Теплопроводность хорошая и плохая примеры: 1) Написать 5 примеров веществ с плохой теплопроводностью и 5 с хорошей . 2) Указать 3 - Стройматериалы в Иркутске

Теплопроводность

На предыдущем уроке, мы узнали, что существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Сегодня мы поговорим о теплопроводности. Вспомним опыты из предыдущего урока: тела нагревались и охлаждались друг от друга, находясь в непосредственном контакте. Например, летом около фонтана всегда прохладнее, потому что вода холоднее воздуха. Это и называется теплопроводностью — передача внутренней энергии от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Тело обладает плохой или хорошей теплопроводностью в зависимости от того, насколько быстро через это тело проходит тепло. Например, если поджечь деревянную палку с одного конца, то можно легко держать её за другой, не рискуя обжечься. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью. Также, если мы положим кирпич одним концом в огонь, то температура на разных концах будет сильно отличаться и чтобы нагреться потребуется достаточно длительное время.

Поэтому кирпич тоже имеет плохую теплопроводность.

Если поставить на плиту кастрюлю, то она очень скоро нагреется, потому что она металлическая. Значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.

Следует помнить, что процесс нагревания происходит постепенно. Когда мы хотим закипятить воду, мы наливаем её в кастрюлю, а кастрюлю ставим на плиту. Сначала нагревается дно кастрюли, т.к. оно непосредственно контактирует с плитой. Частицы дна кастрюли получают дополнительную энергию. Эти частицы, в свою очередь, начинают взаимодействовать с соседними частицами, также передавая им дополнительную энергию. Так происходит, пока все тело не нагреется. Здесь мы плавно переходим к теплопроводности жидкостей. Как мы знаем из бытового опыта, несмотря на то, что кастрюля нагревается почти сразу, нужно немного подождать, пока вода закипит. Из этого можно сделать вывод, что

у жидкостей не очень хорошая теплопроводность (за исключением жидких металлов, конечно).

Этого можно было ожидать, т.к. теплопроводность происходит из-за взаимодействия частиц, а частицы в жидкостях находятся на большем расстоянии, чем в твердых телах. Логично предположить, что у газов теплопроводность ещё хуже, потому что в них молекулы расположены ещё дальше друг от друга. Сделаем несколько наблюдений.

Фен выдувает горячий воздух за счет электрической энергии, которую он потребляет из сети.

Однако, если встать чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить. Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем одинарные. Это происходит за счет небольшого слоя воздуха между ними. Значит, воздух обладает плохой теплопроводностью.

Итак, из этих примеров можно сделать вывод, что

теплопроводность — это свойство тела и у каждого тела она разная. Шерсть, перья, волосы имеют плохую теплопроводность, что вполне логично, т.к. их основной функцией является защита от холода.

Теперь, мы понимаем, что защитой от холода является препятствование передачи внутренней энергии тела окружающей среде. Плохая теплопроводность этих веществ объясняется тем, что их волокна содержат частички воздуха, как и волокна дерева.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (т.е. свободное пространство). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при взаимодействии частиц, которых попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе (мы не можем утверждать, что в космосе абсолютный вакуум, но открытый космос — это почти полностью освобожденное пространство). Возникает вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством излучения, о котором мы поговорим чуть позже.

Мы сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Теперь мы знаем, что если надо предохранить тело от охлаждения или нагревания, то к нему нужно применить материал с плохой теплопроводностью.

И наоборот, если требуется нагреть или остудить тело, то используются материалы с хорошей теплопроводностью. Наглядный пример — это сковорода, которая сделана из металла, чтобы на ней можно было готовить.

Однако, ручка сковороды сделана из пластмассы, чтобы она не нагревалась.

Теперь мы можем объяснить, почему одежда нас «греет». На самом деле, она не греет, а сохраняет тепло. Зимние куртки наполняют материалом с плохой теплопроводностью. Таким образом, тепло нашего тела меньше передаётся окружающему нас холодному воздуху. Одежда предохраняет нас от непосредственного контакта с окружающей средой, а это играет решающую роль в теплопроводности. В результате, человек теряет гораздо меньше тепла.

Материалы с плохой теплопроводностью. | Немецкие пластиковые окна пвх от Techno-comf.ru

Теплоизоляционными, называют материалы, обладающие небольшой теплопроводностью и использующиеся для технической изоляции (например, труб отопления), изоляции зданий и защиты от нагрева (изоляция рефрижераторов и холодильных камер).

Перенос тепла осуществляется на основе трех физических процессов: излучения, теплопроводности и конвекции. Конвекция присуща жидкостям, газам и сыпучим веществам и осуществляется за счет переноса вещества (горячий воздух и вода всегда поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз, за счет чего идет постоянное перемешивание и равномерный нагрев вещества). Излучение переносит тепло посредством лучистой энергии, по этому принципу солнце нагревает предметы и на нем же работают ИК-обогреватели. Но нас интересует третий тип процессов — теплопроводность. В этом случае нагревание происходит за счет движения молекул.

Хуже всего проводит тепло вакуум, но на Земле его применение сильно затруднено. Поэтому в качестве изолятора используют сухой воздух. Его теплопроводность в 25 раз ниже, нежели у воды. Следовательно, основные качества изоляционных утеплителей, которые нас интересуют — пористость (больше — лучше) и влагостойкость. Чем выше эти значения, тем эффективнее теплоизоляция. Но важны и такие качества как огнестойкость, плотность, паропроницаемость и морозостойкость.

Стекловата — производится из кварцевого песка и выпускается в рулонах, скорлупках и плитах. Она плохо поглощает и удерживает влагу, не горит, обладает звукоизоляционными свойствами, выдерживает множество циклов нагревания/заморозки, в связи с чем, используется как изолятор для кровли. Недостатки: необходима паро- и гидроизоляция, теплостойкость не выше 450 градусов.

Минеральная вата — представляет собой волокнистый утеплитель, для производства которого применяют какое-либо минеральное сырье (чаще всего базальты, доломиты или мергели). Характеристики — те же что и у стекловаты. От описанных выше изделий базальтовая вата отличается значительно более высокой теплостойкостью, из-за чего часто используется как изолятор для труб отопления. Кроме того, она является основанием для изготовления минеральных плит таких марок утеплителей минплита П-125, Изоруф, Изолайт и других.

Целлюлозная вата — материал, состоящий на 80 из древесного волокна, на 13% из борной кислоты и на 7% из антисептика. Укладывается мокрым и сухим способом. В первом случае она выдувается при помощи специального оборудования, во втором просто насыпается и трамбуется. Из достоинств: возможность заполнения любых полостей и пустот, невысокая цена, отсутствие мостиков холода. Однако он горючий и гораздо более трудоемок в укладке.

Газонаполненные виды бетона (газобетон, пенобетон) или бетон на основе легких наполнителей (керамзит, полистирол, перлит). Существенно уступают описанным материалам по уровню теплоизоляции, однако обладают лучшими звукоизоляционными свойствами и могут применяться в качестве строительных блоков.

Засыпная теплоизоляция, осуществляемая при использовании керамзита или перлита, обладает высокой прочностью и морозостойкостью, однако может давать усадку и хорошо поглощает влагу. Практически не используется в современном строительстве.

ДСП и ДВП. Используют в основном как облицовку для каркасных перегородок и потолков. ДСП может применяться как основание для настилки какого-либо полового покрытия (линолеум, ламинат, ковролин, паркет и пр. ). Деревоплита относительно не дорогая и широко распространена, однако неустойчива к воздействию влаги и высоких температур, а также нуждается в защите от грызунов и прочих вредителей.

Пробка — экологически чистый материал, не подвержен гниению и горению, не дает усадки и удобен в работе.

Пенополистирол — производят методом экструзии, благодаря чему изделие не пропускает воду и воздух. Довольно прочный, плохо поглощает воду, имеет одно из самых низких значений теплопроводности, нетоксичен, инертен. Среди недостатков — горючесть и плохая воздухопроницаемость.

Отражающая теплоизоляция — основа из вспененного полиэтилена, с одной стороны покрыта алюминиевой фольгой. Принцип работы несколько иной, нежели у описанных выше материалов. Обычно такой тип теплоизоляции размещают позади труб отопления, чтобы предотвратить чрезмерное поглощение тепловой энергии стенами помещения и удержать тепло внутри помещения. Также применяется в качестве теплоизолятора для бань, саун и холодильных камер. Выбор конкретного типа изолятора зависит от условий его эксплуатации (в доме или на улице), экономических возможностей и навыков работы с тем или иным типом материала.

Электропроводность и теплопроводность металлов — Справочник химика 21

Металлы образуются из атомов электроположительных элементов. В сплавах определенные места в решетке могут быть заняты либо атомами отдельного компонента, либо различными видами атомов. Высокая электропроводность и теплопроводность металлов обусловлены движением свободных электронов через пространственную решетку. [c.583]
Электропроводность и теплопроводность металлов [c.218]

Электропроводность и теплопроводность металлов объясняются подвижностью электронов неполностью заполненных зон, обусловленной тем, что в этих зонах к уровням, занятым электронами, вплотную примыкают свободные уровни, на которые могут переходить (возбуждаться) электроны. [c.91]

Предположение о том, что электроны в металле свободно перемещаются и в отсутствие электрического поля, подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, обнаруживается универсальная связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Теплопроводность металлов значительно выше, чем теплопроводность изоляторов найдено, что отношение электропроводности и теплопроводности, по крайней мере при средних температурах, является универсальной функцией температуры и не зависит от природы металла (закон Видемана — Франца). Это указывает на общность механизма обоих процессов перенос тепла, как и перенос электричества, осуществляется за счет движения свободных электронов следовательно, свободные электроны в металле имеются и в отсутствие электрического поля. Факт существования в металлах свободно перемещающихся электронов подтверждается также явлением термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми металлами). Следует отметить, что распределение скоростей электронов в металле, как показывает опыт, является максвелловым. Таким образом, наличие в металлах электронного газа можно считать экспериментально подтвержденным. Предположив, что электронный газ в металле обладает свойствами классического идеального газа, Друде дал теоретическое истолкование наблюдаемой на опыте зависимости между теплопроводностью и электропроводностью. Был объяснен ряд термоэлектрических явлений. Правда, возникли расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями теплоемкости металлов. Согласно классическому закону равнораспределения энергии электронный газ должен давать вклад в теплоемкость металла, равный 3/2 Я а а 1 моль свободных электронов (если металл одновалентный, это вклад на 1 моль вещества). Однако экспериментально установлено, что вклад электронов в теплоемкость практически равен нулю. Это противоречие нашло объяснение наос- [c.183]

Табл. 2 показывает также, что электропроводность и теплопроводность металлов не слишком сильно (не более, чем в 2,5 раза) меняются при плавлении. Подобные же результаты были получены [9] для Fe, Со и Ni, у которых отношения Ятв/иж составляют соответственно 1,07, 1,11 и 1,14. Мало изменяются при плавлении и магнитные восприимчивости N1 и Со (9]. [c.14]

Чрезвычайно высокие по сравнению с другими типами кристаллов значения электропроводности и теплопроводности металлов указывают на высокую подвижность и большую свободу электронов в их пространственной структуре. С точки зрения строения атомов типич- [c.79]

В металле число атомных орбиталей, участвующих в образовании отдельной молекулярной орбитали, чрезвычайно велико, поскольку каждая атомная орбиталь перекрывается сразу с несколькими другими. Поэтому число возникающих молекулярных орбиталей тоже оказывается очень большим. На рис. 22.20 схематически показано, что происходит при увеличении числа атомных орбиталей, перекрыванием которых создаются молекулярные орбитали. Разность энергий между самой высокой и самой низкой по энергии молекулярными орбиталями не превышает величины, характерной для обычной ковалентной связи, но число молекулярных орбиталей с энергиями, попадающими в этот диапазон, оказывается очень большим. Таким образом, взаимодействие всех валентных орбиталей атомов металла с валентными орбиталями соседних атомов приводит к образованию огромного числа чрезвычайно близко расположенных друг к другу по энергии молекулярных орбиталей, делокализованных по всей кристаллической решетке металла. Различия в энергии между отдельными орбиталями атомов металла настолько незначительны, что для всех практических целей можно считать, будто соответствующие уровни энергии образуют непрерывную зону разрешенных энергетических состояний, как показано на рис. 22.20. Валентные электроны металла неполностью заполняют эту зону. Можно упрощенно представить себе энергетическую зону металла как сосуд, частично наполненный электронами. Такое неполное заселение разрешенных уровней энергии электронами как раз и обусловливает характерные свойства металлов. Электронам, заселяющим орбитали самых верхних заполненных уровней, требуется очень небольшая избыточная энергия, чтобы возбудиться и перейти на орбитали более высоких незанятых уровней. При наличии любого источника возбуждения, как, например, внешнее электрическое поле или приток тепловой энергии, электроны возбуждаются и переходят на прежде незанятые энергетические уровни и таким образом могут свободно перемещаться по всей кристаллической решетке, что и обусловливает высокие электропроводность и теплопроводность металла. [c.361]

Металлы характеризуются специфическим блеском, высокой электропроводностью, теплопроводностью и пластичностью. В то же время пары металлов — такие же диэлектрики, как и инертные газы, и отличаются от последних сравнительно малой энергией ионизации. Большая электропроводность и теплопроводность металлов, их термоэлектронная эмиссия обусловливается наличием свободных электронов. Считают, что при сближении атомов в процессе формирования металла происходит делокализация валентных электронов. Металл рассматривается как система правильно расположенных в пространстве положительных ионов и перемещающихся среди них делокализованных электронов. Эти электроны компенсируют силы отталкивания между ионами и связывают их в единую кристаллическую решетку. Металлы отличаются большой прочностью связи, мерой которой служит теплота сублимации, т. е. энергия, которую необходимо затратить для разделения твердого металла на изолированные атомы. Значение этой энергии достигает 836 кДж/моль. [c.167]

Закон зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры теоретически установил и экспериментально проверил Ричардсон [148]. Он дал два теоретических вывода этой зависимости. Первый вывод основан на представлениях электронной теории металлов, созданной для объяснения явлений электропроводности и теплопроводности металлов, контактной разности потенциалов, эффекта Холла и т. д. Согласно этой теории, в металлах, кроме электронов, крепко связанных с атомами, [c.77]

Из высокой электропроводности и теплопроводности металлов можно сделать заключение, что, но крайней мере, часть электронов имеет возможность свободно перемещаться но кристаллу и уже под действием слабого электрического поля пли небольшого градиента (перепада) температуры лю кет бразовывяп ся п.анравлеипый поток электроно (Друде, 1902 г.). Согласно теорпп Друде, строение металлов можно представить себе как совокупность положительно. аряже .иых попов (атомных остовов кристаллической структуры), между которыми свободно перемещаются электроны, подчиняющиеся газовым законам ( элект-ронный газ ). [c.197]

В кристаллах металлов в узлах находятся положительные ионы металлов, а в междоузлиях — электронный газ, способный к передвижению по решетке под действием разности потенциалов или разности температур. Это обусловливает большую электропроводность и теплопроводность металлов. Большинство чистых металлов обладает высокой пластичностью. Это объясняется отсутствием направленности металлической связи, поскольку в узлах решетки находятся ионы одного знака. Как уже говорилось, чистые металлы-элементы кристаллизуются лишь в трех структурах с плотнейшей упаковкой частиц гексагональной (КЧ = 12), гранецентрированной кубической (КЧ = 12), объемноцентрирован-ной кубической (8 ближайших соседей на расстоянии и 6 — на расстоянии 1,15го). [c.293]

Металлы — вещества с сильно делокализованными электро-намп. Делокализация обусловлена тем, что количество низких по энергии орбиталей у металлов значительно больше числа имеющихся валентных электронов. Высокие электропроводность и теплопроводность металлов и нх блеск объясняются высокой подвижностью электронов на делокализованных орбиталях, а большая пластичность — наличием в их структуре плоскостей скольжения и минимальной направленностью металлических связей. [c.119]

Задолго до развития теории квантов в XIX в. была разработана теория свободных электронов в металлах. Эта теория исходила из представления, что в металлическом кристалле валентные электроны атомов могут почти свободно, т. е. почти не взаимодействуя с атомными остатками, передвигаться по кристаллическо11 решетке. В э.тектрическом поле эти электроны, названные электронами проводимости, переносят ток, в отличие от валентных электронов атомных остатков. На примерах особенно одновалентных металлов (натрий, Атедь и др.) с помощью этой теории выведены некоторые основные законы физики, например закон Ома, закон Видемана—Франпа (о прямой пропорциональности между электропроводностью и теплопроводностью металла) и др. [c.263]

ЧУГУН Теплопроводность — Энциклопедия по машиностроению XXL

Форма графита, его выделение и распределение также влияют ка теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к X серого чугуна с пластинчатым графитом [9].

[c.60]

Поршни из алюминиевых сплавов обладают меньшей прочностью и износостойкостью, но значительно легче чугунных и применяются в двигателях с высокой частотой вращения. Поршень, изготовленный из алюминиевого сплава, несмотря на большую (для обеспечения необходимой прочности) толщину стенок, на 25—30 % легче чугунного. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3—4 раза выше, чем у чугуна, поэтому температу- [c.85]

Теплопроводность — это способность металла проводить тепло. Наиболее теплопроводными являются алюминий, медь и сплавы цветных металлов, менее теплопроводными — стали и чугуны. Теплопроводность имеет важное значение при нагреве металла. Чем меньше теплопроводность, тем больше опасность появления трещин при нагреве. [c.23]

Чистые металлы всегда обладают большей теплопроводностью, чем соответствующие сплавы. Малоуглеродистые стали обладают более высокой теплопроводностью, чем углеродистые стали и чугуны. Низкой теплопроводностью обладают высоколегированные кислотоупорные стали и чугуны. Теплопроводность материалов следует учитывать при изготовлении сварной аппаратуры, так как это определяет технологические режимы сварки и последующей термообработки. Обычно малая теплопроводность характеризует плохую свариваемость металлов и их склонность к образованию трещин при термической обработке. [c.79]

Для технических серых чугунов теплопроводность колеблется в пределах 0,110—0,137 кал/(см -с град) и уменьшается с повышением температуры. Однако склонность к росту, как уже указывалось, зависит еще от окисляемости чугуна, его газонасыщенности (особенно водородом), что в формуле (46) не учтено. Поэтому имеются расхождения в оценке склонности чугуна к росту по данным расчета и эксперимента. [c.148]

Таким образом, форма графита оказывает существенное влияние на уровень теплопроводности чугуна. Теплопроводность ЧВГ выше теплопроводности ЧШГ и близка к теплопроводности ЧПГ. Такая закономерность сохраняется и в интервале температур 100-500 °С, хотя теплопроводность всех чугунов с увеличением температуры снижается (табл. 3.4.16). [c.593]

Чугунные поршни отличаются малым коэффициентом линейного расширения, высокой прочностью и износостойкостью, но имеют большую массу по сравнению с алюминиевыми. Поршни из алюминиевых сплавов обладают меньшей прочностью и износостойкостью, но значительно легче чугунных. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3…4 раза выше, чем у чугуна, поэтому температура днища поршней из алюминиевых сплавов ниже, чем у чугунных поршней. В этой связи в двигателях с поршнями из алюминиевых сплавов улучшается наполнение цилиндра свежим зарядом и уменьшаются затраты энергии на трение поршня о цилиндр вследствие меньшего коэффициента трения алюминиевых сплавов. [c.167]

Для изготовления поршней двигателей обычно применяют алюминиевые сплавы, преимуществом которых являются малый удельный вес и высокая теплопроводность. Чугун более прочен и износоустойчив, но из-за большого удельного веса его применяют обычно для поршней относительно тихоходных двигателей. [c.439]

Коэффициент теплоотдачи от газов к ребристой поверхности а = 46,5 Вт/(м -°С) коэффициент теплопроводности чугуна Х = = 52,4 Вт/(м-°С). [c.23]

Под воздействием лазерного излучения за короткий промежуток времени (10″ —10″ с) поверхность детали из стали или чугуна нагревается до очень высоких температур Распространение теплоты в глубь металла осуществляется путем теплопроводности. После прекращения действия лазерного излучения происходит закалка нагретых участков, благодаря интенсивному отводу тепла в глубь металла (самозакалка). [c.225]

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 °С равна 16 кал/(г С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см-с С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0. ..100 С можно принять (10…11)1 О см/(см- С), а в интервале температур 100…700 С он равен НТО см/(см- С) [c.57]

Жидкотекучесть — способность жидкого металла полностью заполнять полости литейной формы и четко воспроизводить очертания отливки. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры заливаемого в форму сплава и теплопроводности материала формы. Фосфор, кремний и углерод улучшают ее, а сера ухудшает. Серый чугун содержит углерода и кремния больше, чем сталь, и поэтому обладает лучшей жидкотекучестью. Повышение температуры жидкого металла улучшает жидкотекучесть, и чем выше его перегрев, тем более тонкостенную отливку можно получить. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно охлаждает расплав. Минимально воз- [c.51]

Пример 10-5. Рассчитать теплоотдачу круглого чугунного ребра постоянной толщины S = 3,6 мм внутренний радиус ребра г- = 60 мм и наружный Га = 120 мм, коэффициент теплоотдачи а = 30 Вт/(м -°С), коэффициент теплопроводности чугуна X, = 30 Вг/(м °С), = 80°С. [c.313]

Основной задачей в области создания высокоэффективных типов фрикционных материалов остается создание материала со стабильным коэффициентом трения и высокой износоустойчивостью при работе в широких диапазонах температур. По-видимому, такими материалами все же будут металлокерамические накладки, не имеющие в своем составе органических веществ и, следовательно, мало изменяющие значение коэффициента трения при нагреве, а также обладающие относительно высокой износоустойчивостью. Наиболее вероятным путем создания фрикционных материалов для особо напряженных условий работы явится сочетание металлического жаростойкого компонента (например, нихрома или нержавеющей стали) и тугоплавких карбидов, но надо иметь в виду, что в этом случае применение чугунного контртела будет нецелесообразным из-за его недостаточной износоустойчивости. Высокая теплопроводность таких материалов позволит существенно уменьшить тепловой удар, возникающий на поверхности трения при интенсивной работе. Удовлетворительное решение проблемы создания надежной фрикционной пары современных высоконагруженных тормозов возможно только в случаях применения более теплостойких материалов, при одновременной разработке конструкций тормозов, обеспечивающих образование более низких температур нагрева поверхности трения. [c.588]

В замкнутом тормозе часть поверхности трения тормозного шкива соприкасается с фрикционной накладкой. В этом случае тепловой поток разделяется на две части, одна из которых расходуется на нагрев шкива, а другая — на нагрев накладки. Соотношение частей общего теплового потока определяется физическими свойствами трущихся тел. Совершенно очевидно, что если теплопроводность фрикционного материала будет высокой, то тепловой поток, проходящий через него, будет также велик, и нагрев тормозного шкива уменьшится. Анализ распределения теплового потока между двумя трущимися телами показывает, что при работе с фрикционным материалом на асбестовой основе (вальцованная лента, асбестовая тканая лента) только незначительная часть (3—4%) теплового потока расходуется на нагрев тормозной накладки, основная же часть его (96—97%) проходит через металлический тормозной шкив. При использовании фрикционных материалов металлокерамического типа (на медной или железной основе) через тормозную накладку проходит значительно большая часть теплового потока, а часть его, проходящая через тормозной шкив, снижается соответственно до 62% (при стальном шкиве) и до 79% (при чугунном шкиве). Таким образом, характер распространения тепла в фрикционной накладке определяет собой условие на границе исследуемого тела (шкива). Это условие также выражается уравнением Фурье [c.605]

Фиг. 360. Зависимость установившейся температуры от давления для колодочного тормоза ТК-300 с чугунным ждалось некоторым повышением температуры (фиг. 360). В первом случае это объясняется увеличением работы трения, приходящейся на каждый квадратный сантиметр поверхности трения накладки, во втором — возрастанием интенсивности торможения. Многочисленными опытами было доказано, что генерирование тепла зависит от скорости торможения чем быстрее тормозится машина, тем выше поднимается температура поверхности трения.

При уменьшении времени торможения образование тепла происходит в более короткое время, и хотя теплопроводность шкива велика, она все же является конечной величиной, и для распределения тепла по массе шкива требуется некоторое время. Кроме того, наиболее интенсивное охлаждение происходит во время торможения, а так как уменьшается время торможения, то уменьшается и время наиболее интенсивного охлаждения. Надо отметить также, что при уменьшении времени торможения несколько увеличивается работа торможения, так как соответственно уменьшается тормозящее действие внутренних сил сопротивления механизма. Это обстоятельство также способствует увеличению температуры поверхности трения.

