Теплопроводности материалов: Теплопроводность строительных материалов — статьи от компании «Доминант»

Теплопроводности материалов: Теплопроводность строительных материалов — статьи от компании «Доминант»

Теплопроводность строительных материалов. Основные показатели

Ни для кого не секрет, что каждый материал обладает своими исключительными качествами. Одним из таких является теплопроводность.
Давайте рассмотрим пример того какой должна быть толщина стенки из разных материалов в помещении для обеспечения пригодной для жизни температуры в 18 градусов Цельсия, когда на улице мороз -26 градусов.
Если строить из пустотелого кирпича, вам придется возвести стенку толщиной в 51 сантиметр, из керамзитобетона – 30 сантиметров, стенка из древесины может не превышать 15 см, а бетонная с применением утеплителя и вовсе может едва достигать 14 см. Почему это так? Каждый из этих материалов обладает своей теплопроводностью.
Как мы видим, очень важно определиться с проектом на начальных этапах строительства, дабы не попасть впросак. Чем точнее данные – тем выше вероятность качественного расчета и выбора строительных материалов. Чтобы определиться с сырьем и не ошибиться – воспользуйтесь данными ниже. Эквивалентная теплопроводность строительных материалов:

  • пенополиуретан — 80
  • пенополистирол — 160
  • минвата — 200
  • дерево — 548
  • керамзит — 640
  • газобетон — 800
  • кирпич — 1520
  • гранит — 2500
  • бетон — 3440

Теплопроводность – что это

Сам термин «теплопроводность» определяет передачу энергии тепловой от предметов с более высокой температурой – предметам с более низкой. Сам теплообмен осуществляется до тех пор, пока температура обоих предметов не станет одинаковой. Чтобы обозначить энергию тепловую был создан коэффициент теплопроводности, применяемый для строительных материалов. Этот параметр дает четкое понимание того, какое количество энергии тепловой проходит в единицу времени через единицу площади. Чем выше этот показатель – тем лучше теплообмен. Чем меньше теплопроводность материал – тем более он пригоден для строительства жилых и отапливаемых помещений. Согласно строительным нормам толщина стен, препятствующая теплопотерям в зданиях должна соответствовать:

  1. Кирпич — 210 см
  2. Керамзитобетон — 90 см
  3. Дерево — 53 см
  4. Газобетон — 44 см
  5. Минеральная вата — 18 см
  6. Пенополистерол — 12 см

Теплопроводный коэффициент характеризуется показателем количества теплоты, проходящего сквозь метр толщины материала в единицу времени, равную 60 минут. При создании лучшей теплоизоляции профессионалы рекомендуют использовать эту характеристику в обязательном порядке. Также на нее стоит обратить внимание при необходимости подобрать дополнительные утепляющие материалы и конструкции.
Рассмотрим соотношение материала и коэффициента теплопроводности, измеренного в Ваттах на метр квадратный Кельвин:

алюминий
асбест
асфальтобетон
асбесто-цементные плиты
бетон, желоззобетон
битум
бронза
винипласт
вода при температурі вище 0
войлок шерстяной
гипсокартон
гранит
древесина из дуба, волокна размещены вдоль
древесина из дуба, волокна размещены поперек
древесина из сосны или ели, волокна размещены вдоль
древесина из сосны или ели, волокна размещены поперек
до 221 Вт/м2
0,151 Вт/м2*К
1,05 Вт/м2*К
0,35 Вт/м2*К
до 1,51 Вт/м2*К
0,27 Вт/м2*К
64 Вт/м2
0,163 Вт/м2*К
0,6 Вт/м2*К
0,047 Вт/м2*К
0,15 Вт/м2*К
3,49 Вт/м2*К
0,23 Вт/м2*К
0,1 Вт/м2*К
0,18 Вт/м2*К
до 0,15 Вт/м2*К
плита древесно-стружечная или плита ориентировано-стружечная
железобетон
Картон используемый для облицовки
Керамзит, плотность 200кг / м3
Керамзит, плотность 800кг / м3
Керамзитобетон, плотность 500кг / м3
Керамзитобетон, плотность 1800кг / м3
Кирпич керамический, пустотелый брутто 1000, плотность 1200кг / м3
Кирпич керамический, пустотелый брутто брутто 1400, плотность 1600кг / м3
Кирпич красный глиняный
Кирпич силикатный
Кладка из изоляционного кирпича
Кладка из обыкновенного кирпича
Кладка из огнеупорного кирпича
Краска масляная
0,15 Вт / м2К
1,69 Вт / м2К
0,18 Вт / м2К
0,1 Вт / м2К
0,18 Вт / м2К
0,14 Вт / м2К
0,66 Вт / м2К
0,35 Вт / м2К
0,41 Вт / м2К
0,56 Вт / м2К
0,7 Вт / м2К
до 0,209 Вт / м2К
до 0,814 Вт / м2К
1,05 Вт / м2К
0,233 Вт / м2К

