Tepelná vodivost je fyzická veličina, která určuje schopnost materiálů vést teplo. Jinými slovy, tepelná vodivost je schopnost látek přenášet kinetickou energii atomů a molekul na jiné látky, které jsou s nimi v přímém kontaktu. V SI je tato hodnota měřena ve W / (K * m) (wattech na metr Kelvin), což je ekvivalent J / (s * m * K) (joule za sekundu-metr Kelvin).

Koncept tepelné vodivosti

Je to intenzivní fyzické množství, tj. Množství, které popisuje vlastnost hmoty, nezávisle na množství posledně uvedeného. Intenzivními veličinami jsou také teplota, tlak, elektrická vodivost, to znamená, že tyto vlastnosti jsou v každém bodě stejné látky stejné. Další skupina fyzikálních veličin je rozsáhlá, která jsou určena množstvím látky, například hmotou, objemem, energií a dalšími.

Opačnou hodnotou pro tepelnou vodivost je tepelný odpor, který odráží schopnost materiálu zabránit přenosu tepla jím procházejícím. V případě izotropního materiálu, tj. Materiálu, jehož vlastnosti jsou ve všech prostorových směrech stejné, je tepelná vodivost skalární veličina a je definována jako poměr tepelného toku přes jednotku plochy za jednotku času k teplotnímu gradientu. Tepelná vodivost, která se rovná jednomu wattu na metr-Kelvin, znamená, že tepelná energie v jednom joulu je přenášena materiálem:

  • za jednu sekundu;
  • přes plochu jednoho čtverečního metru;
  • ve vzdálenosti jednoho metru;
  • když je teplotní rozdíl na povrchech umístěných ve vzdálenosti jednoho metru od sebe v materiálu roven jednom Kelvinu.

Je zřejmé, že čím vyšší je hodnota tepelné vodivosti, tím lépe materiál vede teplo a naopak. Například hodnota této hodnoty pro měď je 380 W / (m * K) a tento kov přenáší teplo 10 000krát lépe než polyurethan, jehož tepelná vodivost je 0, 035 W / (m * K).

Molekulární přenos tepla

Když se hmota zahřeje, průměrná kinetická energie jejích částic se zvyšuje, to znamená, že se zvyšuje úroveň poruchy, atomy a molekuly začnou kmitat intenzivněji a s větší amplitudou kolem jejich rovnovážných poloh v materiálu. Přenos tepla, který lze na makroskopické úrovni popsat Fourierovým zákonem, na molekulární úrovni je výměna kinetické energie mezi částicemi (atomy a molekulami) látky, aniž by došlo k přenosu.

Toto vysvětlení mechanismu tepelné vodivosti na molekulární úrovni jej odlišuje od mechanismu tepelné konvekce, při kterém dochází k přenosu tepla v důsledku přenosu hmoty. Všechny pevné látky mají schopnost vést teplo, zatímco tepelná konvekce je možná pouze v kapalinách a plynech. Ve skutečnosti pevné látky přenášejí teplo hlavně kvůli tepelné vodivosti a kapaliny a plyny, pokud jsou v nich teplotní gradienty, přenášejí teplo hlavně díky konvekčním procesům.

Tepelná vodivost materiálů

Kovy mají výraznou schopnost vést teplo. Polymery se vyznačují nízkou tepelnou vodivostí a některé z nich prakticky nevedou teplo, například skleněná vlákna, takové materiály se nazývají tepelné izolátory. K tomu, aby tento nebo ten tepelný tok v prostoru existoval, je nutné v tomto prostoru mít nějakou látku, proto je v otevřeném prostoru (prázdný prostor) nulová tepelná vodivost.

Každý homogenní (homogenní) materiál je charakterizován koeficientem tepelné vodivosti (označeným řeckým písmenem lambda), tj. Hodnotou, která určuje, kolik tepla musí být přeneseno přes plochu 1 m², takže se během jedné sekundy mění tloušťka materiálu o jeden metr, teplota na jeho koncích se mění o 1 K. Tato vlastnost je vlastní každému materiálu a mění se v závislosti na jeho teplotě, proto se tento koeficient zpravidla měří při pokojové teplotě (300 K), aby se porovnaly vlastnosti různých látek.