Антифрикционные отливки чугуна серого средней прочности 4 — 44 Антифрикционные сплавы 4 — 200 Теплопроводность 4 — 205 [c.13]

Теплопроводность. Теплопроводность сплавов и смесей, в отличие от теплоёмкости, не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность чугуна [11] можно установить лишь приблизительно. Формулы для определения теплопроводности стали по её химическому составу не пригодны для чугуна, так как они не учитывают изменения структуры и, в частности, количества выделяющегося графита [36, 37]. [c.7]

Теплопроводность главнейших структурных составляющих чугуна выражается следующими данными [c.7]

Влияние фосфора приведено в табл. 10 [39], составленной для чугунов с приблизительно одинаковой структурой, за исключением увеличивающегося содержания фосфидной эвтектики. Расхождение значений теплопроводности с данными других исследователей [41,44] может быть объяснено тем, что фосфор [c.8]

Влияние фосфора на теплопроводность чугуна [c.8]

Влияние серы на теплопроводность не изучалось, но можно полагать [И], что этот элемент снижает теплопроводность чугунов. [c.8]

В противоположность рбычному чугуну теплопроводность у ЖЧС5Ш и ЖЧС5 мало различается и при этом возрастает с повышением температуры (рис. 1.67). У ферросилида она еще меньше и составляет около 0,025 кал/(см-с-°С). Плотность кремнистого чугуна снижается с повышением содержания 81 и колеблется в пределах 6,7—7,0 г/см . [c.116]

На структуру п Boii TBa серого чугуна существенное влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливок в форме. Углерод, кремний и марганец улучшают механические и литейные свойства чугуна. Сера вызывает отбел в тонких частях отливок и снижает жидкотекучесть. Фосфор придает чугуну хрупкость. Поэтому содержание серы и фосфора в сером чугуне должно быть минимальным. Увеличение скорости охлаждения достигается путем уменьшения толщины отливки и увеличения теплопроводности литейной формы. В тонких частях отливки у ее поверхности скорость кристаллизации будет выше, чем в более массивных частях и в сердцевине. Поэтому в тонких частях отливки образуется более мелкая структура с повышенным содержанием перлита и мелкими включениями графита, что обеспечивает высокие механические свойства этих зон. Там, где чугун затвердевает медленнее, образуется крупио- [c.158]

Определить количество теплоты, отдаваемой с поверхности ребра трубы длиной L—25QQ мм. Высота ребра h=30 мм, толщина ребра у поверхности трубы 6i=3 мм, толщина конца ребра бз=1 мм. Коэффициент теплопроводности чугуна Я,=52,3 Вт/(м.°С). [c.25]

Сочетание высокой прочности, вязкости, твердости, термо- и химо-стойкости, малой плотности, а также пшрокие возможности формоизменения и применения производительных методов формообразования — все это делает ситаллы перспективным конструкционным материалом. По механическим свойствам ситаллы близки к чугунам и могут во многих случаях заменить последние, выгодно отличаясь от них малой плотностью, гораздо более высокой твердостью и теплостойкостью. Однако следует учитывать их низкую теплопроводность. [c.192]

Пластмассовые колеса должны работать в паре со стальными или чугунными колесами достаточной твердости в связи с низкой теплопроводностью пластмасс и опасностью заеданий. Стальные колеса целесообразно закаливать до 45 HR , и шлифовать или перед закалкой шевинго-вать. Пластмассовые колеса делают уже, чем сопряженные, во избежание повышенного износа кромками сопряженных колес. [c.163]

Седла клапанов. Седла клапанов двигателей внутреннего сгорания работают в особо тяжелых ударно-переменных нагрузках и высоких температурных (700 — 1000°С) режимах. Поэтому к жаропрочному материалу для седел клапанов предъявляют особые требования необходимы высокая жаростойкость и сопротивление к газовой эрозии, коррозия и ползучести, высокие механические свойства, хорошая теплопроводность и небольшой коэ(1зфициент линейного расширения. В составе чугуна, кроме основных элементов (С, Si, Мп, S, Р), содержатся карбидообразующие элементы 2,75 — 3,25% Сг 4 — 5% Мо и до 0,3% Ni. [c.66]

По данным многочисленных исследований, степень эвтектично-сти чугуна для изложниц рекомендуется принимать близкой к единице (0,97 — 1,05).

Для этого увеличивают содержание углерода, не повышая концентрацию кремния более 2%, так как кремний, растворяясь в феррите, снижает теплопроводность чугуна и повышает его хрупкость. Концентрацию углерода и кремния в чугуне рекомендуется поддерживать соответственно в пределах 3,4 — 4,2 и 1,4 — 2,2%. В чугунах для изложниц массой более 3 т содержание углерода целесообразно поддерживать на верхнем, а кремния — на нижнем пределах. [c.340]

Выбирая состав и структуру чугуна, не следует забывать, что необходимо стремиться к оптимальному сочетанию теплопроводности, пластических и прочностных свойств сплава. Изложницы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом характеризуются более высокой по сравнению с серым чугуном (в 1,5-2 раза) стойкостью при производстве мелких и средних слитков. Однако стойкость изложниц из чугуна с пластинчатым графитом для крупных слитков (массой более 50 т) мало отличается от стойк(Зсти таких же изложниц из чугуна с шаровидным графитом. [c. 341]

Более перспективным материалом для изложниц, очеви.цно, является чугун с вермикулярным графитом. Особенностью этого материала является его более высокая (в 1,5 раза) теплопроводность по сравнению с чугуном, имеющим шаровидный графит. В то же время модуль упругости его значительно ниже. [c.341]

Хи.мически стойкие композиции для ремонта стеклоэмалевых покрытий Композиции для ремонта стеклоэмалевых покрытий должны обладать, помимо химической стойкости в рабочих средах, хорошей адгезией к металлу и стеклоэмали, теплопроводностью, достаточно высокой прочностью и низким коэффициентом термического расширения (КТР), близким к аналогичному показателю сталей и чугунов. Ряд композиций, удовлетворяющих в определенной мере сочетанию таких свойств, рекомендован к применению стандартом /93/ и приводится в табл. 13. [c.127]

Материалы фрикционных катков должны иметь высокий коэффициент трения /, что уменьшает требуемую силу прижатия F/, высокий модуль упругости Е, что уменьшает потери на трение высокую износостойкость контактную прочность и теплопроводность. Наиболее распространенное сочетание материалов катков закаленная сталь по закаленной стали чугун по чугуну текстолит, фибра или гетинакс по стали (в малонагруженных передачах). Иногда для повышения коэффициента трения один из катков облицовывают прессованным асбестом, прорезиненной тканью и т. п. Как правило, рекомендуется ведомый каток делать из более твердого материала, чтобы избежать образования на нем лысок, появляющихся при буксовании передачи. Буксование наступает при перегрузках, когда не соблюдается условие (7,1), При буксовании ведомый каток останавливается, а ведущий скользиг но нему, вызывая местный износ (лыски). Передачи с неметаллическими рабочими поверхностями могут работать только [c.112]

В табл. 11-1 приведены некоторые данные о значениях коэффициента теплопроводности для разных веществ. Из нее видно, что наихудшими проводникам тепла являются газы, для которых Я = 0,006 -f— 0,6 вт1 м-град). Некоторые чистые металлы, наоборот, отличаются высокими значениями X и для них величина его колеблется от 12 до 420 втЦм -град). Примеси к металлам вызывают значительное уменьшение коэффициента теплопроводности. Так, у чугуна X тем меньше, чем больше содержится в чугуне углерода. Для строительных материалов Я = 0,164-1,4 вт/ (м-град). Пористые материалы, плохо проводящие тепло, называют теплоизоляционными и для, них значения X находятся в пределах от 0,02 до 0,23 вт1 м-град). К этим материалам относят шлаковату, минеральную шерсть, диатомит, ньювель, совелит, асбест и др. Чем более порист материал, т. е- чем больше содержится в нем пузырьков малотеплопроводного воздуха, чем меньше его плотность, тем менее он теплопроводен. Очень широкое применение получил теплоизоляционный материал диатомит в 1 см которого содержится до 2-10 скорлупок, заполненных внутри воздухом. [c.139]

Материалы фрикционных катков должны обладать высоким коэффициентом трения, что уменьшает требуемую силу прижатия высоким модулем упругости, что уменьшает потери на трение, связанные с размерами площадки контакта контактной выносливостью износостойкостью и хорошей теплопроводностью. Последние два свойства особенно важны для передач, работающих всухую. Обычно один из катков изготовляют из качественной закаленной стали (например, ШХ15), а другой — из стали, серого чугуна. [c.296]

Изготовляются ребристые поверхности по-разному. В одних случаях они являются сплошной отливкой из чугуна, в других ребра изготовляются отдельно и затем прикрепляются к соответствующей поверхности. В последнем случае имеется то преимущество, что ребра можно изготовлять из другого, более теплопроводного материала, чем сама стенка, и вся конструкция может быть выполнена более легкой. Плотный контакт между стенкой и ребрами осуществляется путем насадки ребер в горячем состоянии и последующей пропайки мест соединения. Как правило, плоскость ребра должна быть направлена по движению рабочей жидкости, а при свободном движении — вертикально. Однако иногда с целью искусственной турбулизации потока жидкости и разрушения вязкого подслоя низкие и широко расставленные ребра устанавливаются и поперек потока. [c.193]

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]

Металлическими элементами трущейся пары, сочетающими хорошие фрикционные свойства с высокой теплопроводностью и достаточной механической прочностью, являются хромистые бронзы типа Бр.Х0,8. В отношении износоустойчивости эта бронза в паре с материалом Ретинакс несколько уступает паре Ретинакс — ЧНМХ [190]. Однако вследствие более высокой теплопроводности бронзы (превышающей теплопроводность чугуна в 5 раз) температуры на поверхности трения оказываются более низкими и кривая и.зменения тормозного момента в процессе торможения не имеет характерного пикового возрастания к концу торможения, как это наблюдается при трении пара Ретинакс —ЧНМХ, что способствует увеличению плавности торможения. Максимальное значение коэффициента трения материала Ретинкс ФК-16Л по этой бронзе при температуре около 400° С было равно 0,45, а минимальное значение — 0,2. Для металлокерамики ФМК-8 соответственные значения коэффициента трения были 0,6 и 0,25. Поверхность трения бронзы после многократных торможений в паре с материалом Ретинакс покрывается /580 [c.580]

Углеродистые материалы используют также вместо шамотных огнеупоров. На всех современных доменных печах лещадь и горн сооружают из углеродистых блоков. Большая теплопроводность таких блоков улучшает теплопередачу от кладки к охлаждающим устройствам. Благодаря химической инертности к железу, шлаку и щелочам, лучшей сопротивляемости истиранию, чем шамотный кирпич, иесмачивае-мости чугуном, а также большой механической прочности при резких изменениях температуры угольные блоки с успехом применяют для футеровки спускных желобов доменных печей и вагранок. Тигли, лодочки, изложницы и формы различных конфигурации из углеграфита или особо чистых графитовых материалов используют в производстве твердых сплавов, для плавки высокотемпературных сплавов и получения сверхчистых металлов. [c.385]

В зависимости от используемых наполнителей пластмассы подразделяют на композитные и слоистые. Некоторые пластмассы представляют собой чистые смолы и применяются без наполнителей. Композиции из смолы и наполнителей обычно прочнее чистой смолы. Наполнитель влияет на водостойкость, химическую стойкость и диэлектрические свойства, на теплостойкость и твердость пластмассы.

Наполнители существенно снижают стоимость пластмасс. Положительные свойства пластмасс малая плотность, удовлетворительная механическая прочность, не уступающая в ряде случаев цветным металлам и сплавам и серому чугуну химическая стойкость, водо-масло- и бензостойкость высокие электроизоляционные свойства фрикционные и антифрикционные шумо- и вибропоглощающие свойства возможность окрашивания в любой цвет малая трудоемкость переработки пластмасс в детали машин. Отдельные виды пластмасс обладают прозрачностью, превышающей прозрачность стекла. Вместе с тем, применение пластмасс ограничивается их отрицательными свойствами. Недостаточная теплостойкость некоторых разновидностей пластмасс вызывает их обугливание и разложение при температуре свыше 300° С. Эксплуатационная температура для изделий из пластмасс обычно не превышает 60° С и реже 120° С. Только пластмассы отдельных видов допускают эксплуатационную температуру 150—260 С и выше. Низкие теплопроводность и твердость, а также ползучесть пластмасс в ряде случаев нежелательны.

Свойства и методы испытания пластмасс приведены ниже. [c.151]

Магний — пластичный металл блестящего серебристо-белого цвета. Плотность литого магния 1,737 г/см и уплотненного 1,739 г/см . Температура плавления 65ГС, кипения — 1107° С. Скрытая теплота плавления 70 кал/г. Теплопроводность 0,376 кал/(см-с-°С). Удельная теплоемкость, кал/(г-°С 0,241 — при 0° С 0,248 — при 20° С 0,254 — при 100 С и 0,312 — при 650° С. Коэффициент линейного расширения 25 10 +0,0188 г° (в пределах О—550° С). Удельное электрическое сопротивление при 18° С 0,047 Ом/(мм /м). Стандартный электродный потенциал 2,34 В. Электрохимический эквивалент 0,454 г/(А-ч). Магний неустойчив против коррозии, образующаяся поверхностная окисная пленка не защищает массу металла. Магний горюч, порошок или тонкая лента из него сгорают в воздухе с ярким ослепительным пламенем. Используется в магние-термии, в качестве твердого топлива — в реактивной технике. При повышения температуры возможно самовоспламененпе магниевого порошка или стружки. Магний устойчив против щелочей, фтористых солей, плавиковой кислоты и т. д. Чистый магний в качестве конструкционного материала почти не ис-по.льзуется, но является основой эффективных магниевых сплавов. Применяется в производстве стали, высокопрочного (магниевого) чугуна, для катодной защиты стали. [c.145]

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.

Другие заметки по физике

Презентация на тему: ” ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее.” — Транскрипт:

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. Само вещество не перемещается вдоль тела- переносится лишь энергия.

Механизм теплопроводности Амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки в точке А меньше, чем в точке В. Вследствие взаимодействия атомов друг с другом амплитуда колебаний атомов, находящихся рядом с точкой В, возрастает.

Теплопроводность веществ Металлы обладают хорошей теплопроводностью Меньшей – обладают жидкости Газы плохо проводят тепло

Хорошая теплопроводность металлов приносит пользу в быту.

Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом.

Снег предохраняет озимые посевы от вымерзания.

В быту используется плохая теплопроводность: ручки чайников, подносы, посуда из закаленного стекла.

КОНВЕКЦИЯ

Это перенос тепла струями жидкости или газа. Конвекция в твердых телах и вакууме происходить не может

Механизм конвекции в газах Теплый воздух имеет меньшую плотность и со стороны холодного воздуха на него действует сила Архимеда, направленная вертикально вверх.

Механизм конвекции в жидкостях А – жидкость нагревается и вследствие уменьшения ее плотности, движется вверх. В – нагретая жидкость поднимается вверх. С – на место поднявшейся жидкости приходит холодная, процесс повторяется.

В результате конвекции в атмосфере образуются ветры у моря – это дневные и ночные бризы. КОНВЕКЦИЯ

охлаждается корпус космического корабля, обеспечивается водяное охлаждение двигателей внутреннего сгорания.

Солнце нагревает Землю, моря, океаны. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность, ни конвекция! Почему?

Как передаётся тепло от костра человеку, ведь теплопроводность воздуха мала, а конвекционные потоки направлены вверх?

передача энергии с помощью тепловых (инфракрасных) лучей.

Механизм излучения Нагретые тела излучают электромагнитные волны в различных диапазонах. Излучение может распространяться и в вакууме

Около 50% энергии излучаемой Солнцем является лучистой энергией, эта энергия – источник жизни на Земле.

Темные тела лучше поглощают излучение и быстрее нагреваются, чем светлые. Темные тела быстрее охлаждаются ИЗЛУЧЕНИЕ

В быту широко используют электрические обогреватели. ИЗЛУЧЕНИЕ

сушка и нагрев материалов, приборы ночного видения ( бинокли, оптические прицелы), создание системы самонаведения на цель снарядов и ракет. Применение в технике

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ КОНВЕКЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЕ

Придумайте опыт по рисунку. Объясните наблюдаемое явление. Какой из воробьёв изображён летом, а какой- зимой?

Где и почему именно там размещают батареи в помещениях?

Почему одному мальчику жарко, а другому нет?

Какой из чайников быстрее остынет?

Зачем самолёты красят серебряной краской?

Почему в одинаковых условиях металл на морозе кажется холоднее дерева и горячее – при нагреве? В какой обуви больше мёрзнут ноги зимой: в просторной или тесной? Объясните. t0Ct0C ρвρв 40С40С Почему водоёмы зимой не промерзают до дна? Попробуйте ответить, используя график изменения плотности воды с температурой. Зачем жители Средней Азии в жару носят ватные халаты и папахи? Деревянная ложка в стакане с горячей водой нагревается меньше, чем металлическая. Почему? В каком чайнике скорее нагреется вода: в новом или старом, на стенках которого имеется накипь? (Чайники одинаковые)

Как образуются бризы? День Ночь Наблюдаются ли конвективные потоки у поверхности Луны? Марса? Что теплее: земля или воды океана? Днем? Ночью?

В какой одежде менее жарко летом: в белой или тёмной? Каким способом нагревается вода в ведре? А сами туристы? Как змея обнаруживает свою добычу?

Какие виды теплопередачи устраняет пробка? Вакуум? Зеркало? Зеркало Вакуум Пробка

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.Различают два вида конвекции:

естественная (или свободная)

Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.Конвекция в твердых телах происходить не может.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. В твёрдых телах теплопередача может осуществляться путём

1) конвекции
2) излучения и конвекции
3) теплопроводности
4) конвекции и теплопроводности

2. Теплопередача путём конвекции может происходить

1) только в газах
2) только в жидкостях
3) только в газах и жидкостях
4) в газах, жидкостях и твёрдых телах

3. Каким способом можно осуществить теплопередачу между телами, разделёнными безвоздушным пространством?

1) только с помощью теплопроводности
2) только с помощью конвекции
3) только с помощью излучения
4) всеми тремя способами

4. Благодаря каким видам теплопередачи в ясный летний день нагревается вода в водоёмах?

1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) излучение и теплопроводность
4) конвекция и теплопроводность

5. Какой вид теплопередачи не сопровождается переносом вещества?

1) только теплопроводность
2) только конвекция
3) только излучение
4) только теплопроводность и излучение

6. Какой(-ие) из видов теплопередачи сопровождается(-ются) переносом вещества?

1) только теплопроводность
2) конвекция и теплопроводность
3) излучение и теплопроводность
4) только конвекция

7. В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.

В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из

1) газобетона
2) железобетона
3) силикатного кирпича
4) дерева

8. Стоящие на столе металлическую и пластмассовую кружки одинаковой вместимости одновременно заполнили горячей водой одинаковой температуры. В какой кружке быстрее остынет вода?

1) в металлической
2) в пластмассовой
3) одновременно
4) скорость остывания воды зависит от её температуры

9. Открытый сосуд заполнен водой. На каком рисунке правильно изображено направление конвекционных потоков при приведённой схеме нагревания?

10. Воду равной массы нагрели до одинаковой температуры и налили в две кастрюли, которые закрыли крышками и поставили в холодное место. Кастрюли совершенно одинаковы, кроме цвета внешней поверхности: одна из них чёрная, другая блестящая. Что произойдёт с температурой воды в кастрюлях через некоторое время, пока вода не остыла окончательно?

1) Температура воды не изменится ни в той, ни в другой кастрюле.
2) Температура воды понизится и в той, и в другой кастрюле на одно и то же число градусов.
3) Температура воды в блестящей кастрюле станет ниже, чем в чёрной.
4) Температура воды в чёрной кастрюле станет ниже, чем в блестящей.

11. Учитель провёл следующий опыт. Раскалённая плитка (1) размещалась напротив полой цилиндрической закрытой коробки (2), соединённой резиновой трубкой с коленом U-образного манометра (3). Первоначально жидкость в коленах находилась на одном уровне. Через некоторое время уровни жидкости в манометре изменились (см. рисунок).

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт излучения.
2) Передача энергии от плитки к коробке осуществлялась преимущественно за счёт конвекции.
3) В процессе передачи энергии давление воздуха в коробке увеличивалось.
4) Поверхности чёрного матового цвета по сравнению со светлыми блестящими поверхностями лучше поглощают энергию.
5) Разность уровней жидкости в коленах манометра зависит от температуры плитки.

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Внутреннюю энергию тела можно изменить только в процессе теплопередачи.
2) Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии движения молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.
3) В процессе теплопроводности осуществляется передача энергии от одних частей тела к другим.
4) Нагревание воздуха в комнате от батарей парового отопления происходит, главным образом, благодаря излучению.
5) Стекло обладает лучшей теплопроводностью, чем металл.

Оцените статью:

(0 голосов, среднее: 0 из 5)

Поделитесь с друзьями!

Опыты с теплопроводностью в домашних условиях. Методическая разработка демонстрационного эксперимента «Количество теплоты и теплоемкость» опыты и эксперименты по физике (8 класс) на тему. А чтоэто вообще такое

ОПЫТЫ ПО ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Разные твердые вещества по-разному проводят тепло. Лучше всего это делают металлы. Но и среди металлов есть чемпионы по теплопроводности. К ним относятся так называемые «благородные металлы» — платина, золото, серебро.

Опыт с железным гвоздем

В толстую чурку забей гвоздь и поставь ее на противень.
Снизу к этому длинному гвоздю прилепи пластилином, или воском несколько маленьких гвоздиков. Под шляпку гвоздя подставь горящую свечу.

Смотри: вот отвалился один гвоздик.., другой… третий…
Строго по порядочку, по очереди.

Опыт с деревом

Когда гвоздь остынет, выдерни его и в оставшееся отверстие вставь лучинку.
Повтори тот же опыт с ней.

Картина будет совсем другая!
Конец лучинки загорится, а гвоздики будут держаться по-прежнему. Выходит, что дерево проводит тепло гораздо хуже, чем железо.

Опыт со стеклом

Если есть у тебя подходящая по толщине стеклянная палочка или трубка, повтори опыт с ней.
Она, конечно, не горит, но тепло проводит не лучше дерева.

Опыт с ложками

Возьмите две чайные ложки: одну серебряную, другую из никелевого сплава. Прикрепите к ним каплями стеарина скрепки для бумаг. Вложите ложки в стакан, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Налейте в стакан кипяток. Ложки нагреются. У серебряной ложки стеарин расплавится, и скрепка отпадет. У другой ложки скрепка или совсем не отпадет, или отпадет позже, когда ложка нагреется сильнее.

Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Если нет серебряной ложки, возьмите такие, какие у вас есть, но только из разных металлов. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен.

Опыт с монетой

Различные вещества по-разному проводят тепло. Это хорошо видно из небольшого опыта.
Приложите к кусочку дерева монету и оберните их белой бумагой. Поднесите все это на короткое время к пламени свечи так, чтобы пламя только коснулось места, где над бумагой находится монета. Старайтесь не дать бумаге загореться. Но бумага все же успела обуглиться, и обуглилась она вокруг монеты.

Там же, где была сама монета, остался не тронутый огнем белый кружок. Металл монеты, как хороший теплопроводный материал, отобрал на себя жар пламени и предохранил бумагу от обгорания.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПОРИСТЫХ ТЕЛ

Из твердых веществ хуже всего проводит тепло керамика, пластмасса, дерево, ткань.

Вот поэтому ручки у чайников или сковородок делают из пластмассы или дерева. А если ручка металлическая, то, чтобы не обжечь пальцы, приходится пользоваться тряпкой. Она тоже плохо проводит тепло и, предохраняя руку от ожога, служит теплоизоляцией.

Опыт

Распушите небольшой комок ваты и оберните им шарик термометра.
Теперь подержите некоторое время термометр на определенном расстоянии от какого-нибудь нагревателя и заметьте, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сожмите и туго обмотайте им шарик термометра и снова поднесите к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее.
Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!

Высокие теплоизоляционные свойства вате придает воздух, заключенный между волокнами распушенной ваты (а не сама вата). Шерсть теплее, чем вата, именно потому, что ее волокнистая структура позволяет задерживать в себе еще больше воздуха.

На этом же принципе основано производство теплоизоляционных материалов для домостроения. В них делают как можно больше воздушных промежутков.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗА

Зимой вы применяете теплоизоляцию и надеваете теплое пальто или шубу. Воздух, который содержится между волокнами ваты или меха, как и всякий газ, плохой проводник тепла.

