Таблица физических тел с малой теплопроводностью: Коэффициенты теплопроводности для различных материалов

Коэффициенты теплопроводности для различных материалов

Как было сказано, коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества. В общем случае коэффициент теплопроводности зависит от температуры, давления и рода вещества в большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов экспериментального определения коэффициента теплопроводности [Л. 122, 39, 143, 190, 193]. Большинство из них основано на измерении теплового потока и градиента температур в заданном веществе.  [c.12]
Коэффициенты линейного расширения металлов и сплавов 28 Коэффициенты теплопроводности для различных материалов 30 Кузнечная сварка 140 Кристаллизация металла шва 163 Карбиды 176  [c.638]

Коэффициент теплопроводности для различных материалов неодинаков. Кроме того, для данного материала % зависит от температуры, удельного веса, влажности и в некоторой степени от давления. В таблице 2-1 даны ориентировочные значения Я, при 20° С.

 [c.23]

Как было сказано, коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества. В общем случае коэффициент теплопроводности зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется опытным путем. Известен ряд методов экспериментального определения коэффициента теплопроводности [Л. 189, 194, 259, 263]. Большинство из них основано на измерении теплового потока и градиента температур в заданном веществе. Коэффициент теплопроводности при этом определяется из соотношения  [c.15]

Количество тепла, передаваемого в 1 час чер ез стенку площадью 1 и толщиной в 1 м при разности температур между нагреваемой и охлаждаемой сторонами в 1°С, называется коэффициентом теплопроводности. Для различных материалов колич ество тепла, передаваемого при указанных условиях, различно, следовательно,. материалы обладают различны.ми коэффициентами теплопроводности одни тела хорошо проводят тепло, другие плохо.

 [c.101]

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит от химической природы вещества и его физического состояния (плотности, влажности, давления, температуры). Диапазоны изменения Л для различных материалов приведены на рис.2.1.  

[c.8]

Пользуясь методом регулярного режима, можно определять экспериментально коэффициенты температуропроводности различных материалов, а также и другие теплофизические параметры. Для этого проще всего создать условия нагревания или охлаждения выбранного образца материала при весьма больших критериях 5г. Такие условия сравнительно легко создать для материалов с небольшими коэффициентами теплопроводности (пористые, сыпучие материалы и пр.), помещая их (в соответствующей защит-  [c.226]

Величина X оказывается весьма различной для разных материалов стенки и более или менее значительно зависит от температуры. Как показывает табл. 2-1, коэффициент теплопроводности наиболее высок у металлов, значительно ниже у неметаллических строительных материалов и достигает особенно низких значений у пористых материалов, применяемых специально для тепловой изоляции.

Малая теплопроводность, т. е. хорошие изоляционные качества в последнем случае связаны с наличием пор, заполненных воздухом, теплопроводность которого весьма низка поэтому коэффициент теплопроводности пористых изоляционных материалов, как правило, тем меньше, чем ниже их объемный вес. Значения X для воздуха приведены в 2-5 (табл. 2-4).  [c.96]

В металлах перенос тепла теплопроводностью в значительной мере определяется переносом энергии свободными электронами. Различия в коэффициенте теплопроводности разнообразных неоднородных материалов объясняются эффектом пористости. Для волокнистых материалов типичным нарушением однородности является анизотропия, проявляющаяся в неодинаковой теплопроводности в различных направлениях. Коэффициент теплопроводности зависит от температуры для многих металлов он уменьшается с повышением температуры по линейному закону.  [c.9]

Зависимость коэффициента теплопроводности материала от его температуры.

Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением его средней температуры, при которой происходит передача тепла. Для иллюстрации этого в табл. 3 приведены коэффициенты теплопроводности некоторых изоляционных материалов, определенные при различных температурах.  [c.27]

Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом теле температура будет распределена неравномерно, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной  

[c.13]

Для различных веществ коэффициент теплопроводности Я различен и в общем случае зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Все вместе взятое сильно затрудняет выбор правильного значения коэффициента теплопроводности. Поэтому при ответственных расчетах значение коэффициента теплопроводности следует определять путем специального изучения применяемого материала. В технических же расчетах значения коэффициента теплопроводности обычно принимаются по справочным таблицам. При этом надо следить лишь за тем, чтобы физические характеристики материала (структура, плотность, влажность, температура, давление) были соответственны. Так как при распространении тепла температура в различных частях тела различна, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Для большого числа материалов эта зависимость оказывается почти линейной, т. е.  

[c.10]

Для тепловой изоляции могут применяться любые материалы с низкой теплопроводностью. Однако собственно изоляционными обычно называют такие материалы, коэффициент теплопроводности которых при температуре 50—100° С меньше 0,2 Вт/(м-°С). Многие изоляционные материалы берутся в их естественном состоянии, например асбест, слюда, дерево, пробка, опилки, торф, земля и др., но большинство их получается в результате специальной обработки естественных материалов и представляет собой различные смеси.

В зависимости от технологии обработки или процентного состава отдельных компонентов теплоизоляционные свойства материалов меняются. К сыпучим изоляционным материалам почти всегда добавляются связующие материалы, которые ухудшают изоляционные свойства.  [c.200]

Рис. зло. Зависимость коэффициента теплопроводности, приведенной к нулевой пористости, от диаметра областей когерентного рассеяния для различных углеродных материалов  

[c.111]

Для разрушающихся теплозащитных материалов характерны высокий уровень рабочих температур и существенное изменение структуры материала. Оба этих фактора сильно отражаются на теплофизических свойствах вещества. Однако если учесть степень влияния изменений различных свойств на температурное поле в материале, то прежде всего следует выделить коэффициент теплопроводности. Изменениями других теплофизических параметров в инженерной практике часто пренебрегают. Так, хотя плотность может уменьшиться почти вдвое по мере роста температуры и разложения части компонент композиционного материала, на температурное поле влияет не она сама, а произведение плотности на теплоемкость.

У большинства же реальных теплозащитных материалов теплоемкость с увеличением температуры возрастает (см. приложение), и изменение произведения рс, входящего в уравнение теплопроводности, оказывается в итоге ограниченным. Как правило, оно отклоняется от первоначального значения менее чем в 2 раза.  [c.75]

В задачу этого раздела не входит детальный анализ зависимости коэффициента теплопроводности от температуры для различных теплозащитных материалов, поэтому мы ограничимся лишь общими схематическими представлениями. Для сравнения будут использованы также общие сведения из теории переноса тепла в жидкостях и газах.  

[c.75]

Комбинируя в кладке материалы с разными коэффициентам,и теплопроводности, можно получить Кладку трех принципиально различных типов, для каждой из которых существует своя область применения. Однослойная кладка (р ис. 203, а) или кладка из нескольких слоев, коэффициенты теплопроводности которых  [c. 402]

Различные физические тела обладают разными значениями коэффициента теплопроводности. Кроме того, для данного вещества коэффициент теплопроводности зависит от температуры, объемного веса, влажности, структуры и в некоторой мере от давления. При технических расчетах изменением Я с температурой обычно пренебрегают и принимают в качестве расчетного значение, среднее для того интервала температур, для которого предназначен данный материал. В приложении дается таблица значений коэффициента теплопроводности X для наиболее употребительных материалов.,  

[c.13]

Коэффициент теплопроводности X. для различных твердых материалов  [c.19]

Рассмотрим пример постановки задачи нестационарного тепло-переноса. Пусть дан длинный стальной трубопровод, покрытый слоем теплоизоляции, который предназначен для транспортировки теплоносителя. Трубопровод подключен в общую сеть. Необходимо определить нестационарный тепловой режим трубопровода в период пуска теплоносителя. Исходя из поставленной практической задачи, формулируем физическую модель процесса (рис. 1 -5). Дан двухслойный полый цилиндр бесконечной длины с внутренним радиусом ri и наружным Гз. Материалы слоев стенки цилиндра различны и имеют следующие теплофизические и конструктивные параметры первый слой —Xi, Си pi, ai, 6i( i, Гг) второй слой — Хг, С2, р2, 02. 62, (Г2, з). При этом коэффициенты теплопроводности и теплоемкости материала слоев меняются с температурой по линейному закону, а плотность остается при нагревании постоянной. Начальная температура обоих слоев одинакова, постоянна и равна Гн- В начальный момент времени внутренняя поверхность цилиндра подвергается воздействию горячей среды с тем-  [c.30]

Рассмотрим вначале особенности температурного поля в шиповом экране. Для шипового экрана характерно наличие нескольких разнородных материалов разной конфигурации и с различными коэффициентами теплопроводности.  [c.105]

За период 1953—1960 гг. в лаборатории тепловых приборов и измерений Ленинградского института точной механики и оптики разработана группа приборов и установок, предназначенных для скоростных измерений коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и истинной теплоемкости различных материалов. Созданные приборы и установки по принципу работы и целевому назначению могут быть разделены на две группы.  [c.3]

В тех случаях, когда требуется знать температурный ход коэффициента теплопроводности полупроводниковых материалов, а также более точно определить величину измерения проводятся на установке, представленной на рис. 8. Конструкция установки построена на том же принципе, что и прибор для измерения /-a при комнатных температурах, но приведена в соответствие с условиями измерения величины коэффициента теплопроводности в вакууме при различных температурах. В этом случае резко уменьшается методическая ошибка измерения величины /-а за счет исключения тепловых потерь, обусловленных теплопроводностью воздуха и конвективным теплообменом, а потери на излучение при малых перепадах температуры на образце малы и составляют небольшую долю от теплообмена в воздухе.  [c.32]

Для проверки предлагаемого метода расчета температурных полей были изготовлены клинья с углами 6°, 8°30 и —-15°. С целью получения большого количества режимов клинья изготавливались из материалов с существенно различными коэффициентами теплопроводности (использовались парафин, эпоксидная смола,свинец и цинк). Все образцы изготавливались методом литья. В каждый из клиньев по его оси на расстоянии примерно 20—30 мм друг от друга заделывались по три термопары. Спаи и проволоки термопар заливались материалом образца в момент отливки самого образца. В свинцовых и цинковых образцах термопары изолировались специальной нитью из кремнеорганического волокна, пропитанного жидким стеклом. Участки выводов термопар из тела образцов заделывались в специальные латунные трубки диаметром 4 мм. Термопары изготовлялись из константановой проволоки диаметром 0,5 мм.  [c.346]

Для стены, состоящей из нескольких материалов (например, участок с теплопроводным включением), электромодель выполняется из станиолевого листа различной проводимости, что достигается путем вырезания квадратной решетки в местах меньшей проводимости так, чтобы отношения проводимостей участков модели соответствовали отношению коэффициентов теплопроводности участков образца .  [c.86]

Коэффициент пропорциональности X, в формуле (10.1) имеет размерность Вт/(м К) и называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности i. для различных веществ берут из справочных таблиц. Следует иметь в виду, что А, существенно зависит от температуры. Для больщинства материалов  [c.125]

Опытным путем установлено, что коэффициент теплопроводности зависит от свойств вещества (его плотности, структуры, влажности и т.п.) и параметров состояния (давления, температуры). Значения X для различных веществ и условий сводятся в соответствующие таблицы. В ответственных случаях для специфических условий их определяют непосредственно в лаборатории. Зависимость X от температуры для больщинства материалов имеет линейный характер  [c.64]

Достаточно часто встречаются ситуации, когда теплопроводность к меняется в зависимости от расстояния х. Это может происходить из-за того, что тело состоит из различных материалов или теплопроводность зависит от температуры. В большинстве случаев не имеется формулы для зависимости к от х, известны лишь дискретные значения к в расчетных точках. Тогда наша задача заключается в том, чтобы получить коэффициенты расчетных точках. Для этой цели можно применить различные интерполяции. Методика, которая будет использоваться в этой книге, основана на простой физической концепции и имеет множество преимуществ. Подробное обсуждение этой темы можно найти в [5, 6]. Здесь будет дана только рекомендуемая формулировка.  [c.49]

В физических лабораториях коэффициенты теплопроводности строительных материалов определяются обычно на предварительно просушенных образцах, чтобы получить сравнимые коэффициенты теплопроводности для различных материалов, исключая влияние влажности на полученные результаты. В наружных ограждениях строительные материалы всегда имеют некоторую влажность, повышающую их теплопроводность. Вследствие этого пользоваться для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций непосредственно коэффициентами теплопроводности, полученными для сухого материала, нельзя — эти коэффициенты необходимо увеличивать. Коэффициенты тепло-проЁодности ряда строительных материалов приведены в приложении 1.  [c.27]

Вспененная теплоизоляция. Вспененная теплоизоляция имеет ячеистую структуру, образованную выделяющимся при вспенивании газом. Так как пена является неоднородным материалом, эффективная теплопроводность вспененной теплоизоляции зависит от ее объемной плотности, используемого для пенообразования газа и средней рабочей температуры. Теплопередача через вспененную изоляцию определяется конвекцией и излучением внутри ячеек и теплопроводностью твердого материала. Вакуумирование теплоизоляции является эффективным средством уменьшения ее теплопроводности, что указывает на наличие открытых ячеек в ее структуре, однако результирующие значения коэффициента теплопроводности вспененной изоляции все же значительно выше, чем у многослойной или у вакуумированной порошковой теплоизоляции. С другой стороны, диффузия атмосферных газов в ячейки может вызвать существенное повышение эффектиБного коэффициента теплопроводности. Повышение теплопроводности особенно значительно при диффузии в ячейки водорода и гелия. Данные по коэффициенту теплопроводности для различных вспененных материалов, используемых при криогенных температурах, представлены Кропшотом [60]. Из всех видов вспененной теплоизоляции.  [c.44]

Коэффициент теплопроводности для большинства неметаллических твердых тел линейно изменяется с температурой. Ряд керамических веществ (окись бериллия, алюминия, двуокись титана и др.) имеет сложную температурную зависимость для коэффициента теплопроводности. Его велчина вначале падает, а затем возрастает за счет увеличения лучистого переноса тепла внутри этих тел. Указанные керамические. вещества являются твердыми диэлектриками и одновременно пористыми телами. Кроме них, многие твердые тела имеют не сплошное, а пористое или волокнистое строение Различные пористые материалы характеризуются наличием пустых промежутков (пор) между отдельными твердыми частицами. Часть этих пор представляет собой небольшие замкнутые объемы, а некоторые из них сообщаются между собой, образуя открытую пористость. Наполнителем пор может являться различная среда. Распространение тепла обусловливается совокупностью различных явлений. Внутри твердых частиц тела, а также в местах непосредственного контакта между ними тепло переносится за счет теплопроводности. В среде, заполняющей поры, перенос тепла осуществляется также теплопроводностью и, кроме того, за счет конвекции и теплового излучения. С увеличением размеров пор роль конвекции увеличивается. При уменьшении размеров пор и увеличении их количества имеет место одновременное уменьшение размеров твердых частиц, составляющих пористое тело. Это приводит к уменьшению поверхности соприкосновения между частицами, соответствующему увеличению контактного теплового сопротивления, а следовательно, уменьшению коэффициента теплопроводности.  [c.9]

Наряду с изотропными материалами, для которых коэффициент теплопроводности во всех направлениях одинаков, в технике находят применение анизотропные материалы, у которых способность передавать теплоту теплопроводностью раалшша в различных направлениях. Это свойство анизотропных материалов обычно связано с особенностями их структуры (кристаллической, волокнистой, слоистой и Т.П.). В анизотропном теле угол между направлениями векторов q и grad 7 может быть меньше я, но всегда остается больше ж/2, что следует из второго закона термодинамики. Коэффициент теплопроводности для такого тела является не скаляром, как в выражении (4.3.1), а симметричным тензором второго ранга, что приводит к соответствутощему обобщению гипотезы Фурье [27, 55]  [c.196]

Потери теплоты через стенку печн тем выше, чем ниже теплопроводность огнеупорного и теплоизоляционного материалов X и больше толщина стенки /. Наиболее эффективный способ снижения тепловых потерь — использование огнеупорных и теплоизоляционных материалов с низким коэффициентом теплопроводности. В табл. 5.10.1 приведены значения Я в зависимости от температуры I для различных материалов, используемых при изготовлении печей. Удельный тепловой поток от теплопроводности т равен удельному тепловому потоку от конвекции и излучения к. и на наружной стенке печи, который может быть определен по формуле Ньютона  [c.114]

В табл. 35 приведены вышеперечисленные величины и показатели для наиболее распространенных поршневых материалов. Для удобства сравнений все величины даны при нормальной температуре (20° С). С повышением температуры модуль упругости всех материалов снижается [58], [60], [61] в различной степени. Так, модуль упругости у серого чугуна СЧ-ХНММ снижается с 1,4 10 кгс/см при / = 20° С до 1,2 10 при I = 500° С, у стали 2X13 — с 2,2 10 до 1,85 10 и у сплава АК-4 — с 0,7 10 до 0,5 10 кгс/см (при повышении температуры до 300° С). Коэффициент линейного расширения увеличивается с повышением температуры для всех материалов. Так, в диапазоне температур 20—400° С для чугуна СЧ-ХНММ этот коэф—фициент возрастает с 8,9 до 14,5 10 на Г С. Изменение коэффициентов теплопроводности основных поршневых материалов приведено в табл. 36. Из таблицы видно, что у одних материалов теплопроводность с повышением температуры снижается (серые чугуны), у других повышается (алюминиевые сплавы).  [c.188]

Различные исследователи дают эмпирические формулы зависимости коэффициента теплопроводности от влажности для отдельных материалов, но эти формулы применимы только для данного материала. Зависимости величин коэффициентов теплопроводности строительных материалов от их влажности для различных материалов, обработанные в виде таблиц, даны проф. А. У. Франчукам [31].  [c.27]

Экономически целесообразно не только уменьшать относительную поверхность стенок, цо и 1минимизир0вать сумму затрат на их сооружение и ремонт, а также на топливо, необходимое для покрытия потерь тепла стснками. Эти потери слагаются из тепла, отдаваемого вслед—ствие теплопроводности (95т), и тепла, аккумулируемого стенками (Qe/for). Первый вид потерь имеет место во всех печах, второй — только в печах периодического действия. Во всех случаях qti пропорционально коэффициенту теплопроводпости стенки ( ст — теплопроводность материала однослойной стенки или какого-либо ео слон, S — соответствующая толщина), а Qe/f T (с. м. гл. П1 и V)—величине( ст — удельная теплоемкость, рот—плотность материала стенки). Для различных материалов стенок значения Сст примерно одинаковы, а меньшим Лет соответствуют и меньшие рст-Для уменьшения необходимо снижение .ст, что также приводит к уменьшению Qe/f (такой же эффект вызывает и понижение рст).  [c.16]