Pokud je materiál heterogenní, například železobeton, zavádí se koncept užitečného koeficientu tepelné vodivosti, který se měří podle koeficientů homogenních látek, které tento materiál tvoří.

Níže uvedená tabulka ukazuje tepelnou vodivost některých kovů a slitin ve W / (m * K) při teplotě 300 K (27 ° C):

  • ocel 47-58;
  • hliník 237;
  • měď 372, 1-385, 2;
  • bronz 116-186;
  • zinek 106-140;
  • titan 21, 9;
  • cín 64, 0;
  • olovo 35, 0;
  • železo 80, 2;
  • mosaz 81-116;
  • zlato 308, 2;
  • stříbro 406, 1-418, 7.

V následující tabulce jsou uvedena data pro nekovové pevné látky:

  • sklolaminát 0, 03-0, 07;
  • sklo 0, 6 - 1, 0;
  • azbest 0, 04;
  • strom 0, 13;
  • parafin 0, 21;
  • cihla 0, 80;
  • diamant 2300.

Z uvažovaných údajů je vidět, že tepelná vodivost kovů daleko převyšuje tepelnou vodivost nekovů. Výjimkou je diamant, který má koeficient přenosu tepla pětkrát více než měď. Tato vlastnost diamantu je spojena se silnými kovalentními vazbami mezi atomy uhlíku, které tvoří jeho krystalovou mříž. Je to díky této vlastnosti, že člověk cítí chlad, když se dotýká diamantu svými rty. Vlastnost diamantu k přenosu tepelné energie se v mikroelektronice používá k odvádění tepla z mikroobvodů. A také tato vlastnost se používá ve speciálních zařízeních k rozlišení skutečného diamantu od falešné.

V některých průmyslových postupech se snaží zvýšit schopnost přenosu tepla, čehož je dosaženo buď díky dobrým vodičům, nebo zvětšením kontaktní plochy mezi součástmi struktury. Příkladem takových konstrukcí jsou výměníky tepla a odvaděče tepla. V jiných případech se naopak snaží snížit tepelnou vodivost, čehož je dosaženo použitím tepelných izolátorů, dutin ve strukturách a zmenšením kontaktní plochy prvků.

Koeficienty přenosu tepla pro oceli

Schopnost přenosu tepla na ocel závisí na dvou hlavních faktorech: složení a teplotě.

Jednoduché uhlíkové oceli se zvyšujícím se obsahem uhlíku snižují jejich měrnou hmotnost, podle které se jejich schopnost přenášet teplo z 54 na 36 W / (m * K) také snižuje se změnou procenta uhlíku v oceli z 0, 5 na 1, 5%.

Nerezové oceli obsahují chrom (10% nebo více), který spolu s uhlíkem tvoří komplexní karbidy, které zabraňují oxidaci materiálu a také zvyšují elektrodový potenciál kovu. Tepelná vodivost nerezové oceli je ve srovnání s jinými ocelemi malá a pohybuje se v rozmezí 15 až 30 W / (m * K) v závislosti na jejím složení. Žáruvzdorné chromniklové oceli mají ještě nižší hodnoty tohoto koeficientu (11-19 W / (m * K)).

Další třídou je galvanizovaná ocel se měrnou hmotností 7 850 kg / m3, která se získává potahováním oceli sestávající ze železa a zinku. Protože zinek vede teplo snadněji než železo, bude tepelná vodivost galvanizované oceli ve srovnání s jinými třídami oceli relativně vysoká. Rozsah je od 47 do 58 W / (m * K).

