Из информации, собранной в этих таблицах материалов, цветные металлы с высокой теплопроводностью — это сплавы на основе магния и никеля. К металлам с низкой теплопроводностью относятся никель, инвар и некоторые другие.
Сталь хорошо проводит тепло или нет
Теплопроводность — это способность материала передавать тепло. Для количественной оценки этого свойства используется коэффициент теплопередачи, который соответствует количеству тепла, передаваемого за один час через образец материала толщиной 1 м и размером 1 м с разницей температур на противоположных поверхностях в 1 °C. Теплопроводность выражается в Вт/(м К) или Вт/(м град С).
Теплопроводность зависит от средней плотности и химико-минерального состава материала, его структуры, пористости, содержания влаги и средней температуры материала. Чем выше пористость (чем ниже средняя плотность), тем ниже теплопроводность материала. При увеличении содержания влаги в материале резко возрастает теплопроводность, т.е. теплоизоляционные свойства материала снижаются.
Теплопроводность определенных материалов, Вт/(м*к)
Хорошая теплопроводность
| Серебро | 407 |
| Медь | 384 |
| Золото | 308 |
| Алюминий | 209 |
| Латунь | 111 |
| Платина | 70 |
| Олово | 65 |
| Серый чугун | 50 |
| Бронза | 47-58 |
| Сталь | 47 |
| Свинец | 35 |
Плохая теплопроводность
Изоляторы
14 авг 07 28 июл 21, 10:06
Ссылка на раскрытие информации о рейтинге
Вы можете изменить любую статью на сайте, также приветствуется ваше участие! Поделитесь своими знаниями и опытом.
Теплопроводность металлов
Среди множества параметров, характеризующих металлы, есть такое понятие, как теплопроводность. Его значение трудно переоценить. Этот параметр используется при расчете компонентов и узлов. Например, зубчатые колеса. В целом, теплопроводность является частью целой области науки — термодинамики.
Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
Теплопроводность металлов можно описать как способность материалов (газа, жидкости и т.д.) передавать избыточную тепловую энергию от нагретых частей тела к холодным. Перенос происходит через свободно движущиеся элементарные частицы, к которым относятся атомы, электроны и т.д.
Сам процесс передачи тепла происходит в каждом теле, но способ передачи энергии во многом зависит от общего состояния организма.
Кроме того, теплопроводность можно определить как количественный параметр способности тела передавать тепловую энергию. Если сравнивать теплопроводность и электропроводность, то эта концепция аналогична электропроводности.
Способность физического тела препятствовать распространению тепловых колебаний молекул называется термическим сопротивлением. Кстати, некоторые люди ошибочно путают это понятие с теплопроводностью.
Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности
В то время как теплопроводность описывает способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к другой, термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. способность металлов препятствовать этой передаче, т.е. сопротивляться ей. Воздух обладает высоким термическим сопротивлением. Именно это в наибольшей степени препятствует передаче тепла между телами.
Количественная характеристика изменения температуры единицы поверхности за единицу времени на один градус (К) называется коэффициентом теплопередачи. Международная система единиц (IUS) измеряет этот параметр в Вт/м*градус. Это свойство очень важно при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.
Теплопроводность металлов при температуре, °C
От чего зависит показатель теплопроводности
При исследовании способности металлических изделий передавать тепло было обнаружено, что теплопроводность зависит от него:
- вида металла;
- химического состава;
- пористости;
- размеров.
Металлы имеют различные структуры кристаллической решетки, что может изменить теплопроводность материала. Например, в стали и алюминии структура микрочастиц по-разному влияет на скорость теплопередачи.
Коэффициент теплопроводности может принимать различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что различные металлы имеют разную степень плавления, а значит, свойства материала также отличаются при различных параметрах окружающей среды, что отражается на теплопроводности.
Методы измерения
Для измерения теплопроводности металлов используются два метода: постоянный и непостоянный. Первый характеризуется получением постоянного значения изменяющейся температуры на тестируемой поверхности, а второй — частичным изменением температуры.
