Теплопроводность | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Теплопроводность». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое теплопроводность. Как различаются теплопроводности веществ.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

Теплопередача является одним из способов передачи внутренней энергии от одного тела к другому. Существует три вида теплопередачи.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Когда вы опускаете чайную ложку в стакан с горячим чаем, то нагревается не только часть ложки, опущенная в воду, но постепенно и та часть ложки, которая находится над водой. Значит, внутренняя энергия может переходить не только от одного тела к другому, но и от одной части тела к другой части того же тела.

Проведём следующий опыт. В штативе закрепим толстую металлическую проволоку, к которой при помощи воска прикрепим несколько гвоздиков. Нагреем свободный конец проволоки. Сначала от нагревания размягчается воск, который удерживает ближайший от пламени гвоздик. Спустя некоторое время этот гвоздик отрывается от стержня и падает. Затем падает второй гвоздик, третий и т. д. Следовательно, стержень проводит тепло.

Как объясняется это явление? В проволоке, как и во всех твёрдых телах, атомы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. При нагревании проволоки в месте её контакта с горелкой скорость колебательного движения атомов металла увеличивается. Эти атомы, взаимодействуя с соседними атомами, передают им часть своей энергии. Таким образом, в результате теплопередачи постепенно нагревается вся проволока.

Важно отметить, что в твёрдых телах сами атомы, передавая кинетическую энергию, не меняют своё местоположение, т. е. само вещество не перемещается.

Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называют теплопроводностью. При теплопроводности само вещество не перемещается от одной части тела к другой.

Когда хотят вскипятить воду на костре, котелок с водой вешают на деревянную палку. Именно благодаря низкой теплопроводности дерева мы можем спокойно снять котелок с кипящей водой с костра и не обжечься. Низкая теплопроводность дерева используется с древности при изготовлении, например, факелов.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Разные вещества имеют неодинаковую теплопроводность. Если один конец деревянной сухой палки держать в руке, а второй конец опустить в костёр, мы не почувствуем нагрева палки до тех пор, пока огонь не коснётся руки. Если же в этом опыте вместо палки взять металлический прут, то свободный конец достаточно быстро станет очень горячим и держать его в руке мы уже не сможем. Всё дело в том, что металлы обладают гораздо большей теплопроводностью, чем дерево.

Рассмотрим следующий опыт. Верхние концы стержней одинакового размера из меди, алюминия, железа, стекла и дерева прогреваются горячей водой. К нижним концам этих стержней прикреплены воском гвоздики. Быстрее всего гвоздик отпадает от медного стержня, значит, медь очень хороший проводник тепла. Через некоторое время гвоздик отпадает от алюминиевого стержня, затем — от железного, и только потом от стеклянного. От деревянного стержня, имеющего низкую теплопроводность, гвоздик не отпадёт.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Возьмём пробирку с водой и погрузим в неё кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лёд легче воды), придавим его медным грузиком. Но при этом вода должна иметь свободный доступ ко льду. Начнём нагревать верхнюю часть пробирки. Вскоре вода у поверхности закипит, выделяя клубы пара. Но при этом лёд на дне пробирки так и не растает. Это означает, что у жидкостей теплопроводность невелика (за исключением ртути и расплавленных металлов).

У газов теплопроводность ещё меньше. Это можно проверить на следующем опыте. В сухую пробирку, закрытую резиновой пробкой с маленьким отверстием, вставим металлическую спицу. Держа спицу в руке, нагреем пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Несмотря на высокую теплопроводность металла, рука долго не почувствует тепла, так как воздух в пробирке имеет очень низкую теплопроводность и спица практически не нагреется.

Уменьшение теплопроводности газов по сравнению с твёрдыми телами связано с увеличением расстояния между молекулами. Так как передача тепла обусловлена передачей кинетической энергии между молекулами, с увеличением межмолекулярного расстояния эта передача становится всё более затруднительной.

Вещества с плохой теплопроводностью одинаково хорошо могут использоваться для поддержания тел как в холодном состоянии, так и в нагретом.