При трении фрикционного материала по металлам с различными значениями коэффициента теплопроводности Я в той паре, в которой металл обладает большим коэффициентом теплопроводности, поверхностная температура будет меньше, а температурный градиент во фрикционном материале — больше. Для этой пары значения коэффициента трения и износостойкость будут соответственно выше. На фиг. 327 показано изменение износостойкости вальцованной ленты 6КВ-10 при трении в одинаковых условиях по металлическим элементам, имеющим различную теплопроводность. Так, точка А получена при трении по стали 55ЛП, точка Б — по чугуну СЧ 15-32, а точка В — по биметаллическому шкиву, имеющему металлизированный слой, состоящий из 50% стали 10 и 50% Си.  [c.551]

Для поперечно-обтекаемых пучков труб до последнего времени не было достаточно данных ни для введения температурного критерия, ни для обоснованного выбора определяющей температуры, которая в неявном виде учла бы влияние температурных условий. Поэтому различные авторы, располагая, по существу, одними и теми же экспериментальными материалами, приходили к различным выводам. Так, например, при составлении норм теплового расчета котельных агрегатов ЦКТИ издания 1945 г. (Л. 2] и ВТИ издания 1952 г. [Л. 3] на основе анализа экспериментальных работ по теплоотдаче В. М. Антуфьева и Л. С. Козаченко [Л. 33], Н. В. Кузнецова и В. А. Локшина [Л. 34] и ряда других даны различные рекомендации по выбору определяющей температуры в нормах ЦКТИ в качестве таковой принимается температура стенки, а в нормах ВТИ физические константы в критериях Nu и Re рекомендовано определять по различным температурам, причем коэффициент теплопроводности определяется по более высокой из температур потока и стенки, коэффициент вязкости — по более низкой, а удельный вес у или плотность р — по температуре потока.  [c.63]

С. Создаются автоматизированные установки для измерения коэффициента теплопроводности сыпучих, волокнистых и пористых теплоизоляционных материалов в интервале температур от—120 до 1300° С при различных давлениях газа-наполнителя, для измерения коэффициента температуропроводности металлов в интервале от —100 до 1100°С и для импульсных динамических измерений истинной теплоемкости металлов в интервале 20—1100° С. Теоретическое обос-  [c.5]

Предлагаемый способ решения задач по теплопроводности позволил разработать целый ряд методов и создать приборы экспрессного комплексного определения в одном опыте теплофизичеюких коэффициентов различных материалов, действующие в условиях нестационарного температурного поля. Решены задачи для двухслойных сред.  [c.186]

Текстолит, ДСП (древесно-слоистый пластик) и прессованную древесину используют в подшипниках для тяжелого машиностроения. Полимерные самосмазывающиеся материалы на основе полиамидов, полиацетилена, политетрафторэтилена и различных смол используют для подшипников, ра ающих в температурном диапазоне 200. .. + 280°С при значительных скоростях скольжения. Фторопласты (полимеры и сополимеры галогенопроизводных, этилена и пропилена) обладают хорошими антифрикционными свойствами, химической инертностью, но высоким коэффициентом линейного расширения и низким коэффициентом теплопроводности. Подшипники с резиновыми вкладышами хорошо работают с водяной смазкой.  [c.464]

Особенности теплового расчета углеграфитовой теплообменной аппаратуры, а также справочные данные по коэффициентам линейного расширения, теплопроводности и теплопередачи для различных марок фафита приведены в монофафиях [18, 23]. Расчет основных элементов теплообменников на прочность производят по ГОСТ 14249. При этом нужно учитывать, что модуль упругости фафитовых материалов примерно на два порядка ниже, чем для углеродистых сталей, а временное сопротивление меньше в 30 раз.  [c.392]

---

Теплопроводность коэффициент теплопроводности — Справочник химика 21

    Через плоскую однородную стенку поверхностью Р и толщиной б (рис. 1Х-4) тепло Q передается теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности материала стенки равен к. Согласно закону Фурье, можно записать  [c.156]

    Коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности рабочего тела берут из таблиц физических величин при температуре газа 1=1 и). [c.111]

    Основным требованием, предъявляемым к тепловой изоляции трубопроводов, является низкая теплопроводность. Коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции зависит от его природы, строения и физических свойств. Теплоизоляционные материалы имеют пористое строение. Характер пористости во многом определяет изоляционные свойства материала. Кроме того, высокая пористость обусловливает малый объемный вес материала, что очень важно с конструктивной точки зрения. [c.339]

    Коэффициент теплопроводности. Значения коэффициента теплопроводности многих материалов в зависимости от температуры можно найти в гл. I. Наличие примесей, особенно в металлах, приводит к изменению теплопроводности на 50—75%. Пользуясь значениями коэффициентов теплопроводности, не следует забывать, что в процессе теплообмена (в особенности, в жидкостях и газах) лучеиспускание и конвекция, могут иг-, рать значительно большую роль, чем механизм теплопроводности. Коэффициент теплопроводности при данной температуре является функцией объемной массы [c.191]

    Общий коэффициент теплопередачи зависит от состояния грунта, глубины заложения газопровода, типа и состояния изоляции. Тепловые потери в зависимости от сезонов года изменяются циклически, хотя температура грунта на обычной глубине заложения трубопроводов изменяется в пределах 2—10° С. Значение коэффициента теплопередачи зависит от многих причин. На практике было установлено, что к близко к единице, но во многих случаях оно менее 0,25. Определить к более точно можно, только оценив тепловые потери через следующие сопротивления потоку тепла пленка потока, термическое сопротивление па границе поток—стенка , металлическая стенка, термическое сопротивление изоляции и грунта. Все эти сопротивления моншо охарактеризовать с помощью теплопроводности. Коэффициент теплопроводности Х для песка составляет 0,45, хотя для большинства горных пород он больше не менее, чем в четыре раза. Конечно, ничто не может быть лучше экспериментальных данных, однако для расчетов можно принимать к, равным 1,7 для заглубленных газопроводов. [c.169]

    В качестве высокотемпературных защитных покрытий и клеев нами были использованы органосиликатные материалы. Покрытия из органосиликатных материалов имеют хорошую адгезию к различным поверхностям. После отверждения (максимальная температура 200—270° С) они обладают повышенной термостойкостью (длительно выдерживают воздействие температур 300— 700° С), высокими электроизоляционными свойствами (удельное объемное сопротивление 10 —10 Ом-см, тангенс угла диэлектрических потерь 0.05—0.08, диэлектрическая проницаемость 3—7, электрическая прочность 10—50 кВ/мм), низкой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0.3—0. 5 ккал/м-ч °С), высокой механической прочностью, выдерживают резкие перепады температур от —60 до +600° С. Покрытия из органосиликатных материалов устойчивы к условиям тропического климата, гидрофобны, морозо- и радиационностойки [293]. [c.118]

    Теплопроводность. Теплопроводность — способность веществ самопроизвольно передавать тепловую энергию в направлении более низкой температуры за счет колебательного движения частиц. Количественная мера теплопроводности — коэффициент теплопроводности X, Вт(м-град) он равен количеству теплоты, проходящего за 1 ч через площадку в 1 м при разности температур в 1°С на см перпендикулярно к этой площадке. Теплопроводность определяют при стационарном или нестационарном тепловом потоке. [c.172]

    В случае разреженной суспензии такие свойства газа, как вязкость (коэффициент вязкости л), теплопроводность (коэффициент теплопроводности х) и диффузия (коэффициент диффузии D), а также весь режим движения газа не изменяются от наличия частиц.  [c.189]

    Коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности является основной величиной, определяющей выбор теплоизоляционного материала для низких температур. В этом случае, как правило, применяют наиболее эффективные материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,05 вт м-град) при температурах ниже 273° К. [c.73]

    Для тепловой изоляции трубопроводов, баков и другого криогенного оборудования используют материалы с низкой теплопроводностью — коэффициент теплопроводности при 320—370 К меньше 0,233 Вт/(м-К) [103]. [c.501]

    Основным требованием к теплоизоляции, применяемой в криогенной технике, является, как это ясно из изложенного, минимальная величина коэффициента теплопроводности. Коэффициент теплопроводности некоторых изоляционных материалов, применяемых при низких температурах, лишь в 1,5—2 раза больше теплопроводности спокойного воздуха, а аэрогель кремниевой кислоты имеет даже более низкий, чем у воздуха коэффициент теплопроводности.  [c.5]

    Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) — количество тепла (кДж, Дж, ккал, кал), которое проходит в 1 ч через 1 м стенки толщиной I м при разности температуры в 1 °С. Теплопроводность нефтепродуктов составляет примерно 0,1 Дж/М С °С с повышение.м те.мпературы эта величина уменьшается. [c.20]

    Основным коэффициентом переноса тепла является коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности зависит от температуры и влаго- [c.77]

    Пенополистирол выпускается в виде плит и тонких пленок. Отличаясь низкой теплопроводностью [коэффициент теплопроводности 0,035—0,046 Вт/(м-°С)], ППС широко применяется в качестве теплоизоляционного материала. ППС устойчив к действию воды и водных растворов кислот, щелочей и солей. Неустойчив к действию растворителей, горит. Свойства ППС указаны в таблице. [c.58]

    При применении пенополистирола в строительстве важнейшим его показателем является коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности пенополистирола (в сухом состоянии) составляет 0,028 ккал/ (м-ч-град). Ниже приведены данные о толщине стен и теплоизоляционных прослоек из различных материалов, обеспечивающих термическое сопротивление строительных элементов, равное 1 м-ч-град/ккал  [c.176]

    В случаях, если термостат с кипящей жидкостью или обогревание водяным паром использовать нельзя, применяют жидкостные бани. Для температур до 95° следует использовать воду, так как она по сравнению со всеми другими жидкостями (Я 0,0004), за исключением ртути (А, = 0,02), обладает самой высокой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности К = 0,0015). Почти такими же свойствами обладают растворы, которые в случае необходимости можно защищать еще несколькими миллиметрами парафинового масла. Приблизительно до 150° применим раствор хлорида кальция. Его насыщенный раствор, содержащий 305 г a la в 100 г воды, кипит при 176°. Кроме того, можно использовать растворы ацетата калия (626 г СН3СООК + 100 г Н2О, т. кип. 161°) или хлорида магния (128 г Mg l2 на 100 г воды, т. кип. при добавлении НС1 186°). [c.97]

    Нефтяные охлаждающие жидкости до настоящего времени не получили широкого применения, так как имеют существенные недостатки. Они обладают малыми теплоемкостью и теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности их в пять раз меньше коэффициента теплопроводности воды. Вследствие этого при высокой нагрузке двигателя охлаждение оказывается недостаточным и двигатель перегревается. Жидкость, нагретая в системе охлаждения до температуры выше 100°, при попадании воды бурно вскипает с выбросом. Кроме того, нефтяные охлаждающие [c.476]

    Введение антифрикционных наполнителей (двусернистого молибдена, графита, сернокислого бария и др.) существенно снижает износ подшипников и увеличивает их теплопроводность. Коэффициент теплопроводности чистого полиформальдегида составляет 3,67 10 кал/см-сек-град, а графита (100— 130) 10 кал/см сек град. Введение графита даже в небольших количествах увеличивает теплопроводность в несколько раз. Улучшение теплового режима подшипников, в свою очередь, приводит к снижению коэффициента трения и износа. Особенно эффективно влияние этих добавок при работе подшипников в условиях ограниченной смазки при сухом трении. В этом случае работоспособность подшипников увеличивается в несколько раз. [c.153]

    Недостатком стеклянной ваты является вредное воздействие осколков волокна на кожу и дыхательные органы. Разрушение волокна определяется его хрупкостью, зависящей от диаметра. Волокно толщиной 20— 25 мк колется легко, а менее 15 ж/с — не колется. Тонковолокнистая стеклянная вата имеет еще одно преимущество — более низкую теплопроводность. Коэффициент теплопроводности стеклянной ваты с диаметром волокна 7—10 мк и объемным весом 150 кГ/м при —90° С равен 0,024 ккал/м-ч-град. [c.380]

    Теплопроводность, коэффициент теплопроводности [c.10]

    Асбомагнезиальный порошок по ТУ 44-47 МСПТИ представляет собой порошок в виде смеси основного водного карбоната магния, получаемого переработкой магнезита и распушенного асбеста. Объемный вес 350 кГ/л1 Применяется для изоляции поверхностей промышленного оборудования и отличается малой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности 0,07—0,1 ккал/м-град-ч). [c.67]

    Для тепловой изоляции мокно применять любые материалы с низкой теплопроводностью — коэффициент теплопроводности которых при 5(3-100 °С менее 0,233 Вт/(м>К) [I]. Многие из таких материалов используют в естественном виде, но большую их часть получают при специальной обработке естественных материалов и изготовлении из них различных смесей. Теплоизоляционные свойства материалов из этих смесей зависят от технологии обработки компонентов или их соотношения. Основные требования, предъявляемые к теплоизоляционным латериалам, применяемым в криогенном оборудовании, следующие  [c.132]

    Тепловая энергия молекул более нагретого участка вещества передается соседним, более холодным. Это можно наблюдать, например, при нагреве одного конца медной проволоки над пламенем спиртовки. Этот виц теплообмена происходит до тех пор, пока температура во всех участках тела не сравняется. Количество теплоты, передаваемой через какую-нибудь стенку или тело, зависит, во-первых, от разности температур по обе стороны стенки или тела. Чем эта разность больше, тем большее количество теплоты передается через стенку или тело за определенный промежуток времени. Во-вторых, это количество зависит от площади стенки или тела. Вода в кастрюле с большим дном нагревается быстрее, чем в кастрюле с меньшим дном. Легко убедиться на опыте, что количество теплоты, передаваемой за единицу времени через стенку при определенной разности температур, тем больше, чем тоньше стенка. Наконец, теплопередача значительно зависит от материала стенки. Для характеристики различных материалов с точки зрения теплопередачи пользуются понятием коэффициента теплопроводности. Коэффициентом теплопроводности называют величину, показывающую, какое количество теплоты передается через плоскую стенку толщиной 1 м за единицу времени через единицу площади при разности температур между поверхностями стенки 1 °С. Если теплопроводность чистой меди к = 340 ккал/(м-ч)°С, то это означает, что через каждый квадратный метр медной стенки при толщине стенки 1 м и разности тем1Гератур 1°С передается 340 ккал в течение 1 ч. Как правило, материалы с большой объемной массой имеют более высокие значения коэффициента теплопроводности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно выше, чем для сухого и воды в отдельности. Так, для сухого кирпича X = 0,3, для воды X = 0,5, а для влажного кирпича >, = 0,9 ккал/(м-ч)°С. Материалы с низким значением коэффициента теплопроводности меньше 0,2 ккал/(м ч)°С, обычно применяемые для тепловой изоляции, называются теплоизоляционными. [c.24]

    В жидкостях и газах кроме теплопроводности теплопередача осуше-ствляется конвекцией, т. е. механическим перемешением нагретых частей. Почти всегда при соприкосновении жидкости или газа с твердыми стенками, имеюшими более высокую или более низкую температуру, в жидкости или газе возникают течения нагревшаяся жидкость (или газ) поднимается, а охладившаяся опускается. Этот процесс происходит вследствие уменьшения плотности жидкости или газа при повышении их температуры. В очень узких слоях, например в слое воздуха между двумя близко расположенными оконными стеклами, конвекционные течения слабы. Если конвекционные течения возникли, они способствуют быстрому прогреванию жидкостей и газов при отсутствии конвекции (в случае, когда вверху расположена нагретая жидкость, а внизу — охлажденная) прогревание и жидкостей, и газов замедляется вследствие их ничтожной теплопроводности. Коэффициент теплопроводности жидкостей лежит в пределах 0,08—0,6 ккал/(м-ч)°С, а газов — 0,05— 0,5 ккал/(м-ч)°С. [c.25]

    Часть, посвященная теплопроводности, состоит из двух глав. В первой рассматриваются стационарная теплопроводность, коэффициенты теплопроводности, вдияние формы тел и тепловые сопротивления параллельно и последовательно расположенных тел. Во второй главе рассматривается нестационарная теплопроводность, имеющая место при нагревании и охлаждении твердых тел задачи решаются с помощью графиков, включающих четыре безразмерных комплекса.  [c.13]

    Жидкость с удельной теплоемкостью с р и коэффициентом теплопроводности k входит в трубу, обладая температурой /ь Температура внутренней поверхности обогреваемого участка принимается постоянной и равной Характер течения принимается ламинарным, так что распределение локальной скорости в любом поперечном сечении является параболическим с нулевой скоростью у стеики и максимальной на оси (см. кривую А, рис. 9-16). Предполагается, что влия ние вязкости входит в задачу только этим путем. Принимается, что тепло передается только радиальной теплопроводностью коэффициент теплопроводности жидкости принимается постоянным. Пользуясь этими допущениями, Грэтц проинтегрировал уравнение Фурье-Пуассона [c.315]

    Стеклопласты на основе полимерных материалов, в отличие от металлов, обладают малой теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности у стеклопластов при 20° составляет 0,02 кал/см-град-сек в то вр ля, как у стали он равен 0,07—0,10, а у алюминия и его сплавов — 0,4—0,5. Низкая теплопроводность стеклопластов в ряде случаев является их преимуществом перед металлами. Так, благодаря низкой теплопроводности детали из стеклопластмасс, подвергающиеся неоднократному кратковременному воздействию очень высоких температур (примерно 2500°), оказываются более стойкими и прочными, чем детали из стали. Кратковременное действие высокой температуры на стеклопласт приводит только к разрушению поверхностных слоев детали, в то время как деталь из металла сгорает или теряет прочность. В настоящее время установлено, что некоторые стеклопласты, благодаря низкой теплопроводности, при воздействии температур 200—300° теряют прочность меньше, чем алюминий, магний и их сплавы. Поэтому при длительной работе при температурах свыше 200° С рекомендуется применять специальные жаропрочные стеклопластмассы, например, стеклопласты на основе кремнийорганических и меланиновых смол. Из сопоставления характеристик механической прочности стеклопластов и металлов следует, что стеклопласты могут быть использо- [c. 133]

    Обычные методы переработки в изделия для ПОБ мало пригодны используется метод изотермической ковки, аналогичный используемому в порошковой металлургии. Покрытия из ПОБ получают методом плазменного напыления. ПОБ имеет высокую рабочую температуру 315°С (кратковременно возможен нагрев до 425 °С), повышенную теплопроводность [коэффициент теплопроводности 0,76 Вт/(м-°С)], большую жесткость, хорошие диэлектрические свойства, высокую химическую стойкость, малое водопоглощение, очень низкий линейный коэффициент термического расширения (0,5-10″ ), самосмазывающие свойства. [c.261]

    Графитопласт АТМ-1 изготовляют на основе феноло-формальдегидного полимера, наполненного мелкодис-персньш графитом. Стоек ко многим кислотам, растворам солей и органическим растворителям. Легко обрабатывается режущим инструментом, обладает высокой теплопроводностью (коэффициент теплопроводности АТМ-1 равен 30—35 ккалДм -ч град). Температурный предел применения 140°С. Нестоек к щелочам.  [c.188]

---

Теплопроводность строительных материалов. Теплопроводность основных строительных материалов Коэффициент теплопередачи строительных материалов таблица

Строительство частного дома – очень непростой процесс от начала и до конца. Одним из основных вопросов данного процесса является выбор строительного сырья. Этот выбор должен быть очень грамотным и обдуманным, ведь от него зависит большая часть жизни в новом доме. Особняком в этом выборе стоит такое понятие, как теплопроводность материалов. От неё будет зависеть, насколько в доме будет тепло и комфортно.