Итак, для того чтобы предохранить что-либо от холода, применяется теплоизоляция. Но и от излишнего тепла приходится принимать теплоизоляционные меры. Когда космический корабль на спуске с огромной скоростью летит в атмосфере Земли, его стенки трутся о воздух и сильно нагреваются. Для сохранения внутри корабля от высокой температуры экипажа и аппаратуры применяют теплоизоляционный, теплостойкий чехол. Он состоит из слоев плохо проводящих теплоту материалов.

Опыт 1

Уже говорилось о том, что газы плохо проводят тепло.
Возьмите алюминиевую тарелочку от детской посуды, поставьте ее на небольшой огонь и, когда она достаточно нагреется, налейте на нее половину чайной ложки воды

Вода не испарится мгновенно, как следовало бы ожидать. Вода перекатится плоским шариком — сфероидом на самое низкое место тарелочки и замрет там на раскаленном металле. Кажется странным, что вода не превращается сразу в пар. Конечно, вода испаряется, но этот самый пар, в который превращается вода, и предохраняет большую сфероидальную каплю от раскаленного металла. Пар в данном случае оказывается отличной теплоизоляцией.

Опыт 2

Когда вы гладите белье, переверните утюг и, если он достаточно нагрет, брызните на него водой. Она сразу превратится в маленькие круглые шарики, которые быстро покатятся по утюгу.

Эти мелкие шарообразные капельки тоже не испарились мгновенно, их тоже защитила от жара утюга паровая прослойка, «паровая подушка». На этой «паровой подушке» водяные шарики и пропутешествовали по раскаленному утюгу.

Опыт 3

Возьмите несколько маленьких кусочков сухого льда, положите их на гладкую поверхность алюминиевой тарелки. Наклоняйте тарелку в разные стороны. Кусочки сухого льда будут легко скользить по гладкой поверхно-сти. Теплая поверхность алюминиевой тарелки (ее температура отличается от температуры сухого льда по крайней мере на 100 градусов) помогает углекислому газу более бурно выделяться. Под кусочками сухого льда получаются «углекислые подушки», на них и происходит скольжение.

Коробицын Денис

Теплопроводность различных материалов при увеличении температуры нагрева.

Скачать:

Предварительный просмотр:

IВВЕДЕНИЕ

Однажды, я задал вопрос маме, почему она всегда дает нам деревянные ложки, когда мы садимся кушать. Она ответила, что деревянные нагреваются медленнее, чем железные и ими не обожжешься. Я задумался, ведь я замечал, что металлические предметы очень быстро нагреваются, а вот почему? Оказалось, что у всех твердых материалов есть такое свойство, называется – теплопроводность. Мне стало интереснокакие материалы проводят тепло быстрее, а какие медленнее, и что случится если увеличить температуру нагрева, будут ли эти материалы нагреваться в таком же порядке?

Гипотеза: я думаю, что разные материалы имеют разную теплопроводность и что с увеличением температуры нагрева, они будут нагреваться в том же порядке.

Объект: теплопроводность.

Предмет: теплопроводность некоторых материалов.

Цель: Определить, почему по-разному нагреваются различные предметы, притом, что они нагревались в одинаковых условиях, но были изготовлены из разных материалов.

Задачи:

1) изучить литературу и материалы интернета по вопросу теплопроводности материалов;

2) провести опыт, с целью определения, теплопроводности материалов;

3) познакомить одноклассников с изученной темой.

Для реализации данных задач и подтверждения гипотезы:

Подберу научную литературу по по вопросу теплопроводности материалов;
Изучу данную литературу и сделаю выводы;
Для подтверждения теоритических выводов проведу зксперемент;
По результатам эксперимента сделаю выводы;
С результатами данных выводов познакомлю одноклассников

II ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Что такое теплопроводность?

Основной источник тепла на Земле — Солнце. Но, кроме того, люди используют много искусственных источников тепла: костер, печку, водяное отопление, газовые и электрические нагреватели и т.д.

Ответить на вопрос, что такое теплота, удалось не сразу. Лишь в XVIII веке стало ясно, что все тела состоят из молекул, что молекулы движутся и взаимодействуют друг с другом. Тогда ученые поняли, что теплота связана со скоростью движения молекул. При нагревании тел скорость молекул увеличивается, а при охлаждении — уменьшается.

Вы знаете, что если в горячий чай опустить холодную ложку, через некоторое время она нагреется. Из примера ясно, что тепло может передаваться от тела более нагретого к телу менее нагретому.

Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым, в результате теплового движения и взаимодействия частиц.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство).

1. Снег — пористое, рыхлое вещество, в нем содержится воздух. Поэтому снег обладает плохой теплопроводностью и хорошо защищает землю, озимые посевы, плодовые деревья от вымерзания.

2. Кухонные прихватки сшиты из материала, который обладает плохой теплопроводностью. Ручки чайников, кастрюль делают из материалов обладающих плохой теплопроводностью. Все это защищает руки от ожогов, при прикосновении к горячим предметам.

3. Вещества с хорошей теплопроводностью (металлы) используют для быстрого нагревания тел или деталей.

2.1 Проведение эксперимента

Для проведения эксперимента мне понадобилось: стеклянная миска, деревянная, металлическая и пластмассовая ложка, стеклянная трубка, пластилин, фишки, маргарин, секундомер, лист для записи результатов и ручка.

Приготовив все необходимые материалы я приступил к проведению опыта. Я установил ложки и стеклянную трубку вертикально в миску и прикрепил их с помощью пластилина к краям миски. Затем с помощью одинаковых кубиков маргарина я прикрепил фишки к каждому предмету. Далее заполнил миску теплой водой и включил секундомер. Я рассчитывал провести опыт с теплой водой, а затем с кипятком.

После того, как прошло 10 минут, а не одна фишка не сдвинулась с места, я решил, что температура воды недостаточная, для того, чтобы растопить маргарин.

Я слил теплую воду и аккуратно залил кипяток, включил секундомер. Далее я записал, в какой последовательности соскальзывали фишки с предметов:

металлическая ложка – 52 секунды;

стеклянная трубка – 4 минуты 13 секунд;

пластмассовая ложка – 5 минут 7 секунд;

деревянная ложка – 6 минут 18 секунд.

Хочу добавить, что когда соскользнула фишка с металлической ложки, через две минуты я добавил еще кипятка, потому, что маргарин под остальными фишками не таял.

Таким образом, я выяснил, что лучшим проводником тепла является металл, а хуже всех выбранных материалов тепло проводит деревянные предметы. Это значит, что металл имеет высокую теплопроводность, он быстро нагревается и быстро остывает, а дерево наоборот имеет низкую теплопроводность, медленно нагревается и медленно остывает. Еще, я заметил, металлическая ложка нагрелась меньше, чем за минуту, другие предметы нагревались гораздо дольше, это значит, что металл проводит тепло очень быстро, в отличии от пластмасса, стекла и дерева.

III ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате проведенной работы я выяснил, что теплопроводность это свойство твердых материалов, которое позволяет оценить, как быстро нагревается и остывает тот или иной материал.

В результате проведения опыта было установлено, что самая высокая теплопроводность у металлических предметов, затем у стекла, далее упластмасса и самой маленькой теплопроводностью обладает дерево.

Гипотезу удалось проверить частично, так как температура теплой воды была мала и первую часть опыта провести не удалось. Однако во второй части опыта мы подтвердили гипотезу — разные материалы имеют разную теплопроводность.

IV СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. В. Перышкин, Учебник физики — М.: Дрофа, 2010г, — с.11-14

2. Материалы сайта http://class-fizika.narod.ru/8_3.htm

3. Материалы сайта http://elementy.ru/trefil/21095

4. Материалы сайта http://www.fizika.ru/kniga/index.ph

5. Материалы сайта http://class-fizika.spb.ru/index.php/opit/726-op-teplpr

Предварительный просмотр:

I ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………..3

II ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ…………………………….……………………………………………4

2.1 Что такое теплопроводность…………………………………………………………………4

2.2. Проведение эксперимента…………………………………………………………………..5

III ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………….6

IV СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………7

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Муниципальное автономное образовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №8 с углубленным изучением отдельных предметов г.Назарово Красноярского края» Теплопроводность материалов Автор: Коробицын Денис 4«В » класс Руководитель: Адольф Е.Я., учитель начальных классов Назарово 2015

Цель: определить, почему по-разному нагреваются различные предметы, притом, что они нагревались в одинаковых условиях, но были изготовлены из разных материалов. Гипотеза: я думаю, разные материалы имеют разную теплопроводность и что с увеличением температуры нагрева, они будут нагреваться в том же порядке.

Задачи: 1) изучить литературу и материалы интернета по вопросу теплопроводности материалов; 2) провести опыт, с целью определения теплопроводности материалов; 3) познакомить одноклассников с изученной темой.

В 18 веке ученые поняли, что теплота связана со скоростью движения молекул. При нагревании тел скорость молекул увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух.

Последовательность соскальзывания фишки с предметов: металлическая ложка – 52 секунды; стеклянная трубка – 4 минуты 13 секунд; пластмассовая ложка – 5 минут 7 секунд; деревянная ложка – 6 минут 18 секунд.

Самая высокая теплопроводность у металла, это значит он быстро нагревается и быстро остывает. Вторым по теплопроводности оказалось стекло, третий – пластмасс. Самая плохая теплопроводность у дерева, оно медленно нагревается и медленно остывает.

Гипотезу удалось проверить частично, так как температура теплой воды была мала и первую часть опыта провести не удалось. Однако во второй части опыта я подтвердил гипотезу — разные материалы имеют разную теплопроводность.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

1 г. Морозовск, Филиал Университетского казачьего кадетского корпуса-интерната ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (Первый казачий университет)», 8/1 взвод

Мосина О.В. (г. Морозовск, Филиал Университетского казачьего кадетского корпуса-интерната ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (Первый казачий университет)»)

Перышкин А.В. Физика 8 класс. – М.: Дрофа, 2012.

Блудов М.И. Беседы по физике часть 1. – М.: Просвещение, 1984.

URL: http://class-fizika.narod.ru/8_3.htm.

URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %A2 %D0 %B5 %D0 %BF %D0 %BB %D0 %BE %D0 %BF %D1 %80 %D0 %BE %D0 %B2 %D0 %BE %D0 %B4 %D0 %BD %D0 %BE %D1 %81 %D1 %82 %D1 %8C.

Проект разработан в соответствии со стандартом среднего общего образования по физике. При написании данного проекта рассмотрено изучение тепловых явлений, применение их в быту и технике. Помимо теоретического материала большое внимание уделено исследовательской работе — это опыты, которые отвечают на вопросы «Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела», «Одинаковая ли теплопроводность различных веществ», «Почему струи теплого воздуха или жидкости поднимаются вверх», «Почему тела с темной поверхностью нагреваются сильнее»; поиск и обработка информации, фотографий.

Время работы над проектом: 1 — 1,5 месяца.

Цели проекта:

практическая реализация имеющихся у школьников знаний о тепловых явлениях;
формирование навыков самостоятельной исследовательской деятельности;
развитие познавательных интересов;
развитие логического и технического мышлений;
развитие способностей к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами;

Основная часть

Теоретическая часть

В жизни мы действительно ежедневно встречаемся с тепловыми явлениями. Однако не всегда мы задумываемся, что эти явления можно объяснить, если хорошо знать физику. На уроках физики мы познакомились со способами изменения внутренней энергии: теплопередачей и совершением работы над телом или самим телом.

При контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока температуры тел не сравняются (не наступит тепловое равновесие). При этом механическая работа не совершается. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплообменом или теплопередачей. При теплопередаче энергия всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный процесс самопроизвольно (сам по себе) никогда не происходит, т.е. теплообмен необратим. Теплообмен определяет или сопровождает многие процессы в природе: эволюцию звезд и планет, метеорологические процессы на поверхности Земли и др. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопроводностью называется явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.

Практическая часть

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Взяли различные предметы: одну алюминевую ложку, другую деревянную, третью — пластмассовую, четвертую — из нержавеющего сплава, а пятую — серебряную. Прикрепили к каждой ложке каплями меда скрепки для бумаг. Вложили ложки в стакан с горячей водой, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Ложки нагреются, и по мере нагревания мед будет плавиться и скрепки отпадут.

Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен. Для этого опыта я взял стакан с кипятком и четыре вида ложек: алюминиевую, серебряную, пластмассовую и нержавеющую. Я опускал их по одной в стакан и засекал время: за сколько минут она нагреется. Вот, что у меня получилось:

Вывод: ложки, изготовленные из дерева и пластмасса, греются дольше, чем ложки из металла, значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.

Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность

Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.

Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. На штативе горизонтально закреплён стержень. На стержне через одинаковые промежутки вертикально закреплены с помощью воска металлические гвоздики.

К краю стержня подносят свечу. Поскольку край стержня нагревается, то постепенно стержень прогревается. Когда тепло доходит до места крепления гвоздиков со стержнем, стеарин плавится, и гвоздик падает. Мы видим, что в данном опыте нет переноса вещества, соответственно, наблюдается теплопроводность.

Различные металлы обладают различной теплопроводностью. В физическом кабинете есть прибор, с помощью которого мы можем убедиться в том, что различные металлы обладают разной теплопроводностью. Однако, в домашних условиях мы смогли в этом убедиться с помощью самодельного прибора.

Прибор для показа различной теплопроводности твердых веществ.

Мы изготовили прибор для показа различной теплопроводности твердых тел. Для этого использовали пустую банку из алюминиевой фольги, два резиновых кольца (самодельные), три отрезка проволоки из алюминия, меди и железа, плитку, горячую воду, 3 фигурки человечков с поднятыми вверх руками, вырезанные из бумаги.

Порядок изготовления прибора:

1. проволоки изогнуть в виде буквы «Г»;

2. укрепить их с внешней стороны банки при помощи резиновых колец;

3. подвесить к горизонтальным частям проволочных отрезков (посредством расплавленного парафина или пластилина) бумажных человечков.

Проверка действия прибора. Налить в банку горячей воды (при необходимости подогреть банку с водой на электрической плитке) и наблюдать, какая фигурка упадет первой, второй, третьей.

Результаты. Упадет первой фигурка, закрепленная на медной проволоке, вторая — на алюминиевой, третья — на стальной.

Вывод. Разные твердые вещества обладают различной теплопроводностью.

Теплопроводность у различных веществ различна.

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмём пробирку с водой и станем нагревать её верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика.

Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх. Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа ещё больше, чем у жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, теплопроводность у газов ещё меньше.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, снег и другие пористые тела.

Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. А воздух — плохой теплопроводник.

Так под снегом сохраняется зеленая трава, озимые сохраняются от вымерзания.

Распушил небольшой комок ваты и обернул им шарик термометра.

Теперь подержал некоторое время термометр на определенном расстоянии от пламени и заметил, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сжал и туго обмотал им шарик термометра и снова поднес к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее.

Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!

Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки делают из пластмассы или дерева.

Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Заключение

У различных веществ различная теплопроводность.

Большой теплопроводностью обладают твердые тела (металлы), меньшей — жидкости, и плохой — газы.

Теплопроводность различных веществ мы можем использовать в быту, технике и природе.

Явление теплопроводности присуще всем веществам, независимо от того, в каком агрегатном состоянии они находятся.

Теперь без затруднения я смогу ответить и объяснить с физической точки зрения на вопросы:

1. Почему птицы в холодную погоду распушают свои перья?

(Между перьями находится воздух, а воздух плохой проводник тепла).

2. Почему шерстяная одежда лучше предохраняет от холода, чем синтетическая?

(Между шерстинками находится воздух, который плохо проводит тепло).

3. Почему зимой, когда погода холодная, кошки спят, свернувшись в клубок? (Свернувшись в клубок, они уменьшают площадь поверхности, отдающей тепло).

4. Зачем ручки паяльников, утюгов, сковородок, кастрюль делают из дерева или пластмассы? (Дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью, поэтому при нагревании металлических предметов мы, держась за деревянную или пластмассовую ручку, не будем обжигать руки).

5. Зачем кусты теплолюбивых растений и кустов на зиму укрывают опилками?

(Опилки являются плохими проводниками тепла. Поэтому растения укрывают опилками, чтобы они не замёрзли).

6. Какие сапоги лучше защищают от мороза: тесные или просторные?

(Просторные, так как воздух плохо проводит тепло, он является ещё одной прослойкой в сапоге, которая сохраняет тепло).

Библиографическая ссылка

Беляевский И.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ // Международный школьный научный вестник. – 2017. – № 1. – С. 72-76;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=143 (дата обращения: 02.03.2020).

При изучении естественных наук в современной школе огромное значение имеет наглядность учебного материала. Наглядность дает возможность быстрее и глубже усваивать изучаемую тему, помогает разобраться в трудных для восприятия вопросах, и повышает интерес к предмету. Цифровые лаборатории являются новым, современным оборудованием для проведения самых различных школьных исследований естественнонаучного направления. С их помощью можно проводить работы, как входящие в школьную программу, так и совершенно новые исследования. Применение лабораторий значительно повышает наглядность, как в ходе самой работы, так и при обработке результатов благодаря новым измерительным приборам, входящим в комплект лаборатории физики (датчики силы, расстояния, давления, температуры, тока, напряжения, освещенности, звука, магнитного поля и пр.). Оборудование цифровой лаборатории универсально, может быть включено в разнообразные экспериментальные установки, экономить время учеников и учителя, побуждает учеников к творчеству, давая возможность легко менять параметры измерений. Кроме того, программа для видеоанализа позволяет получать данные из видеофрагментов, что позволяет использовать в качестве примеров и количественно исследовать реальные жизненные ситуации, отснятые на видео самими учащимися и фрагменты учебных и популярных видеофильмов.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Единственный путь, ведущий к знаниям-это деятельность. Бернард Шоу.

Методическая разработка демонстрационного эксперимента по предмету физика «Количество теплоты и теплоемкость»

Цель данной разработки: показать возможности применения «Цифровой лаборатории» в учебном процессе. Показать возможность измерения удельной теплоемкости вещества

Данную разработку можно использовать при объяснении нового материала, во время проведения лабораторной работы, для проведения занятия во внеурочное время.

Состав цифровой лаборатории Измерительный интерфейс TriLink Цифровые датчики по физике

Техническое обеспечение экран и мультимедийный проектор штативы (2 шт.) пробирки (2 шт.) вода, спирт датчик температуры 0- 100°C (2 шт.) цилиндры металлические (2 шт.) спиртовки (2 шт.) мензурка калориметр горячая вода

Опыт: Различие теплоемкости воды и спирта Нагрев два цилиндра в кипятке, один цилиндр опускают при помощи ложечки для плавления в пробирку с водой, а второй в пробирку со спиртом при комнатной температуре. После опускания цилиндров в пробирки требуется, придерживая пробирку за верхнюю часть, быстро вставить датчик, укрепить корпус датчика на стальном листе и начать перемешивать жидкость в пробирке за счет вращения пробирки вокруг датчика.

Мы в работе

Использование цифровой лаборатории на уроках физики

Спасибо за внимание!!!

Предварительный просмотр:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №7 г. ПОРОНАЙСКА

Методическая разработка демонстрационного эксперимента

по предмету физика

«Количество теплоты и теплоемкость»

Для учащихся 8 класса

МБОУ СОШ №7 г. Поронайск

Поронайск

2014

1.Введение

2.Основная часть

3.Заключение

4.Техническое обеспечение

1.Введение

Я преподаю физику в 7-11 классах Поронайской средней школы с 1994 года. Чтобы привить интерес к своему предмету, я считаю, что необходим демонстрационный эксперимент, который является неотъемлемой органической частью физики средней школы.

Демонстрационные опыты формируют накопленные ранее предварительные представления, которые к началу изучения физики не у всех бывают правильными. На протяжении всего курса физики эти опыты пополняют и расширяют кругозор учащихся. Они зарождают правильные начальные представления о новых физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами исследования, показывают устройство и действие новых приборов и установок. Демонстрационный эксперимент служит источником знаний, развивает умения и навыки учащихся.

Особое значение имеет эксперимент на первых порах обучения, т.е в 7-8 классах, когда учащиеся впервые приступают к изучению физики. Я считаю, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

2.Основная часть

Цель данной разработки: показать возможности применения «Цифровой лаборатории» в учебном процессе. Рассмотрим использование лаборатории «Архимед» при изучении темы «Тепловые явления» в 8 классе:

Демонстрация. Количество теплоты и теплоемкость

Цель демонстрации показать возможность измерения удельной теплоемкости вещества

В ходе демонстрации вводятся элементы знаний «количество теплоты», «удельная теплоемкость вещества». Для формирования представлений об удельной теплоемкости как о физической величине, которую можно измерить, предполагается провести ряд простых опытов.

Перед проведением серии опытов, посвященных понятию теплоемкости, ученикам рекомендуется рассказать об истории введения понятия «теплоемкость тела» во времена, когда «количество теплоты» воспринималось как количество невидимой и невесомой жидкости «теплорода», а температура – как мера уровня жидкости в теле. «Теплоемкость тела» считалась коэффициентом пропорциональности между температурой и количеством «теплорода», протекающего в теле. Больше емкость сосуда, меньше изменения налитой жидкости в нем, больше теплоемкость тела — меньше изменения уровня температуры в нем.

Однако оказалось, что при одинаковой массе тел из разных веществ, при одинаковом количестве теплоты, полученной от другого тела, их температура меняется по разному. Поэтому было ведено понятие удельная теплоемкость вещества, а «теплоемкость тела» рассчитывалась как произведение массы тела на удельную теплоемкость вещества, из которого оно сделано.

Согласно современным представлениям количество теплоты Q- это изменение внутренней энергии тела в условиях когда тело не совершает работы. Теплоемкость С- коэффициент пропорциональности между количеством теплоты, полученной или отданной телом, и изменением его температуры.

Чтобы оценить теплоемкость некоторого вещества по сравнению с другим(водой), одной и той же массе вещества (вода и спирт) сообщают одинаковое количества энергии и регистрируют изменение температуры, которое было вызвано добавлением этой энергии.

Опыт: Различие теплоемкости воды и спирта

Вывод о том, что теплоемкость воды больше, чем теплоемкость спирта, можно сделать показав, что получение одного и того же количества теплоты нагревается спирт на большее число градусов.

Нагрев два цилиндра в кипятке, один брусок опускают с помощи ложечки для плавления в пробирку с водой, а второй – в пробирку со спиртом при комнатной температуре.

После пускания цилиндров в пробирки требуется, придерживая пробирку за верхнюю часть быстро вставить датчик, укрепить корпус датчика на стальном листе и начать перемешивать жидкость в пробирке за счет вращения пробирки вокруг датчика. На графике наблюдается спад температуры датчика ниже комнатной за счет испарения жидкости на кончике датчика, затем всплеск до максимальной величины, за счет прогрева воды и чувствительного элемента датчика вблизи горячего цилиндра, а затем выход на стационарное значение за счет перемешивания жидкости в пробирке. Как видно Наблюдаемое изменение температуры не дотягивает до требуемого различия, соответствующего разнице теплоемкостей(примерно в 2 раза).

Для приближения к требуемым величинам, рекомендуется проводить эксперимент с цилиндрами, нагреваемыми до температуры не выше 80 0 С, поскольку спирт кипит при 87 0 С. Точное числовое значение начальной температуры цилиндров несущественно, лишь бы оно было примерно одинаковым.

3.Заключение

Повышение уровня знаний за счёт активной деятельности учащихся в ходе экспериментальной исследовательской работы

Автоматический сбор данных на протяжении всего эксперимента позволяет сэкономить время на записи

Результаты эксперимента – наглядны: данные отображаются в виде графика, таблицы, аналогового табло и в цифровом виде
Обладают портативностью

Удобная обработка результатов позволяют получать данные, недоступные в традиционных учебных экспериментах

4.Техническое обеспечение

экран и мультимедийный проектор

штативы (2 шт.)
спиртовки (2 шт.)
пробирки (2 шт.)
вода, спирт
датчик температуры 0- 100 °C (2 шт.)

5.Список используемой литературы

Перышкин А. В. «Физика — 8»
Волков В. А. «Поурочные разработки по физике 8 кл»
«Уроки физики с применением информационных технологий» Москва, Глобус, 2009г.
Разумовский В. Г. «Уроки физики в современной школе»
А.Н. Болгар и др. «Цифровая лаборатория» Методическое руководство по работе с комплектом оборудования и программным обеспечением фирмы 2НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ» м.,2011,89с.
URL: http://www.int-edu.ru
URL: http://mytest.klyaksa.net

В четверг на занятие к нам никто прийти не смог — но это не помешало нам провести серию экспериментов. Как водится, я собрал для этого кучу всяких штуковин.

Идея была в том, чтобы показать распространение тепла внутри тела, и показать разницу в теплопроводности разных материалов.

Гвоздики приклепляются обыкновенным пластилином — потом конец объекта помещается над свечой, объект нагревается, и, по мере того, как пластилин плавится, гвоздики отваливаются один за другим.

