Теплопроводность

Газы
Теплопроводность газов. Согласно молекулярно-кинетической теории теплопроводность в газах обусловлена взаимным обменом энергией при соударениях молекул между собой.
Молекула, обладающая большей кинетической энергией, передает последней часть свое й энергии, что приводит к выравниванию температуры в газе.
В газах (так же как и в жидкостях) теплопроводность в чистом виде наблюдается лишь в очень тонких слоях и при таком их расположении, когда молекулы с наибольшей энергией ( т.е. наиболее нагретые) находятся наверху. При наличии слоя газа или жидкости конечной толщины обычно возникает конвекция .

Рис. 6.2 Зависимость теплопроводности некоторых газов от температуры : 1- водяной пар; 2-Углекислый газ; 3-воздух; 4-аргон

Таблица 6.1
Значения коэффициентов С, n, n1

Жидкости
Теплопроводность жидкостей. Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Молекулы жидкости (в отличие от газов) расположены достаточно тесно и совершают сложные периодические движения лишь в определенных ограниченных участках пространства; одновременно каждая молекула находится в сфере действия других молекул. Теплопроводность жидкости осуществляется обменом энергии при соударениях молекул по типу распространения продольных колебаний (аналогично распространению звука).
Теплопроводность жидкостей лежит в диапазоне 0,1…1 Вт/(м*К) и уменьшается с ростом температуры (за исключением воды и глицерина). Зависимость теплопроводности ряда жидкостей от температуры дана на рис. 6.3

Рис. 6.3. Зависимость от температуры теплопроводности различных жидкостей:
1-вазелиновое масло; 2-бензол; 3-ацетон, 4-касторовое масло ; 5-спирт этиловый; 6-спирт метиловый; 7-глицерин; 8-вода.

Металлы
Теплопроводность металлов. Теплопроводность чистых металлов, так же как и сплавов, зависит от их кристаллической структуры, размера и ориентации зерен, наличия деформации кристаллической решетки и др. передача теплоты в металлах и сплавах осуществляется за счет движения свободных электронов и упругими колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки. Для чистых и хорошо проводящих металлов электронная проводимость является основной. Наличие в металлах примесей, дефектов решетки и т.д. вызывает уменьшение электронной проводимости, поэтому теплопроводность сплавов меньше теплопроводности чистых металлов.
Для сплавов теплопроводность изменяется при изменении химического состава сплава в основном по тем же закономерностям, что и электропроводность. Добавление к металлу с высокой теплопроводностью даже небольшого количества менее теплопроводного металла приводит к резкому снижению теплопроводности сплава. Наоборот, добавление к металлу с низким значением коэффициента теплопроводности высокотеплопроводного компонента не приводит к заметному росту теплопроводности сплава.

Теплопроводность чистых металлов и сплавов лежит в диапазоне λ= 10…430 ВТ/(м*К) и, как правило, уменьшается с ростом температуры, однако для некоторых сплавов может иметь место и неоднозначная зависимость λ =F(T) (рис 6.4)
Рис. 6.4. Зависимость от температуры
Теплопроводности некоторых металлов
И сплавов
Рис.6.5. Зависимость от температуры теплопроводности ряда поликристаллических материалов: 1-окись беррилия BeO;2-Карбид кремния SiC;3-окись магния MgO;4-окись алюминия Al2O3;5-окись никеля NiO;6-двуокись торияThO2; 7-двуокись титана TiO2;8-двуокись цирконияZrO2;9- MgSiO4

Теплоизоляция
Теплоизоляционные материалы. К числу изоляционных материалов могу быть отнесены все материалы, обладающим низким коэффициентом теплопроводности (менее 5 Вт/(м*К) при t=0°С).
Теплоизоляционные вещества могут быть неорганического происхождения (асбест, хлопок, дерево, кожа, резина, текстолит и т.д.) и смешанными, т.е. состоящими одновременно из органических и неорганических веществ. Материалы органического происхождения используют в области температур, не превышающих +150° С . Для более высоких температур применяются материалы неорганического происхождения. Промышленное значение имеют окислы, например, алюминия, магния и других металлов, соли, карбонаты (как, например, известковые породы, мел, магнезит, асбест т.д.) (рис. 6.5).

Рис. 8.1. Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ
Теплопроводность твердых теплоизоляционных материалов, как правило, определяется их пористостью (т.е. общим объемом газовых включений, отнесенным к единице объема изоляционного материала), размером пор и влажностью. С ростом влажности теплопроводность увеличивается.
Теплопроводность пористых тел сильно возрастает с температурой и при температурах более 1300° С тепловые изоляторы становятся проводниками тепла.
Сплошные диэлектрические материалы, например стекло, имеют более высокую теплопроводность по сравнению с пористыми материалами.
Установлено так же, что чем выше плотность материала, тем больше его теплопроводность, рис.6.6.

Рис. 6.6 Коэффициент теплопроводности строительных материалов в зависимости от плотности, данные:
1-асботермит; 2-асбозурит; 3-аэродоломит; 4-известняк (параллельно слоям); 5-трепельный кирпич; 6-теплый раствор; 7-глиноторфяной кирпич; 8-глиногипс;9-теплый бетон;10-алебастровый кирпич; 11-асбестовая штукатурка; 12-кирпич из обожженной глины; 13-ракушечник; 14-известняк (перпендикулярно слоям); 15-глина; 16-болотная руда; 17-красный кирпич; 18-силикатный кирпич; 19-известняк; 20-кислотоупорный кирпич; 21-песчаник

Общая информация
Для многих материалов в нешироком диапазоне температур зависимость λ = λ(Т) можно описать линейной функцией вида
Таблица 1.2. Значения λ0, β, λ’0 и β’ для некоторых теплоизоляционных материалов