Постоянное измерение проводится экспериментально, требует длительного периода времени, а исследуемый металл используется в виде преформ правильной формы с плоской поверхностью. Образец помещается между нагретой и охлажденной поверхностями, и после соприкосновения поверхностей измеряется время, в течение которого образец может повысить температуру охлажденной опоры на один градус Кельвина. При расчете теплопроводности необходимо учитывать размеры рассматриваемого образца.
Нестационарный метод используется редко, поскольку результат часто бывает необъективным. В настоящее время никто, кроме ученых, не измеряет этот коэффициент; все используют значения, определенные экспериментально для различных материалов. Это связано со стабильностью данного параметра, сохраняющего химический состав продукта.
От чего зависит?
Зависимость теплопроводности стали и любого другого сплава определяется значениями определенных параметров: плотностью материала, химическим составом, структурой (наличием пор), размером теплопроводного пространства, в котором он заключен. Для металлов эта зависимость определяется структурой кристаллической решетки, например, сталь и алюминий имеют разную структуру.
Кстати, сталь в состоянии покоя обладает лучшей теплопроводностью, чем сталь в состоянии покоя или кипения: первая имеет твердую, очень плотную структуру.
Не менее важной является зависимость величины теплопроводности от температуры. Фактом является то, что плохо проводящий материал при нагревании может испытывать увеличение скорости накопления тепла из-за снижения теплопроводности. Возникает лавинный эффект: чем больше нагревается сталь, тем больше ускоряется нарастание тепла. Компонент с недостаточной теплопроводностью просто сгорает при перегреве, а в некоторых случаях даже плавится.
Однако теплопроводность стали или другого сплава — или одного металла — не зависит исключительно от конкретных свойств материала. Также важно, какие элементы, части находятся рядом с ним. Например, если на поверхность процессора вместо теплопроводящей пасты нанести простой клей, а сверху «поставить» кулер, то сама пластина кулера будет лишь минимально нагреваться от горячего процессора, не обеспечивая необходимого поглощения тепла.
Как только вы программно загрузите процессор до предела, он перегреется и сгорит за несколько минут.
Конечно, можно установить кулер и без теплопоглощающих паст, но слишком плотное прилегание приведет либо к трещинам в корпусе процессора, либо, наоборот, при недостаточном контакте поверхностей процессора и кулера, к тому же явлению «недостаточного поглощения тепла», несмотря на высокую теплопроводность стали или алюминия, из которых изготовлен блок охлаждения. Эту особенность необходимо учитывать при ремонте или замене микроэлектронных компонентов.
Показатели
Для стали 09Г2С значение теплопроводности колеблется от 33 при температуре 20 градусов до 20 при нагреве до 400 градусов.
Для стали 12Cr18Ni10T теплопроводность колеблется от 15 при 20 градусах до 29 при нагреве до 800 градусов: здесь мы видим обратную тенденцию — не уменьшение, а увеличение (в ваттах на метр, умноженных на каждый градус изменения температуры).
Удельные значения для различных типов углеродистой стали следующие.
- Сталь 20 при температуре 27-1200 градусов – 86-30 Вт/м*градус (тенденция к снижению).
- Сталь 45 при 27-527 градусах – 79-30.
- Сталь 3: при температуре 100-700 – значение в 55-30.
- Ст3 (спокойная, группы В) – аналогичные предыдущему варианту значения.
- Сталь 10: при 27-527 градусах – 83-44.
- Сталь 40 обладает двойной зависимостью с экстремумом: при температуре 100, 800, 900, 1000, 1100 её теплопроводность снижается от 51 до 25, а при дальнейшем нагреве от 1200 до 1400 градусов она, напротив, растёт от 26 до 30 единиц.
- Сталь 30 имеет лишь нисходящую, как и большинство других сортов, тенденцию: при нагреве от 20 до 700 градусов её показатель плавно снижается от 52 до 32.
- У стали 15 изменение температуры от 27 до 627 вызовет снижение теплопроводности с отметки в 86 до уровня в 32 Вт/м*градус.