Удостоверившись, что гвоздики отваливаются именно один за другим — то есть тепло распространяется линейно — мы перешли ко второй фазе.

Здесь мы уже сравнивали распространение тепла в разных объектах. Слева — обрезок керамической плитки, справа — толстая медная проволока.

Слева по-прежнему керамика, по которой тепло распространяться не спешило, справа — алюминевая проволока.

Третья фаза эксперимента:

Три пластины соединены прищепками. Центральная — над свечкой. Справа пластины зажаты просто так, а слева между ними проложена маленькая бумажка. Спросил у Никиты, где гвоздики быстрее отвалиться — он сказал, что слева, потому что там бумага, а она вспыхивает от малейшей искры — значит, теплопроводная сильно:)
Экспериментальная проверка всё расставила по своим местам. Пояснил разницу между теплопроводностью и температурой воспламенения, привёл в пример пуховик (мы раньше уже обсуждали, почему одежда хорошо «греет»), который неплохо горит.

На этом эксперимент закончили — и пошли на кухню. Спросил у Никиты, зачем на некоторых кастрюлях ручки пластиковые — он верно догадался. А про металлические ручки сказал, что нужно использовать полотенце, причём лучше мокрое. Я предложил уточнить у мамы предпочтёт ли она исползовать мокрое или сухое полотенце — она сказала, что исключительно сухое. Никита подумал и сам догадался, что мокрое, хоть и холоднее, но оно с водой, а вода проводит тепло лучше воздуха!

Теплообмен

Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

теплопроводностью
конвекцией
излучением

Теплопроводность

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Различают два вида конвекции:

естественная (или свободная)

Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.
Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Другие заметки по физике

Какие 5 хороших проводников тепла? — MVOrganizing

Какие 5 хороших проводников тепла?

Некоторые материалы позволяют теплу проходить через них, и они известны как хорошие проводники тепла или проводники тепла, такие как железо, алюминий, медь, серебро, латунь, свинец и нержавеющая сталь.

Какие три примера хороших проводников тепла?

Золото, серебро, медь, алюминий, железо и т. Д. Являются хорошими проводниками тепла, а также электрическими проводниками.

Какие бывают хорошие и плохие проводники тепла?

Металлы и камень считаются хорошими проводниками, поскольку они могут быстро передавать тепло, тогда как такие материалы, как дерево, бумага, воздух и ткань, плохо проводят тепло.

Кирпич хорошо проводит тепло?

Назовите два материала, которые являются хорошими изоляторами. Объясните, почему: красный кирпич — лучший выбор, чем бетон для строительства домов, в которых требуется меньше внутреннего отопления… .Подробнее взглянем на теплопроводность.

Материал	Теплопроводность (Вт · м − 1 · K − 1)
Красный кирпич	0,69
Вода	0,58
Полиэтилен (пластик)	0,42–0,51
Дерево	0,04–0,12

Свинец плохо проводит тепло?

Свинец — это металл, который плохо проводит тепло.

Какой металл менее теплопроводен?

Свинец — самый плохой проводник тепла.

Какой наименьший проводник тепла?

Свинец

Какой металл хуже всего проводит тепло?

Сталь

Кальций плохо проводит тепло?

Кальций бывает твердым и металлическим. Как и большинство металлов, кальций является относительно хорошим проводником тепла и электричества.

Алюминий хорошо проводит тепло?

Электропроводность и теплопроводность Алюминий является отличным проводником тепла и электричества, а по весу почти вдвое лучше, чем медь.Это сделало алюминий первым выбором для основных линий электропередачи.

Алюминий плохо проводит тепло?

Медь является хорошим проводником, быстро нагревается и расширяется, тогда как алюминий является относительно плохим проводником и медленнее нагревается и расширяется. Вещества с низкой проводимостью, такие как асбест, дерево и воздух, плохо проводят тепло и, следовательно, являются хорошими изоляторами.

Какой металл лучше всего проводит тепло и электричество?

Серебристый металл

Алюминий — плохой проводник?

Алюминий — хороший проводник, но не самый лучший.Серебро — лучший дирижер. У серебра проводимость примерно на 6% больше, чем у меди. Алюминий имеет меньшую проводимость, чем оба. Но из-за низкой плотности, низкой стоимости и высокой устойчивости к коррозии предпочтительным является алюминий.

Почему алюминий — плохой проводник?

Алюминий может проводить электричество, но он не проводит электричество так же хорошо, как медь. Алюминий образует электрически стойкую оксидную поверхность в электрических соединениях, что может вызвать их перегрев.

Алюминиевая фольга — хороший изолятор?

Накройте окно алюминиевой фольгой, чтобы не пропускать солнечный свет.Алюминиевая фольга, также называемая оловянной фольгой, является отличным изолятором, а в некоторых случаях работает лучше, чем такие материалы, как хлопок или бумага. Однако алюминиевая фольга подходит не для всех ситуаций, поэтому ее правильное использование — важная часть экономии энергии.

Алюминиевая фольга — хороший теплоизолятор?

Алюминиевая фольга — хороший изолятор? На самом деле это не так, алюминиевая фольга сама по себе является хорошим проводником тепла, при прямом использовании в основном не имеет теплоизоляции, но ускоряет потерю тепла, поэтому при использовании изоляционный хлопок оборачивается внутри алюминиевой фольги.

Золото — изолятор?

Золото

— плохой изолятор и хороший проводник, его удельное сопротивление составляет 22,4 миллиардных ом-метра. Как и свинец, золото широко используется для создания электронных контактов. В отличие от многих других металлов, он очень химически стабилен и устойчив к коррозии, которая разрушает другие типы электрических разъемов.

Какие 5 изоляторов?

Изоляторы:

стекло.
резина.
масло.
асфальт.
стеклопластик.
фарфор.
керамика.
кварц.

Полезно ли золото для жары?

Золото используется в качестве контактного металла в электронной промышленности, поскольку оно хорошо проводит как электричество, так и тепло.

Золото — хороший теплоизолятор?

Золото, как и любой другой металл, является очень хорошим проводником по сравнению с неметаллами и очень плохим изолятором. Проводник противоположен изолятору. Это меры того, сколько тепла передается через материал.

Бумага — хороший изолятор тепла?

Поскольку теплопроводность бумаги низкая, мы можем сделать вывод, что бумага является хорошим изолятором. Бумага уменьшает конвекцию, теплопроводность и излучение тепла, поэтому она является хорошим изолятором тепла.

Является ли хлопок изолятором?

Хлопок — отличный теплоизолятор, если он сухой. Влажный хлопок становится плохим изолятором и плохо предотвращает переохлаждение — отсюда старая пословица: «хлопок убивает».

Пластик — хороший изолятор?

Пластмассы — отличные изоляторы, что означает, что они эффективно удерживают тепло — качество, которое является преимуществом для чего-то вроде гильзы для кофейной чашки. Теперь команда инженеров Массачусетского технологического института разработала полимерный теплопроводник, пластиковый материал, который работает как проводник тепла, рассеивая тепло, а не изолируя его.

Дерево или пластик — лучший изолятор?

Металл — хороший проводник тепла, а дерево и пластик — хорошие изоляторы.Проводник хорошо передает тепловую энергию (тепло), а изолятор плохо передает тепловую энергию (тепло).

Поглощает ли черный пластик тепло?

Мы назвали цвета света, которые мы видим в видимом спектре. Белый отражает большую часть энергии, падающей из видимого спектра, черный ее поглощает. Любой материал, окрашенный в черный цвет, будет дополнительно поглощать это тепло, и его температура будет повышаться, но это будет зависеть от материала, насколько далеко передается тепло.

Является ли пластик хорошим проводником тепла и электричества?

Пластиковый изолятор Такие материалы, как пластик, плохо проводят электричество.Они не пропускают через себя электричество. Электрические провода обернуты пластиковым покрытием, чтобы защитить нас от поражения электрическим током.

Вода — хороший проводник тепла?

Это потому, что вода плохо проводит тепло. Большая часть тепла будет перемещаться в конвекционном потоке в воде наверху пробирки, только небольшая его часть будет проходить вниз к кубику льда.

Почему пластик плохо проводит тепло?

Пластмассы — плохие проводники тепла, потому что в них практически нет свободных электронов, доступных для механизмов проводимости, таких как металлы.Теплоизоляционная способность пластика оценивается путем измерения теплопроводности.

Является ли резина проводником тепла?

Энергия, например тепло, легко передается через некоторые материалы. Эти материалы называются проводниками. Эти материалы включают пластик, пробку, дерево, пенополистирол и резину. Таким образом, теплоизоляторы хороши для поддержания постоянного уровня тепла — горячего или холодного.

Поглощает ли СЕРЫЙ тепло?

Все, что отражает цвет, будет иметь этот цвет.Однако белый, серый и черный не являются цветами: белый отражает все цвета, черный поглощает все цвета, а серый отражает некоторые и поглощает некоторые из всех цветов. Свет — это энергия. Любой поглощенный свет любого цвета становится теплом.

Наука о теплопередаче: что такое проводимость?

Тепло — интересный вид энергии. Он не только поддерживает жизнь, делает нас комфортными и помогает готовить пищу, но и понимание его свойств является ключом ко многим областям научных исследований.Например, знание того, как передается тепло и степень, в которой различные материалы могут обмениваться тепловой энергией, управляет всем: от обогревателей здания и понимания сезонных изменений до отправки кораблей в космос.

Тепло может передаваться только тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Из них кондукция, пожалуй, самая распространенная и регулярно встречается в природе. Короче говоря, это передача тепла посредством физического контакта. Это происходит, когда вы нажимаете рукой на оконное стекло, когда вы ставите горшок с водой на активный элемент и когда вы кладете утюг в огонь.

Этот перенос происходит на молекулярном уровне — от одного тела к другому — когда тепловая энергия поглощается поверхностью и заставляет молекулы этой поверхности двигаться быстрее. В процессе они натыкаются на своих соседей и передают им энергию — процесс, который продолжается до тех пор, пока добавляется тепло.

Теплопроводность происходит через любой материал, представленный здесь прямоугольной полосой. Скорость переноса частично зависит от толщины материала (представ.пользователя A). Кредит: Boundless

Процесс теплопроводности зависит от четырех основных факторов: градиента температуры, поперечного сечения материалов, длины пути и свойств этих материалов.

Температурный градиент — это физическая величина, которая описывает, в каком направлении и с какой скоростью изменяется температура в определенном месте. Температура всегда течет от самого горячего источника к самому холодному, потому что холод — это не что иное, как отсутствие тепловой энергии.Этот переход между телами продолжается до тех пор, пока разница температур не исчезнет и не наступит состояние, известное как тепловое равновесие.

Поперечное сечение и длина пути также являются важными факторами. Чем больше размер материала, участвующего в переносе, тем больше тепла необходимо для его нагрева. Кроме того, чем больше площадь поверхности подвергается воздействию открытого воздуха, тем выше вероятность потери тепла. Поэтому более короткие объекты с меньшим поперечным сечением — лучший способ минимизировать потери тепловой энергии.

И последнее, но не менее важное, это физические свойства используемых материалов. По сути, когда дело доходит до теплопроводности, не все вещества одинаковы. Металлы и камень считаются хорошими проводниками, поскольку они могут быстро передавать тепло, тогда как такие материалы, как дерево, бумага, воздух и ткань, являются плохими проводниками тепла.

Электропроводность, как показано при нагревании металлического стержня пламенем. Кредит: Thomson Higher Education

Эти проводящие свойства оцениваются на основе «коэффициента», который измеряется относительно серебра.В этом отношении серебро имеет коэффициент теплопроводности 100, тогда как другие материалы имеют более низкий рейтинг. К ним относятся медь (92), железо (11), вода (0,12) и дерево (0,03). На противоположном конце спектра находится идеальный вакуум, который не может проводить тепло, и поэтому оценивается как нулевой.

Материалы, плохо проводящие тепло, называются изоляторами. Воздух с коэффициентом проводимости 0,006 является исключительным изолятором, поскольку он может удерживаться в замкнутом пространстве.Вот почему в искусственных изоляторах используются воздушные отсеки, такие как окна с двойным остеклением, которые используются для сокращения счетов за отопление. По сути, они действуют как буферы от потерь тепла.

Перо, мех и натуральные волокна являются примерами натуральных изоляторов. Эти материалы позволяют птицам, млекопитающим и людям оставаться в тепле. Морские каланы, например, живут в океанических водах, которые часто очень холодные, а их роскошный густой мех согревает их. Другие морские млекопитающие, такие как морские львы, киты и пингвины, полагаются на толстый слой жира (он же.жир) — очень плохой проводник — чтобы предотвратить потерю тепла через кожу.

Это вид носовой части космического корабля «Дискавери», построенного из жаропрочных углеродных композитов. Предоставлено: NASA

. Та же самая логика применяется к изоляции домов, зданий и даже космических кораблей. В этих случаях методы включают либо воздушные карманы между стенами, стекловолокно (которое задерживает воздух) или пену высокой плотности. Космические аппараты представляют собой особый случай и используют изоляцию в виде пенопласта, армированного углеродного композитного материала и плиток из кварцевого волокна.Все они являются плохими проводниками тепла и, следовательно, предотвращают потерю тепла в космосе, а также предотвращают попадание экстремальных температур, вызванных атмосферным входом, в кабину экипажа.

Посмотрите это видео, демонстрирующее тепловые плитки на космическом шаттле:

Законы, регулирующие теплопроводность, очень похожи на закон Ома, регулирующий электрическую проводимость. В этом случае хороший проводник — это материал, пропускающий электрический ток (т.е.е. электроны), чтобы пройти через него без особых проблем. Электрический изолятор, напротив, представляет собой любой материал, внутренние электрические заряды которого не текут свободно, и поэтому очень трудно проводить электрический ток под действием электрического поля.

В большинстве случаев материалы, которые плохо проводят тепло, также плохо проводят электричество. Например, медь хорошо проводит тепло и электричество, поэтому медные провода так широко используются в производстве электроники.Золото и серебро еще лучше, и там, где цена не является проблемой, эти материалы также используются при строительстве электрических цепей.

И когда кто-то хочет «заземлить» заряд (то есть нейтрализовать его), они отправляют его через физическое соединение с Землей, где заряд теряется. Это обычное дело для электрических цепей, в которых присутствует незащищенный металл, гарантирующий, что люди, случайно вступившие в контакт, не будут поражены электрическим током.

Изоляционные материалы, такие как резина на подошвах обуви, используются для защиты людей, работающих с чувствительными материалами или вблизи источников электрического тока, от электрических разрядов.Другие изоляционные материалы, такие как стекло, полимеры или фарфор, обычно используются в линиях электропередач и высоковольтных передатчиках мощности, чтобы энергия передавалась в цепи (и ничего больше!)

Короче говоря, проводимость сводится к передаче тепла или передачи электрического заряда. И то, и другое происходит в результате способности вещества позволять молекулам передавать энергию через них.

Мы написали много статей о проводимости для Universe Today. Прочтите эту статью о первом законе термодинамики или эту статью о статическом электричестве.

Если вам нужна дополнительная информация о теплопроводности, ознакомьтесь со статьей BBC о теплопередаче, а здесь есть ссылка на гипертекстовый справочник по физике.

Мы также записали целую серию Astronomy Cast about Magnetism — Episode 42: Magnetism Everywhere.

Как это:

Нравится Загрузка …

Обзор некоторых широко используемых методов и приемов измерения теплопроводности изоляционных материалов

Для измерения теплопроводности существует четыре основных типа измерительных установок: защищенная горячая плита (GHP), измеритель теплового потока (HFM), горячая проволока и коэффициент диффузии лазерной вспышки.Использование этих инструментов / методов различается по технике, типу материала, предполагаемому размеру образца, времени измерения, возможностям и методологии измерения [5].

Для анализа теплопередачи изоляции обычно используется охраняемая горячая плита или измеритель теплового потока. В методе горячей проволоки и оплавления используются специальные устройства для образцов консолидированной изоляции. Метод лазерной вспышки часто используется для высокопроводящей керамики, металлов и некоторых композитов [2]. Теплопроводность больших образцов огнеупорного материала измеряется с помощью систем с горячей проволокой [2].На рисунке 1 представлено сравнение методов измерения и типов материалов для диапазонов теплопроводности [2].

\ n

2. Стационарные методы

\ n

Стационарные методы применяют закон теплопроводности Фурье для измерения теплопроводности. Решение проблем, связанных с различными методами стационарного теплового потока, состоит в том, чтобы преобразовать задачу теплопередачи в одномерную задачу, тем самым упростив математику. Расчеты меняются для моделей бесконечной плиты, бесконечного цилиндра или сферы.Типичная геометрия образца, конфигурация измерительной системы и величина теплопроводности используются для различения различных типов измерений теплопроводности. Тепловая величина объекта измерения определяется следующими методами измерения с использованием направления теплового потока, сохранения теплового потока и вспомогательного слоя, имеющего известные тепловые свойства.

\ n \ n

2.1. Охраняемая электрическая плита

\ n

Охраняемая горячая пластина, также известная как прибор Poensgen [11], является наиболее часто используемым и наиболее эффективным методом измерения теплопроводности изоляционных материалов.GHP основывается на постоянной разнице температур на известной толщине образца, и его основная цель — контролировать тепловой поток через материал. Одним из недостатков является то, что установление устойчивого температурного градиента через образец занимает много времени при использовании GHP и других методов установившегося режима. Другими потенциальными недостатками являются то, что градиент температуры должен быть относительно большим, ширина образца должна быть большой, а также то, что контактное сопротивление между термопарой и поверхностью образца является основным источником ошибок [12].Хотя в [12] большой размер образца упоминается как потенциальный недостаток, размер обычно не является серьезной проблемой [8].

\ n

Экспериментальная установка охраняемой горячей пластины использует стационарный теплообмен между горячей и холодной пластинами. Однако точность этого метода сомнительна, межлабораторные сравнения расчетов GHP выявили расхождения между 20 различными GHP, использованными в разное время [5]. Индивидуальные результаты этих 20 GHP значительно отличались от контрольных значений, в диапазоне от +13 до -16% [5, 11].

\ n

Несмотря на эти недостатки, стандартизированный метод GHP является идеальным прибором для исследователей и ученых в области испытаний изоляции и считается абсолютным методом измерения. Практическая применимость требует тщательного рассмотрения содержимого массива: (а) достижение стационарных условий; (б) однонаправленный тепловой поток в анализируемой области, температура горячей и холодной поверхностей и толщина образцов; и (c) другие факторы, влияющие на однонаправленный тепловой поток [8].

\ n

Еще одним преимуществом является то, что метод GHP стандартизирован в таких странах, как США (ASTM C 177-63), Великобритания (B.S. 874: 1965) и Германия (DIN 52612) [13]. Подробности этого метода предоставлены Американским обществом испытаний материалов (ASTM) Стандарты, связанные с методом и / или материалами [1]. Детали этого стандарта частично основаны на сложности достижения стационарных условий [11], точном регулировании температуры в обычных пластинах (защищенных, горячих и холодных) и расчетных условиях.

\ n \ n

2.1.1. Конструкция охраняемой горячей плиты

\ n

Рис. 2.

Аппарат метода охраняемой горячей плиты для измерения теплопроводности. (а) два образца с дополнительными нагревателями и вторичными ограждениями или без них, (б) один образец [7].

\ n

Измерения защищенной горячей плиты анализируются на основе теплопередачи в бесконечной геометрии плиты. Поскольку размеры образца конечны, однонаправленный тепловой поток достигается за счет использования защитных нагревателей.Температура тепловой защиты поддерживается на уровне температуры ее прилегающей поверхности (которая рассматривается как дополнительный нагреватель / радиатор), чтобы предотвратить потерю тепла от образца и источника тепла / радиатора и, как следствие, достигается однонаправленный тепловой поток [1]. После достижения устойчивого состояния нагревательные и охлаждающие пластины имеют стабильную температуру. Затем теплопроводность может быть определена на основе подводимого тепла, разницы температур в образце, толщины образца и размера измеряемой области теплопередачи.Условия установившегося состояния могут меняться в зависимости от типа образца, его размера и средней температуры [14]. GHP наиболее подходит для сухих однородных образцов [15], но не подходит для материалов, в которых есть возможность миграции влаги [16].

\ n

Охраняемая плита состоит из холодных плит, горячей плиты, системы охранных нагревателей и теплоизоляции. Горячая пластина имеет электрический нагрев, а холодные пластины представляют собой охладители Пельтье или радиаторы с жидкостным охлаждением.Конфигурация расположена симметрично, с охраняемыми горячими плитами, расположенными по бокам, в то время как блок нагревателя зажат между двумя образцами или одним образцом и вспомогательным слоем (рис. 2). На рисунке 2 показаны различные типы защищенных устройств с горячей плитой. В состоянии односторонней системы тепловой поток проходит через один образец, а верхняя часть основного нагревателя действует как изолирующий кожух, обеспечивая тем самым адиабатическую среду [ 8].

\ n

Основное преимущество устройства с двумя образцами состоит в том, что потери тепла от горячей плиты можно контролировать более эффективно благодаря симметричному расположению образца с каждой стороны нагревателя.В отличие от метода единичного образца, симметричная установка может использоваться для исследования твердых материалов. Для измерения проводимости нетвердых материалов необходимо нагревать образец сверху, чтобы избежать конвекции [7].

\ n

Электрический нагреватель помещается в пластины определенной формы или формы, например, квадратной или круглой формы. Таким образом можно расположить охраняемую пластину (кольцо), центральную пластину (измеряемую площадь) и дополнительный нагреватель. Аппарат должен одновременно испытывать два образца в виде плиты стандартного размера (например, 300 мм × 300 мм или разных размеров).Фиксированная тепловая нагрузка должна подаваться электронагревателем. Такое расположение создает тепловой поток через два образца, текущий наружу к двум пластинам, охлаждаемым системой Пельтье или жидкостным охлаждением.

\ n

Эти измерения тепла регистрируются дифференциальными термопарами, которые являются приборами, контролирующими плоскую измерительную зону с электрическим обогревом, которая со всех сторон окружена секцией защитного нагревателя. Нагреваемая часть обеспечивает плоский источник тепла, прикладываемый к горячей поверхности образцов [8].Тепло подается в учётную зону (центральный обогреватель) по заданному тарифу на тепловую мощность. Температура защитного нагревателя поддерживается на уровне измеряемой секции с помощью системы управления. Соседние термозащитные поверхности и / или пластины поддерживаются в одном и том же диапазоне температур, и в идеале не происходит утечки тепла от источника, образца или границ. Это нацелено на обеспечение одномерного теплового потока тепла в реальном и практическом испытательном участке, соответствующем исключительно центральному нагревателю с дозатором.Кроме того, аппарат окружен теплоизоляцией, а также защитными обогревателями. И горячие / холодные металлические части располагаются между нагревателями / охлаждающими пластинами и каждым образцом. Детали, соответствующие одинаковой конструкции корпуса, примыкают к соответствующим боковым (горячим или холодным) датчикам температуры [13]. Система сбора данных подключена к датчикам температуры и устройствам электропитания, которые, в свою очередь, управляются системой управления с обратной связью.

\ n \ n \ n

2.1.2. Принцип действия

\ n

Образцы однородного материала одинаковой толщины помещаются между нагревателями горячей защиты и холодными пластинами.Для двух аппаратов для образцов дополнительные нагреватели могут быть размещены над и под образцами. Между горячей и холодной пластинами устанавливается четко определенная, выбираемая пользователем разница температур. Номинальная мощность, потребляемая нагревательной плитой с измеряемой площадью A , измеряется при достижении теплового равновесия в установившихся условиях. При использовании системы контроля температуры пластин достигают стабильности.

\ n

Предполагается, что измеренная мощность тепла передается через образец из-за защищенных нагревателей.После установления теплового равновесия и поддержания стабильной температуры нагревательных и охлаждающих пластин теплопроводность может быть рассчитана на основе входных значений. Входными значениями являются тепловая мощность Q , разность температур по образцу ( T _{горячий} — T _{холодный}), толщина образца (Δ x ) и площадь теплопередачи (в центре площадь счетчика, А ). Теплопроводность рассчитывается путем измерения количества подводимого тепла при установившемся профиле температуры во всем образце [1, 3, 14].По измеренным входным значениям эффективная теплопроводность может быть рассчитана с использованием следующего уравнения однонаправленной стационарной теплопередачи: \ n

\ n

, где тепловой поток Q получается путем измерения мощности P (или половинной мощности для двух образцов), генерируемого в электронагревателе. Уравнение теплопроводности для однородных изотропных материалов без использования внутреннего тепловыделения приведено для стационарного состояния в формуле. (1). Эти методы зависят от закона теплопроводности Фурье-Био [1, 3, 14].Его модифицированные формы уравнения могут использоваться для одномерного устойчивого теплового потока различных размеров, таких как пластина, цилиндр и сфера.