Факторы, влияющие на теплопроводность

На каждую характеристику имеют влияние ряд факторов. Не исключением является и теплопроводность. Какие же факторы оказывают значительное влияние?

  1. Пористость поверхности. Неоднородность структуры, благотворно сказывается на теплопроводности. При прохождении через материалы такого рода большая часть тепловой энергии сохраняется.
  2. Плотность.Этот показатель влияет на пересечение частиц и более тесные контакты между ними. В свою очередь это увеличивает теплообменные процессы.
  3. Влажность.Чем выше данный фактор влияния — тем выше теплопроводность.

Рассмотрим подробнее каждый из популярных материалов для строительства по характеристикам

Дерево

  • Плотность, кг / м3: 500
  • Коэффициент теплопроводности, Вт / М°С: 0,14
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,5
Щелевой кирпич

  • Плотность, кг/м3: 1400-1700
  • Коэффициент теплопроводности, Вт / М°с: 0,5
  • Механопрочность, кгс / см2: 100-200
  • Влагопоглощение, % массы: 12-18
  • Морозоустойчивость, циклы: 100
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 1,2
Поризований блок

  • Плотность, кг/м3: 400-1000
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,18-0,28
  • Механопрочность, кгс/см2: 100-150
  • Влагопоглощение, % массы: 10-16
  • Морозоустойчивость, циклы: 100
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,6
Керамзитобетон

  • Плотность, кг / м3: 850-1800
  • Коэффициент теплопроводности, Вт / М°с: 0,4-0,8
  • Механопрочность, кгс / см2: 35-75
  • Вологопоглинання, % маси: 0
  • Морозоустойчивость, циклы: від 50
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,6
Пінобетон

  • Плотность, кг / м3: 600-1000
  • Коэффициент теплопроводности, Вт / М°с: 0,14-0,22
  • Механопрочность, кгс / см2: 15-25
  • Влагопоглощение, % массы: 10-16
  • Морозоустойчивость, циклы: від 35
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 1
Газобетон

  • Плотность, кг / м3: 300-600
  • Коэффициент теплопроводности, Вт / М°с: 0,08-0,14
  • Механопрочность, кгс / см2: 25-50
  • Влагопоглощение, % массы: 25
  • Морозоустойчивость, циклы: від 50
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,4

Коэффициент теплопроводности и его практическое применение.

Материалы, зачастую, различают по теплоизоляционным и конструкционным характеристикам. Чем выше показатели конструкционных характеристик, тем более пригодны эти материалы для построения стен, ограждений, перекрытий.
Используя данные описанные выше, гораздо проще будет определить возможности теплообмена каждого из материалов. Чем ниже этот показатель – тем тоньше должна быть постройка. Если использования материалов с высоким коэффициентом теплоотдачи не избежать – рекомендуется применять дополнительные утепляющие и изолирующие компоненты.

