Согласно собранным данным в таблицах, сплавы на базе магния и никеля являются примерами цветных металлов с высокой теплопроводностью. В то же время никель, инвар и ряд других материалов характеризуются низкими значениями теплопроводности.
Проводит ли сталь тепло хорошо или плохо?
Теплопроводность — это физическое свойство материалов, обозначающее их способность проводить тепло. Для точной количественной оценки данной способности используется коэффициент теплопередачи, который демонстрирует количество тепла, передаваемого через 1-метровый образец материала за один час, при наличии разности температур в 1 °C на противоположных его гранях. Это свойство может быть выражено в единицах Вт/(мК) или Вт/(м°C).
На теплопроводность влияют такие параметры, как средняя плотность, химико-минеральный состав материала, его структура, уровень пористости, содержание влаги и температура окружающей среды. С увеличением пористости (что подразумевает снижение плотности) теплопроводность материала снижается. В то же время при повышении влажности наблюдается резкое увеличение теплопроводности, что приводит к снижению теплоизоляционных свойств.
Теплопроводность различных материалов, измеренная в Вт/(м·К)
Материалы с хорошей теплопроводностью:
| Серебро | 407 |
| Медь | 384 |
| Золото | 308 |
| Алюминий | 209 |
| Латунь | 111 |
| Платина | 70 |
| Олово | 65 |
| Серый чугун | 50 |
| Бронза | 47–58 |
| Сталь | 47 |
| Свинец | 35 |
Материалы с плохой теплопроводностью, известные как изоляторы:
Обратите внимание на даты: 14 авг 07 и 28 июл 21, 10:06.
Ссылка на раскрытие информации о рейтинге materiral.
Мы приглашаем всех пользователей внести любые изменения в статьи на нашем сайте. Ваше сотрудничество и передача знаний приветствуются!
Исследуем теплопроводность металлов
Теплопроводность – один из важных параметров, определяющих свойства металлов. Это свойство необходимо учитывать при проектировании и расчете различных механизмов, таких как зубчатые колеса. Теплопроводность также является ключевым компонентом в области науки, известной как термодинамика.
Что такое теплопроводность и термическое сопротивление?
Теплопроводность металлов описывается как способность отображать тепловую энергию от нагретых частей (или областей) к холодным. Передача тепла осуществляется через свободно движущиеся элементарные частицы, к которым относятся атомы и электроны.
Каждый объект от природы обладает способностью передавать тепловую энергию, но сама механика этого процесса зависит от состояния предмета. Здесь стоит отметить, что теплопроводность можно охарактеризовать как количественный параметр, отражающий способность тела передавать теплоту.
Некоторые могут сравнивать теплопроводность с электропроводностью, поскольку оба этих параметра являются важными для определения характеристик различных материалов.
Термическое сопротивление, с другой стороны, определяет, насколько материал может противостоять распространению тепловых колебаний частиц. Оно часто путается с теплопроводностью, но существенно отличается по своей физической сути.
Что такое термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности?
В то время как теплопроводность описывает передачу тепла через поверхность материала, термическое сопротивление определяет его способность противостоять этой передаче. Высокое термическое сопротивление, например, присуще воздуху, который эффективно препятствует передаче тепла между двумя различными объектами.
Коэффициент теплопередачи – это количественная оценка изменения температуры на единицу площади за единицу времени на один градус (К). В системе международных единиц (SI) этот параметр измеряется в Вт/м·градус. Это свойство критически важно при выборе металлических изделий, которые должны эффективно передавать тепло от одного тела к другому.
Теплопроводность металлов при различных температурах, °C
Что влияет на теплопроводность?
В процессе изучения способности металлов к передаче тепла было выявлено, что теплопроводность зависит от нескольких факторов:
- вид металла;
- химический состав;
- уровень пористости;
- геометрические размеры.
Разные металлы характеризуются различной кристаллической структурой, что напрямую влияет на их теплопроводность. Например, в стали и алюминии структура микрочастиц по-разному влияет на скорость, с которой проходит тепло.
Коэффициент теплопроводности может варьироваться для одного и того же металла при изменении температуры. Данная вариативность объясняется различной температурой плавления и, следовательно, свойствами материалов, которые меняются при различных температурных условиях.