Остальные значения относятся к более чем ста различным видам стали и чугуна. Важно отметить, однако, что подавляющее большинство сплавов на основе железа имеют сильную тенденцию к снижению теплопроводности с ростом температуры. Индекс одинаков независимо от того, какая сталь — круглая, квадратная, прямоугольная, тавровая, рельсовая или листовая — все образцы показывают одинаковую картину (скорость) распространения тепла.
Значение в быту и производстве
При проектировании теплообменников необходимо учитывать значения теплопроводности в быту и промышленности. Как правило, все теплообменники изготавливаются из металлов и их сплавов, с добавлением при необходимости добавок из неметаллических сплавов. Сплавы имеют несколько меньшую теплопроводность, чем чистые металлы. Расчет и проектирование теплообменников основывается на мощности теплопередачи от теплоносителя (источника) к потребителю.
Не менее важна и высокоэффективная теплопередача. Будь то охлаждение редуктора в режущем станке или микропроцессора в компьютере, радиатор, не обладающий необходимой минимальной теплопроводностью, не может полностью отвести тепло от нагретых компонентов, что быстро приводит к их выходу из строя.
Теплоизоляция, с другой стороны, основана на расчете изоляционного слоя с более низким значением теплопроводности, а не со средним или близким к максимальному значению.
Вспененный полиэтилен, пенополиэтилен, минеральная вата сохраняют тепло в помещении зимой только потому, что воздух в их пористой структуре, как и каждый из отдельных газов, из которых они состоят, обладает ничтожно малой теплопроводностью по сравнению с металлами.
Не менее важной частью расчета является тест. Разработка нового теплоотвода или изоляционного материала (например, пористого полипропилена) основывается на существующих значениях компонентов, составляющих основу теплообменного слоя. Цель состоит в том, чтобы большая часть тепла проходила или отражалась.
Таблица теплопроводности строительных материалов
Стены, потолки и полы могут быть выполнены из различных материалов, но принято сравнивать теплопроводность строительных материалов с теплопроводностью каменной кладки. Все знакомы с этим материалом, и с ним легче создавать ассоциации. Наиболее популярными являются диаграммы, показывающие разницу между различными материалами. Одна из таких иллюстраций приведена в предыдущем абзаце, вторая — сравнение кирпичной и блочной стен — показана ниже. По этой причине теплоизоляционные материалы выбирают для кирпичных стен или других материалов с высокой теплопроводностью. Теплопроводность основных строительных материалов приведена в таблице ниже, чтобы помочь выбрать оптимальный материал.
| Название материала, плотность | Коэффициент теплопередачи | ||
|---|---|---|---|
| в сухом состоянии | при нормальной влажности | при повышенной влажности | |
| ЦПР (цементно-песчаный раствор) | 0,58 | 0,76 | 0,93 |
| Известково-песчаный раствор | 0,47 | 0,7 | 0,81 |
| Гипсовая штукатурка | 0,25 | ||
| Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,22 | 0,26 |
| Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3 | 0,21 | 0,33 | 0,37 |
| Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3 | 0,29 | 0,38 | 0,43 |
| Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3 | 0,15 | 0,28 | 0,34 |
| Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3 | 0,23 | 0,39 | 0,45 |
| Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3 | 0,31 | 0,48 | 0,55 |
| Оконное стекло | 0,76 | ||
| Арболит | 0,07-0,17 | ||
| Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3 | 1,51 | ||
| Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3 | 0,15-0,44 | ||
| Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3 | 0,35-0,58 | ||
| Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3 | 0,56 | ||
| Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3 | 0,9-1,5 | ||
| Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3 | 0,3-0,7 | ||