Утепление построек. Способы утепления. Виды утеплителей. Теплопроводность материалов для строительства, основные показатели

Ни для кого не секрет, что каждый материал обладает своими исключительными качествами. Одним из таких является теплопроводность.
Давайте рассмотрим пример того какой должна быть толщина стенки из разных материалов в помещении для обеспечения пригодной для жизни температуры в 18 градусов Цельсия, когда на улице мороз -26 градусов.
Если строить из пустотелого кирпича, вам придется возвести стенку толщиной в 51 сантиметр, из керамзитобетона – 30 сантиметров, стенка из древесины может не превышать 15 см, а бетонная с применением утеплителя и вовсе может едва достигать 14 см. Почему это так? Каждый из этих материалов обладает своей теплопроводностью.
Как мы видим, очень важно определиться с проектом на начальных этапах строительства, дабы не попасть впросак. Чем точнее данные – тем выше вероятность качественного расчета и выбора строительных материалов. Чтобы определиться с сырьем и не ошибиться – воспользуйтесь данными ниже. Эквивалентная теплопроводность строительных материалов:

  • пенополиуретан — 80
  • пенополистирол — 160
  • минвата — 200
  • дерево — 548
  • керамзит — 640
  • газобетон — 800
  • кирпич — 1520
  • гранит — 2500
  • бетон — 3440

Теплопроводность – что это

Сам термин «теплопроводность» определяет передачу энергии тепловой от предметов с более высокой температурой – предметам с более низкой. Сам теплообмен осуществляется до тех пор, пока температура обоих предметов не станет одинаковой. Чтобы обозначить энергию тепловую был создан коэффициент теплопроводности, применяемый для строительных материалов. Этот параметр дает четкое понимание того, какое количество энергии тепловой проходит в единицу времени через единицу площади. Чем выше этот показатель – тем лучше теплообмен. Чем меньше теплопроводность материал – тем более он пригоден для строительства жилых и отапливаемых помещений. Согласно строительным нормам толщина стен, препятствующая теплопотерям в зданиях должна соответствовать:

  1. Кирпич — 210 см
  2. Керамзитобетон — 90 см
  3. Дерево — 53 см
  4. Газобетон — 44 см
  5. Минеральная вата — 18 см
  6. Пенополистерол — 12 см

Теплопроводный коэффициент характеризуется показателем количества теплоты, проходящего сквозь метр толщины материала в единицу времени, равную 60 минут. При создании лучшей теплоизоляции профессионалы рекомендуют использовать эту характеристику в обязательном порядке. Также на нее стоит обратить внимание при необходимости подобрать дополнительные утепляющие материалы и конструкции.
Рассмотрим соотношение материала и коэффициента теплопроводности, измеренного в Ваттах на метр квадратный Кельвин:

Факторы, влияющие на теплопроводностьНа каждую характеристику имеют влияние ряд факторов. Не исключением является и теплопроводность. Какие же факторы оказывают значительное влияние?

  • Пористость поверхности. Неоднородность структуры, благотворно сказывается на теплопроводности. При прохождении через материалы такого рода большая часть тепловой энергии сохраняется.
  • Плотность. Этот показатель влияет на пересечение частиц и более тесные контакты между ними. В свою очередь это увеличивает теплообменные процессы.
  • Влажность. Чем выше данный фактор влияния — тем выше теплопроводность.

Рассмотрим подробнее каждый из популярных материалов для строительства по характеристикамКоэффициент теплопроводности и его практическое применение. Материалы, зачастую, различают по теплоизоляционным и конструкционным характеристикам. Чем выше показатели конструкционных характеристик, тем более пригодны эти материалы для построения стен, ограждений, перекрытий.
Используя данные описанные выше, гораздо проще будет определить возможности теплообмена каждого из материалов. Чем ниже этот показатель – тем тоньше должна быть постройка. Если использования материалов с высоким коэффициентом теплоотдачи не избежать – рекомендуется применять дополнительные утепляющие и изолирующие компоненты.
Если проект создается впервые гораздо проще предусмотреть все возможные теплопотери. Но если здание уже построено и планируется ремонт – первое на что стоит обратить внимание – утечки тепла через проемы, двери, щели в полу и стенах. Если этому моменту уделить недостаточно внимания – придется довольствоваться отопительными приборами и обогревать улицу.
Обратите внимание, что если при строительстве здания были использованы стандартные материалы, такие как камень, бетон или кирпич – утепление дополнительными элементами является обязательным.
Здания, построенные на основе деревянного каркаса, тоже нуждаются в утеплении и теплоизоляции. Для этого утеплитель следует расположить непосредственно в пространстве между панелями.
Здания, построенные из шлакоблоков или кирпича, обычно утепляются с наружной стороны.
Чтобы четко выбрать качественный утеплитель следует обратить внимание на ряд факторов:

