Меню

Как тепло передается по металлу



Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Читайте также:  Строение атомов щелочных металлов химия 9 класс конспект

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Источник

Что такое теплопроводность и теплопередача. Теплопроводность металлов и других материалов.

Тепло — это одна из форм энергии, которая заключена в движении атомов в веществе. Энергию этого движения мы и измеряем термометром, хоть и не напрямую.
Как и все другие виды энергии, теплота может передаваться от тела к телу. Происходит это всегда, когда есть тела разной температуры. При этом им необязательно даже находиться в соприкосновении, так существует несколько способов передачи тепла. А именно:

Теплопроводность. Это передача тепла при непосредственном контакте двух тел. (Тело может быть и одно, если его части разной температуры.) При этом чем больше разность температур тел и чем больше площадь их контакта — тем больше тепла передаётся каждую секунду. Помимо этого, количество передаваемого тепла зависит от материала — например, большинство металлов хорошо проводят тепло, а дерево и пластик — гораздо хуже. Величину, характеризующую эту способность передавать тепло, тоже называют теплопроводностью (более корректно – коэффициент теплопроводности), что может приводить к некоторой путанице.

Если необходимо измерить теплопроводность какого-либо материала, то обычно это проводят в следующем эксперименте: изготовляется стержень из интересующего материала и один его конец поддерживается при одной температуре, а другой — при отличной, например более низкой, температуре. Пусть, например, холодный конец будет помещён в воду со льдом — таким образом будет поддерживаться постоянная температура, а измеряя скорость таяния льда можно судить о количестве полученного тепла. Деля количество тепла (а вернее — мощность) на разность температур и поперечное сечение стержня и умножая на его длину, получаем коэффициент теплопроводности, измеряющийся, как следует из вышенаписанного, в Дж*м/К*м 2 *с, то есть в Вт/К*м. Ниже вы видите таблицу теплопроводности некоторых материалов.

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь 47
Оксид алюминия 40
Кварц 8
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Базальт 1,3
Стекло 1-1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Стекловата 0,032-0,041
Каменная вата 0,034-0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022

Как видно, теплопроводность различается на много порядков. Удивительно хорошо проводят тепло алмаз и оксиды некоторых металлов (по сравнению с другими диэлектриками), плохо проводят тепло воздух, снег и термопаста КПТ-8.

Но мы привыкли считать, что воздух хорошо проводит тепло, а вата — нет, хотя она может на 99% состоять из воздуха. Дело в конвекции. Горячий воздух легче холодного, и «всплывает» наверх, порождая постоянную циркуляцию воздуха вокруг нагретого или сильно охлаждённого тела. Конвекция на порядок улучшает теплопередачу: при её отсутствии было бы очень затруднительно вскипятить кастрюлю воды, не перемешивая её постоянно. А в диапазоне от 0°С до 4°С вода при нагревании сжимается, что приводит к конвекции в противоположном от привычного направлении. Это приводит к тому, что независимо от температуры воздуха, на дне глубоких озёр температура всегда устанавливается равной 4°C

Читайте также:  Вред наносимый коррозией металлов

Для уменьшения теплоотдачи из пространства между стенками термосов откачивают воздух. Но надо отметить, что теплопроводность воздуха мало зависит от давления вплоть до 0,01мм рт.ст, то есть границы глубокого вакуума. Этот феномен объясняется теорией газов.

Ещё один способ теплопередачи — это излучение. Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн, но только достаточно сильно нагретые (

600°С) излучают в видимом нами диапазоне. Мощность излучения даже при комнатной температуре достаточно большая — порядка 40мВт с 1см 2 . В пересчёте на площадь поверхности человеческого тела (

1м 2 ) это составит 400Вт. Спасает лишь то, что в привычном нам окружении все тела вокруг также излучают с примерно той же мощностью. Мощность излучения, кстати, сильно зависит от температуры (как T 4 ) , согласно закону Стефана-Больцмана. Расчёты показывают, что, например, при 0°С мощность теплового излучения примерно в полтора раза слабее, чем при 27°С.

В отличие от теплопроводности, излучение может распространяться в полном вакууме — именно благодаря нему живые организмы на Земле получают энергию Солнца. Если теплопередача излучением нежелательна, то её минимизируют, ставя непрозрачные перегородки между холодным и горячим объектами, либо уменьшают поглощение излучения (и испускание, кстати, в ровно той же степени), покрывая поверхность тонким зеркальным слоем металла, например, серебра.

  • Данные по теплопроводности взяты из Wikipedia, а туда они попали из справочников, таких, как:
  • «Физические величины» под ред. И. С. Григорьева
  • CRC Handbook of Chemistry and Physics
  • Более строгое описание теплопроводности можно найти в учебнике по физике, например в «Общей физике» Д.В.Сивухина (Том 2). В 4 томе есть глава, посвящённая тепловому излучению (в т.ч. закону Стефана-Больцмана)

Источник

Теплопередача. Теплопроводность металлов

Урок 3. Физика 8 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Теплопередача. Теплопроводность металлов»

Всем известно, что теплота может «путешествовать» с одного места на другое. Однако нам пока что неизвестно, каким же образом это происходит? Одинаково ли протекают теплообменные процессы в твёрдых телах, жидкостях и газах? И какова природа передачи теплоты? Чтобы ответить на эти вопросы, проведём эксперимент.