Теплопроводность – это способность физических тел (и веществ, из которых они изготовлены) передавать тепловую энергию. Объясняя более простым языком, это перенос энергии от тёплого места к холодному. У некоторых веществ такой перенос будет происходить быстро (например, у большинства металлов), а у некоторых, наоборот – очень медленно (резина).

Если говорить ещё более понятно, то в некоторых случаях, материалы, имея толщину в несколько метров, будут проводить тепло гораздо лучше, чем другие материалы, с толщиной в несколько десятков сантиметров. Например, несколько сантиметров гипсокартона смогут заменить внушительную стену из кирпича.

Основываясь на этих знаниях, можно предположить, что наиболее правильным будет выбор материалов с низкими значениями этой величины , чтобы дом быстро не остывал. Для наглядности, обозначим процентное соотношение потерь тепла в разных участках дома:

От чего зависит теплопроводность?

Значения данной величины могут зависеть от нескольких факторов . Например, коэффициент теплопроводности, о котором мы поговорим отдельно, влажность строительного сырья, плотность и так далее.

• Материалы, имеющие высокие показатели плотности, имеют, в свою очередь, и высокую способность к теплоотдаче, за счёт плотного скопления молекул внутри вещества. Пористые материалы, наоборот, будут нагреваться и остывать медленнее.
• На теплопередачу оказывает влияние и влажность материалов. Если материалы промокнут, то их теплоотдача возрастёт.
• Также, сильно влияет на этот показатель структура материала. Например, дерево с поперечными и продольными волокнами будет иметь разные значения теплопроводности.
• Показатель изменяется и при изменениях таких параметров, как давление и температура. С ростом температуры он увеличивается, а с ростом давления, наоборот – уменьшается.

Коэффициент теплопроводности

Для количественной оценки такого параметра, используются специальные коэффициенты теплопроводности , строго задекларированные в СНИП. Например, коэффициент теплопроводности бетона равен 0,15-1,75 ВТ/(м*С) в зависимости от типа бетона. Где С – градусы Цельсия. На данный момент расчёт коэффициентов есть практически для всех существующих типов строительного сырья, применяющихся при строительстве. Коэффициенты теплопроводности строительных материалов очень важны в любых архитектурно-строительных работах.

Для удобного подбора материалов и их сравнения, используются специальные таблицы коэффициентов теплопроводности, разработанные по нормам СНИП(строительные нормы и правила). Теплопроводность строительных материалов , таблица на которых будет приведена ниже, очень важна при строительстве любых объектов.

• Древесные материалы. Для некоторых материалов параметры будут приведены как вдоль волокон(Индекс 1, так и поперёк – индекс 2)

• Различные типы бетона.

• Различные виды строительного и декоративного кирпича.

Расчёт толщины утеплителя

Из вышеприведённых таблиц мы видим, насколько могут отличаться коэффициенты проводимости тепла у разных материалов. Для расчёта теплосопротивления будущей стены, существует нехитрая формула , которая связывает толщину утеплителя и коэффициент его теплопроводности.

R = p / k , где R -показатель теплосопротивления, p -толщина слоя, k – коэффициент.

Из этой формулы несложно выделить и формулу расчёта толщины слоя утеплителя для требуемого теплосопротивления. P = R * k . Значение теплосопротивление разное для каждого региона. Для этих значений тоже существует специальная таблица, где их и можно посмотреть при расчёте толщины утеплителя.

Теперь приведём примеры некоторых наиболее популярных утеплителей и их технических характеристик.

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала	Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Войлок шерстяной	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3	0,036	0,042	0,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3	0,035	0,041	0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3	0,036	0,042	0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3	0,037	0,043	0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3	0,038	0,045	0,048
Стекловата 15 кг/м3	0,046	0,049	0,055
Стекловата 17 кг/м3	0,044	0,047	0,053
Стекловата 20 кг/м3	0,04	0,043	0,048
Стекловата 30 кг/м3	0,04	0,042	0,046
Стекловата 35 кг/м3	0,039	0,041	0,046
Стекловата 45 кг/м3	0,039	0,041	0,045
Стекловата 60 кг/м3	0,038	0,040	0,045
Стекловата 75 кг/м3	0,04	0,042	0,047
Стекловата 85 кг/м3	0,044	0,046	0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС)	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)	0,029	0,030	0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3	0,11	0,14	0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3	0,15	0,28	0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3	0,13	0,22	0,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3	0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3	0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3	0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3	0,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м3	0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3	0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3	0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3	0,073
Эковата	0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3	0,029	0,031	0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3	0,035	0,036	0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3	0,041	0,042	0,04
Пенополиэтилен сшитый	0,031-0,038
Вакуум	0
Воздух +27°C. 1 атм	0,026
Ксенон	0,0057
Аргон	0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)	0,014-0,021
Шлаковата	0,05
Вермикулит	0,064-0,074
Вспененный каучук	0,033
Пробка листы 220 кг/м3	0,035
Пробка листы 260 кг/м3	0,05
Базальтовые маты, холсты	0,03-0,04
Пакля	0,05
Перлит, 200 кг/м3	0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3	0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3	0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3	0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3	0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3	0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3	0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3	0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50. 13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Название материала, плотность	Коэффициент теплопроводности
	в сухом состоянии	при нормальной влажности	при повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор)	0,58	0,76	0,93
Известково-песчаный раствор	0,47	0,7	0,81
Гипсовая штукатурка	0,25
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3	0,21	0,33	0,37
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3	0,29	0,38	0,43
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3	0,15	0,28	0,34
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3	0,23	0,39	0,45
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3	0,31	0,48	0,55
Оконное стекло	0,76
Арболит	0,07-0,17
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3	1,51
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3	0,15-0,44
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3	0,35-0,58
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3	0,56
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3	0,9-1,5
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3	0,3-0,7
Керамическийй блок поризованный	0,2
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3	0,08-0,21
Керамзитобетон, 500 кг/м3	0,14
Керамзитобетон, 600 кг/м3	0,16
Керамзитобетон, 800 кг/м3	0,21
Керамзитобетон, 1000 кг/м3	0,27
Керамзитобетон, 1200 кг/м3	0,36
Керамзитобетон, 1400 кг/м3	0,47
Керамзитобетон, 1600 кг/м3	0,58
Керамзитобетон, 1800 кг/м3	0,66
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР	0,56	0,7	0,81
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)	0,35	0,47	0,52
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3)	0,41	0,52	0,58
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3)	0,47	0,58	0,64
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3)	0,7	0,76	0,87
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот	0,64	0,7	0,81
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот	0,52	0,64	0,76
Известняк 1400 кг/м3	0,49	0,56	0,58
Известняк 1+600 кг/м3	0,58	0,73	0,81
Известняк 1800 кг/м3	0,7	0,93	1,05
Известняк 2000 кг/м3	0,93	1,16	1,28
Песок строительный, 1600 кг/м3	0,35
Гранит	3,49
Мрамор	2,91
Керамзит, гравий, 250 кг/м3	0,1	0,11	0,12
Керамзит, гравий, 300 кг/м3	0,108	0,12	0,13
Керамзит, гравий, 350 кг/м3	0,115-0,12	0,125	0,14
Керамзит, гравий, 400 кг/м3	0,12	0,13	0,145
Керамзит, гравий, 450 кг/м3	0,13	0,14	0,155
Керамзит, гравий, 500 кг/м3	0,14	0,15	0,165
Керамзит, гравий, 600 кг/м3	0,14	0,17	0,19
Керамзит, гравий, 800 кг/м3	0,18
Гипсовые плиты, 1100 кг/м3	0,35	0,50	0,56
Гипсовые плиты, 1350 кг/м3	0,23	0,35	0,41
Глина, 1600-2900 кг/м3	0,7-0,9
Глина огнеупорная, 1800 кг/м3	1,4
Керамзит, 200-800 кг/м3	0,1-0,18
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3	0,23-0,41
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3	0,16-0,66
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3	0,22-0,28
Кирпич клинкерный, 1800 — 2000 кг/м3	0,8-0,16
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3	0,93
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3	1,35
Листы гипсокартона, 800 кг/м3	0,15	0,19	0,21
Листы гипсокартона, 1050 кг/м3	0,15	0,34	0,36
Фанера клеенная	0,12	0,15	0,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м3	0,06	0,07	0,08
ДВП, ДСП, 400 кг/м3	0,08	0,11	0,13
ДВП, ДСП, 600 кг/м3	0,11	0,13	0,16
ДВП, ДСП, 800 кг/м3	0,13	0,19	0,23
ДВП, ДСП, 1000 кг/м3	0,15	0,23	0,29
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3	0,33
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3	0,38
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3	0,2	0,29	0,29
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3	0,29	0,35	0,35
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3	0,35
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3	0,23-0,35
Ковровое покрытие, 630 кг/м3	0,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3	0,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3	0,075-0,085
Ракушечник, 1000-1800 кг/м3	0,27-0,63
Стеклопластик, 1800 кг/м3	0,23
Черепица бетонная, 2100 кг/м3	1,1
Черепица керамическая, 1900 кг/м3	0,85
Черепица ПВХ, 2000 кг/м3	0,85
Известковая штукатурка, 1600 кг/м3	0,7
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3	1,2

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Наименование	Коэффициент теплопроводности
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон	0,09	0,14	0,18
Сосна, ель вдоль волокон	0,18	0,29	0,35
Дуб вдоль волокон	0,23	0,35	0,41
Дуб поперек волокон	0,10	0,18	0,23
Пробковое дерево	0,035
Береза	0,15
Кедр	0,095
Каучук натуральный	0,18
Клен	0,19
Липа (15% влажности)	0,15
Лиственница	0,13
Опилки	0,07-0,093
Пакля	0,05
Паркет дубовый	0,42
Паркет штучный	0,23
Паркет щитовой	0,17
Пихта	0,1-0,26
Тополь	0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Название	Коэффициент теплопроводности		Название	Коэффициент теплопроводности
Бронза	22-105		Алюминий	202-236
Медь	282-390		Латунь	97-111
Серебро	429		Железо	92
Олово	67		Сталь	47
Золото	318

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т. д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Строительство любого дома, будь то коттедж или скромный дачный домик, должно начинаться с разработки проекта. На этом этапе закладывается не только архитектурный облик будущего строения, но и его конструктивные и теплотехнические характеристики.

Основной задачей на этапе проекта будет не только разработка прочных и долговечных конструктивных решений, способных поддерживать наиболее комфортный микроклимат с минимальными затратами. Помочь определиться с выбором может сравнительная таблица теплопроводности материалов.

Понятие теплопроводности

В общих чертах процесс теплопроводности характеризуется передачей тепловой энергии от более нагретых частиц твердого тела к менее нагретым. Процесс будет идти до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие. Другими словами, пока не сравняются температуры.

Применительно к ограждающим конструкциям дома (стены, пол, потолок, крыша) процесс теплопередачи будет определяться временем, в течение которого температура внутри помещения сравняется с температурой окружающей среды.

Чем более продолжителен по времени будет этот процесс, тем помещение будет более комфортным по ощущениям и экономичным по эксплуатационным расходам.

Численно процесс переноса тепла характеризуется коэффициентом теплопроводности. Физический смысл коэффициента показывает, какое количество тепла за единицу времени проходит через единицу поверхности. Т.е. чем выше значение этого показателя, тем лучше проводится тепло, значит, тем быстрее будет происходить процесс теплообмена.

Соответственно, на этапе проектных работ необходимо спроектировать конструкции, теплопроводность которых должна иметь по возможности наименьшее значение.

Вернуться к оглавлению

Факторы, влияющие на величину теплопроводности

Теплопроводность материалов, используемых в строительстве, зависит от их параметров:

1. Пористость — наличие пор в структуре материала нарушает его однородность. При прохождении теплового потока часть энергии передается через объем, занятый порами и заполненный воздухом. Принято за отсчетную точку принимать теплопроводность сухого воздуха (0,02 Вт/(м*°С)). Соответственно, чем больший объем будет занят воздушными порами, тем меньше будет теплопроводность материала.
2. Структура пор — малый размер пор и их замкнутый характер способствуют снижению скорости теплового потока. В случае использования материалов с крупными сообщающимися порами в дополнение к теплопроводности в процессе переноса тепла будут участвовать процессы передачи тепла конвекцией.
3. Плотность — при больших значениях частицы более тесно взаимодействуют друг с другом и в большей степени способствуют передаче тепловой энергии. В общем случае значения теплопроводности материала в зависимости от его плотности определяются либо на основе справочных данных, либо эмпирически.
4. Влажность — значение теплопроводности для воды составляет (0,6 Вт/(м*°С)). При намокании стеновых конструкций или утеплителя происходит вытеснение сухого воздуха из пор и замещение его каплями жидкости или насыщенным влажным воздухом. Теплопроводность в этом случае значительно увеличится.
5. Влияние температуры на теплопроводность материала отражается через формулу:

λ=λо*(1+b*t), (1)

где, λо — коэффициент теплопроводности при температуре 0 °С, Вт/м*°С;

b — справочная величина температурного коэффициента;

t — температура.

Вернуться к оглавлению

Практическое применение значения теплопроводности строительных материалов

Из понятия теплопроводности напрямую вытекает понятие толщины слоя материала для получения необходимого значения сопротивления теплового потока. Тепловое сопротивление — нормируемая величина.

Упрощенная формула, определяющая толщину слоя, будет иметь вид:

где, H — толщина слоя, м;

R — сопротивление теплопередаче, (м2*°С)/Вт;

λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м*°С).

Данная формула применительно к стене или перекрытию имеет следующие допущения:

• ограждающая конструкция имеет однородное монолитное строение;
• используемые стройматериалы имеют естественную влажность.

При проектировании необходимые нормируемые и справочные данные берутся из нормативной документации:

• СНиП23-01-99 — Строительная климатология;
• СНиП 23-02-2003 — Тепловая защита зданий;
• СП 23-101-2004 — Проектирование тепловой защиты зданий.

Вернуться к оглавлению

Теплопроводность материалов: параметры

Принято условное разделение материалов, применяемых в строительстве, на конструкционные и теплоизоляционные.

Конструкционные материалы применяются для возведения ограждающих конструкций (стен, перегородок, перекрытий). Они отличаются большими значениями теплопроводности.

Значения коэффициентов теплопроводности сведены в таблицу 1:

Таблица 1

Подставляя в формулу (2) данные, взятые из нормативной документации, и данные из Таблицы 1, можно получить требуемую толщину стен для конкретного климатического района.

При выполнении стен только из конструкционных материалов без использования теплоизоляции их необходимая толщина (в случае использования железобетона) может достигать нескольких метров. Конструкция в этом случае получится непомерно большой и громоздкой.

Допускают возведение стен без использования дополнительного утепления, пожалуй, только пенобетон и дерево. И даже в этом случае толщина стены достигает полуметра.

Теплоизоляционные материалы имеют достаточно малые величины значения коэффициента теплопроводности.

Основной их диапазон лежит в пределах от 0,03 до 0,07 Вт/(м*°С). Наиболее распространенные материалы — это экструдированный пенополистирол, минеральная вата, пенопласт, стекловата, утепляющие материалы на основе пенополиуретана. Их использование позволяет значительно снизить толщину ограждающих конструкций.

Строительство каждого объекта лучше начинать с планировки проекта и тщательного расчета теплотехнических параметров. Точные данные позволит получить таблица теплопроводности строительных материалов. Правильное возведение зданий способствует оптимальным климатическим параметрам в помещении. А таблица поможет правильно подобрать сырье, которое будут использоваться для строительства.

Теплопроводность материалов влияет на толщину стен

Теплопроводность является показателем передачи тепловой энергии от нагреваемых предметов в помещении к предметам с более низкой температурой. Процесс теплообмена производится, пока температурные показатели не уравняются. Для обозначения тепловой энергии используется специальный коэффициент теплопроводности строительных материалов. Таблица поможет увидеть все требуемые значения. Параметр обозначает, сколько тепловой энергии пропускается через единицу площади в единицу времени. Чем больше данное обозначение, тем качественнее будет теплообмен. При возведении зданий необходимо применять материал с минимальным значением тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности это такая величина, которая равна количеству теплоты, проходящей через метр толщины материала за час. Использование подобной характеристики обязательно для создания лучшей теплоизоляции. Теплопроводность следует учесть при подборе дополнительных утепляющих конструкций.

Что оказывает влияние на показатель теплопроводности?

Теплопроводность определяется такими факторами:

• пористость определяет неоднородность структуры. При пропуске тепла через такие материалы процесс охлаждения незначительный;
• повышенное значение плотности влияет на тесные соприкосновения частиц, что способствует более быстрому теплообмену;
• повышенная влажность увеличивает данный показатель.

Использование значений коэффициента теплопроводности на практике

Материалы представлены конструкционными и теплоизоляционными разновидностями. Первый вид обладает большими показателями теплопроводности. Они применяются для строительства перекрытий, ограждений и стен.

При помощи таблицы определяются возможности их теплообмена. Чтобы данный показатель был достаточно низким для нормального микроклимата в помещении стены из некоторых материалов должны быть особенно толстыми. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать дополнительные теплоизолирующие компоненты.

