Toplinska vodljivost je fizička veličina koja određuje sposobnost materijala da provode toplinu. Drugim riječima, toplinska vodljivost je sposobnost tvari da kinetičku energiju atoma i molekula prenose na druge tvari koje su u izravnom kontaktu s njima. U SI, ta se vrijednost mjeri u W / (K * m) (Watt po Kelvin metru), što je ekvivalentno J / (s * m * K) (Joule u sekundi-Kelvin metar).

Pojam toplinske vodljivosti

To je intenzivna fizička količina, to jest količina koja opisuje svojstvo materije, neovisno o količini potonje. Intenzivne količine su također temperatura, tlak, električna vodljivost, to jest da su ove karakteristike iste u bilo kojem trenutku na istoj tvari. Druga skupina fizikalnih veličina je velika, koja se određuje količinom tvari, na primjer, masom, volumenom, energijom i drugim.

Suprotna vrijednost za toplinsku vodljivost je otpornost na toplinu, što odražava sposobnost materijala da spriječi prijenos topline koji prolazi kroz njega. Za izotropni materijal, odnosno za materijal čija su svojstva u svim prostornim smjerovima jednaka, toplinska vodljivost je skalarna količina i definira se kao omjer toplinskog toka kroz jedinicu površine po jedinici vremena i temperaturnog gradijenta. Dakle, toplinska vodljivost jednaka jednoj vati po metru-Kelvin, znači da se toplinska energija u jednom Joulu prenosi kroz materijal:

  • u jednoj sekundi;
  • na površini od jednog četvornog metra;
  • na udaljenosti od jednog metra;
  • kada je temperaturna razlika na površinama smještenim na udaljenosti od jednog metra jedna od druge u materijalu jednaka jednom Kelvinu.

Jasno je da što je veća vrijednost toplinske vodljivosti, bolji materijal provodi toplinu i obrnuto. Na primjer, vrijednost ove vrijednosti za bakar je 380 W / (m * K), a ovaj metal prenosi toplinu 10 000 puta bolje od poliuretana čija je toplinska vodljivost 0, 035 W / (m * K).

Molekularni prijenos topline

Kada se materija zagrije, povećava se prosječna kinetička energija njegovih sastavnih čestica, to jest razina poremećaja raste, atomi i molekule počinju intenzivnije oscilirati i s većom amplitudom oko svojih ravnotežnih položaja u materijalu. Prijenos topline, koji se na makroskopskoj razini može opisati Fourierovim zakonom, na molekularnoj razini je razmjena kinetičke energije između čestica (atoma i molekula) tvari, bez njezinog prenošenja.

Ovo objašnjenje mehanizma toplinske vodljivosti na molekularnoj razini razlikuje ga od mehanizma toplinske konvekcije, u kojem dolazi do prijenosa topline zbog prijenosa materije. Sve čvrste tvari imaju mogućnost provođenja topline, dok je termička konvekcija moguća samo u tekućinama i plinovima. Doista, krute tvari prenose toplinu uglavnom zbog toplinske vodljivosti, a tekućine i plinovi, ako u njima postoje gradijenti temperature, prenose toplinu uglavnom zbog konvekcijskih procesa.

Toplinska vodljivost materijala

Metali posjeduju izraženu sposobnost provođenja topline. Polimeri karakteriziraju niska toplinska vodljivost, a neki od njih praktički ne provode toplinu, na primjer, stakloplastika, takvi se materijali nazivaju toplinski izolatori. Da bi postojao ovaj ili onaj toplinski tok kroz prostor, potrebno je u tom prostoru postojati neka tvar, dakle, na otvorenom prostoru (prazan prostor) je toplinska vodljivost jednaka nuli.

Svaki homogeni (homogeni) materijal karakterizira koeficijent toplinske vodljivosti (označen grčkim slovom lambda), tj. Vrijednost koja određuje koliko topline treba prenijeti kroz područje od 1 m², tako da se u jednoj sekundi, prolazeći kroz debljinu materijala za jedan metar, temperatura na njegovim krajevima mijenja za 1 K. Ovo svojstvo je svojstveno svakom materijalu i varira ovisno o njegovoj temperaturi, pa se taj koeficijent u pravilu mjeri na sobnoj temperaturi (300 K) da bi se usporedile karakteristike različitih tvari.