Методы измерения теплопроводности
Существует два основных метода измерения теплопроводности: стационарный и нестационарный. Стационарный метод подразумевает получение фиксированного значения изменяющейся температуры на исследуемом образце. Нестационарный метод основан на частичном изменении температуры.
Постоянный метод требует времени и проводится экспериментально. Исследуемый металл при этом должен иметь правильную форму и плоскую поверхность. Образец помещается между нагретой и охлажденной поверхностями. По времени, за которое материал увеличивает температуру охлажденной поверхности на один градус Кельвина, можно рассчитать теплопроводность, при этом учитываются размеры образца.
Нестационарный метод используется реже, так как его результаты могут быть менее надежными. В современном мире, в основном, исследования проводят ученые, используя заранее определенные экспериментально значения для различных материалов, это связано с их стабильностью и сохранением химического состава.
Факторы, влияющие на показатели теплопроводности
Зависимость теплопроводности стали и различных сплавов от ряда параметров: плотности, химического состава, структуры (наличия пор), а также размера теплопроводного пространства, в котором они находятся. Эта зависимость обусловлена структурой кристаллической решетки; например, в сталях и алюминиевых сплавах наблюдаются разные структурные особенности, влияющие на их теплопередачу.
При этом сталь в твердом состоянии демонстрирует лучшую теплопроводность по сравнению со струйной или кипящей, поскольку первая обладает плотной, устойчивой структурой.
Температура также напрямую влияет на теплопроводность. Например, материалы с низкой теплопроводностью при нагревании могут показывать увеличение скорости накопления тепла из-за снижения своей теплопроводности. Это может привести к лавинному эффекту: с повышением температуры нарастает и скорость нагревания стали. В результате материал с плохой теплопроводностью может просто перегреваться и даже плавиться.
Важно отметить, что теплопроводность стали или любого сплава не определяется только его индивидуальными свойствами; также берется во внимание, какие элементы или части находятся рядом. Например, если на поверхность процессора вместо специальной теплопроводящей пасты нанести обычный клей и установить кулер, то он не сможет адекватно нивелировать тепло от процессора, что приведет к его перегреву.
При перегрузке процессора его элементы могут выйти из строя всего за несколько минут.
Несмотря на возможность установки кулера без использования теплопроводящей пасты, слишком плотный контакт может вызвать трещины в корпусе процессора или, наоборот, недостаточный контакт застоит процессор в «неэффективной теплоотдаче», независимо от высокой теплопроводности материалов, используемых для радиатора охлаждения. Это имеет критическое значение в ходе ремонта или замены микросхем.
Теплопроводность различных сталей
Для конкретного сорта стали 09Г2С теплопроводность изменяется от 33 Вт/м·K при температуре 20 градусов до 20 Вт/м·K при нагреве до 400 градусов.
А для стали 12Cr18Ni10T наблюдается тенденция к повышению теплопроводности — от 15 Вт/(м·K) при 20 градусах до 29 Вт/(м·K) при нагреве до 800 градусов.
Удельные значения для различных типов углеродистой стали могут быть представлены следующим образом:
- Сталь 20 имеет теплопроводность от 86 Вт/(м·K) при температуре 27-1200 градусов до 30 Вт/(м·K).
- Сталь 45 демонстрирует показания от 79 до 30 Вт/(м·K) при температуре 27-527 градусов.
- Сталь 3 показывает теплопроводность 55-30 Вт/(м·K) в диапазоне температур от 100 до 700.
- Спокойная сталь (Ст3, группа В): аналогичные предшествующим значениям.
- Сталь 10 при температуре 27-527 градусов имеет показатели теплопроводности от 83 до 44 Вт/(м·K).
- Сталь 40 демонстрирует особую зависимость: при температурах 100, 800, 900, 1000, 1100 градусов показатель снижается от 51 до 25 Вт/(м·K), а затем от 1200 до 1400 градусов увеличивается от 26 до 30 Вт/(м·K).
- Сталь 30 также снижает свою теплопроводность: при нагреве от 20 до 700 градусов её значение уменьшается с 52 до 32 Вт/(м·K).