Показатели теплопроводности для готовых построек. Виды утеплений

При создании проекта нужно учитывать все способы утечки тепла. Оно может выходить через стены и крышу, а также через полы и двери. Если вы неправильно проведете расчеты проектирования, то придется довольствоваться только тепловой энергией, полученной от отопительных приборов. Здания, построенные из стандартного сырья: камня, кирпича либо бетона нужно дополнительно утеплять.

Дополнительная теплоизоляция проводится в каркасных зданиях. При этом деревянный каркас придает жесткости конструкции, а утепляющий материал прокладывается в пространство между стойками. В зданиях из кирпича и шлакоблоков утепление производится снаружи конструкции.

Выбирая утеплители необходимо обращать внимание на такие факторы, как уровень влажности, влияние повышенных температур и типа сооружения. Учитывайте определенные параметры утепляющих конструкций:

• показатель теплопроводности оказывает влияние на качество теплоизолирующего процесса;
• влагопоглощение имеет большое значение при утеплении наружных элементов;
• толщина влияет на надежность утепления. Тонкий утеплитель помогает сохранить полезную площадь помещения;
• важна горючесть. Качественное сырье имеет способность к самозатуханию;
• термоустойчивость отображает способность выдерживать температурные перепады;
• экологичность и безопасность;
• звукоизоляция защищает от шума.

В качестве утеплителей применяются следующие виды:

• минеральная вата устойчива к огню и экологична. К важным характеристикам относится низкая теплопроводность;

• пенопласт – это легкий материал с хорошими утеплительными свойствами. Он легко устанавливается и обладает влагоустойчивостью. Рекомендуется для применения в нежилых строениях;
• базальтовая вата в отличие от минеральной отличается лучшими показателями стойкости к влаге;
• пеноплэкс устойчив к влажности, повышенным температурам и огню. Имеет прекрасные показатели теплопроводности, прост в монтаже и долговечен;

• пенополиуретан известен такими качествами, как негорючесть, хорошие водоотталкивающие свойства и высокая пожаростойкость;
• экструдированный пенополистирол при производстве проходит дополнительную обработку. Обладает равномерной структурой;

• пенофол представляет из себя многослойный утепляющий пласт. В составе присутствует вспененный полиэтилен. Поверхность пластины покрывается фольгой для обеспечения отражения.

Для теплоизоляции могут применяться сыпучие типы сырья. Это бумажные гранулы или перлит. Они имеют стойкость к влаге и к огню. А из органических разновидностей можно рассмотреть волокно из древесины, лен или пробковое покрытие. При выборе, особое внимание уделяйте таким показателям как экологичность и пожаробезопасность.

Обратите внимание! При конструировании теплоизоляции, важно продумать монтаж гидроизолирующей прослойки. Это позволит избежать высокой влажности и повысит сопротивляемость теплообмену.

Таблица теплопроводности строительных материалов: особенности показателей

Таблица теплопроводности строительных материалов содержит показатели различных видов сырья, которое применяется в строительстве. Используя данную информацию, вы можете легко посчитать толщину стен и количество утеплителя.

Как использовать таблицу теплопроводности материалов и утеплителей?

В таблице сопротивления теплопередаче материалов представлены наиболее популярные материалы. Выбирая определенный вариант теплоизоляции важно учитывать не только физические свойства, но и такие характеристики как долговечность, цена и легкость установки.

Знаете ли вы, что проще всего выполнять монтаж пенооизола и пенополиуретана. Они распределяются по поверхности в виде пены. Подобные материалы легко заполняют полости конструкций. При сравнении твердых и пенных вариантов, нужно выделить, что пена не образует стыков.

Значения коэффициентов теплопередачи материалов в таблице

При произведении вычислений следует знать коэффициент сопротивления теплопередаче. Данное значение является отношением температур с обеих сторон к количеству теплового потока. Для того чтобы найти теплосопротивление определенных стен и используется таблица теплопроводности.

Все расчеты вы можете провести сами. Для этого толщина прослойки теплоизолятора делится на коэффициент теплопроводности. Данное значение часто указывается на упаковке, если это изоляция. Материалы для дома измеряются самостоятельно. Это касается толщины, а коэффициенты можно отыскать в специальных таблицах.

Коэффициент сопротивления помогает выбрать определенный тип теплоизоляции и толщину слоя материала. Сведения о паропроницаемости и плотности можно посмотреть в таблице.

При правильном использовании табличных данных вы сможете выбрать качественный материал для создания благоприятного микроклимата в помещении.

Теплопроводность строительных материалов (видео)

Возможно Вам также будет интересно:

Как сделать отопление в частном доме из полипропиленовых труб своими руками Гидрострелка: назначение, принцип работы, расчеты Схема отопления с принудительной циркуляцией двухэтажного дома – решение проблемы с теплом

Теплопроводность — способность материала передавать тепло от одной своей части к другой в силу теплового движения молекул. Передача тепла в материале осуществляется кондукцией (путем контакта частиц материала), конвекцией (движением воздуха или другого газа в порах материала) и лучеиспусканием.

Теплопроводность зависит от средней плотности материала, его структуры, пористости, влажности и средней температуры слоя материала. С увеличением средней плотности материала, теплопроводность возрастает. Чем выше пористость, т.е. меньше средняя плотность материала, тем ниже теплопроводность. С увеличением влажности материала теплопроводность резко возрастает, при этом понижаются его теплоизоляционные свойства. Поэтому все теплоизоляционные материалы в теплоизоляционной конструкции защищают от попадания влаги покровным слоем — пароизоляция.

Сравнительные данные строительных материалов с одинаковой теплопроводностью

Коэффициент теплопроводности материалов

Материал	Коэффициент теплопроводности, Вт/м*К
Алебастровые плиты	0,47
Асбест (шифер)	0,35
Асбест волокнистый	0,15
Асбестоцемент	1,76
Асбоцементные плиты	0,35
Бетон термоизоляционный	0,18
Битум	0,47
Бумага	0,14
Вата минеральная легкая	0,045
Вата минеральная тяжелая	0,055
Вата хлопковая	0,055
Вермикулитовые листы	0,1
Войлок шерстяной	0,045
Гипс строительный	0,35
Глинозем	2,33
Гравий (наполнитель)	0,93
Гранит, базальт	3,5
Грунт 10% воды	1,75
Грунт 20% воды	2,1
Грунт песчаный	1,16
Грунт сухой	0,4
Грунт утрамбованный	1,05
Гудрон	0,3
Древесина — доски	0,15
Древесина — фанера	0,15
Древесина твердых пород	0,2
Древесно-стружечная плита ДСП	0,2
Зола древесная	0,15
Ипорка (вспененная смола)	0,038
Камень	1,4
Картон строительный многослойный	0,13
Каучук вспененный	0,03
Каучук натуральный	0,042
Каучук фторированный	0,055
Керамзитобетон	0,2
Кирпич кремнеземный	0,15
Кирпич пустотелый	0,44
Кирпич силикатный	0,81
Кирпич сплошной	0,67
Кирпич шлаковый	0,58
Кремнезистые плиты	0,07
Опилки — засыпка	0,095
Опилки древесные сухие	0,065
ПВХ	0,19
Пенобетон	0,3
Пенопласт	0,037
Пенополистирол ПС-Б	0,04
Пенополиуретановые листы	0,035
Пенополиуретановые панели	0,025
Пеностекло легкое	0,06
Пеностекло тяжелое	0,08
Пергамин	0,17
Перлит	0,05
Перлито-цементные плиты	0,08
Песок
0% влажности	0,33
10% влажности	0,97
20% влажности	1,33
Песчаник обожженный	1,5
Плитка облицовочная	105
Плитка термоизоляционная	0,036
Полистирол	0,082
Поролон	0,04
Пробковая плита	0,043
Пробковые листы легкие	0,035
Пробковые листы тяжелые	0,05
Резина	0,15
Рубероид	0,17
Сосна обыкновенная, ель, пихта (450. ..550 кг/куб.м, 15% влажности)	0,15
Сосна смолистая (600…750 кг/куб.м, 15% влажности)	0,23
Стекло	1,15
Стекловата	0,05
Стекловолокно	0,036
Стеклотекстолит	0,3
Толь бумажный	0,23
Цементные плиты	1,92
Цемент-песок раствор	1,2
Чугун	56
Шлак гранулированный	0,15
Шлак котельный	0,29
Шлакобетон	0,6
Штукатурка сухая	0,21
Штукатурка цементная	0,9
Эбонит	0,16
Эбонит вспученный	0,03
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности)	0,15

Обощающая таблица .

Виды теплопередачи

Обобщающая таблица.

Виды теплопередачи

Вид теплопередачи

определение

Существенный признак

Примеры использования в быту, в природе, в технике

Теплопроводность

Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Контакт тел с разной температурой или частей тела.

При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому.

Теплопроводность у различных веществ различна.

Имеют большую теплопроводность: металлы. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь. Плохой теплопроводностью обладают: жидкости, газы, пористые тела. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум.

Если нужно предохранять тело от нагревания или охлаждения, то применяют вещества с малой теплопроводностью: ручки сковородок, кастрюль и т. д.

(Привести свои примеры)

Конвекция

Энергия переносится самими струями жидкости и газа.

Конвекция невозможна в твердых телах. Для того, чтобы происходила конвекция жидкости и газы нужно подогревать снизу.

Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную.

Причина образования пассатов, бризов. Отопление жилых помещений.

(Привести свои примеры)

Излучение

Перенос энергии в виде электромагнитных волн.

Может происходить в вакууме. Темные тела лучше поглощают энергию излучения и лучше её отдают. Светлые тела хорошо отражают энергию излучения энергию.

Способность тел

по – разному поглощать энергию излучения широко используется на практике. Поверхность самолетов, метеозондов. Нефтяных цистерн красят серебристой краской.

(Привести свои примеры)

Источники

Перышкин А. В. Физика 8 класс , М. Дрофа 2014г.

Коэффициент температуропроводности — Словарь терминов | ПластЭксперт

Понятие и общие сведения

Значение данного коэффициента характеризует теплопроводность материала, которая, в свою очередь, является физическим параметром, отражающим скорость изменения температуры тела в течение нестационарных тепловых процессов. Теплопроводность является мерой тепло-инерционных свойств любого материала.

Численное значение коэффициента температуропроводности определяется как отношение коэффициента теплопроводности материала к произведению удельной теплоёмкости этого материала, взятой при постоянном давлении, на его плотность. Коэффициент температуропроводности измеряется в системе физических единиц СИ в кв.м/секунда. Рассмотрим все три величины – температуропроводность, теплопроводность и удельную теплоёмкость.

Значение коэффициента температуропроводности находится в зависимости от химической и физической природы материала. Вещества в жидкой и особенно газовой фазе имеют невысокие значения этого показателя. Для твердых тел и в особенности металлы, коэффициент температуропроводности обладает наибольшими значениями.

Температуропроводность

Характеристика вещества под названием «температуропроводность», которая собственно и описывается коэффициентом температуропроводности, является одной из физических величин. Она характеризует скорость изменения или выравнивания температуры материала в неравновесных процессах, связанных с тепловой энергией.

Температуропроводность характеризует материал. Вместе с теплопроводностью они являются важнейшими тепловыми свойствами материалов, т.к. они отражают процессы переноса теплоты и температурные изменения в веществе.

Теплопроводность

Теплопрово́дностью называется способность материалов осуществлять трансфер тепловой энергии по направлению от нагретых областей тела к более холодным областям тела. Перемещение тепла осуществляется в процессе хаотического перемещения элементарных частиц вещества, это могут быть молекулы, атомы, ионы и т.д. Указанный тепловой процесс протекает практически в любых веществах и предметах, имеющих разницу температур в разных своих частях. Сам механизм перемещения тепловой энергии при этом находится в зависимости от агрегатного состояния, в котором находится рассматриваемое тело.

Теплопроводностью в том числе именуют количественную характеристику тела по проведению через себя тепловой энергии. Это свойство подобно электрической проводимости в электротехнике. Такая особенность материала характеризуется специальной постоянной для каждого вещества – коэффициентом теплопроводности. Такой коэффициент принимается равным количеству теплоты, которое проходит через однородный образец вещества длиной 1 метр, через единицу площади 1 кв.метр за 1 секунду при разнице температур в 1 градус Кельвина (или Цельсия). В упомянутой ранее системе СИ единицей измерения данного коэффициента теплопроводности принят Вт/(м·K).

Изначально ученые считали, что трансфер теплоты осуществляется за счет перетекания предполагаемого «вещества» под названием «теплород» от одного тела или вещества к другому. Эта гипотеза была забракована в ходе развития молекулярно-кинетической теории. Тогда процесс теплопроводности стало возможно объяснить, основываясь на механизмах воздействий элементарных частиц материи друг на друга. Атомы, молекулы и ионы в областях вещества с более высокой температурой перемещаются активнее и таким образом передают свою избыточную энергию при помощи столкновений с менее скоростными «холодными» элементарными частицам, расположенными в менее нагретых областях материала.

Удельная теплоёмкость

Удельной теплоемкостью материала называется физическая величина, которая равна количеству тепловой энергии, необходимой для передачи телу с массой 1 килограмм для повышения температуры этого тела на 1 градус К. В международной системе единиц СИ удельная теплоемкость обозначается латинской буквой С, а единицей ее измерения является «джоуль на килограмм-кельвин» или Дж/кг*градусК.

Исходя из вышесказанного значение удельной теплоёмкости материала можно интерпретировать как теплоёмкость единицы его массы. Температура самого вещества и, следовательно, окружающей среды оказывает прямое влияние на величину удельной теплоёмкости. При различной температуре показатель удельной теплоёмкости любого материала будет отличаться.  

Значение для процессов переработки пластмасс

В полимерной промышленности коэффициент температуропроводности является значимой физической величиной пластиков. Он используется в расчетах при проектировании изделий из пластмасс и при эксплуатации конструкционных деталей из полимеров.

Рис.1. Пластиковые окна – важнейшая область расчетов теплопроводности полимеров

Важны тепловые расчеты при использовании би-материальных систем, например полимер-металл. Прочностные и тепловые расчеты таких деталей – важнейшее условия их успешного производства и экстплуатации.

Объявления о покупке и продаже оборудования можно посмотреть на         

Доске объявлений ПластЭксперт

Обсудить достоинства марок полимеров и их свойства можно на               

Форуме о полимерах ПластЭксперт

Зарегистрировать свою компанию в Каталоге предприятий

Вернуться к списку терминов

Способность одежды проводить тепло

При подборе тканей, трикотажа или нетканых материалов для тех или иных видов одежды и в процессах их влажно-тепловой обработки имеют особое значение теплозащитные свойства (теплоемкость, температуропроводность и теплостойкость), которые характеризуют отношение этих материалов к действию на них тепловой энергии.

Через материалы для одежды тепло передается главным образом теплопроводностью. Теплопроводностью называется способность любого вещества проводить тепло:

Степень теплопроводности материала численно характеризуется коэффициентом теплопроводности %:

Коэффициент теплопроводности показывает количество тепла, которое проходит за 1 ч через 1 м² однородного слоя толщиной в 1 м при разности температур на ее поверхностях в 1°С.

О теплозащитных свойствах материалов при их фактической толщине судят по коэффициенту теплопередачи К, определяемого по формуле :

Материалы для одежды не являются однородными слоями, а представляют собой систему из большого количества волокон, отделенных друг от друга порами различной формы и размеров, заполненных воздухом.

Рис. 11-63. Зависимость теплопроводности от числа слоев в одежде

Передача тепла в таких материалах слагается из передачи тепла теплопроводностью через порообразующий волокнистый слой, теплопроводностью и конвекцией через поры и излучением между стенками пор. Количество тепловой энергии, передающейся любым из этих способов, приблизительно пропорционально разности температур (t₁—t₂) двух прилегающих изотермических поверхностей.Для материалов одежды, величина коэффициента теплопроводности К изменяется приблизительно в пределах 0,033—0,070 ккал/м ч град, а для воздуха составляет 0,020 ккал/м — ч-град. Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является постоянной, а. может изменяться в зависимости от объемного веса материала, влажности, температуры, воздухопроницаемости и направления теплового потока.

Из графика видно, что с увеличением количества слоев одежды теплопроводность снижается и повышаются ее теплозащитные свойства.

Чем больше тепловое сопротивление материала, тем выше его теплоизоляционные свойства. Тепловое сопротивление сложного слоя равно сумме сопротивлений каждого из составляющих слоев, т. е.

Ткани, трикотаж и нетканые материалы представляют собой дисперсную систему, в которой волокна относительно равномерно распределены в дисперсной среде (воздухе). Основной особенностью структуры этих материалов является высокая пористость и сравнительно малая величина контактных площадей между отдельными волокнами в материале. Поэтому теплопередача в материалах одежды осуществляется в значительной степени через слой сравнительно неподвижного воздуха, заключенного в материале.

Таблица 11-15. Коэффициент теплопроводности различных материалов при различном объемном весе.

Материалы	Объемный вес В кг/см3	Коэффициент теплопроводности в ккал/м-ч-град
Сукно	0,25	0,045
Шерстяной войлок	0,15	0,050
Хлопчатобумажный войлок	0,30	0,050
Вата хлопчатобумажная	0,05	0,046
Пух гагачий	0,02	0,056

Тепловое сопротивление текстильных материалов представляет собой некоторую среднюю величину от теплового сопротивления волокна и воздуха, находящегося в порах. В табл. 11-15 представлены данные о коэффициенте теплопроводности различных материалов при разном объемном весе

Как видно из таблицы, различные материалы при резко отличающемся объемном весе имеют близкий по значению коэффициент теплопроводности. Однако объемный вес материалов для одежды не оказывает существенного влияния на их тепловое сопротивление только в определенном интервале значений. При дальнейшем увеличении объемного веса и уменьшении пористости тепловое сопротивление уменьшается, а теплопроводность увеличивается. Так, при увеличении объемного веса ткани (бобрика) в 2,5 раза ее тепловое сопротивление снизилось более чем на 45%.

Рис. 11-64. Зависимость теплового сопротивления тканей от их толщины (в условиях спокойного воздуха)

Рис. 11-65. Влияние избыточной влажности пакета одежды на его тепловое сопротивление

Исходя из этого, сделаны выводы: 1) ткани с меньшим объемным весом являются более теплозащитными; 2) структура ткани при заданной толщине в условиях неподвижного воздуха непосредственно не влияет на тепловое сопротивление. Зато структура ткани оказывает существенное влияние на ее толщину и воздухопроницаемость, которые тоже непосредственно влияют на тепловое сопротивление материалов для одежды. Толщина ткани является одним из главных факторов, влияющих на тепловое сопротивление одежды независимо от ее волокнистого состава и плотности (рис. 11-64). С увеличением толщины материалов одежды пропорционально возрастает и их тепловое сопротивление. С повышением влажности материалов для одежды резко падает их тепловое сопротивление. На рис. 11-65 представлена зависимость теплового сопротивления материалов одежды от их влажности.