  • Влияние повышенных температур
  • Тип сооружения
  • Уровень влажности

Кроме того, не лишним будет учесть параметры утепляющих конструкций, а именно:

  • Влагопоглощение Важно учитывать для наружных видов утеплений.
  • Горючесть. Если материал высокого качества – горение не должно поддерживаться.
  • Безопасность
  • Теплопроводность. Этот показатель создает общее влияние на весь процесс теплоизоляции.
  • Толщина утеплителя. Особенно важна при использовании его внутри помещения. Чем тоньше утеплитель – тем больше полезной площади сохраняется для использования.
  • Термоустойчивость. Чем выше этот фактор, тем большие перепады температур способен выдержать утеплитель.
  • Звукоизоляция. Дает дополнительную защиту от шума.

Виды утеплителей:

  • Минеральная вата. Материал с низкой теплопроводностью, экологичен, не подвергается горению.
  • Пенопласт. Высокие утеплительные качества, легкий, влагоустойчивый, простой в монтаже. В основном применяют для нежилых и коммерческих помещений.
  • Базальтовая вата. По своим характеристикам схожа с минеральной, но имеет улучшенные показатели устойчивости к влаге.
  • Пеноплэкс. Относительно новый материал с хорошими показателями теплопроводности. Достаточно просто устанавливается, отличается высокой устойчивостью к влаге, повышению температур и огню, служит долгие годы.
  • Пенополиуретан. Приметен высокой пожаробезопасностью и водоотталкивающими качествами.
  • Пенополистирол экструдированный. Имеет хорошую обработку, равномерную структуру.
  • Пенофол. Это полиэтилен вспененный, состоит из большого количества слоев. Отличается высокими теплоизоляционными характеристиками, покрыт фольгой для лучшего отражения.

Иногда теплоизоляцию обеспечивают при помощи сыпучих видов материалов. В основном, это перлит или гранулы бумажные. Отличаются хорошей стойкостью к возгоранию и влаге. Реже применяются покрытие пробковое, древесное волокно и лен.
При выборе теплоизолирующих материалов обязательно обращайте внимание на экологичность, и способность противостоять возгоранию. Совет: При рассмотрении теплоизолирования помещения отдельное внимание следует уделить гидроизоляции. Ее наличие позволит уменьшить теплопотери и не допустить высокую влажность в помещение.Сравнительные характеристики теплопроводностей и других показателей некоторых материалов, применяемых в строительствеРазобраться с некоторыми показателями поможет точное описание для некоторых наиболее применяемых материалов.

  • Железобетон – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 2,04 Вт/(м°С)
  • Бетон на гравии или щебне из природного камня – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 1,86 Вт/(м°С)
  • Керамзитобетон – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,92 Вт/(м°С)
  • Кирпичная кладка из сплошного кирпича глиняного обыкновенного (ГОСТ 53080) на цементно-песчаном растворе – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,81 Вт/(м°С)
  • Кирпичная кладка из керамического пустотного кирпича плотностью 1400 кг/м3 (брутто) на цементно-песчаном растворе – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,64 Вт/(м°С)
  • Кирпичная кладка из керамического пустотного кирпича плотностью 1300 кг/м3 (брутто) на цементно-песчаном растворе – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,58 Вт/(м°С)
  • Кирпичная кладка из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,87 Вт/(м°С)
  • Пенополистирол – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,05 Вт/(м°С)
  • Плиты минераловатные – применяемый в расчетах теплопроводности коэффициент 0,055 Вт/(м°С)

Чтобы рассчитать все самостоятельно следует толщину прослойки теплоизолятора разделить на теплопроводности коэффициент. Иногда это значение можно встретить на упаковке изоляции. А для дома материалы следует измерить самостоятельно, это касаемо толщины. Коэффициенты же доступны в таблицах.
Вот так просто выбрать и приобрести качественный материал и быть уверенным в том, что он соответствует всем желаемым требованиям.