- Сталь 15: изменение температуры от 27 до 627 вызовет снижение теплопроводности с 86 до 32 Вт/(м·K).
Эти значения касаются более чем ста различных типов стали и чугуна. Особенно важным является тот факт, что почти все сплавы, основанные на железе, демонстрируют значительное снижение теплопроводности с увеличением температуры, независимо от формы: круглая, квадратная, прямоугольная, тавровая, рельсовая или листовая — все они имеют схожую картину теплопередачи.
Значение теплопроводности в быту и производстве
При проектировании теплообменников необходимо иметь четкое представление о значениях теплопроводности, как в быту, так и в промышленности. В большинстве случаев теплообменники изготавливают из металлов и их сплавов, с добавлением неметаллических составляющих по необходимости. Сплавы, как правило, имеют более низкую теплопроводность по сравнению с чистыми металлами. Проектирование и расчет теплообменников основываются на мощности передачи тепла от источника к потребителю.
Эффективная теплопередача также является важной619 частью этого процесса. Это актуально как для охлаждения редуктора на станке, так и для микропроцессоров в компьютерах. Радиатор с недостаточной теплопроводностью не сможет отводить нужное количество тепла, что может привести к его поломке.
С другой стороны, теплоизоляция основывается на расчете изоляционного слоя, обладающего менее высоким значением теплопроводности.
Материалы, такие как вспененный полиэтилен, пенополиэтилен и минеральная вата, обеспечивают тепло в помещениях зимой благодаря его высокой пористости, которая заключает воздух. Воздух, как газ, имеет очень низкую теплопроводность по сравнению с металлами.
Один из ключевых мероприятий при проектировании заключается в проведении тестов. Разработка нового теплоотводящего или изоляционного материала (например, пористого полипропилена) основывается на имеющихся значениях компонентов в теплообменном слое. Основной целью является максимизация прохождения или отражения тепла.
Таблица теплопроводности строительных материалов
В стенах, потолках и полах могут использоваться различные материалы, но сравнительная оценка часто проводится на основе теплопроводности каменной кладки, поскольку этот материал хорошо известен всем и с ним удобно создавать ассоциации. Особенно популярными являются диаграммы, показывающие разницу в теплопроводности различных материалов. На одной из таких диаграмм, представленных ниже, приведено сравнение между кирпичной и блочной кладкой, что делает выбор теплоизоляционных материалов для кирпичных стен или других высокотеплопроводных структур более осмысленным.
| Название материала, плотность | Коэффициент теплопередачи | в сухом состоянии | при нормальной влажности | при повышенной влажности |
|---|---|---|---|
| Цементно-песчаный раствор (ЦПР) | 0,58 | 0,76 | 0,93 |
| Известково-песчаный раствор | 0,47 | 0,7 | 0,81 |
| Гипсовая штукатурка | 0,25 | ||
| Пенобетон, газобетон на цементе, плотность 600 кг/м³ | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
| Пенобетон, газобетон на цементе, плотность 800 кг/м³ | 0,21 | 0,33 | 0,37 |
| Пенобетон, газобетон на цементе, плотность 1000 кг/м³ | 0,29 | 0,38 | 0,43 |
| Пенобетон, газобетон на извести, плотность 600 кг/м³ | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
| Пенобетон, газобетон на извести, плотность 800 кг/м³ | 0,23 | 0,39 | 0,45 |
| Пенобетон, газобетон на извести, плотность 1000 кг/м³ | 0,31 | 0,48 | 0,55 |
| Оконное стекло | 0,76 | ||
| Арболит | 0,07–0,17 | ||
| Бетон с природным щебнем, плотность 2400 кг/м³ | 1,51 | ||