Резкое падение теплового сопротивления материалов одежды от их влажности объясняется тем, что коэффициент теплопроводности воды, проникающей в поры материала, равен 0,5 ккал/м-ч-град (в 20 раз больше, чем воздуха в порах среднего размера). Кроме того, наличие воды в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между волокнами материала, что также оказывает влияние на снижение теплового сопротивления.

Рядом исследователей установлено, что увеличение коэффициента теплопроводности прямо пропорционально увеличению влажности. Степень влияния влажности текстильных материаллов на их теплопроводность неодинакова для различных тканей и зависит от рода волокон и объемного веса тканей. Так, теплопроводность тканей хлопчатобумажных более резко увеличивается с увеличением влажности, чем шерстяных тканей. Зависимость коэффициента теплопроводности тканей от их влажности может быть выражена следующей формулой:

где λ_вл — коэффициент теплопроводности влажной ткани; λ_Сух — коэффициент абсолютно сухой ткани; W — объемная влажность ткани в %;

а —постоянный коэффициент, равный, приблизительно, для шерстяных тканей 0,0024 и для хлопчатобумажных — 0,0039. Зависимость теплового сопротивления от вида и объемного веса волокнистого материала приведена в табл. 11-16.

Таблица 11-16. Зависимость теплового сопротивления от вида и объемного веса материала

Материалы	Суммарное тепловое сопротивление в м2Ч-град1ккал при объемном весе в г/см3
	0,0055	0,011	0,002	0,044	0,066	0,088	0,110
Шерсть	0,4340	0,462	0,636	0,647	0,646	0,618	0,623
Хлопок	0,4590	0,475	0,538	0,546	0,556	0,548	0,467
Хлорин	0,5990	0,603	0,628	0,635	0,614	0,601	0,603
Капрон	0,5000	0,501	0,601	0,617	0,536	0,537	0,536
Натуральный шелк	0,4920	0,466	0,503	0,505	0,493	0,505	0,500

При оценке теплозащитных свойств одежды ее воздухопроницаемость является одним из решающих факторов. При большой воздухопроницаемости одежда не может быть теплой независимо от ее толщины и веса. В условиях умеренного климата температура окружающего воздуха обычно ниже температуры человеческого тела. Ткань со стороны тела согревается, а с внешней охлаждается. При этом, если ткань имеет незначительную плотность, и особенно, если она выработана из гладких крученых нитей, которые не создают в ткани замкнутые воздушные прослойки, конвекционный поток устремляется наружу и в результате происходит непрерывная смена воздушных прослоек. Теплозащитные свойства таких тканей меньше, чем более плотных и подвергавшихся валке или начесу, и не имеющих открытых пор. Скорость проникания воздуха через материал зависит не только от величины отверстий между нитями, образующими материал, и разности температур его противоположных поверхностей, но и от скорости движения окружающего воздуха. С увеличением скорости воздушного потока тепловое сопротивление тканей резко снижается. При этом интенсивность снижения теплового сопротивления зависит от степени воздухопроницаемости ткани (табл. II-17).

Из таблицы ясно, что в условиях подвижного воздуха тепловое сопротивление более толстого материала при большей воздухопроницаемости меньше по сравнению с более тонким и менее воздухопроницаемым материалом. Известно, что в условиях неподвижного воздуха воздушная прослойка в пределах определенной толщины между телом и материалом увеличивает общее тепловое сопротивление ткани. Однако в условиях подвижного воздуха в результате усиления конвекционного теплообмена под образцом ткани общее тепловое сопротивление снижается и тем больше, чем больше воздухопроницаемость ткани.

Теплопроводность — обзор

0,19 СН), 6 (М), 5. 06 (CR)08 900 Барит

Минералы кремнезема
Кварц — α	7,69 (CH), 7,69 (CR), 7,7 (B)	0,70 (CR), 0,74 (M)
Кварц — аморфный	1,36 (CH)
Кварц — средний	6,5 (Ca)
Орто- и кольцевые силикаты
Оливин — форстерит3
0,68 (M),
Оливин — фаялит	3,16 (CH), 3 (M), 3,16 (CR)	0,55 (CR), 0,84 (M)
Гранаты —Альмандин	3,31 (CH), 3,3 (M), 3,31 (CR)
Гранаты — гроссулярит	5,48 ± 0,21 (CH), 5,48 (CR)
Циркон	5,54 (CH ), 5,7 (M)	0,61 (CR)
Титанит (сфен)	2,34 (CH), 2,33 (CR)
Al 2 SiO 5 Группа — андалузит	7 .58 (CH), 7,57 (CR)	0,77 (CR)
Al 2 SiO 5 Группа — силлиманит	9,10 (CH), 9,09 (CR)	0,7 (M), 0,74 ( CR)
Al 2 SiO 5 группа — кианит	14,16 (CH), 14,2 (CR)	0,78 (M), 0,70 (CR)
Epidote	2,83 ± 0,21 ( CH), 2,82 (CR)
Цепные силикаты
Пироксен-энстатит	4. 47 ± 0,30 (CH), 4,8 (M), 4,34 (CR)	0,7–0,75 (M), 0,80 (CR)
Пироксен-диопсид, авгит	4,66 ± 0,31 (CH), 4,1–5,1 (M)	0,67 (M), 0,69 (CR)
Амфибол-роговая обманка	2,81 ± 0,27 (CH), 2,9–3,0 (M)	0,75 (M)
Силикаты листовые
Слюда-мусковит	2,28 ± 0,07 (CH), 2,32 (CR)	0,76 (M)
Слюда-биотит	2.02 ± 0,32 (CH), 0,7–1,6 (M)	0,78 (M)
Тальк	6,10 ± 0,90 (CH), 6,10 (CR)	0,87 (CR)
Хлорит	5,15 ± 0,77 (CH), 4,2 (M), 5,14 (CR)	0,6 (M)
Серпентин	3,53 ± 1,28 (CH), 1,8–2,9 (M)	0,65
Смектит	1,9 (B)
Иллит	1,9 (B)
Каолинит	2.6 (B)	0,93
Смешанные слои	1,9 (B)
Глинистые минералы (среднее значение)	2,9 (Q), 1,7 (Ca)
Силикаты каркаса — полевой шпат
Полевой шпат — среднее значение	2,3 (H), 2,0 (DJ)
Ортоклаз	2,31 (CH), 2,31 (CR), 2,40 (DJ)	0,63–0,75 (M) , 0,61 (CR)
Микроклин	2. 49 ± 0,08 (CH), 2,9 (M), 2,49 (CR)	0,67–0,69 (M), 0,68 (CR)
Альбит	2,14 ± 0,19 (CH), 2,31 (CR)	0,71 (CR)
Анортит	1,69 (CH), 1,68 (CR)	0,71 (CR)
Нефелин	1,73 (CR)
Оксиды			5,10 (CH), 4,7–5,3 (M), 5,1 (CR)	0,6 (M), 0,60 (CR)
Гематит	11.28 (CH), 11,2–13,9 (M),	0,62 (M), 0,61 (CR)
Ильменит	2,38 ± 0,18 (CH), 2,2 (M)	0,77 (M)
Шпинель	9,48 (CH), 8–13 (M), 9,48 (CR)	0,82 (M)
Рутил	5,12 (CH), 7,0–8,1 (M)	0,74–0,94 ( M)
Сульфиды
Пирит	19,21 (CH), 19,2 (CR)	0,5–0,52 (M), 0,5 (CR)
Пирротит	4. 60 (CH)	0,58–0,60 (M)
Galena	2,28 (CH), 2,28 (CR)	0,21 (M), 0,207 (CR)
Сульфаты
1,31 (CH), 1,5–1,8 (M), 1,33 (CR)	0,48–0,6 (M), 0,45 (CR)
Ангидрит	4,76 (CH), 4,76 (CR), 5,4 (Ca)	0,55–0,62 (M), 0,52 (CR)
Гипс	1,26 (CH), 1,0–1,3 (M)	1.07 (M)
Карбонаты
Кальцит	3,59 (CH), 3,25–3,9 (M)	0,8–0,83 (M), 0,79 (CR)
Доломит	5,51 (CH), 5,5 (CR), 5,3 (B)	0,86–0,88 (M), 0,93 (CR)
Арагонит	2,24 (CH), 2,23 (CR)	0,78–0,79 (M) , 0,78 (CR)
Магнезит	5,84 (CH), 4,6 (M), 5,83 (CR)	0,88 (M), 0,86 (CR)
Сидерит	3.01 (CH), 3,0 (M), 3,0 (B), 3,0 (CR)	0,72–0,76 (M), 0,68 (CR)
Фосфаты
Апатит	1,38 ± 0,01 ( CH), 1,4 (M), 1,37 (CR)	0,7 (M)
Галогениды
Галит, каменная соль	5,55 ± 0,18 (CH), 5,3–7,2 (D)	0,79 –0,84 (M)
Сильвит	6,40 (CH), 6,7–10 (M)	0,55–0,63 (M)
Флюорит	9. 51 (CH), 9–10,2 (M), 9,5 (CR)	0,9 (M), 0,85 (CR)
Органические материалы	0,25 (Q), 1,0 (B)

11.2 Тепло, удельная теплоемкость и теплопередача

Проводимость, конвекция и излучение

Теплообмен происходит всякий раз, когда возникает разница температур. Передача тепла может происходить быстро, например, через сковороду, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.Иногда все три могут происходить одновременно. См. Рисунок 11.3.

Рис. 11.3 В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в комнату. Передача тепла также происходит через теплопроводность в комнату, но гораздо медленнее. Теплообмен за счет конвекции также происходит через холодный воздух, поступающий в комнату вокруг окон, и горячий воздух, покидающий комнату, поднимаясь вверх по дымоходу.

Проводимость — это передача тепла при прямом физическом контакте.Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном сковороды, передается за счет теплопроводности. Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно. Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем такие ткани, как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от нашего тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни.Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один из них холоднее другого? Это объясняется разной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его более холодным.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В целом металлы (например, медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рис. 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле выше, чем в более холодном теле. Если две частицы сталкиваются, энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией. Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT = Thot-TcoldΔT = Thot-Tcold.Таким образом, вы получите более сильный ожог от кипятка, чем от горячей воды из-под крана.

Рис. 11.4. Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на контактной поверхности, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области. На этой иллюстрации частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию перед столкновением, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, частица в области более высоких температур (слева) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция — это передача тепла движением жидкости. Такой тип теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или во время грозы, когда горячий воздух поднимается к основанию облаков.

Советы для успеха

В обиходе термин жидкость обычно означает жидкость.Например, когда вы заболели и врач говорит вам «выпить жидкости», это означает только пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике жидкость означает жидкость или газ . Жидкости движутся иначе, чем твердые тела, и даже имеют свой собственный раздел физики, известный как гидродинамика , который изучает их движение.

При повышении температуры жидкости они расширяются и становятся менее плотными. Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с другой температурой, чем снаружи в окружающей среде.Более горячие и, следовательно, быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, вызывая расширение воздушного шара. Это уменьшение плотности по отношению к окружающей среде создает плавучесть (тенденцию к повышению). Конвекция обусловлена ​​плавучестью — горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотен, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру в доме или в себе, контролируя движение воздуха. Герметизация дверей герметичным уплотнением защищает от холодного ветра зимой.Дом на рис. 11.5 и горшок с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Рис. 11.5 Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол.Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, в которой используется естественная конвекция, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 11.6 Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого котла с водой. Попав внутрь жидкости, передача тепла другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим частям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется, пока в кастрюле есть вода.

Излучение — это форма передачи тепла, которая происходит при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие волны имеют более высокую частоту и больше энергии).

Вы можете почувствовать теплоотдачу от огня и солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не касаясь ее дверцы и не заглядывая внутрь — она ​​может просто согреть вас, когда вы пройдете мимо.Другой пример — тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение — единственный метод передачи тепла, при котором среда не требуется, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с какими-либо предметами или переноситься ими. Пространство между Землей и Солнцем в основном пусто, без какой-либо возможности теплопередачи за счет конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается за счет излучения, и Земля нагревается, поскольку она поглощает электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Рис. 11.7 Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, даже не глядя на него. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. Рисунок 11.7). Скорость передачи тепла излучением в основном зависит от цвета объекта. Черный — наиболее эффективный поглотитель и радиатор, а белый — наименее эффективный.Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают ношения черной одежды. Точно так же черный асфальт на стоянке будет горячее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное — черный цвет излучает лучше, чем зеленый. Ясной летней ночью черный асфальт будет холоднее, чем зеленый участок травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый. Напротив, белый цвет — плохой поглотитель и плохой радиатор. Белый объект, как зеркало, отражает почти все излучение.

Виртуальная физика

Формы и изменения энергии

В этой анимации вы исследуете теплопередачу с различными материалами. Поэкспериментируйте с нагреванием и охлаждением железа, кирпича и воды. Для этого перетащите объект на пьедестал и затем удерживайте рычаг в положении «Нагреть» или «Охлаждать». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру — вы можете в реальном времени наблюдать за тем, как быстро он нагревается или охлаждается.

Теперь попробуем передать тепло между объектами.Нагрейте кирпич и поместите его в прохладную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор опции быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла и сэкономить время.

Проверка захвата

Сравните, насколько быстро различные материалы нагреваются или охлаждаются. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какая из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить себе реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

1. Вода занимает больше всего времени, а железу нужно меньше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
2. Вода занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
3. Кирпич занимает меньше всего времени, а железу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть.Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.
4. Вода занимает меньше всего времени, а кирпичу нужно больше времени, чтобы нагреться и остыть. Для теплоизоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой удельной теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

Что такое теплопередача? | Документация SimWiki

В общем, теплопередача описывает поток тепла (тепловой энергии) из-за разницы температур и последующего распределения и изменений температуры.

Изучение явлений переноса касается обмена импульсом, энергией и массой в форме проводимости, конвекции и излучения. Эти процессы можно описать математическими формулами.

Основы этих формул находятся в законах сохранения количества движения, энергии и массы в сочетании с основными законами, соотношениями, которые описывают не только сохранение, но и поток величин, участвующих в этих явлениях. Для этого используются дифференциальные уравнения, чтобы наилучшим образом описать упомянутые законы и определяющие соотношения.Решение этих уравнений — эффективный способ исследования систем и прогнозирования их поведения.

Рисунок 1: Охлаждение радиатора с помощью SimScale, показывающее распределение температуры

История и терминология

Без внешней помощи тепло всегда будет течь от горячих объектов к холодным, что является прямым следствием второго закона термодинамики .

Мы называем это тепловым потоком . В начале девятнадцатого века ученые считали, что все тела содержат невидимую жидкость, называемую калорической (безмассовая жидкость, которая, как считается, течет от горячих объектов к холодным). Калорийности были присвоены свойства, некоторые из которых оказались несовместимыми с природой (например, у нее был вес, и ее нельзя было создать или уничтожить). Но самой важной его особенностью было то, что она могла перетекать из горячих тел в холодные. Это был очень полезный способ думать о тепле.

Томпсон и Джоуль показали, что эта теория о калорийности неверна. Тепло — это не вещество, как предполагалось, а движение на молекулярном уровне (так называемая кинетическая теория ).5 \).

Поток тепла происходит постоянно от любого физического объекта к окружающим его объектам. Тепло постоянно течет от вашего тела к окружающему вас воздуху. Небольшое плавучее (или конвективное) движение воздуха будет продолжаться в комнате, потому что стены никогда не могут быть идеально изотермическими, как в теории. Единственная область, свободная от теплового потока, должна быть изотермической и полностью изолированной от любой другой системы, допускающей передачу тепла. Такую систему создать практически невозможно.1 \).

Методы теплопередачи

Heat Transfer — это передача тепловой энергии за счет градиента температуры. Далее описаны различные режимы теплопередачи:

Рисунок 2: Проводимость, конвекция и излучение происходят одновременно.

Проводимость

Закон Фурье : Жозеф Фурье (см. Рис. 3) опубликовал свою книгу «Аналитическая теория Шалера» в 1822 году. Рисунок 3: Жозеф Фурье — французский математик и физик

В этой книге он сформулировал полную теорию теплопроводности.Он заявил эмпирический закон, а именно. закон Фурье, который гласит, что тепловой поток (\ (q \), являющийся результатом теплопроводности, прямо пропорционален величине температурного градиента. Если мы назовем константу пропорциональности \ (k \), это означает

$$ q = -k \ frac {dT} {dx} \ tag {1} $$

Константа \ (k \) называется теплопроводностью с размерами \ (\ frac {W} {m * K} \) или \ (\ frac {J} {m * s * K} \).

Имейте в виду, что тепловой поток — это векторная величина! Уравнение (1) говорит нам, что если температура уменьшается с \ (x \), \ (q \) будет положительным i.е. он будет течь в положительном \ (x \) — направлении. Если \ (T \) увеличивается с \ (x \), \ (q \) будет отрицательным; он будет течь в отрицательном \ (x \) направлении. В любом случае \ (q \) будет течь от более высоких температур к более низким температурам, как уже упоминалось. Уравнение (1) представляет собой одномерную формулировку закона Фурье. Трехмерная эквивалентная форма:

$$ \ overrightarrow {q} = -k \ nabla T $$

, где \ (\ nabla \) указывает градиент.

В одномерных задачах теплопроводности нет проблемы с определением направления теплового потока.1 \).

Теплопроводность газов можно понять с помощью воображения молекул. Эти молекулы перемещаются в результате теплового движения из одного положения в другое, как показано на рисунке ниже:

Рисунок 4: Теплопроводность газа

Внутренняя энергия молекул передается посредством удара с другими молекулами. 6 \).Теплопроводность не зависит от давления и увеличивается корнем от температуры.

Эту теорию довольно сложно понять для других объектов, кроме металлов. А для жидкостей это еще сложнее, потому что не существует простой теории. В неметаллических компонентах тепло передается через колебаний решетки (Фонон). Теплопроводность , передаваемая фононами, также существует в металлах, но ее превосходит проводимость электронов.