Ako je materijal heterogen, na primjer, armirani beton, tada se uvodi pojam korisnog koeficijenta toplinske vodljivosti, koji se mjeri prema koeficijentima homogenih tvari koje čine ovaj materijal.

Tablica u nastavku prikazuje toplinsku provodljivost nekih metala i legura u W / (m * K) za temperaturu od 300 K (27 ° C):

  • čelik 47-58;
  • aluminij 237;
  • bakar 372, 1-385, 2;
  • bronca 116-186;
  • cink 106-140;
  • titan 21, 9;
  • kositar 64, 0;
  • olovo 35, 0;
  • željezo 80, 2;
  • mesing 81-116;
  • zlato 308, 2;
  • srebro 406.1-418.7.

Sljedeća tablica prikazuje podatke za nekovinske krute tvari:

  • stakloplastika 0, 03-0, 07;
  • staklo 0, 6-1, 0;
  • azbest 0, 04;
  • stablo 0, 13;
  • parafin 0, 21;
  • cigla 0, 80;
  • dijamant 2300.

Iz podataka koji su uzeti u obzir vidljivo je da toplinska vodljivost metala daleko premašuje onu za nemetale. Izuzetak je dijamant, koji ima koeficijent prijenosa topline pet puta više od bakra. Ovo svojstvo dijamanta povezano je s jakim kovalentnim vezama između atoma ugljika, koji tvore njegovu kristalnu rešetku. Zahvaljujući ovom svojstvu osoba osjeća hladnoću kad dira dijamant usnama. Svojstvo dijamanta da dobro prenosi toplinsku energiju koristi se u mikroelektronici za uklanjanje topline iz mikrokontrole. A također se ovo svojstvo koristi u posebnim uređajima za razlikovanje pravog dijamanta od lažnog.

U nekim industrijskim procesima nastoje povećati sposobnost prijenosa topline, što se postiže bilo dobrim provodnicima, bilo povećanjem područja kontakta između komponenata konstrukcije. Primjeri takvih dizajna su izmjenjivači topline i rasipači topline. U drugim slučajevima, naprotiv, pokušavaju smanjiti toplinsku vodljivost, što se postiže uporabom toplinskih izolatora, praznina u strukturama i smanjenjem područja kontakta elemenata.

Koeficijenti prijenosa topline za čelike

Sposobnost prijenosa topline na čelik ovisi o dva glavna faktora: sastavu i temperaturi.

Jednostavni ugljični čelici s povećanim udjelom ugljika smanjuju njihovu specifičnu težinu, prema kojoj se njihova sposobnost prijenosa topline s 54 na 36 W / (m * K) također smanjuje s promjenom postotka ugljika u čeliku s 0, 5 na 1, 5%.

Nehrđajući čelici sadrže krom (10% ili više), koji zajedno s ugljikom tvori složene karbide koji sprečavaju oksidaciju materijala, a također povećavaju potencijal elektrode metala. Toplinska vodljivost nehrđajućeg čelika je mala u usporedbi s drugim čelicima i kreće se od 15 do 30 W / (m * K), ovisno o njegovom sastavu. Krom-nikalni čelici otporni na toplinu imaju još niže vrijednosti ovog koeficijenta (11-19 W / (m * K).

Druga klasa je pocinčani čelik specifične težine od 7 850 kg / m3, koji se dobiva prevlačenjem od čelika koji se sastoji od željeza i cinka. Budući da cink provodi toplinu lakše od željeza, toplinska vodljivost pocinčanog čelika bit će relativno visoka u usporedbi s drugim klasama čelika. Kreće se od 47 do 58 W / (m * K).

Toplinska vodljivost čelika pri različitim temperaturama, u pravilu, ne mijenja se puno. Na primjer, koeficijent toplinske vodljivosti čelika 20 smanjuje se od 86 do 30 W / (m * K) kada se temperatura poveća s sobne temperature na 1200 ° C, a za razred 08Kh13, porast temperature sa 100 na 900 ° C ne mijenja koeficijent toplinske vodljivosti (27–28 Š / (m * K).