\ n

Для форм в цилиндрических формах соблюдаются стационарные методы радиального теплового потока. В этом методе образец полностью закрывает источник нагрева, исключая торцевые потери. Предполагается, что боковые эффекты незначительны либо из-за большого отношения длины к диаметру испытательного устройства, либо из-за использования защитных нагревателей. Предполагается, что поверхность центрального нагревателя диаметром r ₁ и внешняя поверхность образца диаметром r ₂ достигают одинаковой температуры после установления устойчивого состояния.Теплопроводность может быть определена на основе «мощности нагрева, длины цилиндра, разницы температур между двумя датчиками, расположенными внутри, и их радиального положения» [16]. Из-за трудностей практического применения метод цилиндра (и сферы) не пользуется популярностью. Тем не менее, этот метод применяется и используется для измерения теплопроводности методом цилиндрической формы.

\ n

Метод защищенной горячей плиты в вакууме основан на абсолютном методе измерения для исследований и поэтому не требует калибровочных стандартов.Кроме того, это можно рассматривать как абсолютное измерение независимо от условий вакуума. Система пластин помещена в вакуумную среду. Измерения можно проводить как в вакууме, так и при атмосферном или определенном давлении. Система требует симметрии и двух образцов для каждого теста. С защищенным нагревателем и / или теплоизоляцией может быть достигнута относительная погрешность 2% для измерения теплопроводности. Каждая пластина и защитное кольцо / нагреватель подключены к отдельной системе управления с температурным датчиком (датчиками) и назначенным источником питания.

\ n

Метод закрытой горячей плиты и цилиндра иллюстрирует принцип измерения, оптимизированный для различных диапазонов теплопроводности. Метод защищенной горячей плиты может использоваться для испытания тепловых свойств неметаллов, таких как теплоизоляционные материалы, полимерные стекла и керамика, а также жидкостей и газов в диапазоне температур примерно от 80 до 800 К [7]. Теплопроводность металлов (примерно до 500 Вт / (м · К) в диапазоне температур от 4 до 1000 К) может быть проверена с помощью цилиндрического метода с использованием осевого теплового потока.Метод GHP подходит для этих видов металлов, потому что определение разницы температур является основной проблемой при измерении материалов с высокой теплопроводностью (например, металлов). В таких испытаниях необходимо учитывать контактные сопротивления между образцом и нагревателем или холодной пластиной [7].

\ n \ n \ n \ n

2.2. Счетчики теплового потока

\ n

Использование счетчиков теплового потока основано в основном на тех же принципах, что и другие методы измерения, но не идентично им [13, 17, 18].Основным недостатком методов защищенной горячей плиты является то, что они требуют очень много времени, как указывалось выше. Напротив, измерители теплового потока являются точными и быстрыми приборами, и работа этих приборов проста для измерения теплопроводности материалов с низкой проводимостью [2]. Метод основан на повышении точности и скорости измерения. Максимальные пределы температуры составляют примерно 200 ° C для метода измерения расхода тепла [7] и примерно 100 ° C для практического применения [2].

\ n

Тепловой расходомер описан в различных стандартах для испытаний. Конструкция измерителя теплового потока похожа на установку охраняемой нагревательной плиты на одном экземпляре. Основная идея измерителя теплового потока заключается в определении теплового потока на основе измерения падения температуры на терморезисторе. Способ измерения теплового потока осуществляется либо с использованием сертифицированного общеизвестного эталонного образца, либо с помощью датчика теплового потока.

\ n

Образец помещают между двумя пластинами, удерживаемыми при разных температурах, одна из которых нагревается, а другая — охлаждается, как показано на рисунке 3.Вместо использования основного нагревателя, как в методе защищенной горячей пластины, используются преобразователи теплового потока для измерения теплового потока через образец. Тепловой поток определяется в токе путем измерения падения напряжения на электрическом резисторе. Датчики выдают электрический выходной сигнал. Измеряемый сигнал и изменение термовольтного напряжения пропорциональны падению перепада температуры, происходящему по всей пластине.

\ n

Рисунок 3.

Принципиальная схема теплового расходомера.

\ n

Датчики теплового потока чаще всего состоят из серии соединений термопар, охватывающих терморезистор, например, тонкую керамическую или пластиковую пластину [7]. Второй тепловой поток иногда прикладывают к холодной пластине для измерения радиальных потерь тепла, а также для сокращения времени, необходимого для измерения. Это сокращение времени дает преимущество этого метода при измерении изоляционных материалов. Температура пластин измеряется и регулируется до желаемой уставки при достижении постоянного значения.Установившиеся условия возникают, когда количество теплового потока одинаково в каждой точке слоистой системы. После установления теплового равновесия тест определяется в условиях. Для расчета теплопроводности используются установившиеся температуры, толщина образца, площадь измерения образца и тепловой поток, подводимый к горячей пластине. Выходной тепловой поток обычно калибруется с помощью различных эталонов, например, в устройстве с защищенной горячей плитой.

\ n

По сравнению с методом закрытой горячей плиты, который является абсолютным, метод измерения расхода тепла является сравнительным и, таким образом, может считаться относительным методом.Изоляционные материалы и полимеры ( k <0,3 Вт / (м · К)) обычно испытываются с помощью метода измерителя теплового потока, а иногда он используется для стекла и керамики, а также для других материалов с теплопроводностью ниже примерно 5 Вт / (м К) [7]. Для изоляционных материалов с температурой около комнатной погрешность измерения составляет примерно 3%, а при высоких температурах погрешность составляет от 10 до 20% [7].

\ n

Устойчивое состояние стабильности достигается за короткое время, что приводит к увеличению производительности.Однако стабильный корпус важен для обеспечения повторяемости и долговременной консистенции образца.

\ n \ n \ n

2.3. Метод прямого нагрева

\ n

Рис. 4.

(a) Схема метода прямого нагрева [7], (b) схематическая конструкция метода труб.

\ n

Два недостатка стационарных методов — длительные затраты времени и сложность определения потерь тепла, особенно при высоких температурах. Эти недостатки можно преодолеть с помощью метода прямого нагрева, который можно использовать для электропроводящих материалов, таких как металлы.

\ n

Образец, например проволока, труба или стержень, помещается в вакуумную камеру, зажат между двумя радиаторами, охлаждаемыми жидкостью, и образец нагревается до температур в диапазоне 300–4000 К [ 7]. Рисунок 4 (а) изображает схему конструкции метода прямого нагрева. Измеряются перепады напряжения и температуры: в середине стержня и на каждом конце стержня. Из этих трех измерений, полученных методом прямого нагрева, теплопроводность и удельное электрическое сопротивление k даются как [7] \ n

kVhAIhl = (V3 − V1) 24 [2T2- (T1 + T3)], E2 \ n

, где l и A — длина и площадь поперечного сечения образца. I _h и V _h — ток нагрева и падение напряжения.

\ n \ n \ n \ n

2.4. Трубный метод

\ n

Трубный метод использует преимущество радиального теплового потока в цилиндрическом образце. Нагреватель с сердечником, который представляет собой трубку, стержень или проволоку, вставляется в центральную ось образца в форме трубы. На обоих концах образца есть нагреватели. Комбинация образца и нагревателей окружена теплоизоляцией, а затем водяной рубашкой или радиатором с жидкостным охлаждением.На рисунке 4 (b) показаны схема и компоненты трубного метода. Нагреватели с торцевой защитой могут использоваться для минимизации осевых потерь тепла, а также увеличение отношения длины к диаметру образца может достичь той же цели. Теплопроводность получается путем измерения радиального теплового потока ϕ [7]: \ n

k = ϕln (d2 / d1) 2π (T1 − T2) E3 \ n

Этот метод был модифицирован для использования с различными твердые тела, от изоляционных материалов (20 мВт / (м · К)) до металлов (200 Вт / (м · К)), и оценка для температур от комнатной до 2770 К [7].Этот метод можно модифицировать для сбора данных с течением времени для одновременного измерения теплопроводности и температуропроводности, и подобные методы переходных процессов вызывают все больший интерес.

\ n

Преимущества стационарных методов перед другими методами следующие: \ n

простое математическое выражение,
абсолютный и первичный метод для образцов с низкой проводимостью,
приемлемое время,
частично подходит для порошкообразных, гранулированных или твердых форм,
с погрешностями 1-2% для изоляции при комнатной температуре,
приемлемых небольших образцов для испытаний (кроме концентрической сферы).

\ n

Недостатки стационарных методов по сравнению с другими методами следующие: \ n

сложность прибора, обеспечивающего высокую точность,
погрешности 10% или выше для условий,
трудоемкий,
неизмеримая погрешность из-за контактного сопротивления,
сложность измерения образцов геометрической формы (концентрический цилиндр или концентрическая сфера),
тепловые потери, особенно при методах параллельных пластин и концентрических цилиндров,
сложность измерения величины теплового потока для двух образцов,
ошибка использования образцов, содержащих влагу.

\ n \ n \ n

3. Переходные методы

\ n

Преимущества переходных процессов в основном отличаются малым временем, необходимым для определения различных тепловых значений в процессе измерения. Следовательно, этот метод основан на измерении сигнала и приемлемо небольшом перепаде температур. Метод переходных процессов измеряется путем оценки реакции обратной связи после того, как на образец передается сигнал для выделения тепла в образце.Таким образом, время испытания составляет несколько минут или субсекундные интервалы времени для переходных методов. Этот метод также больше подходит для материалов с высоким содержанием влаги из-за сигнала и отклика в образце. Во многих случаях можно заменить измерения температуры на двух противоположных поверхностях измерением как функции времени только в одном месте на образце [7].

\ n

Среди переходных методов методы горячей проволоки и лазерной вспышки обычно используются для измерения теплопроводности различных материалов, представленных в таблице 1.Модификацией метода горячей проволоки является метод горячей полосы или диска, который может применяться к твердым неэлектропроводным материалам для измерения температуропроводности и проводимости [12].

\ n \ n

3.1. Метод горячей проволоки

\ n

Этот метод представляет собой переходный метод, основанный на регистрации повышения температуры на определенном расстоянии от источника тепла. Метод горячей проволоки — хороший метод определения теплопроводности жидкостей. В методе горячей проволоки подготовка образца упрощается за счет использования источника тепла, за исключением твердых тел.При испытании твердых тел проволока располагается между двумя однородными образцами одинакового размера, как показано на рисунке 5. Горячая проволока заделана в небольшие каналы, поскольку важно обеспечить достаточно низкое контактное сопротивление между твердыми образцами и нагревательной проволокой [ 7]. По этой причине метод горячей проволоки избегают в пользу все более популярной разновидности, метода горячей полосы, который используется для измерений на твердых телах.

\ n

Рисунок 5.

Принципиальная схема и конструкция горячей проволоки.

\ n

В стандартном переходном методе горячей проволоки (рис. 5) система проводов (часто сделанная из платины) записывается как две функции датчика температуры и нагревателя [7]. Одной из модификаций этого метода является зондовый метод, в котором вместо проволоки используется зонд. Эта конфигурация зонда полезна всякий раз, когда проводимость образца рассчитывается на основе отклика зонда, вставленного в образец. Подобная теория лежит в основе как метода нестационарного линейного источника тепла (горячая проволока), так и метода зонда для измерения теплопроводности.Оба метода применимы для измерения теплопроводности «биологических материалов, изоляционных материалов, горных пород, керамики, пищевых продуктов, почв и стекла в широком диапазоне температур» [9]. Таким образом, зондовый метод применяется к материалам с низкой проводимостью в порошковой или полужесткой форме. Тщательно контролируемая печь используется для получения базовых температур для испытаний тепловых свойств образца, грунта на месте [10].

\ n

Теплопроводность рассчитывается путем сравнения графика температуры проволоки с логарифмом времени, если указаны или измерены плотность и емкость.Метод горячей проволоки также позволяет измерять теплопроводность газов, а также огнеупоров, таких как изоляционные кирпичи, волокнистые или порошковые материалы [10]. Методика может быть адаптирована для измерения свойств жидкостей и пластиков с относительно низкой теплопроводностью [8]. Это практично для пен, жидкостей и расплавленных пластиков, но непрактично для твердых тел [5].

\ n

Зонд, содержащий нагреватель и термопару, измеряет мгновенные изменения температуры.Как только заданная величина тока проходит через нагреватель в течение ограниченного периода времени, изменение температуры поверхности нагревателя определяется в характеристической форме. После того, как тепло начинает течь от зонда к стороне образца, оно достигает внешней поверхности стороны образца. Когда подъем замедляется или полностью прекращается из-за потерь тепла в окружающую среду, скорость подъема со временем становится постоянной. Теплопроводность может быть рассчитана на основе линейного участка кривой зависимости температуры от времени [8].

\ n

Теплопроводность линейного источника тепла или зонда определяется, как в справочнике. [19]. \ N

k = q 4π (T (t) −T0) ln (4tαr2C) E4 \ n

без учета конвективных и радиационных тепловых потерь. Где q — тепловой поток на единицу длины источника, а ln ( C ) = 0,5772 — постоянная Эйлера. r — радиус проволоки, а α — коэффициент температуропроводности образца. Таким образом, теплопроводность может быть рассчитана на основе повышения температуры в два разных момента времени (или наклона повышения температуры по сравнению с логарифмом времени) и на основе мощности источника тепла [16].

\ n

Использование стабилизированного источника электропитания гарантирует, что источник тепла производит постоянную мощность. Чтобы исключить помехи осевой проводимости через источник тока большого диаметра, к концам горячего провода подключаются провода, а также два горячих провода разной длины используются в дифференциальном режиме [7]. Другими разновидностями метода горячей проволоки являются методы перекрестной проволоки и параллельной проволоки. В параллельной технике нагреватель и датчик температуры отделены друг от друга.В методе перекрестной проволоки нагревательная проволока контактирует с термопарой [20]. Метод параллельных проводов выгоден при применении к анизотропным материалам и материалам с величиной теплопроводности выше 2 Вт / (м · К) [20]. Метод параллельных проводов может использоваться для теплопроводности ниже 20 Вт / мK. Метод перекрестной проволоки может использоваться для измерения теплопроводности ниже 2 Вт / м K [2].

\ n

Другое использование метода — метод стационарной трубы с цилиндрической геометрией образца и измерения радиального теплового потока [7, 21, 22].Этот метод считается методом нестационарного радиального потока, поэтому требуются изотропные образцы. Хотя трубный метод имеет недостаток отклонений от радиально-симметричного температурного поля по сравнению с проволочным методом, адекватная математическая модель и процедура оценки могут компенсировать этот недостаток [7, 23, 24].

\ n \ n \ n

3.2. Метод горячего диска

\ n

Метод переходного плоского источника (TPS) является недавним развитием метода горячей полосы. Он также известен как зонд Густафссона или метод горячего диска.Этот метод предназначен для измерения как теплопроводности, так и температуропроводности. Преимущество переходных процессов перед установившимися методами заключается в том, что при анализе исключается влияние контактного сопротивления. Этот метод обеспечивает точные измерения в диапазоне теплопроводности от 0,005 до 500 Вт / (м · К) при температурах от 30 до 1200 К [25]. Метод TPS используется для измерения теплопроводности изоляционных и электропроводящих материалов [12].Основные преимущества измерения с помощью горячего диска заключаются в том, что он дает результаты быстро (обычно менее чем за 10 минут), и что можно использовать сенсоры разных размеров для работы с разными типами образцов. Кроме того, горячий диск требует использования образцов, которые обычно намного меньше, чем те, которые используются в других методах [12].

\ n

Метод горячей полосы очень похож на метод горячей проволоки, за исключением удлиненной полосы. Полоса представляет собой металлическую фольгу между двумя образцами или тонкую металлическую пленку на поверхности плоского образца.Материалы, изученные до сих пор с помощью этой системы, включают металлы, сплавы, керамику, включая керамику с высокой проводимостью, такую как нитрид алюминия (AlN), материалы с высокими критическими температурами, минералы, полимеры, композиты, стекло, ткани, бумагу, стекловату, пену, порошок, биоматериал, и жидкости, а также материалы с анизотропными тепловыми свойствами [25].

\ n

В методе горячего диска используется датчик в форме двойной спирали из материала, покрытого никелем. Датчик TPS состоит из ряда концентрических кругов, которые образуют двойную спираль, так что ток проходит от одного конца к другому.Тонкий полимерный материал покрытия используется в качестве электрической изоляции и защиты датчика на спирали. В качестве материалов покрытия чаще всего используются каптон для измерения температурных диапазонов от 30 до 450 К, слюда для более высоких температур до 1200 К [25] и тефлон. Датчик действует как источник тепла и термометр. Источник и термометр используются для определения изменений температуры образца и повышения температуры, зависящей от времени, соответственно. Датчик зажат между двумя частями образца, как показано на рисунке 6.Во время испытания ток проходит через никелевую спираль и вызывает повышение температуры. Вырабатываемое тепло рассеивается по всему образцу с обеих сторон. Сравнивая температуру и время отклика сенсора, можно точно рассчитать теплопроводность или коэффициент диффузии [26, 27].

\ n

Рисунок 6.

Схема и принцип работы горячего диска.

\ n

Методы горячей проволоки и закрытой горячей пластины значительно требуют как больших образцов, так и точно известной толщины.В то время как метод защищенной горячей пластины — это трудоемкий метод, требующий градиента температуры по образцу, метод горячего диска обеспечивает мгновенное и прямое измерение, и показания получают за короткое время. Напротив, защищенная горячая плита по своей природе подвержена ошибкам из-за контактного сопротивления между термопарой и поверхностью образца. Даже при разных уровнях проводимости отрицательное влияние неизбежно при использовании метода защищенной горячей плиты. С другой стороны, метод горячего диска собирает данные, относящиеся только к диффузии тепла в материале, для своих расчетов [26].В результате методика испытаний в установившемся режиме (т. Е. С использованием защищенной горячей пластины) превосходит метод испытания неизотропных материалов с помощью горячей проволоки, несмотря на большую продолжительность этих стационарных измерений, более высокие затраты на установившееся состояние. Состояние аппарата за счет высокой надежности во всем исследованном температурном диапазоне [28]. Это также согласуется между тепловыми измерениями и практическим применением изоляции [28]. Таким образом, метод горячей проволоки не следует использовать для определения теплопроводности неизотропных материалов (волокнистых матов), для которых этот метод совершенно неэффективен в диапазонах с низким коэффициентом экстинкции, т.е.е., низкие объемные плотности [28]. С другой стороны, одно исследование изотропных материалов показало, что переходный метод горячей проволоки оказался наиболее надежным из-за его высокой надежности и низких затрат усилий, времени и затрат [28]. Для стекловолокна значения электропроводности, измеренные анализатором с горячим диском, на 20 и 12% выше заявленных значений для более низкой и более высокой плотности соответственно [12]. Для более низкой плотности электропроводность, определенная для минеральной ваты методом горячего диска, соответствует заявленному значению; измеренное значение на 8% выше заявленной проводимости для более высокой плотности [12].Технику TPS можно использовать для исследования жидкостей, твердых тел, паст и порошков (электропроводящих или изолирующих). Метод TPS может обеспечить значения без влияния сопротивления теплового контакта, без длительного времени измерения и без тщательной подготовки образца [26].

\ n \ n \ n

3.3. Метод лазерной вспышки

\ n

Метод лазерной вспышки — это наиболее часто используемый метод для определения тепловых свойств твердых тел. Метод позволяет исследовать свойства стекол, металлов и керамики без значительных ограничений из-за неопределенностей достижимых измерений [7].Свойство можно измерить в диапазоне температур от -100 до примерно 3000 ° C.

\ n

В этом методе определяется коэффициент температуропроводности α, и, если заданы удельная теплоемкость и плотность материала, теплопроводность может быть рассчитана с использованием следующего уравнения (уравнение (6)) в адиабатических условиях : \ n

α = 0,138d2t1 / 2 → α = kρcp E5 \ n

Мгновенный тепловой импульс генерируется энергией лазера. Температуропроводность рассчитывается на основе толщины образца d (обычно 2 мм) и времени t _1/2 [20].Это значение представляет собой время, необходимое для того, чтобы температура поверхности задней стороны достигла значения, равного половине максимального значения.

\ n

В этом методе лазерный импульс направляется на лицевую сторону образца и измеряется изменение температуры на обратной стороне. Метод осуществляется путем нагрева образца коротким лазерным импульсом длительностью 1 мс на лицевой стороне образца. Измеряется и определяется повышение температуры на его задней стороне. На рисунке 7 показаны схема и принцип метода.

\ n

Рис. 7.

Схема и принцип действия метода лазерной вспышки [2].

\ n

С момента введения Parker et al. В методе было несколько разработок. (1961) [29]. Некоторые модификации были разработаны для непосредственного определения теплопроводности путем измерения удельной теплоемкости.

\ n

Преимущество метода лазерной вспышки заключается в том, что для определения тепловых свойств не используются измерения температуры и теплового потока.Измерение коэффициента температуропроводности рассчитывается только на основе относительного изменения температуры как функции времени. Главный результат этого факта состоит в том, что даже при высоких температурах могут быть достигнуты относительные погрешности измерения в диапазоне 3–5% [30–32].

\ n \ n \ n

3.4. Метод 3-ω

\ n

Метод, называемый методом 3-ω, обычно используется для измерения теплопроводности тонких пленок и твердых материалов. Диапазон теплопроводности изменяется на 0,20–20 Вт / (м · К), а в литературе диапазон может быть расширен до 77–900 К.Этот метод аналогичен методу горячей проволоки. В то время как метод горячей проволоки является переходным методом во временной области, метод 3-ω имеет то преимущество, что он не зависит от времени, поскольку он измеряет электрические сигналы в определенной частотной области [33]. По проводу пропускается переменный ток с частотой угловой модуляции ω [34]. Проволока используется одновременно как нагреватель и термометр. Тепло, выделяемое в результате этого процесса, проникает в образец. Поскольку электрическое сопротивление металлического нагревателя пропорционально (линейно) температуре, колебания температуры можно измерить косвенно, измерив соответствующее напряжение 3ω [34].Поскольку ток управляется с частотой ω, а сопротивление изменяется с частотой 2ω, получается напряжение с частотой 3ω [34]. В этом методе тонкая электропроводящая проволока наносится на образец, как показано на Рисунке 8 [35].

\ n

Рис. 8.

Схема метода 3-ω для тонкой пленки [35].

\ n

Оба основных механизма обычно влияют на перенос в плоскости ( x ) и кросс-плоскость ( z ) по-разному, поэтому теплопроводность связанных материалов обычно анизотропна.Метод измеряет среднюю теплопроводность в плоскости и в поперечном направлении. Комбинация между шириной нагревательного провода и толщиной тонкой пленки определяет чувствительность измерения в соответствии с тепловыми свойствами пленки в плоскости и в плоскости [16].

\ n \ n \ n

3.5. Метод Fitch

\ n

Метод Fitch, разработанный Fitch, используется для измерения материалов с низкой теплопроводностью с помощью плоского источника тепла. Этот метод состоит из двух компонентов: источника тепла и приемника тепла.Источником тепла является сосуд, заполненный жидкостью с постоянной температурой, которая выполняет функцию стока. Теплоприемник представляет собой сток в виде медной заглушки, изолированной со всех сторон, кроме обращенной к емкости [36]. Роли источника тепла и приемника тепла можно изменить, если в емкости температура ниже, чем у медного блока. Образец помещается между сосудом и открытой поверхностью пробки. Образец сначала находится в тепловом равновесии с медным блоком, как показано на рисунке 9.Сосуд приводят в контакт с образцом при разнице температур. Температурная предыстория медного блока и температура дна емкости измеряются термопарами. Предполагается, что он имеет равномерное распределение температуры. Измеряются изменение времени и температуры, и теплопроводность образца рассчитывается с использованием следующего уравнения [37]:

\ n

Рисунок 9.

Схема метода Фитча [37].

\ nk = Δx.mc. cpcA .tln (T0 − T∞) (T − T∞), E6 \ n

, где c _pc , ∆ x и A — теплоемкость медного блока, а толщина и площадь теплообмена образца. Предполагается, что теплопередача от медного блока к изоляции, аккумулирование тепла в образце и поверхностное контактное сопротивление пренебрежимо малы при линейном температурном профиле.

\ n

Этот метод обычно используется для измерения электропроводности пищевых продуктов и особо мелких образцов.Но метод Fitch не подходит для использования при высоких температурах. В этом методе используется либо линейный источник тепла, либо один или несколько источников тепла [16].

\ n \ n \ n

3.6. Фототермические методы

\ n

Принцип этого метода основан на определении индуцированного светом изменения теплового состояния материала в твердом, жидком или газообразном состоянии. После поглощения света образцом определяются и измеряются изменения температуры, давления или плотности. Существуют методы, при которых образец контактирует с системой обнаружения и без нее [7].