| Легкий бетон с природной пемзой, плотность 500–1200 кг/м³ | 0,15–0,44 | ||
| Бетон на гранулированных шлаках, плотность 1200–1800 кг/м³ | 0,35–0,58 | ||
| Бетон на котельном шлаке, плотность 1400 кг/м³ | 0,56 | ||
| Бетон на каменном щебне, плотность 2200–2500 кг/м³ | 0,9–1,5 | ||
| Бетон на топливном шлаке, плотность 1000–1800 кг/м³ | 0,3–0,7 | ||
| Керамический поризованный блок | 0,2 | ||
| Вермикулитобетон, плотность 300–800 кг/м³ | 0,08–0,21 | ||
| Керамзитобетон, плотность 500 кг/м³ | 0,14 | ||
| Керамзитобетон, плотность 600 кг/м³ | 0,16 | ||
| Керамзитобетон, плотность 800 кг/м³ | 0,21 | ||
| Керамзитобетон, плотность 1000 кг/м³ | 0,27 | ||
| Керамзитобетон, плотность 1200 кг/м³ | 0,36 | ||
| Керамзитобетон, плотность 1400 кг/м³ | 0,47 | ||
| Керамзитобетон, плотность 1600 кг/м³ | 0,58 | ||
| Керамзитобетон, плотность 1800 кг/м³ | 0,66 | ||
| Кладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР | 0,56 | 0,7 | 0,81 |
| Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, плотность 1000 кг/м³ | 0,35 | 0,47 | 0,52 |
| Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, плотность 1300 кг/м³ | 0,41 | 0,52 | 0,58 |
| Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, плотность 1400 кг/м³ | 0,47 | 0,58 | 0,64 |
| Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, плотность 1000 кг/м³ | 0,7 | 0,76 | 0,87 |
| Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот | 0,64 | 0,7 | 0,81 |
| Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот | 0,52 | 0,64 | 0,76 |
| Известняк, плотность 1400 кг/м³ | 0,49 | 0,56 | 0,58 |
| Известняк, плотность 1600 кг/м³ | 0,58 | 0,73 | 0,81 |
| Известняк, плотность 1800 кг/м³ | 0,7 | 0,93 | 1,05 |
| Известняк, плотность 2000 кг/м³ | 0,93 | 1,16 | 1,28 |
| Песок строительный, плотность 1600 кг/м³ | 0,35 | ||
| Гранит | 3,49 | ||
| Мрамор | 2,91 | ||
| Керамзит, гравий, плотность 250 кг/м³ | 0,1 | 0,11 | 0,12 |
| Керамзит, гравий, плотность 300 кг/м³ | 0,108 | 0,12 | 0,13 |
| Керамзит, гравий, плотность 350 кг/м³ | 0,115–0,12 | 0,125 | 0,14 |
| Керамзит, гравий, плотность 400 кг/м³ | 0,12 | 0,13 | 0,145 |
| Керамзит, гравий, плотность 450 кг/м³ | 0,13 | 0,14 | 0,155 |
| Керамзит, гравий, плотность 500 кг/м³ | 0,14 | 0,15 | 0,165 |
| Керамзит, гравий, плотность 600 кг/м³ | 0,14 | 0,17 | 0,19 |
| Керамзит, гравий, плотность 800 кг/м³ | 0,18 | ||
| Гипсовые плиты, плотность 1100 кг/м³ | 0,35 | 0,50 | 0,56 |
| Гипсовые плиты, плотность 1350 кг/м³ | 0,23 | 0,35 | 0,41 |
| Глина, плотность 1600-2900 кг/м³ | 0,7–0,9 | ||
| Глина огнеупорная, плотность 1800 кг/м³ | 1,4 | ||
| Керамзит, плотность 200-800 кг/м³ | 0,1–0,18 | ||
| Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, плотность 800-1200 кг/м³ | 0,23–0,41 | ||
| Керамзитобетон, плотность 500-1800 кг/м³ | 0,16–0,66 | ||
| Керамзитобетон на перлитовом песке, плотность 800-1000 кг/м³ | 0,22–0,28 | ||
| Кирпич клинкерный, плотность 1800-2000 кг/м³ | 0,8-0,16 | ||
| Кирпич облицовочный керамический, плотность 1800 кг/м³ | 0,93 | ||
| Бутовая кладка средней плотности, плотность 2000 кг/м³ | 1,35 | ||
| Листы гипсокартона, плотность 800 кг/м³ | 0,15 | 0,19 | 0,21 |
| Листы гипсокартона, плотность 1050 кг/м³ | 0,15 | 0,34 | 0,36 |
| Фанера клеенная | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
| ДВП, ДСП, плотность 200 кг/м³ | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
| ДВП, ДСП, плотность 400 кг/м³ | 0,08 | 0,11 | 0,13 |
| ДВП, ДСП, плотность 600 кг/м³ | 0,11 | 0,13 | 0,16 |
| ДВП, ДСП, плотность 800 кг/м³ | 0,13 | 0,19 | 0,23 |
| ДВП, ДСП, плотность 1000 кг/м³ | 0,15 | 0,23 | 0,29 |
| Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, плотность 1600 кг/м³ | 0,33 | ||
| Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, плотность 1800 кг/м³ | 0,38 | ||
| Линолеум ПВХ на тканевой основе, плотность 1400 кг/м³ | 0,2 | 0,29 | 0,29 |
| Линолеум ПВХ на тканевой основе, плотность 1600 кг/м³ | 0,29 | 0,35 | 0,35 |
| Линолеум ПВХ на тканевой основе, плотность 1800 кг/м³ | 0,35 | ||
| Листы асбестоцементные плоские, плотность 1600-1800 кг/м³ | 0,23–0,35 | ||
| Ковровое покрытие, плотность 630 кг/м³ | 0,2 | ||
| Поликарбонат (листы), плотность 1200 кг/м³ | 0,16 | ||
| Полистиролбетон, плотность 200-500 кг/м³ | 0,075-0,085 | ||
| Ракушечник, плотность 1000-1800 кг/м³ | 0,27-0,63 | ||
| Стеклопластик, плотность 1800 кг/м³ | 0,23 | ||
| Черепица бетонная, плотность 2100 кг/м³ | 1,1 | ||
| Черепица керамическая, плотность 1900 кг/м³ | 0,85 | ||
| Черепица ПВХ, плотность 2000 кг/м³ | 0,85 | ||
| Известковая штукатурка, плотность 1600 кг/м³ | 0,7 | ||
| Штукатурка цементно-песчаная, плотность 1800 кг/м³ | 1,2 | ||
Как рассчитать толщину стен для эффективной теплоизоляции
Для поддержания комфортного микроклимата в жилых и рабочих помещениях важно, чтобы ограждающие конструкции (стены, полы, крыши) обладали заданным уровнем термического сопротивления. Это значение варьируется в зависимости от региона и должно учитывать средние температурные показатели и влажность.
Для интеграции в рабочие процессы необходимо, чтобы имеющиеся строительные материалы и их толщина обеспечивали необходимое общее термическое сопротивление, не ниже указанного в специализированной таблице.
Расчет толщины стен и утеплителя
В современных конструкциях стены часто изготавливаются из нескольких материалов. В дополнение к несущей конструкции используются изоляционные и отделочные слои. Каждый из этих компонентов обладает своей толщиной. Как вычислить необходимую толщину теплоизоляции? Расчет довольно прост и осуществляется по следующей формуле:
Здесь R — термическое сопротивление;
p — толщина слоя в метрах;
k — коэффициент теплопроводности материала.
Сначала необходимо определить, какие материалы будут использоваться для строительства. Также необходимо точно знать компоненты стен, изоляций и отделок. Каждый из этих элементов вносит свой вклад в общий уровень теплоизоляции, который учитывается при расчетах.
Сначала рассчитывается термическое сопротивление основного строительного материала (из которого состоит стена, пол и т.д.). Затем по остаточному принципу подбирается толщина запланированной теплоизоляции. Возможность учитывать теплоизоляционные свойства отделочных материалов существует, но чаще всего они становятся «дополнительным бонусом». Так, закладывается небольшой резерв на случай непредвиденных обстоятельств. Благодаря этому резерву можно сэкономить на затратах на отопление, что положительно отразится на бюджете.
Пример расчета толщины утеплителя
Приведем наглядный пример. Рассмотрим кирпичную стену в полтора кирпича, дополнительно утепленную минеральной ватой. Согласно представленным таблицам, требуемое термическое сопротивление для стен в данной местности должно составлять не менее 3,5. Рассчитаем необходимые величины, исходя из данной ситуации:
- Сначала рассчитаем тепловое сопротивление стены, выполненной из кирпича. Норма в полтора кирпича равна 38 см, или 0,38 м. Коэффициент теплопроводности кладки составляет 0,56. Таким образом, рассчитываем по приведенной формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Это значение теплового сопротивления для стены в полтора кирпича.
