гу С., Цао Б. Обзор методов моделирования в микро-/наномасштабной теплопроводности. ЕС Энергетика Окружающая среда. 2018; 1:16–55. doi: 10.30919/esee8c149. [CrossRef] [Google Scholar]

    55. Liu J., Li P., Zheng H. Обзор методов термической характеристики графена и связанных с ним двумерных материалов. Наноматериалы. 2021;11:2787. doi: 10.3390/nano11112787. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    56. Gu X., Yang R. Транспорт фононов и теплопроводность в двумерных материалах. Анна. Обр. теплопередачи. 2016; 19 doi: 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2016015491. [CrossRef] [Google Scholar]

    57. Баландин А.А., Гош С., Бао В., Кализо И., Тевелдебрхан Д., Мяо Ф., Лау К.Н. Превосходная теплопроводность однослойного графена. Нано Летт. 2008; 8: 902–907. doi: 10.1021/nl0731872. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    58. Zhou H., Zhu J., Liu Z., Yan Z., Fan X. , Lin J., Wang G., Yan Q., Yu T., Аджаян П.М. и др. Высокая теплопроводность навесных малослойных гексагональных листов нитрида бора. Нано Рез. 2014;7:1232–1240. doi: 10.1007/s12274-014-0486-z. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

    59. Zhang Y.Y., Pei Q.X., Liu H.Y., Wei N. Теплопроводность монослоя h-BCN. физ. хим. хим. физ. 2017;19:27326–27331. doi: 10.1039/C7CP04982J. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    60. Шеллинг П.К., Филпот С.Р., Кеблински П. Сравнение методов моделирования на атомном уровне для расчета теплопроводности. физ. Преподобный Б. 2002; 65:144306. doi: 10.1103/PhysRevB.65.144306. [CrossRef] [Google Scholar]

    61. Smith B., Vermeersch B., Carrete J., Ou E., Kim J., Mingo N., Akinwande D., Shi L. Температурные и толщинные зависимости анизотропии в -плоскостная теплопроводность черного фосфора. Доп. Матер. 2017;29:144306. doi: 10.1002/adma.201603756. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    62. Hong Y., Zhang J., Huang X., Zeng X.C. Теплопроводность двумерного листа фосфорена: сравнительное исследование с графеном. Наномасштаб. 2015;7:18716–18724. doi: 10.1039/C5NR03577E. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    63. Чен Дж., Чжан Г., Ли Б. Связь с подложкой подавляет размерную зависимость теплопроводности графена на подложке. Наномасштаб. 2013;5:532–536. дои: 10.1039/C2NR32949Б. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    64. Li X., Zhang J., Puretzky A.A., Yoshimura A., Sang X., Cui Q., ​​Li Y., Liang L., Ghosh A.W., Zhao H. ., и другие. Изотопно-инженерная теплопроводность двумерного MoS 2 . Ас Нано. 2019;13:2481–2489. doi: 10.1021/acsnano.8b09448. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

    65. Нетто А., Френклах М. Кинетическое моделирование методом Монте-Карло роста алмазов методом ХОПФ — чередование роста, травления и миграции. Диам. Относ. Матер. 2005; 14:1630–1646. doi: 10.1016/j.diamond.2005.05.009. [CrossRef] [Google Scholar]

    66. Мортазави Б., Подрябинкин Е.В., Новиков И.С., Рабчук Т., Чжуан Х., Шапеев А.В. Ускорение оценки теплопроводности из первых принципов с помощью межатомных потенциалов с машинным обучением: решение MTP/ShengBTE. вычисл. физ. коммун. 2021;258:107583. doi: 10.1016/j.cpc.2020.107583. [CrossRef] [Google Scholar]

    67. Aiyiti A., Bai X., Wu J., Xu X., Li B. Измерение теплопроводности и межфазного термического сопротивления взвешенного MoS 2 с использованием метода самонагрева электронным лучом. науч. Бык. 2018; 63: 452–458. doi: 10.1016/j.scib.2018.02.022. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

    Проводка | Физика

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Вычислять теплопроводность.
    • Наблюдайте за теплопроводностью при столкновениях.
    • Исследование теплопроводности обычных веществ.

    Рисунок 1. 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. Разные 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 рисунке 2 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 горячей молекулы к холодной. Совокупный эффект от всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от горячего тела к более холодному. Таким образом, тепловой поток зависит от разности температур Δ Τ = Τ горячий − T холодный . 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.