\ n

Измерение температуропроводности фототермическим методом основано на концепции модуляции между нагревом поверхности образца и температурной фазой на противоположных сторонах образца и включает частотную функцию. Этот метод может быть изменен путем одновременного нагрева обеих поверхностей с одной частотой модуляции и измерения разности фаз между сигналами на поверхности [20]. Принципиальная схема фотоакустического метода также представлена в ссылке [38].

\ n \ n \ n

4. Стандарты для измерения теплоизоляции

\ n

Каждое измерение изоляционных материалов имеет определение, стандарт и тестовую реализацию. Тесты определяются посредством экспериментов для максимально точного определения. Эксперименты обычно проводятся по стандартам. Когда реализация теста получена, измерительные устройства выдают значение своего свойства. Национальные и международные лаборатории используют различные стандарты, связанные с изоляционными материалами.Представление стандартов является основным стандартом, с которым сравниваются другие представления. Международные стандарты общих методов перечислены ниже: \ n

ASTM C177 / C177-13, стандартный метод испытаний для измерения стационарного теплового потока и свойств теплопередачи с помощью устройства с защищенной горячей плитой.
ASTM C518 / C518-10 / C518-15, стандартный метод испытания свойств теплопередачи в установившемся режиме с помощью прибора для измерения теплового потока.
ASTM C335 / 335-10e1, стандартный метод испытаний устойчивых теплообменных свойств изоляции трубы.
ASTM C653-97 (2012), стандартное руководство по определению термического сопротивления изоляции из минерального волокна с низкой плотностью покрытия.
ASTM C680-14, стандартная практика для оценки притока или потерь тепла и температуры поверхности изолированных плоских, цилиндрических и сферических систем с использованием компьютерных программ.
ASTM C687-12, стандартная практика для определения термического сопротивления утеплителя здания с неплотным заполнением.
ASTM C1303 / C1303M-15, стандартный метод испытаний для прогнозирования долгосрочного термического сопротивления изоляции пенопласта с закрытыми порами.
ASTM C1114-06 (2013), стандартный метод испытания свойств теплопередачи в установившемся режиме с помощью аппарата с тонким нагревателем.
ASTM C1363 / C1363‐05 / C1363-11, стандартный метод испытаний тепловых характеристик строительных материалов и сборок ограждающих конструкций с помощью устройства горячего ящика.
ASTM C1667-15, стандартный метод испытаний для использования прибора для измерения теплового потока для измерения свойств теплопередачи в центре панели вакуумных изоляционных панелей.
ASTM C1696-14ae1, стандартное руководство для промышленных систем теплоизоляции.
ASTM C1774-13, стандартное руководство по испытаниям тепловых характеристик криогенных изоляционных систем.
ASTM D5470-06, стандартный метод испытаний теплопроводящих свойств теплопроводных электроизоляционных материалов.
ASTM E1225‐09 / E1225‐13, стандартный метод испытания теплопроводности твердых тел с помощью метода защищенного сравнительного продольного теплового потока.
ASTM E1530‐06 / E1530‐11, стандартный метод испытаний для оценки сопротивления материалов теплопередаче с помощью метода защищенного теплового расходомера.
ASTM F433‐02 (2009, 2014), стандартная практика оценки теплопроводности материалов прокладок
ASTM D5334‐08, стандартный метод испытаний для определения теплопроводности почвы и мягких пород с помощью процедуры термического игольчатого зонда .
DIN EN 12667/12939, Европейский стандарт для измерений изоляционных материалов с использованием метода теплового расходомера или метода защищенной горячей плиты.
DIN EN 13163, Европейский стандарт для определения характеристик пенопластовой изоляции для зданий с использованием метода теплового расходомера или метода защищенной горячей плиты.
ISO 8301/8302, теплоизоляция — определение устойчивого теплового сопротивления и связанных свойств — измеритель теплового потока / устройство с защищенной горячей плитой.
ISO 8894-1 (EN 993-14), огнеупорные материалы — определение теплопроводности — Часть 1: методы горячей проволоки (кросс-матрица и термометр сопротивления).
ISO 8894-2 (EN 993-15), огнеупорные материалы — определение теплопроводности — Часть 2: метод горячей проволоки (параллельный)
ASTM C1113 / C1113M-09 (2013), стандартный метод испытаний для определения теплопроводности огнеупоров горячей проволокой (платиновый термометр сопротивления).

\ n

Исследователями исследована проблема определения теплопроводности изоляционного материала как пористой среды. В литературе имеется большое количество стандартных моделей для прогнозирования теплопроводности однородных, неоднородных или композиционных материалов материалов [39], а также методов разработанной измерительной аппаратуры [40].Эти модели в значительной степени зависят от математических моделей, основанных на физических законах, которые управляют процессом (например, баланс массы и энергии, термодинамика и т. Д.). В литературе также представлена экспериментальная оценка моделей и сравнительный анализ существующих экспериментальных методов. Несколько исследователей предложили ряд моделей, полученных из набора уравнений, обычно основанных на базовой модели, но многие из них включают эмпирические параметры [1]. Различие значений теплопроводности между моделями и методами можно рассматривать из-за отсутствия структурных данных.Структуры включают неоднородность / однородность, компоненты, различия в направлении компонентов, конденсацию / испарение жидкой фазы, механизм контакта, размер и форму частиц / пор, извилистость пор, смешанные фазы, коэффициент формы. , контакт, ориентация, толщина, армирование и т. д. [39, 41, 42].

\ n

Многие модели теплопроводности, встречающиеся в литературе, основаны на одной или нескольких базовых структурных моделях, таких как последовательные и параллельные модели, модель среднего геометрического, модели Максвелла (различные формы) и модели теории эффективной среды (EMT), и модель Рассела [39].Выбор моделей теплопроводности обычно обсуждается отдельно в литературе для каждого из этих классов [39]. Подробное описание объемного материала с пористой средой может быть выражено в терминах «предка», «дополнительного параметра», «знания компонентов» и «механизмов теплопередачи» в различных моделях [39]. Подобные модели представлены в разных формах и заменяют другие компоненты вместо параметра компонента. Невозможно узнать, какое выражение является наиболее точным для описания теплопроводности даже в каждой модели двухфазных компонентов / смесей.Следовательно, не существует единой модели или процедуры прогнозирования, которые можно было бы рассматривать, которые могли бы применяться повсеместно. В большинстве упражнений по моделированию прогноз теплопроводности также предполагает компромисс между простотой и точностью. Точность предсказанных значений теплопроводности не может быть лучше 5% [39–41]. Несколько моделей, которые были предложены, созданы специально для конкретного материала и содержат свойства материала [39]. Модели должны быть пересмотрены с помощью четких параметров, особенно в отношении параметров в моделях (таких как теплопроводность, пористость или объем соотношение фракций фаз).Сделан вывод о том, что вместо новых соотношений важно использование существующих математических соотношений с конечными ошибками для конкретных материалов и через определенные промежутки времени.

\ n \ n

5. Заключение

\ n

В данной главе представлен всесторонний обзор результатов исследований в области методов измерения теплопроводности материалов. В этом исследовании обсуждается эффективность различных методов измерения проводимости изоляционных материалов. Модели показывают сходства и различия в зависимости от того, является ли это устойчивым состоянием.Некоторые методы являются аналогичными или производными методами независимо от того, аналогична ли используемая модель теплопроводности. Первый важный вывод, который можно сделать, заключается в том, что эти методы могут быть применимы не для всех материалов.

\ n

Методы теплопроводности в широком смысле классифицируются как методы установившихся или переходных процессов. В принципе, эти методы основаны на установлении постоянной температуры и градиента сигнала над образцом. Эти методы измеряют отклик как сигнал или температуру, заданную в образце.Следовательно, эти методы различаются в основном по диапазону теплопроводности, диапазону типов материалов, времени измерения, точности измерения, типу образца и диапазону температур. Оценка низкой теплопроводности может быть определена с помощью регулируемых параметров в этих методах.

\ n

Существуют различные методы определения теплопроводности изоляционных материалов. Предпочтительными методами обычно являются метод защищенной горячей пластины, метод теплового потока, а затем могут применяться методы нагрева горячей проволокой / диском и лазерной вспышкой.При условии анизотропного и изотропного типа некоторые методы хорошо согласуются с заявленными значениями. Значение теплопроводности для этого метода выше или ниже, чем значение для других методов, в зависимости от соотношений между распределением тепловых потерь, температурой поверхности, равномерным тепловым потоком по материалу, а также сигналом и его откликом. Однако методы должны быть тщательно выбраны в соответствии с материалами, такими как неизотропные материалы, и временем измерения, прежде чем применять методы.Сделан вывод о важности выбора методов для использования с конечными погрешностями для конкретных конструкций и через определенные промежутки времени. Этот пункт может обеспечить эффективный способ, а также точность и пригодность различных методов для пользователей, производителей и исследователей в этой области.

\ n

Многие теоретические модели, а также методы были предложены различными исследователями. Модели основаны на одной или нескольких базовых структурных моделях, таких как последовательные и параллельные модели, модель среднего геометрического, модели Максвелла (различные формы), модели теории эффективной среды (EMT) и модель Рассела.Модели могут не показаться четким объяснением внутренней структуры и поведения пористых материалов. Второй важный вывод, который можно сделать из исследований, заключается в том, что в будущем исследователям необходимо стандартизировать методы для изоляторов или проводников и значений теплопроводности.

\ n

1. Введение

Углерод подразделяется на множество форм: аморфный углерод, алмаз и графит. Среди них с древних времен хорошо известными аллотропами углерода являются алмаз и графит.Третий вид углерода, названный фуллереном, был открыт Kroto et al. в 1985 году, тогда как; углеродные нанотрубки (УНТ) были открыты Иидзимой в 1991 году, что привело к их значительной роли в области науки и техники. Соответственно, были идентифицированы только три вида аллотропов углерода, и хорошо известны в семействе углерода: во-первых, алмаз и графит (3D), во-вторых, УНТ (1D) и в-третьих, фуллерены (0D). Позже, в 1991 году, стало понятно, что УНТ изготавливаются путем прокатки отдельного листа 2D-графена, извлеченного из 3D-графитового материала [1, 2, 3].Кроме того, выделение графена было несколько трудным и неопределенным с точки зрения каких-либо усилий, соответствующих экспериментальным исследованиям до 2004 года. Графен является элементарным структурным элементом УНТ, фуллеренов и графита, которые называются аллотропами семейства углерода. Фуллерен называется бакиболом, поскольку он состоит из углеродных листов в форме сферического профиля. По сравнению с фуллереном УНТ приобретают трубчатую форму. Более двух десятилетий УНТ и боевые действия на основе фуллеренов открывают широкие возможности для применения в различных областях исследований, связанных с биосенсорами, суперконденсаторами, электрохимическими датчиками, электроникой, топливными элементами, батареями и медицинскими приложениями.В настоящее время графен назван «кандидатом в восходящую звезду» после его эффективного производства из процесса скотча с использованием добровольно доступного графита Андре Геймом и его коллегами в 2004 году. Однослойные листы графена состоят из атома углерода, связанного sp ² и приобретает решетку в виде сот, которая плотно упакована. Как активный материал, замечательные свойства графена, включая регулируемую ширину запрещенной зоны, высокую удельную поверхность, превосходную термическую, электрическую стабильность и проводимость, и, что более важно, эффект Холла (при комнатной температуре) обеспечивают подходящую платформу для его использования в производстве нескольких композитных материалов. [4].Усилия были посвящены рассмотрению структуры и получения графена, его свойств, возможных применений и, наконец, композитного материала [5, 6, 7, 8]. В настоящее время графен, благодаря своим замечательным свойствам, включен в шорт-лист как наиболее распространенный материал, который может быть использован для различных устройств и приложений. В этой главе рассказывается об использовании и применении графена в различных подходах, способах синтеза и множестве исключительных свойств.

2. Приложение

Ранее графен проиллюстрировал многообещающее впечатление для различных областей информационных технологий, от высокопроизводительных приложений (топовых) до сверхбыстрой обработки информации (т.е.е. ТГц) в потребительские приложения с помощью гибких электронных структур. Подлинное свойство графена подтверждается увеличением количества производителей микросхем, которые сейчас активно проводят исследования, основанные на графене. В частности, графен рассматривается как новый кандидат, который может быть использован в пост-Si-электронике. Наиболее благоприятные применения графена включают обработку света, датчики, электронику, плазмонику, накопители энергии, метаматериалы, генераторы и т. Д. Кроме того, графен используется для улучшения различных промышленных и медицинских процессов.Обзор приложений графена показан на рисунке 1.

Рисунок 1.

Обзор приложений усовершенствованного углеродного материала (графена) [9].

2.1 Полимерные композиты

Двухфазные материалы считаются полимерными композитами, которые достигаются контролируемым диспергированием одной фазы в другую. Модифицированный графен может быть диспергирован в полимерной матрице, чтобы стать армирующим наполнителем для оптимального улучшения физико-химических свойств [10]. Во-первых, Станкович и др.представили фенилизоцианированный графен, действующий как нанонаполнитель при синтезе матрицы полистирол (ПС) / графен [11]. Было обнаружено, что только приросты на 2,4 об.%, Относящиеся к поверхностно-модифицированному графитовому соединению, заполняют желаемые композиты, что вызвано увеличенной площадью поверхности графитового композита. Электропроводность достигает порога перколяции за счет включения около 0,1 об.% Графена, как показано на рис. 2. Отчеты, представленные Eda et al. продемонстрировали функционализированные ПС-композиты с наполнителем из графита, демонстрирующие те же электрические свойства, что и монослойные нанолисты rGO [12].В то время как ПС-композиты исследуются полупроводниковой природой p-типа при высоких температурах.

Рисунок 2.

Электропроводность модифицированного фенилизоцианата. композиты полистирола, наполненные графеном [11].

Kuila et al. сообщили, что додециламин (DA) наряду с функционализированным октадециамином (ODA) графитовым наполнителем во время синтеза линейного полиэтилена низкой плотности (LDPE), в то время как композиты этилен-винилацетат (EVA) были получены соответственно [13, 14, с. 15, 16].Модифицированный графен хорошо диспергировался в матрице LLDPE, а также в матрице EVA во время гидрофобного взаимодействия с алкильными цепями полимерной матрицы вместе с модификатором. Что касается прочности на растяжение, она действует с накопительным модулем в совокупности для композитов, поскольку они оптимально увеличиваются с помощью поверхностно-модифицированного графена до определенного предела, тем самым уменьшаясь с дополнительными наполнителями. Эпоксидно-графитовые композиты подробно описаны в исследованиях [17, 18, 19]. Было четко замечено, что небольшое количество поверхностно-модифицированного графитового материала в большей степени улучшает механическую, а также термическую стабильность по сравнению с чистой эпоксидной смолой.Это соответствует разумной площади поверхности и превосходной механической прочности графенового композита. Некоторые другие используемые полимеры для получения графитовых композитов известны как поливиниловый спирт, кристаллические полимеры, полипропилен, полипиррол, полиметилметакрилат, хитозан, целлюлоза, поликарбонат, полиэтилентерефталат и поливинилхлорид [20, 21, 22, 23, 24, 25 ]. Графитовые полимеры могут применяться в автомобилях, авиастроении, лопатках турбин, костных структурах и имплантации культур тканей [26, 27, 28, 29, 30].

2.2 Нанопокрытия: антимикробные средства и микроэлектроника

Углеродные нанотрубки являются многообещающим многофункциональным материалом для изготовления покрытий. Украшенные металлом УНТ рассматриваются как гибридные системы, которые могут быть получены с использованием тех УНТ, которые имеют карбоксильные группы, связывающие ионы переходных металлов, такие как Ag ⁺ и Cu ²⁺. Эти вышеупомянутые ионы вносят значительный вклад в их превосходную антимикробную активность по уничтожению бактериальных, а также грибковых микробов наряду с меньшей перекрестной резистентностью к антибиотикам (см. Рис. 3a и b) [31].MWCNT с лакокрасочными материалами успешно сокращают биообрастание корпусов судов, поскольку препятствуют внедрению водорослей с ракушками [32]. Следовательно, их называют альтернативой экологически загрязненным краскам биоцидного типа. Антикоррозионные покрытия включают в себя УНТ для металлов для повышения жесткости покрытия и усиления их, создавая электрический путь для создания катодной защиты.

Рисунок 3.

Сравнение функционального механизма низкомолекулярных антибиотиков и макромолекулярных антимикробных препаратов (а) механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам, (б) механизм мембранно-активных антимикробных пептидов.

Большой прогресс был достигнут в производстве УНТ на основе гибких и прозрачных проводящих тонких пленок [33, 34, 35], что доказывает альтернативный материал оксида индия и олова. Основной проблемой ITO является его дороговизна из-за нехватки индия. Однако огромная потребность в дисплеях, сенсорных экранах и фотоэлектрических элементах является стимулом. Более того, гибкость УНТ повышает прозрачность проводников, демонстрируя главное преимущество перед покрытиями ITO в отношении гибких дисплеев. Кроме того, прозрачные проводники УНТ осаждаются с помощью таких растворов, как нанесение покрытия с помощью щелевого штампа, а также ультразвуковое напыление наряду с экономичными нелитографическими методами, а также с помощью микропечати.Последние усилия были предприняты для изготовления пленок УНТ, демонстрирующих 90% прозрачность с удельным сопротивлением 100 Ом на квадрат, как видно из рисунка 4. Поверхностное удельное сопротивление, которое появилось так много, в значительной степени подходит для многообещающих применений. Однако существенно лучше, чем одинаково прозрачное и оптимальное легирование ITO-покрытием [36]. Широко распространенные применения предъявляют требования, относящиеся к тонкопленочным нагревателям из углеродных нанотрубок, и в основном используются для размораживания автомобильных окон, а также тротуаров.Все вышеперечисленные покрытия широко используются на промышленном уровне.

Рисунок 4.

Углеродные нанотрубки гибкая прозрачная проводящая пленка ((изображение любезно предоставлено Plasticstar material news).

В последнее время пленки УНТ стали прозрачными, однако эластичные гибкие углеродные нанотрубки часто могут иметь форму и размеры. размещаются на жестких или гибких изолированных поверхностях. Кусок тонких пленок углеродных нанотрубок, УНТ, может исследовать громкоговоритель без магнитов. Он может просто проявляться посредством приложения тока звуковой частоты, проходящего через него, как показано на рисунке 5.Пленочный громкоговоритель из УНТ производит звуковые волны с высокочастотным диапазоном, широким диапазоном уровней звукового давления с низким уровнем гармонических искажений [37]. Эти тонкие пленки УНТ ведут себя как транзисторы, что делает их более привлекательными для управления дисплеями на органических светодиодах. По этой причине они исследовали более высокую подвижность по сравнению с аморфным кремнием, осаждаемую низкотемпературными и безвакуумными методами. Сегодня гибкие УНТ-ТПТ, имеющие подвижность 35 см ² V ^-1 с ^-1, тогда как соотношение включения / выключения 6 × 10 ⁶ продемонстрировано на рис. 5a, d [38].

Рис. 5.

Тонкопленочные громкоговорители из углеродных нанотрубок (а) тонкую пленку УНТ вытащили из суперповерхностного массива УНТ, выращенного на 4-дюймовой кремниевой пластине, и поместили на два электрода рамы, чтобы получился громкоговоритель. (b) СЭМ-изображение тонкой пленки УНТ, показывающее, что УНТ выровнены в направлении вытяжки. (c) Тонкопленочный динамик CNT формата A4. (d) тонкопленочный громкоговоритель из УНТ цилиндрической формы клетки может излучать звуки во всех направлениях, диаметр 9 см, высота 8,5 см [39].

2.3 Смазочные материалы

Применения, соответствующие поверхностно-функционализированному графену, демонстрируют аналог присадок на нефтеперерабатывающем заводе благодаря развитию области исследований. Чрезвычайно большая механическая гибкость, прекрасное снижение трения, большая площадь поверхности и противоизносные свойства способствуют улучшению свойств. Кроме того, Zhang et al. также наблюдали смазку графитовой природы, модифицированную олеиновой кислотой [40]. Трибологические свойства были исследованы с использованием четырехшарикового трибометра, относящегося к маслянистому графену с модифицированной поверхностью.На рис. 6а, б показан оптимизированный для смазки графен с содержанием (0,02–0,06 мас.%), Демонстрирующий улучшенное трение, а также противоизносную активность, коэффициент трения 17% и диаметр пятна износа 14% соответственно. Желаемые характеристики трения были разработаны с помощью предложенной трибологической активности, как показано на рисунке 6c. Графитовый защитный слой стал заметным на каждой поверхности стального шара отдельно с меньшей концентрацией, тем самым улучшив противоизносные характеристики. С другой стороны, масляные пленки становятся прерывистыми с более высокой плотностью, которая считается ответственной за противоизносные свойства.Lin et al. исследовали (0,075 мас.%) стеариновую кислоту с модифицированной олеиновой кислотой графитовой природы в масляных трубах как на износостойкость, так и на КПД несущей машины [41]. В текущих отчетах также сообщается, что алкилированные графитовые органические растворители могут проявлять смазочные свойства, улучшая свойства [42]. Алкилированный графен с разной длиной алкильной цепи (Cn = 8, 12, 18) синтезируется реакцией в конденсированной среде (алкиламин + SOCl ₂-активированный GO). Это было исследовано через октадециламинографен, смешанный с гексадеканом.В этом случае было получено пониженное трение наряду с концентрацией износа (26% и 9%) по сравнению с гексадеканом.

Рис. 6.

Результаты теста с четырьмя шарами: (а) FC в зависимости от концентрации графена; (б) WSD в зависимости от концентрации графена; (c) схематическая диаграмма трибологического механизма листов графена как масляных добавок; (г) переход режима смазки [40].

2.4 Наножидкости

Потеря энергии в виде тепловой энергии замедляет работу различных инструментов и механической техники.Характеристики инструментов и оборудования можно улучшить, используя некоторые жидкости, такие как деионизированная вода, трансформаторное масло и термочувствительные жидкости. Способность жидкостей к теплопередаче меньше, что связано с ухудшением производительности и срока службы оборудования и машин, а также электронных схем. Чтобы продлить эффективность теплопередачи, добавление наноматериалов увеличивается в жидкостях, что может еще больше повысить эффективность. Baby et al. сообщается, что теплопроводность может увеличиваться до 14% с повышением температуры (25 ^ο ° C), а в качестве базовой жидкости используется деионизированная вода, объемная доля которой составляет всего 0.056% [43, 44]. Более того, теплопроводность увеличивается до 64% при 50 ^ο ° C, но с таким же содержанием, принадлежащим модифицированному графену. Ghozatloo et al. наблюдаемый 0,06 мас.% функционализированного графена может улучшить теплопроводность (14,2%) при обработке в воде (25 ^ο ° C) [45]. Наконец, теплопроводность увеличивается (18%) при повышении температуры до 52 ^ο C.

2,5 Прозрачные и гибкие проводящие пленки на основе графена для дисплеев и электродов

Графен используется в области электроники с помощью печати с переносом наряду с подходами, основанными на решениях.Chhowalla et al. [46] предложили эффективный подход для плавного осаждения с эффективным контролем восстановленного оксида графена в виде тонких пленок, имеющих толщину от одного монослоя до нескольких слоев на больших площадях. Оптоэлектронные свойства настраиваются в разумных пределах, что потенциально выгодно как для прозрачных полупроводников, так и для полуметаллов. Самые тонкие пленки демонстрируют поведение графитового амбиполярного транзистора. Однако толстые пленки ведут себя соответственно как графитовые полуметаллы [47, 48].Следовательно, предложенное осаждение в этом подходе предложило новые пути преобразования фундаментальных свойств, относящихся к графену, в жизнеспособные устройства. Более того, крупномасштабный рост прозрачных электродов был успешно представлен Hong et al. [49] В этой работе метод химического осаждения из газовой фазы использовался на тонких пленках никеля. Для формирования пленок и, таким образом, переноса на произвольные подложки применялись два метода. Графеновые пленки демонстрировали листовое сопротивление, а также оптическую прозрачность на желаемом уровне соответственно.Монослои графена были перенесены на подложки SiO ₂, демонстрирующие более высокую подвижность электронов наряду с полуцелым числом (квантовый эффект Холла). Высококачественный графен был выращен методом химического осаждения из паровой фазы, который показал лучшие результаты по сравнению с механически расщепленным графеном, как показано на рис. 7a – c. Благодаря исключительным механическим свойствам графен продемонстрировал макроскопическое использование на максимальном уровне, что привело к появлению проводящих электродов и прозрачных электродов в (гибкой и складной) электронике [50].