Плохая теплопроводность снега позволяет сохранить озимые растения в холодные зимы. Поэтому в бесснежные зимы часто происходит вымерзание озимых посевов на полях. Низкая теплопроводность воздуха, заключённого между перьями птиц, шерстинками меха животных, обеспечивает им эффективную защиту от холода. Низкой теплопроводностью обладают все пористые вещества, например пробка или бумага.

Вещества с низкой теплопроводностью широко применяются в быту и технике. Для защиты от холода люди с древности возводили жилища из дерева и камня. Для защиты от ожога на металлических кастрюлях и чайниках делаются пластиковые или деревянные ручки. Хорошая теплопроводность металлов, таких, как алюминий и медь, используется при изготовлении деталей охлаждающих устройств.

Способностью передавать тепло, или теплопроводностью, обладают все вещества: и твёрдые, и жидкие, и газообразные. Однако теплопроводность различных веществ неодинакова. Лучшими проводниками тепла являются металлы. Хуже всего проводят тепло газы. Известно, что теплопроводность воздуха в 20 000 раз меньше теплопроводности меди.

Самую низкую теплопроводность имеет вакуум. Так называют пространство, в котором отсутствуют атомы и молекулы. Теплопроводность вакуума близка к нулю.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Теплопроводность».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 6 988

Теплопроводность меди – две стороны одной медали

Дата публикации: 21.10.22

Дата обновления: 26.05.23

8 мин

1075

Размер текста статьи:

Теплопроводность меди – две стороны одной медали

Содержание статьи

1 Медь – коротко про теплопроводность

  Теплопроводностью называют процесс переноса энергии частиц (электронов, атомов, молекул) более нагретых участков тела к частицам менее нагретых его участков. Такой теплообмен приводит к выравниванию температуры. Вдоль тела переносится только энергия, вещество не перемещается. Характеристикой способности проводить тепло является коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, которая проходит через материал площадью 1 м², толщиной 1 м, за 1 секунду при единичном градиенте температуры.

  Коэффициент теплопроводности меди при температуре 20–100 °С составляет 394 Вт/(м*К) – выше только у серебра. Стальной прокат уступает меди по этому показателю почти в 9 раз, а железо – в 6. Различные примеси по-разному влияют на физические свойства металлов. У меди скорость передачи тепла снижается при добавлении в материал или попадании в результате технологического процесса таких веществ, как:

• — алюминий;
• — железо;
• — кислород;
• — мышьяк;
• — сурьма;
• — сера;
• — селен;
• — фосфор.

  Высокая теплопроводность характеризуется быстрым распространением энергии нагрева по всему объему предмета. Эта способность обеспечила меди широкое применение в любых системах теплообмена. Ее используют при изготовлении трубок и радиаторов холодильников, кондиционеров, вакуумных установок, автомашин для отвода избыточного тепла охлаждающей жидкости. В отопительных приборах подобные изделия из меди служат для обогрева.

  Способность меди проводить тепло снижается при нагреве. Значения коэффициента теплопроводности меди в воздухе зависит от температуры последнего, которая влияет на теплоотдачу (охлаждение). Чем выше температура окружающей среды, тем медленнее остывает металл и ниже его теплопроводность. Поэтому во всех теплообменниках используют принудительный обдув вентилятором – это повышает эффективность работы устройств и одновременно поддерживает тепловую проводимость на оптимальном уровне.

2 Теплопроводность алюминия и меди – какой металл лучше?

  Теплопроводность алюминия и меди различна – у первого она меньше, чем у второго, в 1,5 раза. У алюминия этот параметр составляет 202–236 Вт/(м*К) и является достаточно высоким по сравнению с другими металлами, но ниже, чем у золота, меди, серебра. Область применения алюминия и меди, где требуется высокая теплопроводность, зависит от ряда других свойств этих материалов.

  Алюминий не уступает меди по антикоррозионным свойствам и превосходит в следующих показателях:

• — плотность (удельный вес) алюминия меньше в 3 раза;
• — стоимость – ниже в 3,5 раза.

  Аналогичное изделие, но выполненное из алюминия, значительно легче, чем из меди. Так как по весу металла требуется меньше в 3 раза, а цена его ниже в 3,5 раза, то алюминиевая деталь может быть дешевле примерно в 10 раз. Благодаря этому и высокой теплопроводности алюминий нашел широкое применение при производстве посуды, пищевой фольги для духовок. Так как этот металл мягкий, то в чистом виде не используется – распространены в основном его сплавы (наиболее известный – дюралюминий).