    Рис. 2. 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 (правая сторона) 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 T 2 больше, чем T 1 , 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 3. Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой, будь то оконное стекло или жир моржа. Температура материала T 2 слева и T 1 справа, где T 2 больше, чем T 1 9 0030 . Скорость теплопередачи за счет теплопроводности прямо пропорциональна площади поверхности А, разности температур T 2 − T 1 , а проводимость вещества k . Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине d .

    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 та, что показана на рисунке 3, определяется как

    [латекс]\displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\[/latex],

    , где [латекс]\frac{Q }{t}\\[/latex] — скорость теплопередачи в ваттах или килокалориях в секунду, k — теплопроводность материала, A и d — его площадь поверхности и толщина, как показано на рисунке 3, а ( T 2  —  T 1 ) представляет собой разность температур поперек плиты. В таблице 1 приведены репрезентативные значения теплопроводности.

    Пример 1. Расчет теплопередачи за счет теплопроводности: скорость теплопередачи через коробку для льда

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

    Стратегия

    Этот вопрос включает в себя как выделение тепла для фазового перехода (таяние льда), так и передачу 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. 9{\circ}\text{C};\\t&=&1\text{day}=24\text{hours}=86 400\text{s}.\end{array}\\[/latex]

    Определить неизвестные. Нам нужно найти массу льда м . Нам также нужно будет найти чистую теплоту, переданную для таяния льда, Q . Определите, какие уравнения использовать. Скорость теплопередачи за счет теплопроводности определяется как

    [латекс]\displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{kA\left(T_2-T_1\right)}{d}\\[/latex]

    Тепло используется для таяния льда: 9{\circ}\text{C}\right)}{0,0250\text{ м}}=13,3\text{ Дж/с}\\[/latex]

    Умножьте скорость теплопередачи на время (1 день = 86 400 с): Q = [латекс]\left(\frac{Q}{t}\right)t\\[/latex]   = (13,3 Дж/с)(86 400 с) = 1,15 × 10 6 J. 3\text{ Дж/кг}}=3,44\text{ кг}\\[/латекс]

    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 1 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.

    Таблица 1. Теплопроводность обычных веществ [1]
    Вещество Теплопроводность k (Дж/с⋅м⋅ºC)
    Серебро 420
    Медь 390
    Золото 318
    Алюминий 220
    Стальной чугун 80
    Сталь (нержавеющая) 14
    Лед 2,2
    Стекло (среднее) 0,84
    Бетонный кирпич 0,84
    Вода 0,6
    Жировая ткань (без крови) 0,2
    Асбест 0,16
    Гипсокартон 0,16
    Дерево 0,08–0,16
    Снег (сухой) 0,10
    Пробка 0,042
    Стекловата 0,042
    Шерсть 0,04
    Пуховые перья 0,025
    Воздух 0,023
    Пенополистирол 0,010

    Рисунок 4. Стекловолоконная плита используется для изоляции стен и потолков, чтобы предотвратить передачу тепла между внутренней частью здания и внешней средой.

    Для создания хороших изоляторов часто манипулируют сочетанием материала и толщины: чем меньше проводимость k и чем больше толщина d , тем лучше. Отношение [латекс]\frac{d}{k}\\[/латекс] , таким образом, будет большим для хорошего изолятора. Отношение [латекс]\фрак{д}{к}\\[/латекс] называется коэффициентом R . Скорость кондуктивной теплопередачи обратно пропорциональна R . Чем больше значение R , тем лучше изоляция. 9Коэффициенты 0163 R чаще всего указываются для бытовой изоляции, холодильников и т. п. — к сожалению, они по-прежнему указаны в неметрических единицах ft 2  · °F · h/Btu, хотя единица измерения обычно не указывается (1 британская тепловая единица [Btu] — это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1,0 фунта воды на 1,0°F). Несколько репрезентативных значений: R с коэффициентом 11 для стекловолоконных плит (кусков) толщиной 3,5 дюйма и R с коэффициентом 19.для войлока из стекловолокна толщиной 6,5 дюйма. 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.

    Обратите внимание, что в Таблице 1 лучшие теплопроводники — серебро, медь, золото и алюминий — также являются лучшими электрическими проводниками, опять же в связи с плотностью свободных электронов в них. Кухонная утварь обычно изготавливается из хороших проводников.

    Пример 2. 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 .

    [латекс]\displaystyle{T}_2-T_1=\frac{Q}{t}\left(\frac{d}{kA}\right)\\[/latex]

    Решение

    Определите известных единиц и преобразовать их в единицы СИ. 2 = 1,54 × 10 −2 м 2 , а теплопроводность к = 220 Дж/с ⋅ м ⋅ °C.