Низкая теплопроводность изоляционных материалов, таких как полистирол или стекловата, основана на принципе низкой теплопроводности воздуха (или любого другого газа).В следующей таблице перечислены некоторые из часто используемых элементов / материалов и их теплопроводность:

0 0,02480 0,02480 0,07 Полистирол

Материал	Теплопроводность \ (Вт / (мК) \)
Кислород	0,023
Пар	0,0248
Вода	0,5562
Стекло	0,76
Бетон	2. 1
Сталь высоколегированная	15
Сталь нелегированная	48-58
Железо	80,2
Медь чистая	401

Таблица 1: Теплопроводность различных материалов

Аналогичные определения

Теплопередача: Плотность теплового потока \ (\ propto \) grad T (теплопроводность)

Диффузия: Частичная плотность тока \ (\ propto \) grad x (Коэффициент диффузии)

Электропровод: Плотность тока \ (\ propto \) grad \ (U_ {el} \) (Электропроводность)

Радиация

Радиация описывает явление передачи энергии от одного тела к другому путем распространения независимо от среды.Все тела постоянно излучают энергию электромагнитным излучением. Интенсивность такого потока энергии зависит не только от температуры тела, но и от характеристик поверхности. 1 \).7 \).

Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов, каждый из которых движется волнообразно, движется со скоростью света и несет энергию. Различные электромагнитные излучения классифицируются по энергии фотонов в них. Важно помнить, что если мы говорим об энергии фотона, поведение может быть либо волной, либо частицей, называемой светом « дуальность волна-частица ».

Каждый квант лучистой энергии имеет длину волны \ (\ lambda \) и частоту \ (\ nu \), связанную с ним.{-34} Js) \).

В таблице ниже показаны различные формы в диапазоне длин волн. Тепловое излучение от 0,1 до 1000 мкм.