  В различных теплообменниках главное – это скорость отдачи избыточной энергии в окружающую среду. Эта задача решается интенсивным обдувом радиатора посредством вентилятора. При этом меньшая теплопроводность алюминия практически не отражается на качестве охлаждения, а оборудование, устройства получаются значительно легче и дешевле (к примеру, компьютерная и бытовая техника). В последнее время в производстве наметилась тенденция к замене в системах кондиционирования медных трубок на алюминиевые.

  Медь практически незаменима в радиопромышленности, электронике в качестве токопроводящего материала. Благодаря высокой пластичности из нее можно вытягивать проволоку диаметром до 0,005 мм и делать другие очень тонкие токопроводящие соединения, используемые для электронных приборов. Более высокая, чем у алюминия, проводимость обеспечивает минимальные потери и меньший нагрев радиоэлементов. Теплопроводность позволяет эффективно отводить выделяемое при работе тепло на внешние элементы устройств – корпус, подводящие контакты (к примеру, микросхемы, современные микропроцессоры).

  Шаблоны из меди используют при сварке, когда необходимо на стальную деталь сделать наплавку нужной формы. Высока теплопроводность не позволит медному шаблону соединиться с приваренным металлом. Алюминий в таких случаях применять нельзя, так как велика вероятность его расплавления или прожига. Медь также используют при сварке угольной дугой – стержень из этого материала служит неплавящимся катодом.

3 Минусы высокой теплопроводности

  Низкая теплопроводность во многих случаях является нужным свойством – на этом основана теплоизоляция. Использование медных труб в системах отопления приводит к гораздо большим потерям тепла, чем при применении магистралей и разводок из других материалов. Медные трубопроводы требуют более тщательной теплоизоляции.

  У меди высокая теплопроводность, что обуславливает достаточно сложный процесс монтажных и других работ, имеющих свою специфику. Сварка, пайка, резка меди требует более концентрированного нагрева, чем для стали, и зачастую предварительного и сопутствующего подогрева металла.

  При газовой сварке меди необходимо использование горелок мощностью на 1–2 номера выше, чем для стальных деталей такой же толщины. Если медь толще 8–10 мм, рекомендуется работать с двумя или даже тремя горелками (часто сварку производят одной, а другими осуществляют подогрев). Сварочные работы на переменном токе электродами сопровождаются повышенным разбрызгиванием металла. Резак, достаточный для толщины высокохромистой стали в 300 мм, подойдет для резки латуни, бронзы (сплавы меди) толщиной до 150 мм, а чистой меди всего в 50 мм. Все работы связаны с значительно большими затратами на расходные материалы.

4 Как у меди повысить теплопроводность?

  Медь – один из главных компонентов в электронике, используется во всех микросхемах. Она отводит и рассеивает тепло, образующееся при прохождении тока. Ограничение быстродействия компьютеров обусловлено увеличением нагрева процессора и других элементов схем при росте тактовой частоты. Разбиение на несколько ядер, работающих одновременно, и другие способы борьбы с перегревом себя исчерпали. В настоящее время ведутся разработки, направленные на получение проводников с более высокой электропроводимостью и теплопроводностью.

  Открытый недавно учеными графен способен значительно увеличить теплопроводность медных проводников и их возможность к рассеиванию тепла. При проведении эксперимента слой меди покрыли графеном со всех сторон. Это улучшило теплоотдачу проводника на 25 %. Как объяснили ученые, новое вещество меняет структуру передачи тепла и позволяет энергии двигаться в металле свободнее. Изобретение находится на стадии доработки – при эксперименте использовался медный проводник гораздо больших размеров, чем в процессоре.

Теплопроводность меди

Комментарии

Поделитесь своим мнением в комментарии

Комментарий

Отправить

Интересные статьи

Что такое теплопроводность? — Определение из Corrosionpedia

Последнее обновление: 8 января 2018 г.

Что означает теплопроводность?