Рис. 7.

Процессы синтеза, травления и переноса крупномасштабных и узорчатых графеновых пленок, (а) синтез узорчатых графеновых пленок на тонких слоях никеля (б) травление с использованием FeCl ₃ (или кислот) и перенос пленок графена с использованием штампа PDMS (c) травление с использованием БОЭ или раствора фтороводорода (HF) и перенос графеновых пленок.

Кроме того, превосходные оптические и электронные свойства графена, то есть высокая подвижность, оптические свойства, тенденция к гибкости и устойчивость к окружающей среде, являются многообещающим материалом, относящимся к приложениям как в фотонных, так и в оптоэлектронных областях.В рамках этой поддержки была проделана обширная литературная работа, благоприятная для графеновой фотоники, оптоэлектроники и других приложений, предложенных Феррари и др. [51]. Из научного содержания, включенного в обзор, четко показаны проводящие пленки на основе графена и проводящие пленки на основе оксида графена (GO), которые использовались в синтезе различных фотонных с оптоэлектронными устройствами. Такое оборудование, как неорганические и органические электроды сенсибилизированных красителями солнечных элементов, светодиоды, а также электрохимические элементы, сенсорные экраны, поглотители на основе графена.

Графеновые электроды, демонстрирующие высокоэффективные полевые транзисторы, были изготовлены Kim et al. [52]. Чтобы оптимизировать производительность устройств, авторы контролировали работу выхода, прикрепленную к графеновым электродам, посредством функционализации поверхности подложки SiO ₂. NH ₂ может отдавать электроны, которые считаются терминированными SAM, но они сильно индуцируются n-легированием в графене. С другой стороны, SAM с концом CH ₃ способствовали нейтрализованному р-легированию, которое строго индуцировалось через SiO ₂ -подложки.В результате значительно изменилась работа выхода графенового электрода. Более того, SAM наблюдались как устойчивые по шаблону доходности. Кроме того, результаты работы могут быть использованы для изготовления различных соединений графитовой природы, которые легли в основу как электронных, так и оптоэлектронных устройств.

Графеновые пленки обладают не только оптическими, но и механическими свойствами по сравнению с другими прозрачными тонкими пленками, особенно в фотонике и оптоэлектронике. Однако, что касается проводимости, она уступает по сравнению с обычными электродами (ITO), имеющими сопоставимую прозрачность, что приводит к более низким характеристикам устройств, работающих с прозрачными тонкими пленками на основе графена.Ahn et al. [53] представили эффективный метод преодоления недостатков и улучшения графеновых пленок в отношении характеристик электростатического легирования, которое применялось через сегнетоэлектрический полимер. Вышеупомянутые графеновые пленки, демонстрирующие сегнетоэлектрическую поляризацию, были использованы для изготовления ультратонких органических солнечных элементов (ОСЭ). ОСЭ на основе графена продемонстрировали превосходную эффективность, а также превосходную стабильность по сравнению с ОСЭ на основе графена, которые были химически легированы. Более того, ОСЭ, изготовленные из сверхтонкой сегнетоэлектрической пленки, действуют как подложка с небольшими микрометровыми размерами, демонстрируют привлекательную механическую гибкость, а также долговечность.В последнем случае они могут быть свернуты в цилиндрические формы диаметром 7,5 мм.

2.6 Разделительные мембраны на основе графена

Листы с нанопорами графена используются в качестве разделительных мембран, возникающих и охватывающих различные, начиная с теоретических исследований, представленные Král et al. [54]. Они были названы модифицированными нанопорами, включающими монослои графитового типа, что явилось результатом молекулярно-динамического моделирования, обеспечивающего превосходную сферу гидратированных ионов. Ионы в частично очищенном состоянии, связанные с гидратными оболочками, могут проникать через бесконечно малые поры диаметром ∼5 Å, такие как фтор с оканчивающимися азотом поры, пропускающие поток Li ⁺, Na ⁺ и K ⁺, как положительные ионы. с соотношением 9:14:33 систематически, тогда как отрицательные ионы строго запрещены.С другой стороны, поры с концевыми водородными группами ускоряют анионы F ^—, Cl ^— и Br ^— вместе с определенным соотношением 0:17:33, а не блокируют прохождение катионов. Вышеупомянутые нанопоры могут обеспечить многообещающие применения в различных областях, в частности, в устройствах для разделения молекул и накопления энергии соответственно.

Кроме того, Jiang et al. [55] внесли свой вклад в работу, касающуюся проницаемости, а также селективности, связанной с листами графена, структурированными с порами нанометрового масштаба, применяя теорию функционала плотности для необходимых расчетов.Исследователи исследовали превосходный порядок величины селективности, который составлял 10 ⁵ для H ₂ / CH ₄, демонстрируя отличные характеристики со стороны H ₂ в случае пор, обработанных азотом. Кроме того, авторы отчета исследовали избирательность на чрезвычайно высоком уровне, эквивалентном 10 ²³ для H ₂ / CH ₄ для всех функционализированных водородом пор с бесконечно малой шириной 2,5 Å, представляющей барьер (1,6 эВ) для метана ( CH ₄₎, тогда как преодолимый для H ₂ с магнитудой 0.22 эВ. Эти результаты показали, что поры превосходят полимеры, а также кремнеземные мембраны. В то время как объемная растворимость наряду с коэффициентом диффузии играет доминирующую роль в переносе молекул газа по всему материалу. Результаты показали, что листы пористого графена толщиной в один атом ведут себя как высокоэффективные и селективные мембраны, подходящие для разделения газов. Вышеупомянутые типы пор могут иметь широкое распространение в различных энергетических устройствах с технологическим применением.

Молекулярно-динамическое моделирование, используемое Xue et al.[56] исследовали стратегию отделения CO ₂ от смеси CO ₂, тогда как газ N ₂ через пористые графеновые мембраны. Листы графена химически функционализированы, чтобы наблюдать его эффекты, в то время как эффективность пористых графеновых мембран для разделения была контролируемым образом исследована. Исследователи исследовали химическую функционализацию графеновых листов, которая может увеличить поглощающую способность газа CO ₂. С другой стороны, химическая функционализация края поры значительно увеличивает селективность CO ₂ по сравнению с молекулами газа N ₂.Результаты продемонстрировали универсальное использование функционализированного пористого графена для разделения CO ₂, а также для разделения N ₂. В результате авторы предложили эффективную стратегию, улучшающую газоразделительную способность пористых графеновых мембран [57].

Использование нанопористого графена для опреснения воды было предложено Гроссманом и др. [58]. Используя классическую молекулярную динамику, эта работа представила пористый однослойный графен нанометрового масштаба, который может эффективно отфильтровать (NaCl) от воды.Кроме того, авторы исследовали характеристики опреснения, соответствующие мембране, исследуя функционирование размера пор, химической функционализации, а также приложенного давления. Результаты указывают на способность мембраны предотвращать проникновение соли, и все зависит от размера пор, а также от размера пор, подходящего для потока воды, в то время как прохождение ионов было запрещено. Дальнейшие исследования показывают, что роль функциональных групп, появляющихся на краях графена в гидроксильной группе, может иметь обычно двойную гидрофильную природу.Однако поток воды увеличивается из-за активности отторжения солей с меньшим количеством, соответствующим способности гидроксильной группы замещать молекулы воды в гидратной оболочке ионов. Коллективные и достигнутые результаты, которые исследовали водопроницаемость соответствующего материала, были явно более значительными по сравнению с мембранами обратного осмоса традиционно, таким образом, NPG может сыграть важную роль в очистке воды [59, 60].

Этот же период охватил Karnik et al.[61] изучают также, кто выборочно предложил перенос молекул с использованием однослойного (CVD) графена с собственными дефектами. В этом случае небольшая измеренная площадь была идентифицирована более 25 мм ², но, в свою очередь, она была перенесена на пористую поликарбонатную подложку. Коллективный вклад управляемого давлением, а также диффузионного переноса с представленными точными измерениями подтверждает доказательства в отношении избирательного по размеру транспорта молекул материала, проходящих через мембраны. Они были приписаны присутствию низкочастотных пор в диапазоне диаметров 14 нм, соответствующих (CVD) графену, как показано на рисунке 8.Следовательно, авторы предложили первый шаг к появлению селективных мембран на основе графена [62, 63, 64, 65].

Рис. 8.

(a) Графеновая композитная мембрана (GCM) состоит из графена большой площади на поликарбонатной дорожке травления (PCTE) мембраны, (b) проницаемость CVD-графена, KG, рассчитанная для трех мембран с использованием простого схемная модель (вставка), указанная как функция диаметров молекул. Для наглядности показаны только две поры, одна из которых покрыта графеном.Серая область обозначает предсказание континуальной модели для графена с пористостью от 0,025% до 0,15% [61].

Предыдущая работа была продолжена [66] для молекулярного сита с использованием пористого графена. В этом отношении Bunch et al. [67] также изготовили клапаны для управления переносом газовой фазы через графен, содержащий дискретные наноразмерные поры. Отчеты выявили и идентифицировали поток газа, проходящий через дискретные наноразмерные поры, присутствующие в монослое графена, которые могут быть обнаружены, а также контролироваться с помощью кластеров золота нанометрового размера.Эти кластеры центрируются на поверхности графена мигрирующими порами, но также частично блокируют их. Однако образцы, не содержащие кластеров золота, указывают на стохастическое переключение количества молекул газа, приписывающее перестройку желаемых пор. Кроме того, ранее изготовленные молекулярные клапаны могут быть задействованы, в частности, для развития идеальных подходов к молекулярному синтезу, которые считаются основой для контролируемого переключения, связанного с потоком молекулярного газа [68, 69].

2.7 Биосенсоры

Датчики считаются устройствами, которые могут определять изменения в происходящих событиях. В различных исследованиях сообщалось, что УНТ можно использовать в таких сенсорах, как химические, термические, биологические и газовые соответственно. Кроме того, УНТ могут вести себя как датчики потока [70, 71]. Было замечено, что поток жидкости на пучках SWCNT создает напряжение, нормальное в направлении потока, и может быть использован в ближайшем будущем в виде микромашин, работающих в текучей среде, например, кардиостимуляторов, работающих без тяжелой батареи, а также подзарядка [70].Пьезорезистивные датчики давления могут быть изготовлены с использованием УНТ. ОСУНТ также выросли на поликремниевых мембранах [72]. Равномерное давление вызывает изменение сопротивления ОУНТ, которое наблюдалось в мембранах. С точки зрения Caldwell et al. [73] Изготовление пьезорезистивного материала предложило датчики давления для УНТ, которые могут кардинально изменить биомедицинскую промышленность, а также различную диагностическую природу пьезорезистентности, а также терапевтические устройства, которые недавно были применены в области датчиков. Более того, биосенсоры, изготовленные из УНТ, используются для определения концентрации дезоксирибонуклеиновой кислоты в организме.Вышеупомянутые инструменты также обнаруживали определенные участки ДНК, соответствующие определенному типу заболевания [74]. Упомянутые ранее сенсоры становятся способными обнаруживать только несколько молекул ДНК, содержащих определенные последовательности, тем самым увеличивая вероятность диагностики пациентов, обладающих определенными последовательностями, которые тесно связаны с раковыми генами. Кроме того, для определения глюкозы подходящим образом использовались биосенсоры. Химические сенсоры УНТ, особенно для жидкостей, также могут использовать сенсорную способность для полного или частичного исследования крови.В этом случае предлагаются биосенсоры, способные определять натрий, а также определять значение pH соответственно [75].

Обладая небольшими размерами и привлекательными электрохимическими свойствами, углеродные нанотрубки играют важную роль в качестве компонента биосенсоров. Кроме того, электроды, изготовленные из УНТ, обладают интересными электрохимическими свойствами по сравнению с ранее доступными электродами и демонстрируют лучшее качество [76]. Биосенсоры на основе УНТ имеют высокое соотношение сторон, которое позволяет трубкам превращаться в белки, так что часто происходит перенос электронов, связанный с ферментами, такими как глюкозооксидаза, где окислительно-восстановительные центры, по наблюдениям, недоступны (см. Рисунок 9) [78].Более того, химически модифицированные УНТ стали эффективным подходом для внесения свойства селективности в полученные биосенсоры, которые в достаточной степени используются для исследования чувствительности для обнаружения молекул ДНК [79]. Однако в ближайшем будущем можно ожидать значительных усилий, направленных на предотвращение поглощения биомолекул на поверхности стенок трубок, тогда как многообещающие достижения ранее внесли значительный вклад в этом отношении [80]. Дальнейшие достижения могут расширить диапазон молекул, которые должны быть модифицированы, которые считаются присоединяемыми к нанотрубкам, в то время как ферменты, а также нуклеиновые кислоты вместе с некоторыми металлическими нанокристаллами до сих пор широко используются для удовлетворения потребности.Особое внимание уделяется электрополимеризованным покрытиям, которые могут быть получены с различными концентрациями, имеющими точную и контролируемую толщину [81].

Рисунок 9.

Схема процесса синтеза биосенсоров на основе ДНК [77].

2.8 Топливные элементы

Что касается топливных элементов, то они используются для прямого преобразования химической энергии в электричество с большой эффективностью и показали отличные результаты в различных приложениях [82, 83, 84].В топливных элементах катализаторами на поверхности мембран являются, в частности, ПЭМ, изготовленные из графена. В последнее время проводятся многочисленные исследования по оценке вероятности замены платинового катализатора металлами или оксидами металлов и металлическим катализатором, функционализированным азотом [85, 86]. Однако некоторые катализаторы сталкиваются с такими проблемами, как стабильность, а также активность по сравнению с платиновым катализатором. Активированный уголь демонстрирует способность решать указанные проблемы, но, соответственно, имеет определенные ограничения.Они обладают большой площадью поверхности из-за нестабильности, что вызывает серьезные проблемы, если для этой цели не используется подходящий материал. Технологические разработки графена, основанные на использовании активных углей, предложили более сильные заменители платины, обладающие высокой проводимостью, тогда как площадь поверхности считается высокой наряду с адгезионными свойствами для катализатора [87, 88]. Оксид графена, производное графена, состоит из большого количества функциональных групп, что делает их лучшими для центров зародышеобразования, таких как наночастицы катализатора, беспорядочно расположенные на краях поверхности [89].Обширное использование графена показано в топливных элементах, показывающих материал подложки для анодного катализатора и заменяющий также катодный катализатор, а также автономную электролитную мембрану и биполярные пластины. Можно резюмировать всю работу, касающуюся роли графена в различных компонентных формах. Платина, как и ее сплавы, считаются обычными катализаторами электродов топливных элементов. Они представляют собой либо анод, либо катод, расположенный в топливных элементах. Эти топливные элементы питаются водородом и другим углеводородным метанолом [90], а также этанолом [91].Платина дорогая, доступная и ограниченная, а также вызванная полученными промежуточными продуктами, в то время как реакции окисления проводятся на различных видах топлива [92]. Были применены различные подходы для уменьшения загрузки катализатора или полной замены Pt-катализатора за счет использования бесценных каталитических реакций на анодах [93], а также на катодных [94] терминалах топливных элементов.

2.9 Суперконденсаторы

Суперконденсаторы обладают превосходными свойствами, такими как плотность энергии, ультратонкость и длительный срок службы, и поэтому оказались многообещающими кандидатами в электрохимические системы хранения энергии [95, 96, 97].Первоначально суперконденсаторы можно разделить на электрические двухслойные, а также псевдоконденсаторы в зависимости от механизмов накопления энергии. В первой категории заряды накапливаются электростатически на границе раздела электрода и электролита за счет образования двойного электрического слоя. Накопление заряда — это уникальная физическая сущность, в которой нет химической реакции, это называется нефарадеевским процессом. Двойной электрический слой ведет себя как диэлектрик, тогда как емкость доказывает прямую функцию благодаря площади поверхности электрода.Следовательно, наноматериалы на основе углерода, обладающие большой площадью поверхности для электродов, увеличивают емкость электрических двухслойных конденсаторов. На зарядно-разрядную работу указывает способность EDLC к абсорбции-десорбции ионов. Ионы направляются, образуя EDL, во время приложения напряжения к электродам, которые, в свою очередь, заряжают EDLC для целей управления. Было замечено, что углеродистые электроды демонстрируют мелкую электрохимическую площадь поверхности, наследуя большую пористость, вызванную созданием увеличенной межфазной области, образующей заметный EDL.Углеродистые материалы обладают привлекательными электрическими свойствами, благодаря чему их называют основным типом EDLC [98]. В отличие от EDLC, псевдоконденсаторы демонстрируют способность быстрой (фарадеевской) зарядки с реакциями переноса, которые проводятся на твердых электродах, а также на электролитах. В результате, передача фарадеевского заряда является системой, зависящей от приложенного напряжения. Фундаментальные электрохимические реакции псевдоемкости включают хемосорбцию наряду с электросорбцией из электролита. Электролит привлекает окислительно-восстановительные реакции (окисление и восстановление), в результате чего образуются сайты интеркаляции / деинтеркаляции, относящиеся к активным электродам.Предполагается, что предыдущие электрохимические процессы зависят от поверхности. Чтобы продвинуть электрохимические свойства, приписываемые конденсаторам, большие усилия были направлены на то, чтобы сделать функционализацию / гибридизацию связанной с различными материалами или наноструктурированными оптимизированными перспективными кандидатами [99].

Что такое проводимость в науке? — Определение и примеры — Видео и стенограмма урока

Хорошие проводники тепла и электричества

В целом, если объект является хорошим проводником тепла, обычно следует, что этот объект также является хорошим проводником электричества.Материалы классифицируются как хорошие проводники, если они позволяют потоку заряженных частиц и электрической энергии свободно проходить через них.

Некоторыми примерами хороших проводников обычно являются металлы, такие как серебро, медь, железо и алюминий. Их степень проводимости зависит от типа металла. Металлы обычно являются хорошими проводниками, потому что по крайней мере один электрон на атом может свободно перемещаться между атомами и передавать тепло и электричество. В списке проводников серебро вообще лучший проводник.

Неметаллические материалы, такие как грязная вода, бетон и графит, также являются проводниками. Грязная вода, в отличие от чистой, содержит ионы, которые делают ее хорошим проводником электричества. Бетон по-прежнему является проводником, но он гораздо менее проводящий, чем металлы. Графит, хотя и неметалл, все же способен проводить электричество, потому что у него есть свободные электроны, которые могут перемещаться внутри объекта для передачи электричества между атомами.

Другие материалы, такие как резина, дерево, стекло и сухой хлопок, не являются хорошими проводниками, потому что электроны внутри этих материалов не могут свободно перемещаться. Следовательно, тепло и энергия не передаются в материале так эффективно. Иногда мы надеваем резиновые перчатки, чтобы защитить себя от поражения электрическим током. Когда мы покрываем провода, мы также используем изоленту, которая сделана из пластика, который также является плохим проводником.Это также помогает предотвратить поражение электрическим током.

Краткое содержание урока

Проводимость возникает, когда энергия передается через объект из-за движения частицы при контакте. Передаваемая энергия находится в форме тепла или электричества, поэтому мы обсудили два типа проводимости: теплопроводность и проводимость электричества .

Существуют материалы, которые эффективно проводят тепло и электричество, в основном металлы, такие как медь, алюминий, серебро и железо.Некоторые неметаллы, такие как графит, бетон и грязная вода, также служат проводниками, но они не так эффективны, как металлы. Степень проводимости различается для разных материалов. Некоторые материалы, такие как дерево и резина, являются очень плохими проводниками.

Ключевые термины

Два типа проводимости

Проводимость : передача энергии в форме тепла или электричества от одного атома к другому в объекте в результате прямого контакта
Проводимость тепла : происходит, когда молекулы вибрируют из-за повышения температуры, которая передает тепловую энергию окружающим молекулам
Электропроводимость : возникает из-за движения электрически заряженных частиц через среду
Хорошие проводники : материалы, позволяющие потоку заряженных частиц и электрической энергии свободно проходить через них

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

Описать, что такое проводимость, и определить два типа
Объясните, что делает хорошего проводника
Перечислите примеры хороших проводников

Какие металлы лучше всего рассеивают тепло

Некоторые металлы рассеиваются нагреваются более эффективно, чем другие, и эта теплопроводность важна в ряде приложений.Теплопроводность — это мера металла способность проводить тепло. Это означает, что металл охлаждает температуры в процессе рассеяния.

Металлы с самая высокая теплопроводность у меди и алюминия. Самые низкие из стали и бронза.

Металлы, проводящие тепло эффективно используются в приложениях, где важна передача тепла, либо как часть процесса охлаждения или нагрева. С другой стороны, металлы любят сталь, которая плохо проводит тепло, подходит для высоких температур среды, в которых термостойкость имеет решающее значение.

Например, как эффективный теплопровод, медь используется в нагревательных стержнях и проводах, горячей воде резервуары и теплообменники. Точно так же алюминиевые сплавы являются наиболее распространенными. материал в радиаторах.

Где термостойкость важная функция, то металлы с низкой теплопроводностью наиболее уместны, например, авиационные двигатели из стали.

В теплопроводности применения, эти металлы должны быть сначала изготовлены, чтобы сделать их пригодными для их конечная цель.Вот почему высокая температура изоляция и системы безопасности печи имеют решающее значение для литейного производства и сталелитейной промышленности .

Теплообменники

Теплообменники устройства, передающие тепло от одной формы к другой. Этот обмен материей может быть жидкостью, такой как масло или вода, или движущимся воздухом. Главный металл в жаре теплообменники изготовлены из меди, но алюминий может стать рентабельной альтернативой некоторые приложения. Оба используются, потому что они хорошо проводят тепло.

Распространенный вид тепла обменник радиатора автомобиля. Охлаждающая жидкость двигателя сделана из слоев металла. листы, сложенные вместе, с алюминиевым сердечником.

Охлаждает двигатель за счет циркуляция жидкой охлаждающей жидкости на водной или масляной основе. Эта жидкость нагревается через блок двигателя, затем теряет тепло через радиатор перед тем, как быть вернулся к двигателю.

— Теплообменники также используются в авиационных двигателях для отвода избыточного тепла, а также в военной технике, лазерах, рентгеновских лучах и источниках питания.

-Промышленные объекты, на которых используются теплообменники, включают атомные электростанции и химические заводы. Обычно это трубы из медно-никелевого сплава с хорошей устойчивостью к коррозии.

-Газоводяные теплообменники передают тепло, вырабатываемое газовым топливом, воде в бытовых и коммерческих котлах.

-Испарители приводят в действие теплообменник воздух-воздух в воздушных тепловых насосах, используемых в бытовых и коммерческих системах отопления.

Радиаторы

Это особая форма теплообменника зависит от теплопроводности для передачи тепла, выделяемого электронные или механические устройства в движущуюся охлаждающую жидкость, которая затем отводит тепло в охлаждение.

Опять же, здесь используются металлы. с высокой теплопроводностью.

Радиаторы обычно изготовлен из алюминиевого сплава, обладающего одной из самых высоких теплопроводности ценности. Они используются в полупроводниках для различных потребителей и промышленная электроника.

В компьютерах используются радиаторы для охлаждения центральных процессоров и графических процессоров, но вы также найти их в силовых транзисторах и светодиодах.

Возможно, проще узнаваемое применение теплопроводности с учетом рассеивания тепла качества, есть посуда.У высококачественных сковородок медное дно, потому что это будет быстро проведите тепло, равномерно распределяя его по поверхности.

Способы плавки алюминия и меди

Как теплопроводящий металлы, медь и алюминий имеют огромное практическое значение. Однако плавка Сам процесс извлечения этих металлов из руд требует квалифицированных термических управление.

Индукционные печи обычно обрабатывают медь и алюминий, который имеет высокую температуру плавления 1083 ° С.Этот индукционный нагрев чище и энергоэффективнее, чем традиционными методами, но требует точного контроля температуры и термического управление.

Индукционные печи не обладают способностью к рафинированию, поэтому обрабатываемые ими материалы сначала должны быть очищены от любые продукты окисления. Эти печи могут быть как без сердечника, так и с расплавленным металлом. металлическая петля, намотанная через железный сердечник.

Изоляция и безопасность печи

Как медь и алюминий используются в теплопередаче, поэтому этот процесс помогает фактическому производству этих металлы в первую очередь.Микропористая высокотемпературная изоляция помогает предотвращают передачу тепла в печах, плавящих эти металлы.

микропористый Элмелин материал называется Elmtherm и бывает нескольких сортов. В алюминии системы отмывки оптимизируют движение и сводят к минимуму потери тепла; и в таянии печей это помогает поддерживать равномерное распределение тепла и качество готовый продукт.

Другой аспект меди а выплавка алюминия обеспечивает безопасность печи. Vapourshield особенно эффективен для контроля выбросов при плавлении медных сплавов, разные химические компоненты.