алюминий
асбест
асфальтобетон
асбесто-цементные плиты
бетон, железобетон
битум
бронза
винипласт
Вода при температуре више 0
Войлок шерстяной
гипсокартон
гранит
древесина из дуба, волокна размещены вдоль
древесина из дуба, волокна размещены поперек
древесина из сосны или ели, волокна размещены вдоль
древесина из сосны или ели, волокна размещены поперек
до 221 Вт/м2
0,151 Вт/м2К
1,05 Вт/м2К
0,35 Вт/м2К
до 1,51 Вт/м2К
0,27 Вт/м2К
64 Вт/м2
0,163 Вт/м2К
0,6 Вт/м2К
0,047 Вт/м2К
0,15 Вт/м2К
3,49 Вт/м2К
0,23 Вт/м2К
0,1 Вт/м2К
0,18 Вт/м2К
до 0,15 Вт/м2К
плита древесно-стружечная или плита ориентировано-стружечная
железобен
картон используемый для облицовки
керамзит, плотность 200кг/м3
керамзит, плотность 800кг/м3
керамзитобетон, плотность 500кг/м3
керамзитобетон, плотность 1800кг/м3
кирпич керамический, пустотелый брутто 1000, плотность 1200кг/м3
кирпич керамический, пустотелый брутто 1400, плотность 1600кг/м3
кирпич красный глиняный
кирпич силикатный
Кладка из изоляционного кирпича
Кладка из обыкновенного кирпича
Кладка из огнеупорного кирпича
Краска масляная
0,15 Вт/м2К
1,69 Вт/м2К
0,18 Вт/м2К
0,1 Вт/м2К
0,18 Вт/м2К
0,14 Вт/м2К
0,66 Вт/м2К
0,35 Вт/м2К
0,41 Вт/м2К
0,56 Вт/м2К
0,7 Вт/м2К
до 0,209 Вт/м2К
до 0,814 Вт/м2К
1,05 Вт/м2К
0,233 Вт/м2К
Дерево

  • Плотность, кг/м3: 500
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,14
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,5
Щелевой цегла

  • Плотность, кг/м3: 1400-1700
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,5
  • Механопрочность, кгс/см2: 100-200
  • Вологопоглинання,% маси: 12-18
  • Морозоустойчивость, циклы: 100
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 1,2
Поризованный блок

  • Плотность, кг / м3: 400-1000
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,18-0,28
  • Механопрочность, кгс / см2: 100-150
  • Влагопоглощение, % масcы: 10-16
  • Морозоустойчивость, циклы: 100
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,6
Керамзитобетон

  • Плотность, кг/м3: 850-1800
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,4-0,8
  • Механопрочность, кгс/см2: 35-75
  • Влагопоглощение, % масcы: 0
  • Морозоустойчивость, циклы: від 50
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,6
Пенобетон

  • Плотность, кг/м3: 600-1000
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,14-0,22
  • Механопрочность, кгс/см2: 15-25
  • Влагопоглощение, % масcы: 10-16
  • Морозоустойчивость, циклы: від 35
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 1
Газобетон

  • Плотность, кг/м3: 300-600
  • Коэффициент теплопроводности, Вт/М°с: 0,08-0,14
  • Механопрочность, кгс/см2: 25-50
  • Влагопоглощение, % масcы: 25
  • Морозоустойчивость, циклы: від 50
  • Рекомендуемая толщина стены для средней полосы, м: не менее 0,4

Методы определения теплопроводности

Теплопроводность — важнейшая теплофизическая характеристика материалов. Её необходимо учитывать при конструировании нагревательных устройств, выборе толщины защитных покрытий, учёте тепловых потерь. Если под рукой или в наличии нет соответствующего справочника, а состав материала точно не известен, его теплопроводность необходимо вычислить или измерить экспериментально.

Составляющие теплопроводности материалов

Теплопроводность характеризует процесс теплопереноса в однородном теле с определёнными габаритными размерами. Поэтому исходными параметрами для измерения служат:

  1. Площадь в направлении, перпендикулярном направлению теплового потока.
  2. Время, в течение которого происходит перенос тепловой энергии.
  3. Температурный перепад между отдельными, наиболее удалёнными друг от друга частями детали или исследуемого образца.
  4. Мощность теплового источника.