Теплопроводность — это свойство материала, определяющее скорость, с которой он может передавать тепло. Теплопроводность каждого материала определяется константой λ, которая рассчитывается как:

λ = (Q x L) / (A x t x ΔT)

, где Q — тепло, L — толщина поверхности, A — площадь поверхности. , t — время, ΔT — разница температур.

Теплопроводность материала является фундаментальным свойством. Те материалы с высокой теплопроводностью будут быстро передавать тепло, либо получая тепло от более горячего материала, либо отдавая тепло более холодному материалу. Наоборот, материалы с низкой теплопроводностью действуют как теплоизоляторы, препятствуя передаче тепла.

Поскольку коррозия является процессом, зависящим от температуры, контроль теплопередачи является важным конструктивным фактором установок. Выбор металла, сплава и соответствующих материалов покрытия влияет на способность передавать тепло в зависимости от теплопроводности каждого материала.

Реклама

Коррозионпедия Объясняет Теплопроводность

Теплопроводность работает на границе двух поверхностей, где сторона с более высокой температурой передает энергию и нагревает сторону с более низкой температурой. На молекулярном уровне молекулы передают эту энергию посредством столкновений на границе раздела. Теплопроводность материала определяется тем, насколько легко и какие механизмы доступны для передачи энергии через материал.

Одним из механизмов передачи тепла через материал является вибрация. Атомы твердого материала образуют решетку, и вибрации, известные как фононы, распространяются через материал, передавая колебательную энергию соседним атомам. Этот механизм является основным механизмом теплопроводности неметаллических материалов.

Для большинства металлических материалов доступен дополнительный механизм теплопередачи благодаря свободным электронам материала. Этот механизм связан с электронной проводимостью этих материалов и легкостью прохождения электронов через зону проводимости материала. Таким образом, материалы с высокой электропроводностью также обладают высокой теплопроводностью.

На двух концах шкалы теплопроводности находятся теплоизоляторы и радиаторы с низкой и высокой теплопроводностью соответственно. Изоляторы используются для защиты от теплопередачи, например, для покрытия изоляторов материалов, подвергающихся воздействию чрезвычайно высоких температур, или просто для предотвращения замерзания воды внутри труб в холодных условиях. С другой стороны, радиаторы полезны для контроля температуры и предотвращения перегрева или перегрева оборудования.

С точки зрения контроля температуры свойство теплопроводности является важным фактором для металлических частей объекта. Поскольку предотвращение коррозии также является важным фактором, необходимо оценивать теплопроводность защитных барьеров и покрытий. Определенный выбор в отношении предотвращения коррозии может, в свою очередь, повлиять на регулирование температуры и наоборот.

Связанный вопрос

Существуют ли какие-либо правила OSHA, которые необходимо учитывать при использовании теплоизоляционных покрытий?

Реклама

Поделись этим термином

Связанные термины

• Тепловой поток
• Теплоизоляция
• Термобарьерное покрытие
• Скорость выделения тепла

• Спекание
• Вспучивающийся
• Изоляция из минеральной ваты
• Изоляция из минеральной ваты

Связанное Чтение

• 6 способов измерения вязкости жидкости
• Коррозия легких материалов, используемых в автомобильной промышленности
• Коррозионное растрескивание под напряжением в процессе эксплуатации нержавеющей стали 316L в h3S
• Растущие разногласия в отрасли покрытия труб
• Эпоксидные покрытия ступенчатого изменения для защиты от коррозии под изоляцией
• Понимание причин и способов устранения коррозии под изоляцией

Теги

Выбор материаловКоррозияТемператураНаучные свойстваКоррозионный процессФизические свойства Электрические свойстваИзмерениеИнжиниринг и составление спецификаций

Актуальные статьи

Осмотр/мониторинг

Стратегии смягчения коррозии переменного тока с помощью RMU

Процедуры

5 способов измерения твердости материалов

Защита от коррозии

Основы катодной защиты

Покрытия

5 наиболее распространенных типов металлических покрытий, о которых должен знать каждый