| Керамическийй блок поризованный | 0,2 | ||
| Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3 | 0,08-0,21 | ||
| Керамзитобетон, 500 кг/м3 | 0,14 | ||
| Керамзитобетон, 600 кг/м3 | 0,16 | ||
| Керамзитобетон, 800 кг/м3 | 0,21 | ||
| Керамзитобетон, 1000 кг/м3 | 0,27 | ||
| Керамзитобетон, 1200 кг/м3 | 0,36 | ||
| Керамзитобетон, 1400 кг/м3 | 0,47 | ||
| Керамзитобетон, 1600 кг/м3 | 0,58 | ||
| Керамзитобетон, 1800 кг/м3 | 0,66 | ||
| ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР | 0,56 | 0,7 | 0,81 |
| Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) | 0,35 | 0,47 | 0,52 |
| Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3) | 0,41 | 0,52 | 0,58 |
| Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3) | 0,47 | 0,58 | 0,64 |
| Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) | 0,7 | 0,76 | 0,87 |
| Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот | 0,64 | 0,7 | 0,81 |
| Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот | 0,52 | 0,64 | 0,76 |
| Известняк 1400 кг/м3 | 0,49 | 0,56 | 0,58 |
| Известняк 1+600 кг/м3 | 0,58 | 0,73 | 0,81 |
| Известняк 1800 кг/м3 | 0,7 | 0,93 | 1,05 |
| Известняк 2000 кг/м3 | 0,93 | 1,16 | 1,28 |
| Песок строительный, 1600 кг/м3 | 0,35 | ||
| Гранит | 3,49 | ||
| Мрамор | 2,91 | ||
| Керамзит, гравий, 250 кг/м3 | 0,1 | 0,11 | 0,12 |
| Керамзит, гравий, 300 кг/м3 | 0,108 | 0,12 | 0,13 |
| Керамзит, гравий, 350 кг/м3 | 0,115-0,12 | 0,125 | 0,14 |
| Керамзит, гравий, 400 кг/м3 | 0,12 | 0,13 | 0,145 |
| Керамзит, гравий, 450 кг/м3 | 0,13 | 0,14 | 0,155 |
| Керамзит, гравий, 500 кг/м3 | 0,14 | 0,15 | 0,165 |
| Керамзит, гравий, 600 кг/м3 | 0,14 | 0,17 | 0,19 |
| Керамзит, гравий, 800 кг/м3 | 0,18 | ||
| Гипсовые плиты, 1100 кг/м3 | 0,35 | 0,50 | 0,56 |
| Гипсовые плиты, 1350 кг/м3 | 0,23 | 0,35 | 0,41 |
| Глина, 1600-2900 кг/м3 | 0,7-0,9 | ||
| Глина огнеупорная, 1800 кг/м3 | 1,4 | ||
| Керамзит, 200-800 кг/м3 | 0,1-0,18 | ||
| Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3 | 0,23-0,41 | ||
| Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3 | 0,16-0,66 | ||
| Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3 | 0,22-0,28 | ||
| Кирпич клинкерный, 1800 — 2000 кг/м3 | 0,8-0,16 | ||
| Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3 | 0,93 | ||
| Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3 | 1,35 | ||
| Листы гипсокартона, 800 кг/м3 | 0,15 | 0,19 | 0,21 |
| Листы гипсокартона, 1050 кг/м3 | 0,15 | 0,34 | 0,36 |
| Фанера клеенная | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
| ДВП, ДСП, 200 кг/м3 | 0,06 | 0,07 | 0,08 |
| ДВП, ДСП, 400 кг/м3 | 0,08 | 0,11 | 0,13 |
| ДВП, ДСП, 600 кг/м3 | 0,11 | 0,13 | 0,16 |
| ДВП, ДСП, 800 кг/м3 | 0,13 | 0,19 | 0,23 |
| ДВП, ДСП, 1000 кг/м3 | 0,15 | 0,23 | 0,29 |
| Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3 | 0,33 | ||
| Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3 | 0,38 | ||
| Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3 | 0,2 | 0,29 | 0,29 |
| Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3 | 0,29 | 0,35 | 0,35 |
| Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3 | 0,35 | ||
| Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3 | 0,23-0,35 | ||
| Ковровое покрытие, 630 кг/м3 | 0,2 | ||
| Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3 | 0,16 | ||
| Полистиролбетон, 200-500 кг/м3 | 0,075-0,085 | ||
| Ракушечник, 1000-1800 кг/м3 | 0,27-0,63 | ||
| Стеклопластик, 1800 кг/м3 | 0,23 | ||
| Черепица бетонная, 2100 кг/м3 | 1,1 | ||
| Черепица керамическая, 1900 кг/м3 | 0,85 | ||
| Черепица ПВХ, 2000 кг/м3 | 0,85 | ||
| Известковая штукатурка, 1600 кг/м3 | 0,7 | ||
| Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3 | 1,2 | ||
Как рассчитать толщину стен
Чтобы в доме было тепло зимой и прохладно летом, ограждающие конструкции (стены, пол, крыша) должны обладать определенным термическим сопротивлением. Это значение варьируется от региона к региону. Это зависит от средней температуры и влажности в регионе.