- Затем вычтем полученную величину из требуемого теплового сопротивления для региона: 3,5 — 0,68 = 2,82. Это значение необходимо скорректировать при помощи утеплителя и отделок.
- Теперь рассчитываем толщину слоя минеральной ваты. Коэффициент теплопроводности для этого материала составляет 0,045. Следовательно, толщина утеплителя будет составлять: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. Это значит, что для достижения необходимого уровня утепления толщина минеральной ваты должна составлять не менее 13 см.
Если финансовые возможности ограничены, можно использовать 10 см утеплителя, а недостающий уровень теплоизоляции компенсировать отделочными материалами, применяемыми как внутри помещения, так и снаружи. Тем не менее, для достижения оптимальной экономии на отоплении разумно добавить в проект отделочные материалы, поскольку они обеспечивают резерв на случай экстраординарных температур. Стандарты термического сопротивления для ограждающих конструкций основаны на среднегодовых показателях температур, поэтому зимы могут быть значительно холоднее ожидаемого.
Теплопроводность различных материалов
К металлам относитсся высокая теплопроводность, в то время как полимеры обычно имеют низкие уровни этого свойства. Некоторые полимеры, такие как стекловолокно, считающиеся отличными изоляторами, проводят тепло очень плохо. Теплопередача возможна только при наличии вещества в пространстве. В открытом воздухе (пустом пространстве) теплопроводность равна нулю.
Каждый однородный материал характеризуется коэффициентом теплопередачи (обозначаемым греческой буквой лямбда), показывающим, сколько тепла должно пройти через поверхность площадью 1 м² для изменения температуры на краях на 1 К за одну секунду при прохождении через материал толщиной 1 м. Это свойство находится в зависимости от температуры и часто измеряется при комнатной температуре для стандартных сравнения.
Для неоднородных материалов, таких как железобетон, используется понятие коэффициента полезной теплопроводности, который определяется с помощью коэффициентов однородных веществ, агрегирующих данный материал.
В таблице ниже представлены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов в Вт/(м·К) для температуры 300 K (27 °C):
- Сталь 47—58;
- Алюминий 237;
- Медь 372,1—385,2;
- Бронза 116—186;
- Цинк 106—140;
- Титан 21,9;
- Олово 64,0;
- Свинец 35,0;
- Железо 80,2;
- Латунь 81—116;
- Золото 308,2;
- Серебро 406,1—418,7.
В следующей таблице расположена информация о теплопроводности не металлов:
- Стекловолокно 0,03—0,07;
- Стекло 0,6—1,0;
- Асбест 0,04;
- Дерево 0,13;
- Парафин 0,21;
- Кирпич 0,80;
- Алмаз 2300.
На основе приведенных данных становится очевидным, что теплопроводность металлов значительно превышает таковую у неметаллов. Исключением из данного правила является алмаз, чья теплопроводность в пять раз больше, чем у меди. Это связано с прочной ковалентной связью между атомами углерода, формирующими его кристаллическую решетку. За счет чего люди ощущают холод, когда касаются алмаза губами. Высокая способность алмаза к теплопередаче применяется в микроэлектронике для отвода тепла от микросхем, а также в специальных устройствах, позволяющих различить подделки и настоящие бриллианты.
В некоторых промышленных процессах проводятся исследования по улучшению теплопроводности, достигаемому благодаря прямому использованию хороших проводников либо расширению площади контакта между элементами конструкции. Яркими примерами подобных конструкций служат теплообменники и теплоотводы. В некоторых же случаях, цель состоит в уменьшении теплопроводности, что достигается путем применения теплоизоляторов, введением полостей в конструкции и уменьшения площади контакта.
Коэффициенты теплопередачи сталей
Способности сталей к теплопроводности зависят основным образом от двух факторов: их химического состава и температурных режимов.