Для соблюдения максимальной точности результатов требуется создать стационарные (установившиеся во времени) условия теплопередачи. В этом случае фактором времени можно пренебречь.

Измерители теплопроводности на нашем сайте.

Определить теплопроводность можно двумя способами — абсолютным и относительным.

Абсолютный метод оценки теплопроводности

В данном случае определяется непосредственное значение теплового потока, который направляется на исследуемый образец. Чаще всего образец принимается стержневым или пластинчатым, хотя в некоторых случаях (например, при определении теплопроводности коаксиально размещённых элементов) он может иметь вид полого цилиндра. Недостаток пластинчатых образцов — необходимость в строгой плоскопараллельности противоположных поверхностей.

Поэтому для металлов, характеризующихся высокой теплопроводностью, чаще принимают образец в форме стержня.

Суть замеров состоит в следующем. На противоположных поверхностях поддерживаются постоянные температуры, возникающие от источника тепла, который расположен строго перпендикулярно к одной из поверхностей образца.

В этом случае искомый параметр теплопроводности λ составит

 λ=(Q*d)/F(T2-T1), Вт/м∙К, где:

Q — мощность теплового потока;

d — толщина образца;

F — площадь образца, на которую воздействует тепловой поток;

Т1 и Т2 — температуры на поверхностях образца.

Поскольку мощность теплового потока для электронагревателей может быть выражена через их мощность UI, а для измерения температуры могут быть использованы подключённые к образцу термодатчики, то вычислить показатель теплопроводности λ не составит особых трудностей.

Для того, чтобы исключить непроизводительные потери тепла, и повысить точность метода, узел образца и нагревателя следует поместить в эффективный теплоизолирующий объём, например, в сосуд Дьюара.

Относительный метод определения теплопроводности

Исключить из рассмотрения фактор мощности теплового потока можно, если использовать один из способов сравнительной оценки. С этой целью между стержнем, теплопроводность которого требуется определить, и источником тепла помещают эталонный образец, теплопроводность материала которого λ3 известна. Для исключения погрешностей измерения образцы плотно прижимаются друг к другу. Противоположный конец измеряемого образца погружается в охлаждающую ванну, после чего к обоим стержням подключаются по две термопары.

Далее включают нагреватель, и по достижении стационарного состояния, измеряют разницу температур между термопарами испытуемого образца и образца-эталона.

Теплопроводность вычисляется из выражения

λ=λ3(d(T13-T23)/d3(T1-T2)), где:

d — расстояние между термопарами в исследуемом образце;

d3 — расстояние между термопарами в образце-эталоне;

T13 и T23 — показания термопар, установленных в образце-эталоне;

Т1 и Т2 — показания термопар, установленных в исследуемом образце.

Теплопроводность можно определить и по известной электропроводности γ материала образца. Для этого в качестве испытуемого образца принимают проводник из проволоки, на концах которого любым способом поддерживается постоянная температура. Через проводник пропускается постоянный электрический ток силой I, причём клеммный контакт должен приближаться к идеальному.

По достижении стационарного теплового состояния температурный максимум Tmax будет располагаться посредине образца, с минимальными значениями Т1 и Т2 на его торцах. Измерив разность потенциалов U между крайними точками образца, значение теплопроводности можно установить из зависимости 


Точность оценки теплопроводности возрастает с возрастанием длины испытуемого образца, а также с увеличением силы тока, который пропускается через него.

Относительные методы измерения теплопроводности точнее абсолютных, и более удобны в практическом применении, однако требуют существенных затрат времени на выполнение замеров. Это связано с длительностью установления стационарного теплового состояния в образце, теплопроводность которого определяется.

Все публикации


Архив по годам: 2015; 2016;

Теплопроводность при низких температурах. Часть 1. Теория

больше статей

​Теплопроводность при низких температурах, Часть 1: Теория

Рисунок 1. Теплопроводность выбранных металлов в зависимости от температуры. Данные НИСТ.

Теплопроводность – это процесс переноса тепловой энергии через вещество. Он тесно связан с удельной теплоемкостью, количеством тепловой энергии, содержащейся в веществе. На обе величины влияют сходные факторы. Одним из хороших источников данных о материалах при низких температурах является веб-страница криогенной группы NIST по адресу http://cryogenics.nist.gov.