03

Характеристика	Длина волны
Гамма-лучи	0,3 100 \ (pm \)
Рентгеновские лучи	0,01-30 \ (нм \)
Ультрафиолетовый свет 3-400 \ (нм \)
Видимый свет	0,4-0,7 \ (мкм \)
Ближнее инфракрасное излучение	0. S \) одинаково для всех длин волн.2 \). Конвекция Рассмотрим ситуацию конвективного охлаждения. Холодный газ проходит мимо теплого тела, как показано на рисунке ниже: Рисунок 6: Конвективное охлаждение нагретого тела происходит в результате теплообмена между двумя телами аналогично теплопроводности. Жидкость образует тонкую замедленную область, называемую пограничным слоем, непосредственно прилегающую к телу. В этот слой передается тепло, который исчезает и смешивается с потоком. Мы называем этот процесс отвода тепла от тела движущейся жидкостью конвекцией .1 \). Стационарная форма закона Ньютона охлаждения, определяющая свободную конвекцию, описывается следующей формулой: $$ Q = h (T_ {body} — T_ \ infty) $$ , где \ (h \) — коэффициент теплопередачи . Этот коэффициент можно обозначить полосой \ (\ overline {h} \), которая указывает среднее значение по поверхности тела. \ (h \) без черты обозначает «локальные» значения коэффициента. В зависимости от того, как инициируется движение жидкости, мы можем классифицировать конвекцию как естественную (свободную) или принудительную конвекцию. Естественная конвекция вызвана, например, эффектами плавучести (теплая жидкость поднимается, а холодная опускается из-за разницы в плотности). В другом случае принудительная конвекция заставляет жидкость перемещаться внешними средствами, такими как вентилятор, ветер, охлаждающая жидкость, насос, всасывающие устройства и т. Д. Перемещение твердого компонента в жидкость также можно рассматривать как принудительную конвекцию. Естественная конвекция может создать заметную разницу температур в доме или квартире. Мы осознаем это, потому что одни части дома теплее других.3 \). Станьте участником SimScale! SimScale может решать все три режима теплопередачи. Присоединяйтесь к SimScale сегодня и испытайте облачное моделирование, как никто другой. Моделирование теплопередачи — структурная теплопередача Рисунок 8: Структурный анализ теплопередачи по сравнению с анализом жидкость-твердое тело Программное обеспечение для структурной теплопередачи используется, когда: Можно предположить, что температура жидкости однородна вокруг твердой детали Исследование поведения конструктивных элементов только при нагревании Исследование напряжения и деформации детали, вызванной тепловой нагрузкой (анализ термического напряжения) Соединенный Анализ теплопередачи (жидкость-твердое тело) используется, когда: Необходимо изучить распределение жидкости вокруг твердого тела Исследование влияния объекта на жидкость Исследование естественного охлаждения Анализ теплопередачи — линейный статический анализ Проведите быстрое сравнение двух анализов в таблице ниже: Категория Структурный анализ (линейный статический) Анализ теплопередачи (установившийся режим) Свойства материала Модуль Юнга ( E ) ( k ) Законы Закон Хука \ (\ sigma = E \ cdot \ frac {du} {dx} \) Закон Фурье \ (q = -k \ cdot \ frac {dT} { dx} \) Степень свободы (DOF) Смещение ( u ) Температура ( T ) Градиент DOF Деформация \ (\ epsilon \) Напряжение \ ( \ sigma \) Температурный градиент \ ((\ nabla T) \) Сходства Осевая сила на единицу длины: Q Площадь поперечного сечения: A Модуль Юнга: E Внутренний тепловыделение на единицу длины: Q Площадь поперечного сечения: A Теплопроводность: k Таблица 3: Анализ теплопередачи в сравнении со структурным анализом Применение теплового моделирования Термический — структурный анализ Heat Transfer учитывает энергетический баланс исследуемых систем.При исследовании термомеханических компонентов также могут учитываться деформации конструкции, вызванные воздействием тепловых нагрузок на твердые тела. Моделирование реакции напряжения на тепловые нагрузки и отказы важно для многих промышленных приложений. Примером приложения является анализ теплового напряжения печатной платы. Рисунок 9: Печатная плата — смоделирована с помощью SimScale. Области, отмеченные красным, являются «горячими» точками и могут деформировать материал. Сопряженная теплопередача Моделирование сопряженной теплопередачи (CHT) анализирует сопряженную теплопередачу в жидкостях и твердых телах.Прогнозирование потока жидкости с одновременным анализом теплопередачи, которая имеет место на границе жидкость / твердое тело, является важной особенностью моделирования CHT. Одна из областей, в которой он может использоваться, — охлаждение электроники (см. Рисунок 1). Проводимость Теоретически тепло передается от горячего объекта к холодному. Электропроводность — это передача тепла от горячего к холодному объекту, находящемуся в непосредственном контакте друг с другом. Теплопроводность различных объектов определяет, сколько тепла передается в данный момент времени.Примеры включают лампы накаливания CFL. Конвекция Конвективная теплопередача — это передача тепла между двумя зонами без физического контакта. Конвективные токи возникают, когда молекулы поглощают тепло и начинают двигаться. Как вы понимаете, эти эффекты трудно предсказать, поэтому для получения надежных результатов моделирования требуется высокая вычислительная мощность. Одно из таких приложений — охлаждение материнской платы Raspberry pi. Радиация Электромагнитные волны являются источником передачи тепла посредством излучения.Обычно они играют роль при высоких температурах. Количество тепла, излучаемого излучением, зависит от типа поверхности материала. Общее правило состоит в том, что чем больше поверхность, тем выше излучение. Применение, в котором используется моделирование излучения, — это лазерная сварка. Термический анализ SimScale Многие материалы и продукты обладают температурно-зависимыми характеристиками, что делает анализ нагрева и управление температурным режимом критически важным процессом при разработке продукта.Модуль теплопередачи онлайн-платформы моделирования SimScale позволяет прогнозировать воздушный поток, распределение температуры и теплопередачу. Это включает в себя конвекцию, теплопроводность и излучение, чтобы обеспечить производительность, долговечность и энергоэффективность ваших конструкций. Анимация 1: тепловое моделирование с использованием SimScale, показывающее движущуюся горячую лазерную точку на зубе. Последнее обновление: 2 сентября 2021 г. Эта статья решила вашу проблему? Как мы можем добиться большего? Мы ценим и ценим ваши отзывы. Отправьте свой отзыв Что дальше Числовой фон Теплопроводность припоев | Охлаждение электроники Пайка была основным методом установления механических и электрических соединений в электронике в течение многих лет и, вероятно, будет использоваться в этом виде в будущем.Хотя существует несколько физических свойств и характеристик припоев, которые представляют интерес для электронного сообщества в целом, одним из наиболее важных физических свойств для инженеров-теплотехников является теплопроводность. Исторически сплавы олова (Sn) и свинца (Pb) были предпочтительными припоями. К моменту публикации этой статьи 1 июля 2006 года, когда европейские страны будут соответствовать Директиве об ограничениях по опасным веществам (RoHS), уже пройдут, и электронное сообщество будет двигаться дальше по пути к бессвинцовой.Необходимость разработки бессвинцовых припоев привела к появлению нескольких сплавов-кандидатов, но получение данных о теплопроводности этих сплавов затруднено, особенно для хорошо задокументированных данных. Необходимость создания продуктов последовательно привела к классификации припоев, используемых для крепления кристаллов, к припоям межсоединений первого уровня. Припои, используемые для прикрепления упакованных компонентов к печатным платам, классифицируются как межсоединения второго уровня и имеют температуру плавления ниже, чем припои межсоединений первого уровня, так что упакованные детали могут быть прикреплены без оплавления припоя для прикрепления кристалла. Таблица 1. Теплопроводность припоев В таблице 1 приведена теплопроводность нескольких припоев, перечисленных в порядке уменьшения температуры плавления. Припои с одной указанной температурой плавления являются эвтектическими сплавами. В первом столбце перечислены составляющие элементы с указанием процентного содержания каждого элемента в круглых скобках. Следует отметить, что элементы, составляющие до 5% сплава, могут варьироваться до ± 0.2%, в то время как элементы, составляющие более 5% сплава, могут варьироваться до ± 0,5% [1]. Припои, перечисленные в верхней части таблицы с высокими температурами плавления, часто используются для крепления штампов в герметичных корпусах. Присоединение к этим припоям с более высокой температурой плавления обычно требует использования материалов подложки с коэффициентом теплового расширения, близким к полупроводнику, чтобы избежать чрезмерных напряжений при остывании сборки. Эвтектический припой золото-олово — один из широко используемых припоев для прикрепления штампа, который имеет много хороших характеристик, но является сравнительно дорогим. Кандидатом на замену припоя олово-свинец (SnPb) является сплав олова (Sn), серебра (Ag) и меди (Cu), называемый SAC. Доступно несколько разновидностей этого сплава, но проводимость для всех из них составляет примерно 60 Вт / мК при 25 ° C. Некоторые данные могут быть найдены вместе с заявлением о том, что это оценочная стоимость, но подробности о методе оценки не приводятся. Следует отметить, что использование «правила смесей» для оценки теплопроводности припоя на основе чистой теплопроводности металлов составляющих элементов может привести к значительным ошибкам.Например, теплопроводность припоя AuSn (80/20) составляет 57 Вт / мК, что ниже, чем проводимость любого из основных металлов золота (315 Вт / мК) или олова (66 Вт / мК). Последнее замечание, требующее внимания при использовании этих значений в тепловом моделировании, заключается в том, что необходимо учитывать наличие пустот, если таковые имеются. Список литературы Руководство по методам тестирования IPC-J-STD-006, www.ipc.org. Кинг, Дж. А., «Справочник по материалам для гибридной микроэлектроники», Artec House, Норвуд, Массачусетс, 1988. Билек, Дж. И др., «Теплопроводность расплавленных бессвинцовых припоев», Европейский симпозиум по микроэлектронике и упаковке, июнь 2004 г., Чешская Республика. Технический паспорт продукта AIM, www.aimsolder.com. Силиг, К. и Сураски, Д., «Состояние бессвинцовых припоев», Труды 50-й конференции по электронным компонентам и технологиям IEEE 2000, май 2000 г., Лас-Вегас, штат Невада. Паспорт продукта Indium Corporation, www.indium.com. Сохраняйте тепло с теплоизоляцией Ключевые концепции Физика Теплообмен Изоляция Материаловедение Введение Что вы делаете, когда зимой очень холодно? Вы, вероятно, включаете обогреватель, надеваете дополнительный слой одежды или прижимаетесь к теплому одеялу.Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, почему куртка помогает не замерзнуть? Почему наша одежда изготовлена ​​из ткани, а не из фольги? Найдите ответы в этом упражнении; Ваши результаты могут даже помочь вам найти лучший способ согреться на морозе! Фон Тепло — это форма энергии. Вам нужна энергия, чтобы что-то нагреть: например, чашка чая. Для приготовления чая вы, вероятно, используете энергию электричества или газа. Однако, когда чай станет горячим, он не останется горячим вечно.Просто оставьте чашку чая на столе на некоторое время, и вы уже знаете, что чем дольше вы ждете, тем холоднее будет. Это происходит из-за явления, называемого теплопередачей, которое представляет собой поток энергии в виде тепла. Если два объекта имеют разную температуру, тепло автоматически перетекает от одного объекта к другому, когда они соприкасаются. Тепловая энергия передается от более горячего объекта к более холодному. В случае с чаем тепло жидкости передается окружающему воздуху, который обычно холоднее чая.Как только оба объекта достигнут одинаковой температуры, передача тепла прекратится. Передача тепла за счет движения жидкостей (жидкостей или газов) называется конвекцией. Другой тип теплопередачи — теплопроводность, при которой энергия перемещается через вещество (обычно твердое) от одной частицы к другой (в отличие от конвекции, когда движется само нагретое вещество). Нагревающаяся ручка кастрюли может быть примером кондукции. Тепло также может передаваться посредством излучения. Вы могли испытать это, сидя у костра.Хотя вы не прикасаетесь к огню, вы можете почувствовать, как он излучает тепло вам в лицо, даже если на улице холодно. Если вы любите пить чай горячим, вы можете спросить, как можно уменьшить теплопередачу и как чай не остывает? Ответ — теплоизоляция. Изоляция означает создание барьера между горячим и холодным объектом, который уменьшает теплопередачу за счет отражения теплового излучения или уменьшения теплопроводности и конвекции от одного объекта к другому. В зависимости от материала преграды утеплитель будет более или менее эффективным.Барьеры, которые очень плохо проводят тепло, являются хорошими теплоизоляционными материалами, тогда как материалы, которые очень хорошо проводят тепло, имеют низкую изоляционную способность. В этом упражнении вы с помощью стакана горячей воды протестируете, из каких материалов получаются хорошие или плохие теплоизоляционные материалы. Как вы думаете, какой материал будет наиболее эффективным? Материалы Пять стеклянных банок с крышками Ножницы (и взрослые для помощи при стрижке) Лента Алюминиевая фольга пузырчатая пленка Шарф шерстяной или другая шерстяная одежда Бумага Горячая вода из крана Термометр Холодильник Таймер Бумага для письма Ручка или карандаш Подготовка Отрежьте кусок алюминиевой фольги, пузырчатой ​​пленки и бумаги (при необходимости обратитесь за помощью к взрослым).Каждый кусок должен быть достаточно большим, чтобы его можно было три раза обхватить по сторонам стеклянной банки. Возьмите кусок алюминиевой фольги и оберните им стенки одной из банок. У вас должно получиться три слоя фольги вокруг стеклянной банки. Используйте ленту, чтобы прикрепить фольгу к банке. Затем оберните другую банку пузырчатой ​​пленкой, чтобы стекло также было покрыто в три слоя. Обязательно прикрепите пузырчатую пленку к банке. Используйте обрезанную бумагу, чтобы обернуть третью банку тремя слоями бумаги.Еще раз прикрепите бумагу к стеклянной банке. Возьмите еще одну стеклянную банку и оберните вокруг нее шарф или другую шерстяную ткань. Сделайте только три слоя упаковки и убедитесь, что шарф остается прикрепленным к банке. Оставьте последнюю банку без упаковки. Это будет ваш контроль. Процедура Наполните каждую банку одинаковым количеством горячей воды из крана. Используйте термометр для измерения температуры в каждой банке. Опустите палец в воду каждой банки (будьте осторожны, если вода из-под крана очень горячая) — как ощущается температура воды? Запишите температуру для каждой банки и закройте крышки. Все температуры одинаковы или есть различия? Насколько велики различия? Откройте холодильник и положите внутрь все пять банок. Убедитесь, что они все еще надежно завернуты. Почувствуйте температуру холодильника — какова его температура? Положите термометр в холодильник. Какую температуру показывает термометр, когда вы кладете его в холодильник? Когда все банки будут в холодильнике, закройте дверцу холодильника и установите таймер на 10 минут. Как вы думаете, что произойдет с банками и горячей водой за это время? Через 10 минут откройте холодильник и выньте все банки на улицу. Банки ощущаются по-другому? Открывайте каждую банку по очереди и измеряйте температуру воды термометром.Также проверьте температуру пальцем. Температура изменилась? Как изменилось по градуснику? Повторите измерение температуры для каждой банки и запишите температуру для каждого оберточного материала. Температура в каждой банке изменилась одинаково? Какой оберточный материал привел к наименьшему изменению температуры, а какой — наибольшему? Для лучшего сравнения рассчитайте разницу температур в начале и в конце теста для каждой банки (начало температуры в зависимости от температуры после 10 минут хранения в холодильнике). Можете ли вы определить по вашим результатам, какой материал является лучшим или самым слабым теплоизоляционным материалом? Дополнительно: Будет ли температура продолжать изменяться одинаковым образом для каждого материала? Вы можете снова закрыть каждую банку и снова положить в холодильник на 10 минут. На этот раз результаты разные или те же? Extra : Температура воды в холодильнике изменяется так же, как в морозильной камере, или при комнатной температуре? Повторите тест, но на этот раз вместо того, чтобы ставить стеклянные банки в холодильник, поместите их в морозильную камеру или храните при комнатной температуре. Насколько изменится температура воды за 10 минут? По-разному ли ведут себя разные упаковочные материалы? Extra : Попробуйте найти другие материалы, которые, по вашему мнению, являются хорошими или плохими теплоизоляционными материалами, и протестируйте их. Какой материал работает лучше всего? Вы можете придумать причину, почему? Extra : Если вы вытащите банки из холодильника через 10 минут, вы, вероятно, все равно будете измерять разницу температур между водой внутри емкости и температурой внутри холодильника.Стеклянные банки можно дольше хранить в холодильнике и измерять их температуру каждые 15–30 минут. Сколько времени нужно, чтобы температура воды больше не изменилась? Какова конечная температура воды внутри стакана? Extra : Помимо выбора правильного изоляционного материала, как еще можно улучшить теплоизоляцию? Повторите этот тест только с одним оберточным материалом. На этот раз измените толщину изоляционного слоя. Находите ли вы зависимость между толщиной изоляционного слоя и изменением температуры в холодильнике? Наблюдения и результаты Ваша горячая вода значительно остыла за 10 минут внутри холодильника? Хотя температура в холодильнике очень низкая, ваша горячая вода имеет высокую температуру. Когда тепловая энергия течет от горячего объекта к холодному, тепловая энергия от вашей горячей воды будет передаваться в окружающий холодный воздух внутри холодильника, как только вы поместите стеклянные банки внутрь.Самым важным механизмом теплопередачи в этом случае является конвекция, то есть воздух рядом с горячей водой нагревается горячей водой. Затем теплый воздух заменяется холодным, который также нагревается. В то же время холодный воздух охлаждает воду внутри банки. Тепло горячей воды отводится потоком холодного воздуха вокруг чашки. Если вы оставили банки в холодильнике достаточно долго, вы могли заметить, что температура меняется, пока горячая вода не достигнет температуры внутри холодильника.Без разницы температур воды и холодильника передача тепла прекратится. Тепло из воды также теряется из-за теплопроводности: передачи тепла через материал, которая зависит от теплопроводности самого материала. Стеклянная банка относительно хорошо проводит тепло. Вы замечаете, что когда вы касаетесь стеклянной банки с горячей водой, она также становится горячей. Какой эффект имели разные упаковочные материалы? Вы должны были заметить, что при использовании упаковочных материалов температура воды через 10 минут внутри холодильника была выше, чем в неупакованном контроле.Почему? Упаковка стеклянной банки снижает передачу тепла от горячей воды к холодному воздуху внутри холодильника. Использование оберточных материалов с очень низкой теплопроводностью снижает теплопотери за счет теплопроводности. В то же время изолятор также может нарушать или уменьшать поток холодного воздуха вокруг стеклянного сосуда, что приводит к меньшим потерям тепла за счет конвекции. Одним из способов уменьшения конвекции является создание воздушных карманов вокруг банки, например, с помощью изоляторов, таких как пузырчатая пленка, ткань или шерсть, которые имеют много воздушных карманов.Воздух в целом является хорошим теплоизолятором, но может передавать тепло за счет конвекции. Однако, если воздушные карманы внутри изоляционного материала отделены друг от друга, тепловой поток из одного воздушного кармана в другой не может происходить легко. Это причина, по которой вам следовало измерить самую высокую температуру в банке, обернутой пузырьками, и банке, обернутой тканью. Это также объясняет, почему большая часть нашей одежды сделана из ткани и почему вам будет теплее, если надеть дополнительную куртку. Бумага и фольга облегчают отвод тепла, потому что у них не так много воздушных карманов. Больше, чтобы изучить Теплопередача — для детей, из Real World Physics Problems Как животные сохраняют тепло с помощью жира, из Scientific American Как работает термос? (Pdf), из Daily Science Science Activity for All Ages !, from Science Buddies Это задание предоставлено вам в сотрудничестве с Science Buddies Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт. Настройка вашего браузера для приема файлов cookie Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины: В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie. Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie. Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер. Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере. Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором. Почему этому сайту требуются файлы cookie? Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня. Что сохраняется в файле cookie? Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется. Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать. Гибкий термоэлектрический генератор с межкомпонентными соединениями из жидкого металла и силиконовым наполнителем с низкой теплопроводностью Влияние теплопроводности наполнителя на производительность устройства На рисунке 1 (а) показано поперечное сечение гибкого ТЭГ с межсоединениями EGaIn, иллюстрирующее утечку тепла через наполнитель эластомер, окружающий ноги.Теплопроводность материала наполнителя, а также коэффициент заполнения устройства (то есть процент от общей площади устройства, занимаемой ножками) определяют количество тепла, проходящего через наполнитель вокруг ножек. Эта утечка уменьшает чистый тепловой поток через колена и, следовательно, перепад температур ∆T, который возникает на них. Поскольку теплопроводность типичного эластомера в 6–8 раз выше, чем у воздуха, этот эффект может существенно повлиять на характеристики устройства. Рис. 1: Утечка тепла через гибкий наполнитель и его влияние на перепад температур на термоэлектрических ветвях. a Изображение поперечного сечения гибкого ТЭГ с межкомпонентными соединениями из жидких металлов. b Простая тепловая эквивалентная схема ТЭГ с тремя резисторами. c Поперечные сечения, параллельные и ортогональные межсоединениям, иллюстрирующие моделируемые линии теплового потока через термоэлектрические ветви и окружающий эластомер с тремя различными значениями теплопроводности (i) 0.15, (ii) 0,08 и (iii) 0,025 Wm — 1 K — 1 . d Смоделированная разность температур в зависимости от коэффициента заполнения модуля и теплопроводности эластомера. Влияние термического сопротивления наполнителя на ∆ T можно объяснить, рассмотрев простую модель с тремя резисторами, показанную на рисунке 1 (b). В этой модели тепловое сопротивление ТЭГ, R ТЭГ последовательно с двумя паразитными сопротивлениями, R корпус на стороне корпуса и R conv на внешняя сторона. R корпус воплощает в себе все паразитные термические сопротивления на горячей стороне, включая сопротивление контакта между ТЭГ и источником тепла (например, телом человека). R conv в основном определяется конвективным охлаждением на внешней стороне устройства. Эта простая модель игнорирует влияние нагрева / охлаждения Пельтье, а также джоулева нагрева, которые являются эффектами второго порядка 35 . Тогда перепад температур на ТЭГ можно выразить как $$ {{\ Delta}} T = \ left ({T _ {{\ mathrm {body}}} — T _ {{\ mathrm {amb}}}} \ справа) \ frac {{R _ {{\ mathrm {TEG}}}}} {{R _ {{\ mathrm {body}}} + R _ {{\ mathrm {TEG}}} + R _ {{\ mathrm {conv} }}}} $$ (1) , где T amb и T body — температура окружающей среды и тела, соответственно.Результирующее напряжение холостого хода В oc определяется как $$ V _ {{\ mathrm {oc}}} = — S {{\ Delta}} T $$ (2) где S — средний коэффициент Зеебека термоэлектрических материалов, используемых в устройстве. Следовательно, чтобы максимизировать перепад температур, R TEG должен быть как можно большим по сравнению с полным сопротивлением в знаменателе уравнения. 1.Если все доступное тепло проходит через ножки, R TEG определяется физическими размерами ножек и теплопроводностью материала, из которого они сделаны. Из-за утечки тепла через эластомер R TEG эффективно работает параллельно с тепловым сопротивлением окружающего эластомера, что приводит к меньшему эквивалентному сопротивлению TEG, что приводит к уменьшению Δ T 35 . Трехмерное тепловое моделирование проводилось в COMSOL Multiphysics T M .На рис. 1 (c) показаны смоделированные линии теплового потока через одну ветвь и наполнитель вокруг нее. Результаты моделирования показаны для двух различных ориентаций ветви: параллельно и перпендикулярно электрическим межсоединениям. Мы провели моделирование с использованием трех различных значений теплопроводности наполнителя: (i) 0,15 Вт · м — 1 K — 1 (PDMS) 31 , (ii) 0,08 Вт · м — 1 K — 1 , и (iii) 0.026 Wm — 1 K — 1 (воздух). Конструкция моделируемого устройства состояла из 25 последовательно соединенных термоэлектрических ветвей. В качестве материала межсоединения использовался EGaIn с теплопроводностью 25 Вт · м — 1 K — 1 36 . Межсоединения были герметизированы эластомером с высокой теплопроводностью и теплопроводностью 1 Вт · м — 1 K — 1 . Остальные параметры моделирования, которые близко соответствуют параметрам изготовленных ТЭГ, представлены в таблице на рис.1 (г). Линии потока указывают направление, а также величину теплового потока. Более высокая концентрация линий в определенном месте указывает на больший поток. Как и ожидалось, утечка тепла через наполнитель постепенно увеличивается с увеличением теплопроводности наполнителя. При наличии воздуха между ножками утечка тепла вокруг ножек ничтожно мала. Моделирование также демонстрирует аспект распределения тепла межсоединений EGaIn, который эффективно увеличивает площадь для сбора и отвода тепла.На рис. 1 (е) показана смоделированная ∆T в модуле из 25 ветвей как функция теплопроводности материала наполнителя и коэффициента заполнения. Диапазон значений теплопроводности наполнителя от 0,02 до 0,15 Вт · м — 1 K — 1 (PDMS) 31 . График показывает, что Δ T увеличивается с уменьшением теплопроводности наполнителя и увеличением коэффициента наполнения. Отметим, что по мере увеличения коэффициента заполнения площади поверхности, доступные для сбора тепла и отвода тепла, сужаются, что приводит к увеличению внешнего теплового сопротивления R conv и R body , что приводит к увеличению Δ T до уронить.Неудивительно, что этот эффект более заметен при более низкой теплопроводности наполнителя из-за уменьшения утечки тепла через эластомер. Результаты моделирования показывают, что за счет оптимизации коэффициента заполнения и теплопроводности присадочного материала можно ожидать увеличения Δ T более чем в 2 раза, что приводит к аналогичному увеличению генерируемого напряжения согласно формуле. 