Поддерживающая теплопроводность

Elmelin поддерживает широкий ряд отраслей промышленности, которые полагаются на процессы теплопередачи с использованием термического проводящие металлы, рассеивающие тепло. Мы также обеспечиваем существенно высокий температурная изоляция для литейных производств, которые обрабатывают эти металлы. Для большего информации, пожалуйста, позвоните нам по телефону +44 20 8520 2248, по электронной почте [email protected] или заполните нашу онлайн-форму запроса . Мы будем свяжемся с вами как можно скорее.

Низкая решеточная теплопроводность станена

Кристаллическая структура и дисперсия фононов

На рисунке 1 показана оптимизированная структура станена.Подобная конфигурация с низким изгибом также встречается в силицене, германене и голубом фосфоре ^6,7,8,16,17, который отличается от плоской геометрии графена ¹⁸. Оптимизированная постоянная решетки и высота выпучивания составляют 4,67 Å и 0,85 Å соответственно, что хорошо согласуется с предыдущей работой ^6,7,9. В одной элементарной ячейке находятся два атома олова, соответствующие трем акустическим и трем оптическим фононным ветвям.

Рисунок 1
( a ) вид сверху и ( b ) вид сбоку станена.
На рис. 2 показана рассчитанная дисперсия фононов. Подобно α-Sn и β-Sn ¹⁹, продольная акустическая (LA), поперечная акустическая (TA) и акустическая в z-направлении (ZA) ветви станена являются линейными вблизи точки Γ, что заметно отличается от квадратичной Дисперсия ZA-ветви в графене ²⁰. Это различие между графеном и станеном происходит из-за структурных различий. В плоском графене квадратичная дисперсия ZA-ветви вблизи точки Γ может быть объяснена как следствие полного разделения мод Z и мод XY из-за D _{6 h} точечной групповой симметрии ^{21, 22}.Однако выпученная структура станена приводит к симметрии точечной группы D _{3 d}, что нарушает симметрию отражения ( z → — z ), и, следовательно, Z-моды станена соединяются с XY мод ²³, что приводит к линейной дисперсии ZA-фононов вблизи Γ-точки.
Рисунок 2
Фононная дисперсия и DOS станена.
Три акустических и три оптических фононных моды обозначены разными цветами.
Используя фононный спектр, мы вычисляем групповые скорости акустических фононов вдоль Γ-M и Γ-K соответственно, как показано на рис. 3 (a, b). Анизотропия групповых скоростей по двум направлениям слабее, чем у черного фосфора и SnSe ^24,25. Как показано на рис. 3 (c), групповые скорости фононов указывают на слабую анизотропию в пределах всей первой зоны Бриллюэна (BZ). Значительно меньшие скорости звука обнаружены в станене (1300–3600 м / с по сравнению с 5400–8 800 м / с в силицене ²⁶, 4200–6 800 м / с в MoS ₂ ²⁷, 4000–8000 м / с в синем фосфорене ¹⁷ и 3,700–6,000 м / с в графене (²⁸).Для фононов LA, TA и ZA скорости звука на длинноволновом пределе составляют примерно 3548,7 м / с, 1811,4 м / с и 1303,7–1536,8 м / с соответственно.
Рисунок 3
Групповые скорости фононов в направлении ( a ) Γ-M и ( b ) Γ-K и ( c ) в пределах первой BZ.
Параметр Грюнайзена, который предоставляет информацию об ангармонических взаимодействиях, задается как
, где a ₀ — постоянная решетки равновесия, j — индекс фононной ветви и q — волновой вектор.На рис. 4 показаны параметры Грюнайзена в пределах первой БЖ. Обнаружена сильная анизотропия параметров Грюнайзена ТА-фононов на высоких частотах, в то время как изотропия параметров Грюнайзена LA- и ТА-фононов на низких частотах указывает на то, что ангармонизм этих фононов подобен от одного волнового вектора фонона к другому. Низкочастотные фононы вносят наибольший вклад в решеточную теплопроводность станена из-за их более высоких групповых скоростей и более слабого рассеяния. Следовательно, не зависящие от ориентации групповые скорости фононов и параметры Грюнайзена на низких частотах имеют решающее значение для понимания транспорта фононов в станене.
Рисунок 4
Расчетные параметры Грюнайзена в пределах первой BZ.
Решеточная теплопроводность
Собственная решеточная теплопроводность κ природного станена рассчитывается с использованием решения как итерационного, так и одномодового приближения времени релаксации (SMA), как показано на рис. 5. В отличие от анизотропии теплопроводности наблюдаемый в черном фосфорене и SnSe ^24,25,29, которые обладают шарнирной структурой, изотропный κ обнаружен в станене, который аналогичен другим 2D-гексагональным материалам с симметрией C ₃, таким как силицен, синий фосфорен, графен и монослой MoS ₂ ^{17,30,31,32,33,34}.
Рисунок 5
Расчетная решеточная теплопроводность κ станена как функция температуры в диапазоне от 100 K до 800 K с использованием итеративного (красный) и SMA (синий) решения БТЭ.
Обратная зависимость κ и температуры (κ ~ 1/ T ) отображается пунктирными линиями.
Теплопроводность итерационного решения при 300 К составляет 11,6 Вт / мК и 11,9 Вт / мК для природного и изотопно чистого станена соответственно. Встречающийся в природе Sn состоит из 0.97% ¹¹² Sn, 0,65% ¹¹⁴ Sn, 0,36% ¹¹⁵ Sn, 14,7% ¹¹⁶ Sn, 7,7% ¹¹⁷ Sn, 24,3% ¹¹⁸ Sn, 8,6% ¹¹⁹ Sn, 32,4 % ¹²⁰ Sn, 4,6% ¹²² Sn и 5,6% ¹²⁴ Sn.
Измеренное при комнатной температуре κ пленки олова толщиной 500 нм составляет 46 ± 4,2 Вт / мК, тогда как для толщины 100 нм κ составляет 36 ± 2,88 Вт / мК ³⁵, что ниже, чем при комнатной температуре. температура κ объемного олова, 64 Вт / мК. Обратите внимание, что когда толщина тонкой пленки Sn уменьшается, фононы становятся более чувствительными к граничному рассеянию ³⁵, что еще больше снижает значение κ.Таким образом, меньшее рассчитанное значение κ для станена является разумным ожиданием. Температура Дебая Θ _D может быть рассчитана из наивысшей частоты нормальной вибрации (частота Дебая) v _м = 1,51 ТГц,
, где h — постоянная Планка, а k _B — постоянная Больцмана. Расчетная температура Дебая составляет 72,5 К, что почти в три раза ниже, чем у β-Sn, равного 200 ± 3 К ³⁶.Поскольку температура Дебая является мерой температуры, выше которой все моды начинают возбуждаться, а ниже которой моды начинают вымораживаться ^33,37, этот низкий показатель _D в станене также указывает на то, что κ станена намного ниже, чем у олова в массе.
Согласно кинетической формуле теплопроводности сборки с полной удельной теплоемкостью C , средней скоростью фононов v и MFP l , , т.е. κ = 1/3 Cvl , когда температура составляет значительно выше температуры Дебая Θ _D, C постоянна, в то время как доминирующие трехфононные ангармонические процессы при высоких температурах приводят к l ∝ 1/ T ^38,39.Мы аппроксимируем рассчитанный κ выше Θ _D, который показывает обратную зависимость от температуры, , то есть κ ~ 1/ T . Как показано на рис. 5, подобранный κ (нанесенный пунктирными линиями) полностью совпадает с рассчитанным κ. Такое обратное соотношение κ и T также встречается в других материалах, таких как графен, черный фосфорен, PbSe и Mg ₂ (Si, Sn), когда T > Θ _D ^{24,40,41 , 42}. Кроме того, мы сравниваем теплопроводность, рассчитанную на основе итерационного решения и решения SMA.Разница между двумя подходами очень мала. Следует отметить, что SMA предполагает, что отдельные фононы возбуждаются независимо, что не имеет памяти о начальном фононном распределении, поэтому SMA неадекватен для описания сохраняющего импульс характера нормальных процессов, и он работает хорошо, только если процессы Umklapp доминировать ⁴³. Наши результаты указывают на доминирующую роль процессов переброса в фонон-фононных взаимодействиях в широком диапазоне температур.
По сравнению с другими 2D-гексагональными материалами, κ станена меньше, чем у силицена (26 Вт / мК) ³⁰, монослой MoS ₂ (34,5 ± 4 Вт / мК) ^33,44 и синий фосфор (78 Вт / мК) ¹⁷, при этом как минимум на два порядка меньше, чем у графена (3000 Вт / мК) ^30,31. Более низкий κ станена обусловлен более низкой температурой Дебая (72,5 К по сравнению с 500 К для монослоя MoS ₂ и голубого фосфора ^17,45 и 2300 К для графена ⁴⁶).Температура Дебая отражает величину скорости звука. Более низкая температура Дебая приводит к пониженным скоростям фононов, как упоминалось выше, и более высоким скоростям рассеяния фононов, поскольку при данной температуре активны больше фононных мод ^33,37,47.
Для высоких показателей TE требуется, чтобы система была плохим проводником для фононов и хорошим проводником для электронов. Как двумерный топологический изолятор с более низкой решеточной теплопроводностью, станен может реализовать гораздо более высокую термоэлектрическую эффективность, чем другие двумерные материалы, что делает его многообещающим кандидатом для термоэлектрических устройств следующего поколения.
Кроме того, мы исследуем вклады различных фононных ветвей в κ станена, как показано на рис. 6. Вклад LA-фононов составляет более 57% в диапазоне температур от 100 К до 800 К, что превышает 28%. в MoS ₂ ³², 26% в синем фосфоре ¹⁷ и 8% в графене ⁴⁸. Вклад ZA-фононов в κ станена (13%) намного меньше, чем вклад графена (80%) ³⁰, голубого фосфора (44%) ¹⁷ и монослоя MoS ₂ (39%) ³², но крупнее силицена (7.5%) ³⁰. Сообщалось, что большой вклад ZA-моды в κ графена обусловлен правилом отбора по симметрии в материалах толщиной один атом, которое сильно ограничивает ангармоническое фонон-фононное рассеяние ZA-моды ⁴⁰, в то время как изогнутая структура станена, силицена и голубого фосфорана нарушает внеплоскостную симметрию, в которой правило отбора не применяется. В результате предсказанный вклад ZA-фононов в κ в станене намного меньше, чем в графене при 300 К.Чтобы лучше понять физику, мы подробно исследуем механизм рассеяния фононов.
Рисунок 6
Процентный вклад каждой фононной моды в κ в зависимости от температуры.
Время релаксации и фазовое пространство для трехфононных процессов
Учитывая значительную разницу во вкладе акустических фононных мод в κ в станене и других 2D-гексагональных материалах, целесообразно исследовать время релаксации каждой фононной моды как функция частоты, как показано на рис.7. На рис. 7 (а) время релаксации трехфононной моды LA является самым большим, а время релаксации оптических фононов намного меньше, чем время релаксации акустических фононов. Мы также вычисляем время изотопической релаксации, как показано на рис. 7 (б). Процессы изотопного рассеяния зависят от длины волны. Длинноволновые фононы могут переносить все тепло с очень небольшим изотопическим рассеянием ⁴⁹, таким образом, мы наблюдаем относительно большое время изотопической релаксации акустических фононов на низких частотах.Обратное к полному времени релаксации является суммой вкладов ангармонического трехфононного рассеяния и изотопического рассеяния ^32,38,
Рисунок 7
Трехфононный ( a ) изотопный ( b ) и ( c ) полное время релаксации каждой фононной ветви как функция частоты.
Таким образом, трехфононные процессы с гораздо более коротким временем релаксации будут доминировать в общем времени релаксации. Полное время релаксации станена показано на рис.7 (в). Он имеет тот же порядок величины, что и графен, MoS ₂ и силицен ^26,48,50. Как показано на рис. 7 (c), полное время релаксации моды LA имеет большие значения вблизи акусто-оптической щели частот, в то время как оно все еще сравнимо с временем релаксации других акустических фононных мод на низких частотах. Для более глубокого исследования механизма рассеяния фононов рассчитаем допустимое фазовое пространство для трехфононных процессов P ₃.
В диапазоне температур, где преобладают трехфононные процессы, полное фазовое пространство для трехфононных процессов P ₃ определяется как ^15,51
, где Ω — коэффициент нормализации, а
и
где соответствует абсорбционным процессам, i.е . , а соответствует эмиссионным процессам , т.е. . . Согласно формуле. (4, 5, 6), P ₃ содержит большое количество событий рассеяния, которые удовлетворяют условиям сохранения и могут использоваться для количественной оценки количества каналов рассеяния, доступных для каждой фононной моды. Менее ограниченное фазовое пространство для трехфононных процессов подразумевает большее количество доступных каналов рассеяния. Следовательно, существует обратная зависимость между P ₃ и собственной решеточной теплопроводностью материала ^38,51.
P ₃ для процессов поглощения и выброса показаны на рис. 8 (a, b) соответственно. Фазовое пространство для процессов поглощения LA-фононов намного меньше, чем для ZA- и TA-фононов, в то время как фазовое пространство для процессов излучения LA-фононов сравнимо с TA-фононами на низких частотах, но намного больше, чем у ZA-фононов. Согласно формуле. Согласно (4) рассчитанное полное трехфононное фазовое пространство P ₃ для LA-фононов меньше, чем P ₃ ZA / TA-фононов в большей части низкочастотного диапазона, показанного на рис.8 (с). Причина относительно небольшого размера P ₃ LA-фононов связана с тем, что энергия LA-фононов относительно высока и, следовательно, каналы рассеяния LA + LA / TA / ZA ↔ TA / ZA ограничены. В результате относительно небольшой P ₃ наряду с относительно большими групповыми скоростями фононов LA, как упомянуто выше, определяет, что фононы LA вносят доминирующий вклад в κ станена.
Рисунок 8
Частотная зависимость фазового пространства трехфононного рассеяния при 300 K для ( a ) процессов поглощения, ( b ) процессов излучения и ( c ) всех трехфононных процессов.
Что касается фононов ZA, то в то время как относительно низкая энергия фононов ZA сильно ограничивает соответствующее фазовое пространство для процессов излучения, она также обеспечивает большее количество доступных каналов рассеяния, ZA + TA / ZA ↔ LA / TA, что приводит к увеличению фононов ZA и, как следствие, пониженный вклад в κ на низких частотах.
Хорошо известно, что доминирующий вклад ZA-фононов в κ графена обусловлен правилом отбора по симметрии в таких материалах толщиной в один атом, которое сильно ограничивает ангармоническое фонон-фононное рассеяние ZA-моды ⁴⁰.Правило отбора в графене, которое возникает из симметрии отражения, перпендикулярной плоскости графена, ограничивает участие нечетного числа фононов ZA в трехфононных процессах, например . ZA + ZA ↔ ZA, ZA + LA / TA ↔ LA / TA. В результате 60% фазового пространства ZA-фононов запрещено правилом отбора, что приводит к доминирующему вкладу ZA-моды в κ в графене. Однако для рассматриваемого здесь случая изогнутого станена отражательная симметрия нарушена, что означает, что правило выбора не применяется.Следовательно, относительно большие P ₃ фононов ZA приводят к меньшему вкладу фононов ZA в κ станена, то есть . 13% в станене по сравнению с 80% в графене при 300 К.
Зависимость от размера κ
Поскольку термоэлектрическая добротность zT может быть улучшена путем оптимизации геометрического размера для максимального увеличения вклада бесщелевых краевых состояний, Также важно исследовать перенос фононов в станеновых наноструктурах и достичь оптимальных транспортных свойств за счет снижения теплопроводности за счет наноструктурирования в практической конструкции TE наноустройств.Мы исследуем размерную зависимость κ путем расчета совокупной теплопроводности по отношению к максимально допустимому MFP. Накопленная теплопроводность станена при различных температурах представлена на рис. 9 (а). Накопленный κ продолжает увеличиваться по мере увеличения MFP, пока не достигнет термодинамического предела, превышающего длину L _diff, которая представляет собой наибольшую длину свободного пробега теплоносителей ^34,52. L _diff при 150 К, 300 К, 450 К, 600 К и 750 К составляет 107.2 мкм, 50,9 мкм, 35,1 мкм, 25,5 мкм и 24,2 мкм соответственно. Установлено, что фононы с МФП ниже 73,9 мкм при 150 К, 16,9 мкм при 300 К, 9,5 мкм при 450 К, 8,4 мкм при 600 К и 6,6 мкм при 750 К соответственно составляют около 75% от общего κ, что указывает, что конструкция наноструктур может быть использована для уменьшения κ и увеличения zT . Чтобы должным образом уменьшить κ для термоэлектрических приложений, мы можем подогнать кумулятивное κ к унипараметрической функции ¹⁵
Рисунок 9
( a ) Кумулятивная решеточная теплопроводность станена как функция фононного MFP при 150 K , 300 К, 450 К, 600 К и 750 К.Кривые, аппроксимируемые уравнением. (7) нанесены пунктирными линиями. ( b ) Зависимость теплопроводности станеновых нанопроволок вдоль направления [100] от ширины.
, где κ _max — максимальная совокупная теплопроводность, л _max — максимальное рассматриваемое МФУ и л ₀ — параметр, который необходимо оценить. Соответствующие кривые при различных температурах показаны на рис. 9 (a), хорошо воспроизводя наклон и положение рассчитанных данных, когда l _max> l ₀.Он дает параметр l ₀ из 5,72 мкм, 2,71 мкм, 1,77 мкм, 1,31 мкм и 0,95 мкм для 150 К, 300 К, 450 К, 600 К и 750 К, соответственно, что может быть интерпретировано как представитель МФП соответствующих теплоносителей фононов в станене.
Кроме того, когда размер становится меньше l ₀, индуцированное наноструктурированием рассеяние фононов становится преобладающим над трехфононным рассеянием, и уменьшенный предел малых зерен κ становится пропорциональным постоянному значению l _ГГ ¹⁵.Мы рассчитываем отношение теплопроводности к теплопроводности на единицу МФП в пределе мелкого зерна; для станена l _SG составляет 195,0 нм, 92,1 нм, 60,9 нм, 45,6 нм и 36,5 нм при 150 К, 300 К, 450 К, 600 К и 750 К соответственно. Эта величина имеет решающее значение для тепловой конструкции для модуляции теплопроводности в пределах малых зерен, например нанопроволоки.
Стоит упомянуть, что для системы на основе нанопроволоки фононы с длинными МФП будут сильно рассеиваться границей, таким образом, вклад, от которого зависит κ, будет ограничен.Как показано на рис. 9 (b), κ уменьшается с уменьшением ширины станеновых нанопроволок и падает до половины максимального значения κ в термодинамическом пределе при ширине около 1,3 мкм.
Таким образом, мы прогнозируем решеточную теплопроводность станена, используя расчеты из первых принципов и итеративное решение BTE. В станене наблюдается гораздо более низкая теплопроводность, чем в других 2D-материалах. Наши результаты показывают, что станен как двумерный топологический изолятор с низкой теплопроводностью может обеспечивать гораздо более высокую термоэлектрическую эффективность и является многообещающим кандидатом для термоэлектрических устройств следующего поколения.Прогнозируемый вклад фононов LA в теплопроводность в станене превышает 57% из-за высоких групповых скоростей фононов и ограниченного фазового пространства для трехфононных процессов. Типичный MFP станена получен с целью будущего дизайна в наноструктурах TE-приложения. MFP в пределе малых размеров зерна также получается для проектирования устройств TE, когда размер уменьшается и доминирует рассеяние фононов, вызванное наноструктурированием.
Теплопроводность металлов: какой металл является лучшим проводником тепла? | Научный проект
Какой металл лучше всего проводит тепло: медь, сталь или латунь? Почему? Проведя небольшое онлайн-исследование, сформулируйте свою гипотезу .
3 12-дюймовые металлические стержни или толстая проволока: медь, сталь, латунь или другой металл. Убедитесь, что все провода имеют одинаковый калибр , или толщину. Почему важно убедиться, что калибр одинаковый?
8 одинаковых чашек из пенополистирола
Что-то для кипячения воды (кастрюля или чайник)
Плита
4 цифровых термометра мгновенного действия
Кувшин или другой большой контейнер, который поместится в холодильнике
Вода
Блокнот и ручка
Процедура:
Наполните кувшин или другую большую емкость водой и кубиками льда.Дайте воде в кувшине остыть не менее получаса.
Согните каждый металлический стержень пополам два раза, чтобы образовались металлические перемычки. Как вы думаете, почему нам нужно дважды сложить стержень пополам? Приведет ли его однажды сложение к тем же результатам?
Разместите чашки попарно. Между каждой чашкой проходят три перемычки из одного металла. У одной пары чашек перемычки не будет. Это контрольная группа.
Поместите растворимые цифровые термометры в каждую из чашек для холодной воды.
Попросите взрослого вскипятить воду. Перед использованием дайте ему немного остыть.
На каждую пару чашек налейте равные объемы горячей воды в «горячую» чашку. Убедитесь, что вода покрывает концы перемычек.
На каждую пару чашек налейте равные объемы холодной воды в «холодную» чашку. Убедитесь, что вода покрывает конец перемычек. Как вы думаете, почему количество воды должно быть одинаковым?
Возьмите начальную температуру холодной воды. Запишите температуру в таблице с указанием времени (в минутах) и температуры (в градусах Фаренгейта).
Записывайте температуру каждой чашки с холодной водой каждые 5 минут в течение 30 минут. Ваш стол должен иметь, какой он есть (нет, медь, сталь, латунь), время и поля для заполнения температуры. Как вы думаете, все тепло, отводимое от горячей чашки, переходит в холодную чашку? Почему или почему нет? Подсказка: иногда тепло не всегда идет туда, куда нам нужно!
Какая чашка холодной воды испытала наибольшее изменение температуры от начала до конца? Рассчитайте это, вычтя начальную температуру чашки из ее конечной температуры.
Организуйте данные с помощью линейных графиков. По оси абсцисс отложите время в минутах. По оси ординат отложите разницу температур в градусах. Создав подобную диаграмму, мы можем увидеть, какой металл в целом передает больше всего тепла. Это также дает нам некоторую информацию о проводимости каждого металла: чем круче наклон, тем выше проводимость.
Из трех металлов в этом эксперименте больше всего тепла будет передавать медь, затем латунь и сталь.
Медь имеет самое высокое значение теплопроводности, а сталь — самое низкое значение теплопроводности.Теплопроводность — действительно важное свойство материала — мы должны помнить об этом, когда решаем, для чего мы собираемся использовать этот материал! Вот пример: поскольку медь является отличным проводником, мы используем ее для таких вещей, как нагревательные стержни и провода. Поскольку сталь плохо проводит ток и может выдерживать высокие температуры, мы используем ее для изготовления двигателей самолетов.
Вспомните, когда мы дважды складывали проволочные перемычки пополам. Как вы думаете, почему мы это сделали? Помните: проводимость лучше всего происходит, когда больше молекул контактируют друг с другом.Складывание стержня пополам дважды позволяет теплу от горячей чашки проходить через большее количество молекул, позволяя большему количеству тепла перемещаться от горячей чашки к холодной. Складывание металлических стержней только один раз по-прежнему создаст хороший тепловой мост, но мы увидим меньшее изменение температуры в чашках для холода, что затруднит определение того, какой металл является лучшим проводником!
Что касается равенства объемов воды? Чтобы получить хорошие данные из нашего эксперимента, каждая чашка с горячей водой должна удерживать одинаковое количество тепла, а вода имеет очень специфическую теплоемкость .Теплоемкость — это количество тепловой энергии, необходимое для изменения температуры определенного количества вещества. Подумайте об этом так: все четыре наши чашки содержат равные объемы воды при одинаковой температуре, а это означает, что каждая чашка с горячей водой содержит одинаковое количество тепловой энергии.
Итак, когда тепло уходит от горячей чашки, вся эта энергия проходит через металлический мостик в холодную чашку? Нисколько. Тепло часто теряется для окружающей среды, и в этом случае часть тепла от горячей воды будет потеряна для воздуха.Точно так же воздух в комнате будет терять часть тепла из-за чашки с холодной водой. Мы пытались свести к минимуму потери тепла, используя чашки из пенополистирола, потому что пенополистирол, как известно, является отличным изолятором — материал плохо проводит тепло.
Не стесняйтесь повторить этот эксперимент с другими металлами! Такие металлы, как серебро, золото и алюминий, дадут вам совсем другие результаты. Просто убедитесь, что вы сохранили все остальные условия эксперимента такими же.
Заявление об ограничении ответственности и меры предосторожности
Образование.com предоставляет идеи проекта Science Fair для информационных только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта Science Fair, вы отказываетесь от отказаться от любых претензий к Education.