В металлах за тепло- и электропроводность в первую очередь отвечают электроны. Вклад решетки в теплопроводность металлов мал и обычно им пренебрегают. Примеси и дефекты решетки рассеивают электроны и снижают теплопроводность. Самая высокая теплопроводность достигается у очень чистых металлов в отожженном состоянии. К металлам, обычно встречающимся при работе при низких температурах, относятся нержавеющая сталь, алюминий и медь. Металлы обычно имеют теплопроводность в диапазоне от 10 Вт/м-К (сплавы из нержавеющей стали) до 400 Вт/м-К (медь) при комнатной температуре. Во многих чистых металлов и в большинстве кристаллических неметаллов теплопроводность увеличивается при понижении температуры, пока не достигает максимального значения около 20 К. Это может показаться удивительным, поскольку количество электронов проводимости, способных проводить тепло, уменьшается с понижением температуры. Однако количество фононов или колебаний решетки, которые рассеивают электроны и ограничивают проводимость, также уменьшается с температурой. Чистый эффект заключается в увеличении теплопроводности при понижении температуры до тех пор, пока температура не станет настолько низкой, что примеси и дефекты станут основным ограничивающим фактором. При очень низких температурах теплопроводность пропорциональна температуре.

В частности, в меди, но и в других металлах теплопроводность сильно зависит от чистоты и состояния металла. В результате существует значительный разброс значений теплопроводности, приводимых в литературе, даже для конкретного сплава. Для большей предсказуемости эти металлы иногда характеризуют остаточным сопротивлением или значением RRR. Значение RRR представляет собой отношение удельного электрического сопротивления при 4,2 К к удельному электрическому сопротивлению при 273 К. Это позволяет охарактеризовать теплопроводность, поскольку между электропроводностью и теплопроводностью в металлах существует близкое соответствие.

Для криогенных применений используются медь и алюминий, где требуется хорошая теплопроводность, например. в теплообменниках и теплозащитных экранах. Нержавеющая сталь используется в тех случаях, когда подходит относительно низкая теплопроводность; например в опорах и элементах конструкции.

В то время как хорошая теплопроводность и хорошая электропроводность идут рука об руку для обычных металлов, для сверхпроводников верно обратное. Куперовские пары, ответственные за сверхпроводимость, не участвуют в теплопроводности. Ниже температуры перехода теплопроводность сверхпроводника быстро падает. Это следует иметь в виду при использовании алюминия, температура перехода которого составляет 1,2 К, и при использовании некоторых припоев.


Рис. 2. Теплопроводность сапфира и меди RRR 500

Неметаллы часто считаются относительно плохими проводниками тепла; однако кристаллических неметаллов на самом деле могут иметь очень высокую теплопроводность. Теплопроводность сапфира (оксида алюминия) фактически превышает теплопроводность очень чистой меди (RRR 500) примерно от 20 до 100 К. Сапфир используется в качестве электрического изолятора в теплоотводах (например, магнитные выводы), где требуется отличная теплопроводность и электрическая изоляция. Теплопроводность алмаза достигает пикового значения 3000 Вт/м·К при температуре 80 К, хотя он не получил широкого распространения из-за своей стоимости. Оксид бериллия и кварц также являются примерами неметаллов, которые могут проявлять относительно высокую теплопроводность в кристаллической форме. В неметаллах тепло переносится колебаниями решетки. В кристалле хорошего качества, свободном от дефектов и примесей, эти колебания решетки могут распространяться на большие расстояния и эффективно переносить тепло. Колебания решетки фактически рассеиваются при столкновениях с другими колебаниями решетки. Снижение температуры уменьшает количество колебаний решетки, но позволяет оставшимся распространяться дальше, тем самым увеличивая теплопроводность. Как и в случае с металлами, достигается точка, когда примеси и дефекты ограничивают теплопроводность, что приводит к пиковому значению в диапазоне от 10 до 100 К в зависимости от материала.


Рис. 3. Теплопроводность некоторых пластиков. Данные НИСТ.