Чтобы избежать чрезмерных затрат на отопление, строительные материалы и их толщина должны быть выбраны таким образом, чтобы их общее термическое сопротивление было не ниже указанного в таблице.
Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев
Для современных конструкций характерно, что стена состоит из нескольких слоев. Помимо несущей конструкции, есть еще изоляционные и отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как вы определяете толщину изоляции? Расчет прост. Формула выглядит следующим образом:
R — термическое сопротивление,
p — толщина слоя в метрах,
k — коэффициент теплопроводности.
Предварительно необходимо решить, какие материалы будут использоваться для строительства. Также необходимо точно знать, какой материал будет использован для стен, изоляции, отделки и т.д. Каждый из этих элементов вносит свой вклад в теплоизоляцию, а теплопроводность строительных материалов учитывается при расчете.
Сначала рассчитывается термическое сопротивление строительного материала (из которого сделана стена, пол и т.д.), а затем по остаточному принципу подбирается толщина выбранной теплоизоляции. Можно также учитывать теплоизоляционные свойства отделочных материалов, но они обычно являются «плюсом» к базовой комплектации. Таким образом, специальный резерв закладывается «на всякий случай». Благодаря этому резерву вы сможете сэкономить на расходах на отопление, что, в свою очередь, положительно скажется на бюджете.
Пример расчета толщины утеплителя
Давайте рассмотрим пример. Мы построим кирпичную стену в полтора кирпича, утепленную минеральной ватой. Согласно таблице, термическое сопротивление стен для данной площади должно быть не менее 3,5. Расчет для этой ситуации показан ниже.
- Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5 кирпича.
- Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.
- Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.
Если ваш бюджет ограничен, вы можете использовать 10 см минеральной ваты, а недостающее количество будет покрыто отделочными материалами. Они есть внутри и снаружи. Однако если вы хотите максимально снизить расходы на отопление, лучше добавить в смету отделочные материалы. Они являются вашим резервом на случай наиболее низких температур, поскольку стандарты термического сопротивления для ограждающих конструкций зданий рассчитываются на основе средних температур за несколько лет, а зимы могут быть необычайно холодными. Поэтому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки, не учитывается.
Теплопроводность материалов
Металлы обладают высокой теплопроводностью. Полимеры обладают низкой теплопроводностью, а некоторые из них проводят мало тепла, например, стекловолокно, которое называют изолятором. Чтобы тепло проходило через пространство, в этом пространстве должно быть вещество. В открытом пространстве (пустом пространстве) теплопроводность равна нулю.
Каждый однородный материал характеризуется коэффициентом теплопередачи (обозначается греческой буквой лямбда), который показывает, какое количество тепла должно быть передано 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 присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от температуры. Поэтому этот коэффициент обычно измеряется при комнатной температуре (300 K) для сравнения свойств различных материалов.
Если материал неоднородный, например, железобетон, то вводится понятие коэффициента полезной теплопроводности, который измеряется с помощью коэффициентов однородных веществ, составляющих материал.
В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов в Вт/(м*К) для температуры 300 К (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 приведены данные по неметаллическим твердым веществам:
- стекловолокно 0,03—0,07;
- стекло 0,6—1,0;
- асбест 0,04;
- дерево 0,13;
- парафин 0,21;
- кирпич 0,80;
- алмаз 2300.
Из рассмотренных данных следует, что теплопроводность металлов намного выше, чем у неметаллов. Исключением является алмаз, коэффициент теплопроводности которого в пять раз выше, чем у меди. Это свойство алмаза обусловлено прочными ковалентными связями между атомами углерода, образующими его кристаллическую решетку. Это свойство заставляет людей чувствовать холод, когда они прикасаются губами к алмазу. Способность алмаза хорошо передавать тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла от микросхем. Это свойство также используется в специальных устройствах, позволяющих отличить настоящие бриллианты от поддельных.
