Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности

Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:

\vec{q}=-\varkappa\,\mathrm{grad}(T),

где \vec{q} — вектор потока тепла — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, \varkappa — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью), T — температура. Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=-\varkappa\frac{S\Delta T}{h},

где P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ΔT — перепад температур граней, h — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Содержание

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 382—390
Золото 320
Алюминий 202—236
Латунь 97—111
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1
Вода 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Пенобетон 0,14—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Дерево 0,15
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Пеноизол 0,035
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Воздух (сухой неподвижный) 0,024—0,031
Аргон 0,0177
Ксенон 0,0057
Аэрогель 0,003
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы).

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума стремится к нулю. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тепло в вакууме передаётся только излучением. Поэтому для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность хуже излучает и лучше отражает), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности K с удельной электрической проводимостью σ в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

\frac{K}{\sigma}=\frac{\pi^2}{3}\left(\frac{k}{e}\right)^2T,

где k — постоянная Больцмана, e — заряд электрона.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. д. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[1], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[2]

\tau\frac{\partial\mathbf{q}}{\partial t}=-\left(\mathbf{q}+\varkappa\,\nabla T\right).

Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Примечания

  1. J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  2. C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.

См. также

Другие способы теплопередачи


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Коэффициент теплопроводности" в других словарях:

  • Коэффициент теплопроводности — λ, Вт/(м·К), количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице. Источник: СНиП 41 03 2003: Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов Смотри также… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • коэффициент теплопроводности — Величина, характеризующая теплопроводящие свойства материала и определяемая плотностью теплового потока при единичной разности температур между поверхностями слоя материала единичной толщины [Терминологический словарь по строительству на 12… …   Справочник технического переводчика

  • коэффициент теплопроводности — šiluminio laidumo koeficientas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dydis, skaitine verte lygus šilumos srauto tankiui, esant vienetiniam temperatūros gradientui. atitikmenys: angl. coefficient of thermal conductivity vok.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • коэффициент теплопроводности — šiluminio laidumo koeficientas statusas T sritis chemija apibrėžtis Šilumos srauto tankio ir temperatūros dalmuo. atitikmenys: angl. coefficient of heat conductivity; coefficient of thermal conductivity; heat conduction coefficient rus.… …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • коэффициент теплопроводности — šilumos laidumo koeficientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. coefficient of heat conductivity; heat conduction coefficient vok. Wärmeleitfähigkeit, f; Wärmeleitkoeffizient, m; Wärmeleitvermögen, n rus. коэффициент теплопроводности, m… …   Fizikos terminų žodynas

  • коэффициент теплопроводности — šilumos laidumo koeficientas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Savybė, apibūdinanti medžiagos savybę praleisti šilumą ir parodanti, kokį šilumos kiekį geba praleisti medžiaga per laiko vienetą ir ploto vienetą, kai temperatūros gradientas 1 …   Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

  • коэффициент теплопроводности, (l), Вт/(м×°С) — 3.2 коэффициент теплопроводности, (l), Вт/(м×°С): Количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице; Источник: СП 61.13330.2012: Тепловая изоляция… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • коэффициент теплопроводности — [thermal conductivity] коэффициент пропорциональности между плотностью теплового потока и вызвавшим его градиентом температур; отношение произведенного количества тепла на толщину стенки к произведению площади поперечного сечения поверхности… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • коэффициент теплопроводности — Физический параметр, характеризующий интенсивность процесса теплопроводности в веществе и численно равный плотности теплового потока вследствие теплопроводности при градиенте температуры, равном единице …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ — величина, характеризующая теплопрово дящие свойства материала и определяемая плотностью теплового потока при единичной разности температур между поверхностями слоя материала единичной толщины (Болгарский язык; Български) коефициент на… …   Строительный словарь


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»