Čimbenici koji utječu na fizičku količinu

Sposobnost provođenja topline ovisi o brojnim čimbenicima, uključujući temperaturu, strukturu i električna svojstva tvari.

Temperatura materijala

Utjecaj temperature na sposobnost provođenja topline varira za metale i nemetale. U metalima se vodljivost uglavnom povezuje sa slobodnim elektronima. Prema zakonu Wiedemann - Franz, toplinska vodljivost metala proporcionalna je proizvodu apsolutne temperature izražene u Kelvinu i njegovoj električnoj vodljivosti. U čistim metalima električna vodljivost opada s porastom temperature, pa toplinska vodljivost ostaje približno konstantna . U slučaju legura, električna vodljivost malo varira s porastom temperature, pa se toplinska vodljivost legura povećava proporcionalno temperaturi.

S druge strane, prijenos topline u nekovinama uglavnom je povezan s vibracijama rešetki i izmjenom fonota rešetki. Uz iznimku visokokvalitetnih kristala i niskih temperatura, srednji slobodni put fonona u rešetki se ne smanjuje značajno pri visokim temperaturama, dakle, toplinska vodljivost ostaje konstantna u cijelom rasponu temperature, tj. Ona je neznatna. Pri temperaturama ispod Debye-jeve sposobnosti nemetala da provode toplinu, zajedno s njihovim toplinskim kapacitetom, značajno se smanjuju.

Fazni prijelazi i struktura

Kada materijal doživi fazni prijelaz prvog reda, na primjer, iz krutog u tekuće stanje ili iz tekućeg u plin, njegova se toplinska vodljivost može promijeniti. Upečatljiv primjer takve promjene je razlika ove fizičke veličine za led (2, 18 W / (m * K) i vodu (0, 90 W / (m * K)).

Promjene u kristalnoj strukturi materijala utječu i na toplinsku vodljivost, što je objašnjeno aisotropnim svojstvima različitih alotropnih modifikacija tvari istog sastava. Anizotropija utječe na različite intenzitete raspršivanja rešetkastih fonona, glavnih nositelja topline u nemetalima iu različitim smjerovima u kristalu. Ovdje je živopisan primjer safir, čija vodljivost varira od 32 do 35 W / (m * K), ovisno o smjeru.

Električna vodljivost

Toplinska vodljivost metala varira od električne vodljivosti prema Wiedemann - Franzovom zakonu. To je zbog činjenice da valencijski elektroni, koji se slobodno kreću duž kristalne rešetke metala, prenose ne samo električnu, već i toplinsku energiju. Za ostale materijale veza između ove vrste vodljivosti nije izražena, zbog neznatnog doprinosa elektroničke komponente toplinskoj vodljivosti (rešetkasti fononi igraju glavnu ulogu u mehanizmu prijenosa topline).

Postupak konvekcije

Zrak i drugi plinovi obično su dobri izolatori topline ako nema konvekcijskog postupka. Na ovom se principu temelji rad mnogih toplinski izolacijskih materijala koji sadrže veliki broj malih praznina i pora. Takva struktura ne dopušta širenje konvekcije na velike udaljenosti. Primjeri takvih materijala dobivenih od strane čovjeka su polistiren i silikon airgel. U prirodi toplinski izolatori poput životinjskih koža i perja ptica djeluju na istom principu.

Lagani plinovi, poput vodika i gela, imaju visoku toplinsku provodljivost, a teški plinovi, poput argona, ksenona i radona, su loši provodnici topline. Na primjer, argon, inertni plin koji je teži od zraka, često se koristi kao toplinsko izolirajuće plinsko punilo u dvostrukim prozorima i u žaruljama. Izuzetak je sumporni heksafluorid (plin SF6), koji je teški plin i ima relativno visoku toplinsku vodljivost zbog velikog toplinskog kapaciteta.

Kategorija:

Tehnologije