Tepelná vodivost oceli při různých teplotách se zpravidla příliš nemění. Například koeficient tepelné vodivosti oceli 20 klesá z 86 na 30 W / (m * K), když se teplota zvýší z pokojové teploty na 1200 ° C, a pro stupeň 08Kh13 se zvýšením teploty ze 100 na 900 ° C nemění jeho koeficient tepelné vodivosti (27–28) W / (m * K).

Faktory ovlivňující fyzickou kvantitu

Schopnost vést teplo závisí na řadě faktorů, včetně teploty, struktury a elektrických vlastností látky.

Teplota materiálu

Vliv teploty na schopnost vést teplo se liší u kovů i nekovů. V kovech je vodivost spojována hlavně s volnými elektrony. Podle zákona Wiedemann - Franz je tepelná vodivost kovu úměrná součinu absolutní teploty vyjádřené v Kelvinech a její elektrické vodivosti. U čistých kovů klesá elektrická vodivost se zvyšující se teplotou, takže tepelná vodivost zůstává přibližně konstantní . V případě slitin se elektrická vodivost mění s rostoucí teplotou jen málo, proto se tepelná vodivost slitin zvyšuje úměrně s teplotou.

Na druhé straně je přenos tepla v nekovech spojen zejména s vibracemi mřížky a výměnou mřížových fononů. S výjimkou vysoce kvalitních krystalů a nízkých teplot průměrná volná dráha fononu v mřížce při vysokých teplotách významně neklesá, proto zůstává tepelná vodivost konstantní v celém teplotním rozmezí, tj. Je zanedbatelná. Při teplotách pod teplotou Debye je schopnost nekovů vést teplo spolu s jejich tepelnou kapacitou významně snížena.

Fázové přechody a struktura

Když materiál zažije fázový přechod prvního řádu, například z pevného do kapalného stavu nebo z kapaliny do plynu, může se změnit jeho tepelná vodivost. Pozoruhodným příkladem takové změny je rozdíl tohoto fyzického množství pro led (2, 18 W / (m * K) a vodu (0, 90 W / (m * K)).

Změny v krystalové struktuře materiálů také ovlivňují tepelnou vodivost, což je vysvětleno anizotropními vlastnostmi různých alotrotropních modifikací látky stejného složení. Anisotropie ovlivňuje různé intenzity rozptylu mřížových fononů, hlavních nosičů tepla v nekovech a v různých směrech v krystalu. Zde je živým příkladem safír, jehož vodivost se mění v závislosti na směru od 32 do 35 W / (m * K).

Elektrická vodivost

Tepelná vodivost v kovech se liší podle elektrické vodivosti podle Wiedemann - Franzova zákona. To je způsobeno tím, že valenční elektrony, volně se pohybující podél krystalové mřížky kovu, přenášejí nejen elektrickou, ale také tepelnou energii. U jiných materiálů není korelace mezi těmito typy vodivosti výrazná, a to z důvodu zanedbatelného příspěvku elektronické komponenty k tepelné vodivosti (mřížkové fonony hrají hlavní roli v mechanismu přenosu tepla).

Proces proudění

Vzduch a jiné plyny jsou obecně dobrými tepelnými izolátory bez konvekčního procesu. Na tomto principu je založena práce mnoha tepelně izolačních materiálů obsahujících velké množství malých dutin a pórů. Taková struktura neumožňuje šíření konvekce na velké vzdálenosti. Příklady takových materiálů získaných člověkem jsou polystyren a silicidní aerogel. V přírodě fungují tepelné izolátory, jako jsou zvířecí kůže a peří ptáků, na stejném principu.

Lehké plyny, jako je vodík a gel, mají vysokou tepelnou vodivost a těžké plyny, jako je argon, xenon a radon, jsou špatné tepelné vodiče. Například argon, inertní plyn, který je těžší než vzduch, se často používá jako tepelně izolační plynová výplň ve dvojitých oknech a v žárovkách. Výjimkou je fluorid sírový (plyn SF6), který je těžkým plynem a má díky vysoké tepelné kapacitě relativně vysokou tepelnou vodivost.

Kategorie:

Technologie