В некоторых промышленных процессах предпринимаются попытки увеличить теплопроводность, что достигается либо за счет использования хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между элементами конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и теплоотводы. В других случаях, однако, предпринимаются попытки снизить теплопроводность, что достигается использованием теплоизоляторов, полостей в конструкциях и уменьшением площади контакта между элементами.
Коэффициенты теплопередачи сталей
Способность сталей передавать тепло зависит от двух основных факторов: Состав и температура.
Для одноуглеродистых сталей увеличение содержания углерода снижает удельный вес и, следовательно, способность к теплопередаче с 54 до 36 Вт/(м*К) при увеличении содержания углерода в стали с 0,5 до 1,5%.
Нержавеющие стали содержат хром (10 % и более), который вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала и повышающие потенциал металлического электрода. Теплопроводность нержавеющей стали низкая по сравнению с другими сталями и составляет от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от состава. Жаропрочные хромоникелевые стали имеют еще более низкие значения этого коэффициента (11-19 Вт/(м*К)).
Вторая категория — это оцинкованная сталь с удельным весом 7 850 кг/м3, которая получается путем покрытия стали железом и цинком. Поскольку цинк отдает тепло легче, чем железо, теплопроводность оцинкованной стали относительно высока по сравнению с другими видами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).
Теплопроводность стали обычно существенно не меняется при различных температурах. Например, сталь 20 имеет коэффициент теплопроводности, который уменьшается с 86 Вт/(м*К) до 30 Вт/(м*К) при повышении температуры от комнатной до 1200 °C, в то время как сталь 08Х13 не изменяет свою теплопроводность (27-28 Вт/(м*К)) при повышении температуры от 100 °C до 900 °C.
Факторы, влияющие на физическую величину
Теплопроводность зависит от нескольких факторов, например, от температуры, структуры и электрических свойств материала.
Температура материала
Влияние температуры на теплопроводность различно для металлов и неметаллов. Для металлов проводимость в основном связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана-Франца, теплопроводность металла пропорциональна произведению его абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, и его электропроводности. В чистых металлах электропроводность уменьшается с повышением температуры, так что теплопроводность остается приблизительно постоянной. В сплавах электропроводность с повышением температуры изменяется незначительно, поэтому теплопроводность сплавов увеличивается с температурой.
С другой стороны, теплопередача в неметаллах происходит в основном за счет колебаний решетки и обмена фононами решетки. За исключением высококачественных кристаллов и низких температур, путь фононов решетки не уменьшается значительно при высоких температурах, так что теплопроводность остается постоянной во всем диапазоне температур, т.е. пренебрежимо мала. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллических металлов передавать тепло значительно снижается вместе с их теплоемкостью.
Фазовые переходы и структура
Когда материал претерпевает фазовый переход первого рода, например, из твердого тела в жидкость или из жидкости в газ, его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница между этой физической величиной во льду (2,18 Вт/(м*К) и воде (0,90 Вт/(м*К)).
Изменения в кристаллической структуре материалов также влияют на теплопроводность, что можно объяснить анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеяния фононов решетки, основных переносчиков тепла в неметаллах, в различных направлениях в кристалле. Типичным примером является сапфир, проводимость которого колеблется между 32 и 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.
Электрическая проводимость
Теплопроводность металлов зависит от электропроводности в соответствии с законом Видемана-Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, которые свободно перемещаются в кристаллической решетке металла, передают не только электрическую, но и тепловую энергию. В других материалах корреляция между этими типами проводимости не очень сильная, поскольку вклад электронной составляющей в теплопроводность незначителен (в неметаллах основную роль в механизме теплопередачи играют фононы решетки).
Процесс конвекции
Воздух и другие газы обычно являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. На этом принципе основаны многие изоляционные материалы, содержащие большое количество мелких полостей и пор. Такая структура препятствует распространению конвекции на большие расстояния. Примерами таких искусственных материалов являются полистирол и кремнеземный аэрогель. В природе теплоизоляционные материалы, такие как шкуры животных и перья птиц, работают по тому же принципу.