Возьмём железный гвоздь и стеклянную палочку и будем нагревать их концы в пламени спиртовки.

Через некоторое время мы почувствуем тепло. К пальцам, которые держат железный гвоздь, оно дойдёт гораздо быстрее, и вскоре мы не сможем удержать гвоздь, поскольку его температура значительно повысится. Стеклянную же палочку мы ещё долго сможем держать, хотя со временем и её температура повысится до такой степени, что будет печь пальцы.

В рассмотренном нами эксперименте происходит перенос теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым. Вы сами можете привести множество примеров такого переноса теплоты.

Такая передача энергии происходит в результате столкновения частиц. Она передаётся как бы по цепочке, последовательно слой за слоем, и со временем температура всех частей тела выравнивается.

Проведём ещё один опыт. К металлическому стержню, закрепленному в штативе, с помощью воска или пластилина прикрепим несколько кнопок. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки.

Через некоторое время мы увидим, что кнопки начнут отпадать от стержня: сначала отпадёт та кнопка, которая находится ближе к пламени, а затем поочерёдно все остальные.

Поскольку кнопки отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно.

Почему это происходит? Попробуем разобраться, используя знания, полученные нами на предыдущих уроках.

Мы знаем, что в твёрдом теле (например, в металле) частицы взаимодействуют между собой, потенциальная энергия их велика, и они могут совершать колебательные движения около определенных положений. Модель структуры твердого тела (металла) можно представить в виде кристаллической решётки.

Модель кристаллической решётки

Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть своей энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню.

Это можно уподобить передаче энергии колебательного движения от одного человека к другому в цепочке стоящих рядом, взявшихся за руки людей. Если один человек будет смещаться, то в одну, то в другую сторону, то он вызовет смещение по очереди и всех остальных.

Обращаем внимание на то, что перемещение вещества от одного тела к другому или от одной части тела к другой, не происходит, но при этом передаётся энергия.

Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.

Читайте также:  Сколько оборотов на токарном станке по металлу

Так как взаимодействие молекул и тепловое движение у разных веществ неодинаковы, то и теплопроводность веществ разная.

Чтобы в этом убедиться, проделаем следующий опыт. Возьмём сосуд с горячей водой и стержни одинакового размера из различных материалов, например, из серебра, латуни, стали, стекла и дерева. Верхние концы стержней погрузим в сосуд так, чтобы они прогревались водой. А к свободным нижним концам этих стержней прикрепим воском или пластилином кнопки.

Через некоторое время мы заметим, что первым отпадает кнопка от серебряного стержня. Значит серебро — это очень хороший проводник тепла. Затем отпадает гвоздик от стержня из латуни, а потом и от стального.

Ждать же, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, приходится очень долго. Значит, дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность.

Так теплопроводность дерева примерно в три тысячи раз меньше теплопроводности серебра. Убедиться в этом можно на опыте. Деревянную или стеклянную палочку можно безопасно держать рукой, в то время как другой ее конец, находящийся в пламени спиртовки, уже горит или плавится.

Становится понятным, почему деревянные дома лучше сохраняют тепло, чем кирпичные, почему ручки паяльников, кастрюль и сковородок делают из пластмассы или дерева.

Материалы, которые очень плохо проводят тепло, называют теплоизоляторами.

Теперь зададимся вопросом, а могут ли проводить теплоту газы? Что бы на него ответить, проделаем такой опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Можно заметить, что нагревание воздуха идёт, но очень медленно, что подтверждается незначительным повышением показания термометра.

Приведём ещё несколько примеров. И так, все вы знаете, что фен выдувает горячий воздух за счёт электрической энергии, которую он потребляет из сети.

Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить.

Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счёт небольшого слоя воздуха между ними.

Двойные стёкла в оконной раме

Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом. Поэтому, например, сильно разреженные газы практически не проводят теплоту. Это их свойство применяют, в частности, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре.

Такими образом, теплопроводность газов очень малая, особенно по сравнению с теплопроводностью твёрдых тел. Так, например, теплопроводность обычного воздуха, которым мы с вами дышим, почти в 10 000 раз меньше, чем теплопроводность меди.

А теперь давайте выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Так как взаимодействие молекул у жидкостей значительное, то перенос энергии молекулами у них лучше, чем у газов, но хуже, чем у твёрдых тел. Чтобы в этом убедиться, проведём такой опыт. Возьмём пробирку с водой, на дно которой поместим кусочек льда. Чтобы лёд не всплывал, прикрепим к нему какой-либо металлический предмет. Будем нагревать верхнюю часть пробирки в спиртовке.

Через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, но лёд на дне при этом не растает. Это говорит о том, что теплопроводность воды малая, хотя и больше чем у воздуха. Следует помнить, что металлы, находящиеся в жидком состоянии (это, например, медь, олово и так далее) обладают хорошей теплопроводностью.

Таким образом, теплопроводность жидкости действительно занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

И так, из всех рассмотренных нами примеров мы можем сделать вывод о том, что теплопроводность — это свойство тел, и у каждого тела она разная. Например, шерсть, перья и волосы имеют плохую теплопроводность. Это объясняется тем, что между их волокнами содержатся частички воздуха.

Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду из которой едят, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии молекул или других частиц, которых в вакууме попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе.

Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения. Но нём мы поговорим с вами в следующий раз.

Источник