2. Поскольку выходная мощность масштабируется пропорционально квадрату выходного напряжения, улучшение, наблюдаемое на рис.1 (е) имеет значение. Этот вывод стал движущей силой усилий, представленных в этой статье. Композит аэрогель – силиконовый В этой работе мы рассмотрели использование частиц аэрогеля, смешанных в PDMS, для получения композита аэрогель – силиконовый герметик с низкой теплопроводностью, подходящего в качестве наполнителя в гибких ТЭГ. Композит был сформирован путем смешивания частиц аэрогеля в неотвержденном ПДМС. На рис. 2 (а) показано поперечное сечение типичного композита, полученное оптическим микроскопом. Мы видим, что в образце отсутствуют пузырьки воздуха, а частицы аэрогеля равномерно распределены по всей изображенной области. Рис. 2: Композит «Аэрогель – силиконовый» и его теплопроводность. a Изображение поперечного сечения композита аэрогель – силикон, полученное оптическим микроскопом. b Система измерения теплопроводности. c График теплопроводности композита для двух различных размеров частиц аэрогеля 2–40 и 100–700 мкм в зависимости от объемной доли аэрогеля. d Изображение границы раздела аэрогель-силикон, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Теплопроводность композита аэрогель – силикон была измерена с использованием так называемого абсолютного метода в системе, оптимизированной для мягких материалов со значениями теплопроводности менее 1 Вт · м — 1 K — 1 . На рис. 2 (б) показана упрощенная схема измерительной системы. Инструмент состоит из двух параллельных каналов теплового потока, называемых «измерительными» и «опорными» каналами. Измеряемый образец помещается между двумя стойками из нержавеющей стали в измерительном канале.Четыре термопары, встроенные в каждую стойку, обеспечивают распределение температуры вдоль них. Затем распределение температуры используется для определения чистой теплопроводности через канал и разницы температур, возникающей в образце. Контрольный канал идентичен каналу измерения и содержит дубликат образца. Единственная цель эталонного канала — исключить утечку тепла через провода термопары. Провода от восьми термопар, встроенных в стойки измерительного канала, проходят через небольшие отверстия в стойках опорного канала.Поскольку два канала термически идентичны, оба имеют одинаковое распределение температуры, что исключает любое падение температуры на проводах термопары и теплопроводность через них. Весь аппарат установлен в вакуумной камере для исключения конвективных тепловых потерь. Рисунок 2 (c) показывает измеренную теплопроводность композита как функцию объемной доли аэрогеля. Изменение теплопроводности показано для двух частиц аэрогеля разного размера: 2–40 и 100–700 мкм.Как и ожидалось, теплопроводность уменьшается с увеличением доли аэрогеля для обоих размеров частиц аэрогеля. С более крупными частицами аэрогеля теплопроводность линейно уменьшается с увеличением доли аэрогеля. Важно отметить, что снижение теплопроводности может достигать 50% при максимальной концентрации аэрогеля, использованной в этом исследовании. Как показано на рис. 1 (c), такое падение теплопроводности может существенно повлиять на утечку тепла через эластомер и ∆ T через устройство.Интересно отметить, что с более мелкими частицами значительное падение теплопроводности наблюдается только при объемной доле аэрогеля 40%. Для изучения возможной диффузии силикона в частицы аэрогеля был приготовлен образец путем отверждения PDMS на твердой цилиндрической части аэрогеля диаметром 1 см. После отверждения часть аэрогеля без проникновения PDMS была физически удалена, и образец был разрезан для поперечного сечения SEM. Полученное РЭМ-изображение показано на рис.2 (г). К сожалению, изображение не показывает четкой границы раздела ПДМС-аэрогель, которая позволила бы точно измерить проникновение эластомера в твердый аэрогель. Однако, похоже, что около 50 мкм аэрогеля осталось неповрежденным на эластомере, что позволяет предположить, что произошло некоторое проникновение PDMS. Даже если мы предположим, что фактическое проникновение составляет одну десятую этой границы раздела (т.е. 5 мкм), мы можем рассчитать, что объем частицы аэрогеля диаметром 30 мкм уменьшится до ~ 30% от ее первоначального объема.Поскольку размер более мелких частиц находится в пределах 2–40 мкм, более мелкие частицы будут полностью абсорбированы эластомером. Таким образом, мы полагаем, что проникновение ПДМС в более мелкие частицы аэрогеля может существенно повлиять на теплопроводность композита. Для более крупных частиц аэрогеля это уменьшение объема пренебрежимо мало. В гибком производстве вязкость неотвержденного эластомера является важным параметром. В данном конкретном случае силикон должен относительно легко течь, чтобы заполнить пространство между ножками.Для изучения влияния объемной доли аэрогеля на вязкость были проведены реологические измерения. Измерения проводились с помощью реометра с магнитным подшипником AR-G2 (TA Instruments, США) с использованием конуса диаметром 20 мм и геометрии пластины. Все испытания проводились в условиях окружающей среды. В этом эксперименте частотная развертка от 0,1 до 100 рад.с — 1 при 2% деформации использовалась для наблюдения модулей упругости (G ’) и вязкости (G”). Кроме того, изменение расхода от 0,01 до 100 с — 1 , а затем обратно до 0.01 использовался для определения вязкости материала, зависящей от скорости сдвига. Приведенные значения вязкости получены по результатам испытаний по восходящей и нисходящей (т. Е. Переход от низкого сдвига к высокому и возврат от высокого сдвига к низкому сдвигу). Рисунок 3 (а) показывает измеренную вязкость образцов в зависимости от скорости сдвига. Мы видим, что и размер, и объемная доля частиц аэрогеля могут влиять на вязкость композита. Для более мелких частиц (2–40 мкм) вязкость увеличивается с увеличением объемной доли, но остается почти независимой от скорости сдвига; что подразумевает ньютоновское поведение.С другой стороны, для более крупных частиц размером 100–700 мкм композит претерпевает разжижение при сдвиге (т.е. вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига). В данной работе мы определили, что объемная доля аэрогеля должна быть менее 50%, чтобы обеспечить надежное заполнение объема между ножками. Рис. 3: Механические свойства неотвержденных и неотвержденных композитов аэрогель – силикон. a Вязкость неотвержденного эластомера. b Модуль Юнга композита в зависимости от объемной доли аэрогеля для двух различных размеров частиц аэрогеля. c Относительное удлинение при разрыве в зависимости от объемной доли аэрогеля. d График зависимости прочности композита от объемной доли аэрогеля. Планки погрешностей указывают стандартные отклонения. Датчик силы NEXTECH DFS, установленный на винтовом испытательном стенде NEXTECH MTS1, использовался для измерения механических свойств композитов аэрогель-силикон, включая модуль Юнга, удлинение при разрыве и предел прочности при растяжении. Образцы имели прямоугольную форму и однородные размеры.Приложенная сила измерялась как функция удлинения для каждого образца до точки разрыва. Инструмент имеет безопасный рабочий диапазон до 50 Н. На рисунке 3 (b) показан модуль Юнга для отвержденных композитов с различными объемными долями аэрогеля. Модуль, измеренный для чистого PDMS, согласуется с ранее сообщенными значениями 37 . Как показано, модуль линейно увеличивается с долей аэрогеля как для малых, так и для больших размеров частиц аэрогеля. Тем не менее, даже при объемной доле 50% композит оставался достаточно гибким.Также интересно отметить, что модуль Юнга, измеренный как для крупных, так и для мелких включений частиц аэрогеля, был аналогичен при одинаковых объемных долях. Общая тенденция, наблюдаемая здесь, согласуется с предыдущими отчетами, которые показывают соответствующее увеличение модуля Юнга в результате добавления твердых частиц 38,39,40 . На рис. 3 (c) показан процент удлинения в точке разрыва как функция объемной доли аэрогеля. График включает данные только для образцов, приготовленных с крупными частицами аэрогеля, поскольку образцы, приготовленные с небольшими частицами аэрогеля, не приближались к разрушению в пределах возможностей нашего инструмента.Планки погрешностей представляют собой 20% вариацию измеренной деформации трех разных образцов с одинаковой концентрацией аэрогеля. Как и ожидалось, максимальная деформация, которую может выдержать образец, уменьшается с увеличением объемной доли аэрогеля. Тем не менее, образцы остаются достаточно растяжимыми даже при максимальной концентрации аэрогеля 30%. При этой концентрации образцы могут выдерживать более 40% деформации, что, безусловно, превышает то, что необходимо для носимого ТЭГ. Рисунок 3 (d) показывает прочность на разрыв тех же образцов в зависимости от фракции аэрогеля.Опять же, мы наблюдаем небольшое снижение прочности композита на разрыв по мере увеличения объемной доли аэрогеля, что может быть связано с увеличением плотности дефектов на границах раздела между частицами аэрогеля и PDMS. Было обнаружено, что напряжения кавитации и отслоения, два различных явления разрушения, в эластомере, содержащем жесткие включения (аналогичные нашим частицам аэрогеля), имеют обратную зависимость от диаметра частиц 41 . Гибкие ТЭГ с наполнителями из композита аэрогель-силиконовый На рис. 4 (а) показано поперечное сечение гибкого ТЭГ, иллюстрирующее его четыре основных компонента: (а) жесткие термоэлектрические ветви p- и n-типа, (b) EGaIn межкомпонентные соединения, (c) инкапсуляция EGaIn и (d) наполнитель из композита аэрогель-силиконовый.Ветви соединены последовательно через межсоединения из жидкого металла EGaIn, которые обеспечивают отличную растяжимость, а также пренебрежимо малое сопротивление межсоединений. Межсоединения EGaIn инкапсулированы эластомером с высокой теплопроводностью, о чем ранее сообщалось в этой лаборатории 40,42 . Эластомер не только улучшает механическую целостность устройства без ущерба для его характеристик, добавляя большое паразитное термическое сопротивление, но также действует как теплораспределитель между межсоединениями EGaIn.Жесткие ножки окружены композитом аэрогель-силикон, который фиксирует их на месте. На рис. 4 (b) показано изображение ТЭГ с 64 ножками, сделанное при его сгибании между двумя пальцами. Эластомер с высокой теплопроводностью, покрывающий межсоединения EGaIn, кажется черным из-за включения графена в эластомер. Модуль был изготовлен с использованием более мелких частиц аэрогеля размером 20–40 мкм, чтобы можно было визуализировать ноги через эластомер на этих изображениях поперечного сечения. С более мелкими частицами аэрогеля полученный эластомер все еще остается несколько мутным, но все же не таким полупрозрачным, как эластомер, показанный на рис.2 (а). Подробное описание изготовления гибкого ТЭГ приведено в разделе «Методы». Рис. 4: Гибкий ТЭГ. a На рисунке показаны три ключевых компонента гибкого модуля, включая межсоединения из жидкого металла EGaIn, герметизирующий эластомер EGaIn с высокой теплопроводностью и наполнитель из аэрогеля и силикона с низкой теплопроводностью. b Типичный модуль, согнутый между двумя пальцами. Предварительные электрические характеристики гибких ТЭГ были выполнены на горячей плите.Мы измерили напряжение холостого хода В oc при различных скоростях воздуха в диапазоне от нуля (естественная конвекция) до 1,2 мс — 1 (эквивалент скорости ходьбы), измеренное непосредственно над устройствами. Для создания бокового воздушного потока использовался электрический вентилятор. Для достижения повторяемости измерений использовалась трехмерная печатная аэродинамическая труба, показанная на рис. 5 (а). Каждое измерение выполнялось в течение приблизительно 5 минут после размещения ТЭГ на горячей плите, чтобы обеспечить достаточное время для достижения устройством теплового равновесия.На рис. 5 (b) показано напряжение холостого хода ТЭГ, В oc , как функция температуры горячей пластины для типичного гибкого ТЭГ с 64 выводами. Температура окружающей среды T amb во время измерений составляла 21,5 ° C. График ясно показывает, что V oc линейно увеличивается с температурой горячей пластины во всех трех случаях. Поскольку температура окружающей среды постоянна, этой линейной зависимости следует ожидать в соответствии с уравнениями.1 и 2. Наклон линии определяется величиной S и величиной R TEG по отношению к общему тепловому сопротивлению. Мы также можем видеть, что наклон линии зависит от скорости воздуха. При отсутствии воздушного потока R conv определяется коэффициентом теплопередачи поверхности при естественной конвекции. При потоке воздуха (т.е. принудительной конвекции) R conv уменьшается, увеличивая относительную величину R TEG .С другой стороны, в то время как наклон резко увеличивается на 0,7 мс — 1 воздушного потока, ограниченное улучшение достигается за счет увеличения скорости воздуха до 1,2 мс — 1 . Это говорит о том, что коэффициент теплопередачи поверхности насыщается выше определенной скорости воздуха, что и предполагалось. В предыдущей публикации этой лаборатории, посвященной разработке ТЭГ для носимых устройств, мы рассчитали коэффициент теплопередачи поверхности радиатора при различных скоростях воздуха в зависимости от теплопроводности материала.Было показано, что независимо от теплопроводности материала коэффициент теплопередачи увеличивается при скорости насыщения воздуха более 1 мс (типичные скорости ходьбы) 43 . На рисунке 6 показаны напряжение холостого хода и плотность мощности гибких ТЭГ, изготовленных с использованием четырех различных коэффициентов заполнения: 5, 7, 13 и 20%. Наивысший коэффициент заполнения, используемый в этих устройствах, определялся разрешением линий напыления EGaIn, которое можно дополнительно улучшить за счет использования лучшего материала трафарета и оптимизации разделения между трафаретом и подложкой.Чтобы изучить влияние теплопроводности наполнителя на производительность устройства, мы изготовили устройства с использованием трех различных материалов наполнителя: (i) чистый PDMS с κ = 0,15 Вт · м -1 K -1 ; (ii) композит аэрогель – силикон с κ = 0,12 Вт · м −1 K −1 , и (iii) композит аэрогель − силикон с κ = 0,08 Вт · м −1 K −1 . В соответствии с результатами моделирования, рис. 6 показывает, что измеренное значение V oc постоянно увеличивается с уменьшением теплопроводности наполнителя.С другой стороны, влияние коэффициента заполнения на V oc оказывается пренебрежимо малым независимо от теплопроводности наполнителя. Отметим, что хотя устройство с меньшим коэффициентом заполнения страдает от более высокой утечки тепла через наполнитель, оно также обеспечивает большую площадь поверхности, что эффективно снижает паразитные тепловые сопротивления, R корпус и R conv показано на рис. 1. Таким образом, мы полагаем, что влияние утечки тепла через наполнитель частично компенсируется большей площадью устройства, доступной для сбора тепла на стороне тела и отвода тепла на холодной стороне. Рис. 5: Влияние температуры горячей пластины и скорости воздуха на напряжение холостого хода ТЭГ. a Измерительная установка, состоящая из аэродинамической трубы, помещенной на нагревательную плиту. b Зависимость напряжения холостого хода от температуры плиты и скорости воздуха. Планки погрешностей указывают стандартные отклонения. Рис. 6: Напряжение холостого хода и удельная мощность гибких ТЭГ в зависимости от скорости воздуха. Разные панели относятся к разным коэффициентам заполнения модуля: a 5%, b 7%, c 13% и d 20%.2}} {{4R _ {{\ mathrm {out}}}}} $$ (3) , где R out — выходное сопротивление ТЭГ. Уравнение предполагает, что для достижения максимальной передачи мощности используется соответствующее сопротивление нагрузки. С помощью Z-метра (DX 4090 от TEC-Microsystems) R из было измерено как 6,5 ± 0,5 Ом при возбуждении переменным током. Плотность мощности рассчитывалась просто путем деления мощности на площадь поверхности устройства, которая зависит от коэффициента заполнения.Рисунок 6 показывает, что хотя влияние коэффициента заполнения на В oc невелико, плотность мощности сильно зависит от этого параметра из-за уменьшения площади поверхности ТЭГ при более высоких коэффициентах заполнения. Увеличение коэффициента заполнения с 5 до 20% приводит к увеличению плотности мощности в 6–8 раз при 1,2 мс — 1 . Интересно, однако, что при 20% уровни В, oc , полученные с двумя композитами с более низкой проводимостью, оказываются одинаковыми.Отметим, что при таком коэффициенте заполнения расстояние между двумя соседними ветвями составляет около 900 мкм, что близко к размеру более крупных частиц аэрогеля. Мы предполагаем, что более крупные частицы аэрогеля могут не обеспечивать равномерного распределения частиц аэрогеля вокруг ног, что может быть причиной наблюдаемого поведения. Когда модуль изгибается, длина, а также площадь поперечного сечения межсоединений EGaIn изменяются. Чтобы определить влияние изгиба на электрическое сопротивление модуля, было измерено R из типичного модуля с помощью Z-метра во время изгиба после повторяющихся циклов изгиба.Сопротивление модуля является важным параметром при определении характеристик ТЭГ, поскольку генерируемая мощность обратно пропорциональна этому сопротивлению согласно формуле. 3. Для этого измерения использовались измеритель силы NEXTECH и испытательный стенд для винтов, чтобы модули изгибались повторяющимся образом. Установка, включая Z-метр, показана на рис. 7 (а). Увеличенное изображение изогнутого ТЭГ показано на рис. 7 (б). Коэффициент заполнения устройства составляет 20%. На рисунке 7 (c) показано сопротивление модуля после многократных циклов изгиба диаметром 6 мм.Каждая точка данных соответствует сопротивлению переменному току, измеренному после пяти циклов изгиба. Данные указывают на отсутствие признаков отказа или каких-либо изменений сопротивления модуля после 100 циклов изгиба. Этот результат был ожидаемым, потому что сопротивление модуля в значительной степени определяется термоэлектрическими ответвлениями. Отметим, что при удельном сопротивлении 2,94 мкОм-см EGaIn в ~ 3000 раз более проводящий, чем термоэлектрические материалы, используемые для ветвей. Кроме того, площадь поперечного сечения межсоединений сравнима с площадью поперечного сечения ветвей, а межсоединения примерно в 4 раза короче, чем ветви. Рис. 7: Электрическое сопротивление гибкого ТЭГ. a Измерительная установка, используемая для измерения электрического сопротивления ТЭГ по переменному току, когда он изгибается с известной силой, b Изображение крупным планом, показывающее изогнутый ТЭГ, c Электрическое сопротивление, измеренное после повторяющихся циклов изгиба. Каждая точка данных соответствует сопротивлению переменному току, измеренному после пяти циклов изгиба. Для тестирования устройств на теле человека гибкий ТЭГ с коэффициентом заполнения 20% был встроен в носимый браслет, сделанный из Ecoflex TM , другого имеющегося в продаже силикона.Браслет был прикреплен полосками на липучке, чтобы надежно закрепить устройство на запястье во время измерения. Плата Arduino Mega с экраном SD-карты была запрограммирована на работу в качестве системы сбора данных для непрерывных измерений V oc . Гибкий ТЭГ и плата сбора данных показаны на рис. 8 (а). Для этих измерений мы использовали аэродинамическую трубу, показанную на рис. 5 (а), с запястьем, служащим источником тепла вместо горячей пластины. На рис. 8 (b), (c) показаны измеренные значения V oc и соответствующая плотность мощности как функция прошедшего времени.Мы можем видеть, что сразу после размещения ТЭГ на запястье возникает очень высокое напряжение при t = 0. В этот момент холодная сторона ТЭГ имеет температуру окружающей среды, и результирующее значение ∆ T является наибольшим. возможно при температуре окружающей среды. Однако ∆ T быстро падает, когда холодная сторона ТЭГ нагревается и устройство достигает теплового равновесия. Мы видим, что зависимость V oc от скорости воздуха аналогична той, что наблюдается на горячей плите. V oc примерно удваивается, когда скорость воздуха увеличивается с 0 до 0,7 мс — 1 , но увеличивается лишь на небольшую величину, когда скорость воздуха увеличивается до 1,2 мс — 1 , что согласуется с измерениями, полученными на плитке. При 1,2 мс — 1 плотность мощности, генерируемая на запястье, составляет ~ 35 μ Вт · см — 2 , что ниже плотности мощности, измеренной на горячей плите для той же скорости воздуха.Это вызвано несколькими факторами, включая более низкую температуру кожи (30,6 ° C) и более высокую температуру окружающей среды (23,6 ° C), из-за чего T amb — T body упадет на 3,4 ° C. Еще один фактор, который может повлиять на ∆ T , — это большее тепловое контактное сопротивление между гибким ТЭГ и телом. Рис. 8: Характеристики гибких ТЭГ на запястье. a Гибкий ТЭГ для ношения на запястье и переносном записывающем устройстве. b Напряжение холостого хода в зависимости от времени, измеренное на запястье для трех различных скоростей воздуха: 0, 0,7 и 1,2 мс — 1 . c График зависимости значений плотности мощности от времени. Однако важно отметить, что эти числа представляют собой максимально возможные удельные мощности, которые мы можем получить с этими ТЭГ. Прежде всего, обычная ходьба не может создать устойчивый и равномерный поток воздуха, который предназначен для вентилятора. Кроме того, с более широким диапазоном тепло, выделяемое человеческим телом, не будет равномерным по площади большого гибкого ТЭГ.Такие факторы, как близость к мышечной ткани и поверхностным венам, влияют на температуру кожи 44 . Наши измерения на запястье, полученные при обычной ходьбе, были на 30-50% ниже, чем плотность мощности, постоянно измеряемая на скамейке. Представленные здесь экспериментальные результаты были получены на запястье 28-летнего мужчины среднего роста и веса. Важно отметить, что эффективность ТЭГ на теле человека будет зависеть от его расположения на теле, а также от таких факторов, как уровень физической активности и проводимость кожи.В недавнем исследовании Thielen et al. продемонстрировали значительное падение теплового потока (и генерируемой мощности ТЭГ) у пожилых людей и объяснили это падение повышенным сопротивлением кожи с возрастом 45 . В таблице 1 показаны недавно опубликованные уровни плотности мощности для различных гибких технологий ТЭГ. Как указано в таблице, некоторые из этих ТЭГ были охарактеризованы на нагревательных плитах, некоторые носили на теле человека, а некоторые измерялись в обоих направлениях. Термин «объемный» относится к гибким ТЭГ, в которых использовались жесткие ветви, подобные тем, которые использовались в этой работе.Для справочных материалов, в которых явно не указана температура окружающей среды, было принято значение 27 ° C (300 K). В таблице приведены заявленные температуры конфорок, а также итоговая разница температур между конфорками и окружающей средой. Отметим, что это внешний ∆ T , который проявляется во всем устройстве, то есть три тепловых сопротивления: R TEG , R body и R conv на рис.1 (б). Ссылки 14,18,23,46,47,48,49 , среди прочего, которые заставляли определенное значение ∆ T через устройство, прикрепляя холодную сторону к охлаждаемой металлической пластине (например, водяное охлаждение), не были включены. в таблице, поскольку такое измерение игнорирует удар R body и R conv , которые оба могут быть существенными для носимых на теле устройств. Все ТЭГ, включенные в таблицу, характеризовались отсутствием воздушного потока (т.е., естественная конвекция). Таблица 1 показывает, что в целом гибкие ТЭГ с жесткими ветвями работают лучше, чем ТЭГ, в которых используются новые гибкие материалы. Это особенно актуально для ТЭГ, нанесенных на корпус. Хотя вообразить термоэлектрические материалы, которые можно просто распределять в жидкой форме, интригует, в будущем еще предстоит проделать большую работу, чтобы эти материалы соответствовали характеристикам известных термоэлектрических материалов. Таблица 1 также предполагает, что гибкие ТЭГ (в том числе и наш) не действуют на организм так же хорошо, как на горячей плите.Вероятно, этому поведению способствуют несколько факторов. Во-первых, горячая плита создает равномерный тепловой поток по всему устройству. В организме такие факторы, как близость к мышечной ткани и поверхностные вены, влияют на температуру кожи 44 . Кроме того, легче достичь хорошего теплового контакта между горячей пластиной и ТЭГ, тогда как такие факторы, как приложенное давление и шероховатость кожи, могут влиять на сопротивление контакта 35 . В таблице есть один из наших ТЭГ с наполнителем из композита аэрогель – силиконовый герметик, который наносится на горячую плиту, а также на запястье человека.Устройство имело коэффициент заполнения 20%, а теплопроводность композита аэрогель-силикон составляла 0,08 Вт · м — 1 K — 1 . Таблица показывает, что этот ТЭГ из аэрогеля и силикона выгодно отличается от других гибких ТЭГ, также построенных на жестких ножках. Если предположить, что эти разные ТЭГ имеют схожие свойства термоэлектрических материалов, различия между ними можно объяснить физическими размерами ветвей, коэффициентом заполнения, сопротивлением электрического контакта и межсоединений, а также теплопроводностью гибких материалов, используемых в их конструкции.Устройства, представленные в этом отчете, при ношении на запястье демонстрируют уровни удельной мощности до 35 мкВт · см — 2 во время ходьбы. Таким образом, типичный браслет с площадью 30 см 2 может достигать уровней мощности до 1 мВт, что является важным фактором в нашем стремлении к созданию усовершенствованных носимых устройств с мультимодальным зондированием и беспроводной передачей данных. Таблица 1 Уровни плотности мощности, указанные для различных гибких ТЭГ, измеренные без какого-либо воздушного потока. Биосовместимость Биосовместимость — ключевая проблема любого носимого устройства мониторинга.Материалы, используемые в наших гибких модулях, включают: (i) силиконовый эластомер, (ii) EGaIn, (iii) термоэлектрические материалы и (iv) металлические контакты на термоэлектрических ножках. Использование силиконов в медицинской промышленности хорошо известно. В дополнение к их обычному использованию в грудных имплантатах на протяжении десятилетий, силиконы продолжают рассматриваться для множества новых медицинских применений 50,51,52,53,54 . Что касается силиконов, наши знания о биосовместимости EGaIn ограничены. Kim et al.изучили цитотоксичность EGaIn в водной среде 55 . Исследование пришло к выводу, что EGaIn был стабильным и достаточно безопасным без механического взбалтывания. Было показано, что цитотоксичность увеличивалась при обработке ультразвуком, что увеличивало концентрацию ионов In. В другом исследовании Lu et al. изучили токсичность наночастиц EGaIn in vivo. Важные функции печени и почек и показатели крови у мышей отслеживались в течение трех месяцев, и никаких признаков токсичности обнаружено не было. 56 . В обзорной статье Yan et al.рассмотрены применения жидких металлов в различных биомедицинских приложениях, включая носители для доставки лекарств, молекулярную визуализацию, улучшенную терапию рака и медицинские устройства, включая имплантируемые 57 . В двух недавних исследованиях EGaIn использовался для создания эластичной электронной кожи 58 и электронной татуировки 59 . Мы не наблюдали никаких доказательств утечки EGaIn через эластомер во время повторяющихся циклов изгиба. Однако в недавнем исследовании Zadan et al.Капли EGaIn, встроенные в PDMS, были использованы для создания межсоединений в гибком термоэлектрическом модуле 60 . Эластомер был механически активирован для создания электропроводящих следов. Это открытие также предполагает, что внешняя физическая сила может также привести к разрыву поверхности, обнажая пузырьки EGaIn, встроенные в эластомер с высокой теплопроводностью. Таким образом, в случае случайного разрыва устройства из-за чрезмерной внешней силы вполне вероятно обнаружить, что капли EGaIn контактируют с кожей.Тем не менее, результаты упомянутых выше исследований по медицинскому применению материала обнадеживают. Хотя очевидно, что для полного понимания биобезопасности EGaIn требуется дополнительная работа, предварительные результаты показывают, что этот материал безопасен и подходит для носимых устройств. Ожидается, что коммерческие модули, в которых используются термоэлектрические материалы, такие как халькогениды висмута, и контактные металлы, такие как Ni и Sn, будут соответствовать требованиям RoHS / REACH, что означает, что любой материал с документально подтвержденными доказательствами риска для здоровья (например,g. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Сохранить моё имя, email и адрес сайта в этом браузере для последующих моих комментариев.