    Рассчитайте необходимую теплоту парообразования 1 г воды:  9{\circ}\text{C}\\[/latex]

    Обсуждение

    Значение теплопередачи [латекс]\frac{Q}{t}\\[/latex] = 2,26 кВт или 2256 Дж/ с типично для электрической плиты. Это значение дает удивительно малую разницу температур между плитой и кастрюлей. Учтите, что горелка плиты раскалена докрасна, а температура внутри кастрюли почти 100ºC 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 свои знания

    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 ( A final  = (2 d ) 2  = 4 д 2  = 4 A начальный ). 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:

    [латекс]\left(\frac{Q}{t}\right)_{\text{final}}=\frac{kA_{\text{final}}\left(T_2-T_1\right)}{ d _ {\ text {final}}} = \ frac {k \ left (4A _ {\ text {initial}} \ right) \ left (T_2-T_1 \ right)} {2d _ {\ text {initial}}} = 2 \ frac {kA _ {\ text {initial}} \ left (T_2-T_1 \ right)} {d _ {\ text {initial}}} = 2 \ left (\ frac {Q} {t} \ right) _ {\ text{initial}}\\[/latex]

    Резюме раздела

    • Теплопроводность — это передача тепла между двумя объектами, находящимися в прямом контакте друг с другом.
    • Скорость теплопередачи[латекс]\frac{Q}{t}\\[/латекс] (энергия в единицу времени) пропорциональна разности температур T 2 −   T 1  и площадь контакта A  и обратно пропорциональна расстоянию d между объектами: [конец х]\frac{Q}{t}=\frac{ \text{kA}\left({T}_{2}-{T}_{1}\right)}{d}\\[/latex].

    Концептуальные вопросы

    1. Некоторые электрические плиты имеют плоскую керамическую поверхность со скрытыми под ней нагревательными элементами. Кастрюля, поставленная над нагревательным элементом, будет нагреваться, при этом безопасно прикасаться к поверхности всего в нескольких сантиметрах. Почему керамика с проводимостью меньше, чем у металла, но больше, чем у хорошего изолятора, идеальный выбор для плиты?
    2. Свободная белая одежда, закрывающая большую часть тела, идеальна для жителей пустыни, как на жарком солнце, так и в холодные вечера. Объясните, чем выгодна такая одежда и днем, и ночью.

    Рисунок 5. Джелабию носят многие мужчины в Египте. (кредит: Zerida)

    Задачи и упражнения

    1. (a) Рассчитайте скорость теплопроводности через стены дома толщиной 13,0 см со средней теплопроводностью, вдвое превышающей теплопроводность стекловаты. Предположим, что окон и дверей нет. Площадь стен 120 м 2 и их внутренняя поверхность имеет температуру 18,0ºC, а их внешняя поверхность имеет температуру 5,00ºC. (б) Сколько комнатных обогревателей мощностью 1 кВт потребуется, чтобы сбалансировать теплопередачу за счет теплопроводности?
    2. Скорость отвода тепла из окна в зимний день достаточно высока, чтобы охладить воздух рядом с ним. Чтобы увидеть, насколько быстро окна передают тепло за счет теплопроводности, рассчитайте коэффициент теплопроводности в ваттах через окно длиной 3,00 м 2 и толщиной 0,635 см (1/4 дюйма), если температуры внутренней и внешней поверхностей равны 5,00 ºC и −10,0ºC соответственно. Эта высокая скорость не будет поддерживаться — внутренняя поверхность будет остывать и даже приведет к образованию инея.
    3. Рассчитайте скорость теплопроводности человеческого тела, принимая, что внутренняя температура ядра составляет 37,0ºC, температура кожи – 34,0ºC, средняя толщина тканей между ними – 1,00 см, а площадь поверхности – 1,40 м 2 .
    4. Предположим, вы стоите одной ногой на керамическом полу, а другой — на шерстяном ковре, контактируя с поверхностью площадью 80,0 см 2 каждой ногой. Толщина керамики и ковра составляет 2,00 см, а температура их нижней стороны составляет 10,0ºC. С какой скоростью должна происходить теплопередача от каждой ноги, чтобы верхняя часть керамического покрытия и ковра оставались на уровне 33,0ºC?
    5. Человек потребляет 3000 килокалорий пищи в день, преобразуя большую часть этого количества для поддержания температуры тела. Если он теряет половину этой энергии при испарении воды (при дыхании и потоотделении), то сколько килограммов воды испаряется?
    6. (a) Огнеход бежит по слою раскаленных углей, не получив ожогов. Рассчитайте тепло, передаваемое за счет теплопроводности подошве одной ступни огнехода, учитывая, что подошва ступни представляет собой мозоль толщиной 3,00 мм с проводимостью на нижнем пределе диапазона для дерева и плотностью 300 кг/м. 3 . Площадь контакта 25,0 см 2 , температура углей 700°С, время контакта 1,00 с. (b) Какое повышение температуры происходит на 25,0 см 3 пораженной ткани? (c) Как вы думаете, какое влияние это окажет на ткань, учитывая, что мозоль состоит из мертвых клеток?
    7. (a) Какова скорость теплопроводности через мех толщиной 3,00 см крупного животного с площадью поверхности 1,40 м 2 ? Предположим, что температура кожи животного равна 32,0°С, температура воздуха -5,00°С, а теплопроводность меха такая же, как у воздуха. (b) Какое количество пищи потребуется животному в течение одного дня, чтобы заменить эту теплопередачу?
    8. Морж передает энергию посредством проводимости через ворвань со скоростью 150 Вт при погружении в воду с температурой -1,00ºC. Внутренняя температура ядра моржа составляет 37,0ºC, а площадь его поверхности составляет 2,00 м 2 . Какова средняя толщина его ворвани, имеющей проводимость жировой ткани без крови?