Пластмассы широко используются в криогенных приложениях. Металлизированные пластмассы используются в качестве изоляции, пластиковые опоры используются для минимизации утечек тепла, а пластмассы используются для обеспечения электрической изоляции и герметизации сверхпроводящих катушек. Пластмассы имеют относительно низкую теплопроводность; в диапазоне от 0,2 Вт/м-К до 0,8 Вт/м-К при комнатной температуре. Их теплопроводность меняется очень мало, пока температура не упадет ниже 50К. При очень низких температурах теплопроводность большинства неметаллов уменьшается в зависимости от T3.

Теплопроводность пластмасс можно изменить с помощью таких добавок, как оксид алюминия. Теплопроводность пластмасс, как и всех неметаллов, обусловлена ​​колебаниями решетки. В решетке аморфных материалов отсутствует крупномасштабная регулярность кристаллов, и колебания решетки не могут распространяться на большие расстояния. Даже пластмассы, считающиеся кристаллическими, такие как нейлон, не имеют той степени упорядоченности, которая имеется в таких кристаллах, как кварц или сапфир. Как следствие, пластмассы в целом имеют очень похожие свойства. Теплопроводность G10 , широко используемый для изготовления опор в криогенном оборудовании благодаря своим благоприятным механическим свойствам, имеет несколько иную теплопроводность по нормали и в плоскости наполнителя.

Теплопроводность обычных твердых материалов может варьироваться в пределах семи порядков при низких температурах. При самых низких температурах теплопроводность твердых тел становится очень малой. Однако при промежуточных температурах теплопроводность одного вещества, особенно очень чистого, может изменяться на несколько порядков. Эти различия необходимо учитывать при проектировании криогенного оборудования. Во второй части мы обсудим правильный выбор материала.

Инженерный отдел компании Meyer Tool обладает знаниями и опытом в области криогенного оборудования, чтобы успешно использовать ряд материалов для достижения ваших целей проектирования. Используйте этот опыт в своем следующем проекте. Если эта статья была вам интересна, напишите нам и дайте нам знать. Ваш отзыв поможет нам определить, какой тип контента вы хотели бы видеть в нашем информационном бюллетене и размещать на веб-сайте.


Что такое испытание на теплопроводность?

Теплопроводность — это фундаментальное свойство материала, связанное с легкостью, с которой тепловая энергия проходит через конкретный материал. Материалы, которые легко проводят тепло при небольшом заданном температурном градиенте, имеют более высокую теплопроводность, чем материалы, более устойчивые (более изолирующие) к потоку тепла. Точное знание теплопроводности материала необходимо для прогнозирования переноса тепла путем теплопроводности.

Теплопроводность — чистое свойство материала, не зависящее от площади проводимости или толщины материала. ASTM D5470 стандартизирует метод двустороннего одномерного теплового потока для измерения теплопроводности, поэтому полученные данные будут отражать только свойства материала без учета конкретного используемого испытательного оборудования.

ASTM D5470 касается теплопроводности «тонких» материалов, которые часто называют «материалами с тепловым интерфейсом». «Тонкие» материалы — это материалы толщиной менее 1–2 см. Этот метод определяет теплопроводность как отношение теплового потока к соответствующему градиенту температуры в одномерных условиях теплопроводности. Это измерение можно представить как теплопроводность между двумя параллельными изотермическими поверхностями площадью A при температуре T .H и T C разделены слоем испытуемого материала толщиной X с установившейся мощностью Q . Теплопроводность, k , определяется как

k = Q * X / ((T H — T C ) * A)

Наиболее популярными единицами измерения теплопроводности являются Ватт/метр-Кельвин. (Вт/мК). Термическое сопротивление просто определяется как величина, обратная теплопроводности. Альтернативное выражение для k можно получить, используя тепловое сопротивление R образца материала между параллельными горячими и холодными поверхностями, определяемое:

R = (T H — T C ) / Q

Их комбинация дает более простую форму определения теплопроводности:

k = X / (R * A)

Часто материалы для термоинтерфейса поставляются в виде листов номинальной толщины, где характеристики теплопроводности для материала приведены в форма RA вместо k . Для этих ситуаций

RA = X / k

Теплопроводность — это свойство материала, которое не зависит от какого-либо конкретного применения, поскольку свойства материала идеально «независимы от применения».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

*

*