У одноуглеродистых сталей наличие углерода вынуждает снижаться удельному весу и таким образом этому материалу свойственен пониженный уровень теплопередачи — от 54 до 36 Вт/(м·К) при увеличении содержания углерода с 0,5% до 1,5%.
Нержавеющие виды стали содержат хром (например, начиная с 10%), который, в комбинации с углеродом, образует различные карбиды. Это препятствует окислению стали, увеличивая мощность ее металлического электрода. Теплопроводность нержавеющих сталей сравнительно низкая и варьируется от 15 до 30 Вт/(м·К) в зависимости от имеющегося состава. Жаропрочные хромоникелевые стали имеют еще более низкие показатели теплопроводности, находящиеся в диапазоне от 11 до 19 Вт/(м·К).
Другая категория товаров – это оцинкованная сталь с плотностью 7 850 кг/м³, которая создается путем покрытия стального каркаса железом и цинком. Так как цинк обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с железом, оцинкованная сталь получает относительно высокий уровень передачи тепла, колеблящийся от 47 до 58 Вт/(м·К).
Отметим, что теплопроводность стали обычно значительно не изменяется с изменением температуры. К примеру, у стали 20 коэффициент теплопроводности изменяется с 86 Вт/(м·К) до 30 Вт/(м·К) при увлечении температуры от комнатной до 1200 °C. В то время как у стали 08Х13 этот показатель остается в диапазоне 27-28 Вт/(м·К) при температуре от 100 °C до 900 °C.
Факторы, оказывающие влияние на теплопроводность
На теплопроводность влияют множество факторов, включая температуру, микроструктуру материала и его электрические свойства.
Температура структурного материала
Влияние температуры на теплопроводность отличается для металлических и неметаллических материалов. У металлов теплопроводность в первую очередь соотносится со свободными электронами. По закону Видемана-Франца, теплопроводность металла пропорциональна произведению его абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах активные электроны теряют свою подвижность при увеличении температуры, в итоге теплопроводность остается примерно постоянной. В сплавах электропроводность изменяется относительно незначительно, поэтому теплопроводность сплавов увеличивается с возрастанием температуры.
Неметаллы же, в свою очередь, осуществляют теплопередачу из-за колебательных движений сетчатой структуры и передачи фононов. Исключение составляют высококачественные кристаллы и низкие температуры; значение теплоотдачи не умаляется значительно при повышении температуры, а внутренняя теплопроводность остаётся малозначимой. Наблюдения показывают, что при температурах ниже Дебая способность неметаллических материалов к теплоотдаче заметно понижается, также как и их теплоемкость.
Фазовые переходы и структура
Когда материал переживает фазовый переход первого рода, например, когда он меняет свое состояние из твердого в жидкое или из жидкости в газ, его теплопроводность может сильно изменяться. Например, разница в показателях теплопроводности между льдом (2,18 Вт/(м·К) и водой (0,90 Вт/(м·К)) показывает это явление.
Также изменения в кристаллической структуре материалов влияют на теплопроводность, что может быть объяснено анизотропными характеристиками различных аллотропных модификаций одного и того же вещества. Анизотропия имеет влияние на различные уровни рассеивания фононов в кристалле, основных переносчиков тепла в неметаллах, в различных направлениях. Примером служит сапфир, чья проводимость колеблется между 32 и 35 Вт/(м·К) в зависимости от направления.
Электрические характеристики
Теплопроводность металлов также находится в зависимости от их электропроводимости, согласно закону Видемана-Франца. Это связано с тем, что свободные электроны, которые могут перемещаться по кристаллической решетке, являются способными переносить не только электрическую, но и тепловую энергию. В остальных материалах зависимость между такими проводимостями не так сильна, поскольку теплопроводность в значительной степени обусловлена фононами.
Коночные процессы
Воздух и другие газы обычно служат хорошими изоляторами при отсутствии конвективных процессов. Принципы работы многих изоляционных материалов, содержащих множество мелких полостей и пор, очевидны. Такая структура препятствует распространению тепловых потоков на большие расстояния. Примером служат такие искусственные изоляционные среды, как полистирол и кремнеземный аэрогель. В природе теплоизоляционные материалы, такие как меха животных или перья птиц, также функционируют аналогичным образом.