NanoEngineering: Research

Полимеры с высокой теплопроводностью представляют большой интерес для систем терморегулирования. Доступность этих полимеров может расширить производство пластмасс за счет частичной замены металлов и керамики в устройствах и системах теплопередачи, что приведет к экономии энергии и затрат. Однако объемные полимеры обычно имеют низкую теплопроводность, ~0,1 — 0,3 Вт·м 9 .0111 -1 K ^-1 , из-за наличия дефектов, таких как концы полимерных цепей, запутанность, случайная ориентация, пустоты и примеси и т. д. Эти дефекты действуют как точки концентрации напряжений и места рассеяния фононов для теплопередачи. Типичные методы, такие как введение вторичной фазы с высокой теплопроводностью в полимерную матрицу, повышают теплопроводность, но только на один порядок величины из-за высокого теплового сопротивления между вторичной фазой и полимерной матрицей. Вопреки общепринятому мнению, мы показываем, что одиночная полимерная цепь может иметь очень высокую теплопроводность, когда ведет себя как одномерный проводник.

Пространственное пересечение фононного транспорта

Рисунок 1: Нажмите, чтобы увеличить

Полимеры состоят из сильных ковалентных связей и слабых сил Ван-дер-Ваальса во внутрицепочечных и межцепочечных молекулярных связях соответственно. В одномерной одиночной цепочке перенос фононов является одномерным, поскольку все волновые векторы нормальной моды указывают в направлении z (т.е. вдоль основной цепи). Таким образом, такая одиночная вытянутая полимерная цепь, вероятно, сама по себе будет иметь высокую теплопроводность благодаря ориентации и прочным ковалентным связям. В трехмерной объемной кристаллической структуре, где взаимодействуют несколько протяженных цепей, происходят два явления; дополнительные моды от относительных колебаний между целыми цепями и больше путей для теплопроводности. Эти моды распространяются в двух других измерениях под разными углами от основной цепи и действуют как дополнительный механизм фонон-фононного рассеяния. Эти моды имеют как более низкие частоты, так и групповые скорости из-за более слабой ван-дер-ваальсовой жесткости, что приводит к более низкой теплопроводности. Наоборот, большее количество путей для теплопроводности увеличивает теплопроводность. Взаимодействие между этими двумя эффектами будет определять, будет ли теплопроводность иметь тенденцию к увеличению или уменьшению. Используя моделирование молекулярной динамики, мы показываем, что преобладает эффект фононного рассеяния ван-дер-ваальсовых взаимодействий, который приводит к кроссоверу из 1D в 3D при переносе фононов от одиночной цепи к объемной решеточной структуре ¹ (рис. 1). Для одиночной полиэтиленовой цепи ² возможна очень высокая теплопроводность (>350 Вт·м ^-1 К ^-1 ), даже расходящаяся.

Polymer Processing

Рисунок 2: Нажмите, чтобы увеличить

Мы изготовили нановолокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) со значениями теплопроводности ~ 104 Wm ^-1 K ^-1 , что превышает проводимости примерно половины чистых металлов ³ . Высокая теплопроводность объясняется молекулярной ориентацией полимерных цепей во время ультравытяжки, что улучшает качество волокна до идеального монокристаллического волокна. Мы использовали двухэтапный метод; изготовление волокна при 120 ºC из геля UHMWPE и вытягивание его при 90 ºC с контролируемым натяжением. Рентгеновская дифрактограмма волокон показывает прочную монокристаллическую природу изготовленных полиэтиленовых нановолокон. Теплопроводность этих волокон измеряется на установке, в которой используется чувствительный кантилевер АСМ из двух материалов. Эта установка позволяет измерять мощность до 0,1 нВт и энергию до 0,15 нДж. Кроме того, мы предоставили теоретическую оценку теплопроводности объемного монокристалла полиэтилена на основе молекулярно-динамического моделирования с использованием подхода Грина-Кубо. Наше расчетное значение 180 ± 65 Wm ^-1 K ^-1 указывает на возможность улучшения теплопроводности полиэтилена до уровня, при котором он может конкурировать с алюминием (235 Wm ^-1 K ^-1 ). В настоящее время мы разрабатываем подход к производству полиэтиленовых волокон и пленок с высокой теплопроводностью.

Ссылки

1. Генри А.; Чен, Г .; Плимптон, SJ; Томпсон, А., Переход фононной теплопроводности в полиэтилене из 1D в 3D с использованием моделирования молекулярной динамики.