      Рис. 6. Морж на льдине. (кредит: капитан Бадд Кристман, Корпус NOAA)

    9. Сравните скорость теплопроводности через стену толщиной 13,0 см и площадью 10,0 м 2 и теплопроводностью в два раза больше, чем у стекловаты, при коэффициенте теплопроводности через окно толщиной 0,750 см и площадью 2,00 м 2 при одинаковой разности температур на каждом из них.
    10. Предположим, что человек с головы до ног покрыт шерстяной одеждой со средней толщиной 2,00 см и передает энергию за счет проводимости через одежду со скоростью 50,0 Вт. Какова разница температур поперек одежды, если площадь ее поверхности составляет 1,40 м? 2 ?
    11. Некоторые варочные поверхности выполнены из гладкой керамики, что облегчает их очистку. Если толщина керамики составляет 0,600 см, а теплопроводность происходит через ту же площадь и с той же скоростью, что и в примере 2, какова разница температур на ней? Керамика имеет такую ​​же теплопроводность, как стекло и кирпич.
    12. Одним из простых способов снизить расходы на отопление (и охлаждение) является дополнительная изоляция чердака дома. Предположим, что в доме уже имеется 15-сантиметровая изоляция из стекловолокна на чердаке и на всех наружных поверхностях. Если добавить на чердак дополнительные 8,0 см стекловолокна, то на сколько процентов снизится стоимость отопления дома? Возьмем одноэтажный дом размером 10 м на 15 м на 3,0 м. Не учитывать инфильтрацию воздуха и потери тепла через окна и двери.
    13. (a) Рассчитайте коэффициент теплопроводности через окно с двойным остеклением площадью 1,50 м 2 , состоящее из двух окон толщиной 0,800 см, разделенных воздушным зазором 1,00 см. Температура внутренней поверхности составляет 15,0ºC, а наружной -10,0ºC. (Подсказка: существуют одинаковые перепады температуры на двух стеклянных панелях. Сначала найдите их, а затем перепад температуры в воздушном зазоре. В этой задаче не учитывается увеличение теплопередачи в воздушном зазоре из-за конвекции. ) (b) Рассчитайте скорость теплопроводность через окно толщиной 1,60 см той же площади и при тех же температурах. Сравните свой ответ с ответом на пункт (а).
    14. Многие решения принимаются на основе периода окупаемости: времени, которое потребуется за счет сбережений, чтобы сравняться с капитальными затратами инвестиций. Приемлемые сроки окупаемости зависят от бизнеса или философии человека. (Для некоторых отраслей период окупаемости составляет всего два года.) Предположим, вы хотите установить дополнительную изоляцию в ответе на вопрос 12. Если стоимость энергии составляет 1 доллар США за миллион джоулей, а изоляция — 4 доллара США за квадратный метр, рассчитайте простой срок окупаемости. . Возьмите среднее значение Δ T  на 120-дневный отопительный сезон 15,0ºC.
    15. Какова скорость теплопередачи тела человека путем теплопроводности через ткани тела при следующих условиях: толщина ткани 3,00 см, изменение температуры 2,00°С, площадь кожи 1,50 м 2 .

    • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *

    *

    *