Теплопроводность

Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией

   Механизм  распространения тепла теплопроводностью  зависит от физических свойств тела. В газах и жидкостях он происходит путем соударения частиц между собой, а также посредством диффузии молекул и атомов. В металлах теплопроводность осуществляется в результате диффузии свободных электронов и частично – упругих колебаний кристаллической решетки. В твердых телах – диэлектриках, в основном, за счет упругих колебаний кристаллической решетки.

    В  чистом виде теплопроводность  встречается лишь в твердых  телах. В таких телах, как  стекло и кварц, часть энергии  наряду с теплопроводностью передается излучением. В аморфных веществах теплота передается за счет упругих волн в материале. В газах и жидкостях теплопроводность дополняется передачей тепла конвекцией и излучением.

    Температурное поле – совокупность всех значений температуры в теле в данный момент времени.

    В  общем случае уравнение температурного  поля имеет вид (Значение температуры  в любой точке пространства, определяемой  координатами x, y, z в каждый момент  времени τ) : t=f(x,y,z, τ )

    Температурные поля подразделяют на стационарные и нестационарные. Если температура тела является функцией координат и времени, то такое температурное поле будет нестационарным (t=f(x,y,z, τ )). В том случае, когда температура тела с течением времени не изменяется и является функцией только координат, температурное поле будет стационарным:  t =f (x, у, z).

   Изотермическая поверхность - геометрическое место точек в пространстве с одинаковой температурой.

   Наиболее резкое изменение температуры получается в направлении нормали  к изотермической поверхности.

   Предел  отношения изменения температуры   к расстоянию между изотермами  по нормали называется градиентом температур:  

    Тепловой поток – количество теплоты, проходящей через изотермическую поверхность в единицу времени;

    Плотность теплового потока – тепловой поток, проходящий в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности;

   Линейной плотностью теплового потока называют отношение теплового потока к длине изотермической поверхности цилиндрической формы.

   Согласно закону  Фурье для теплопроводности величина теплового потока dQ,  передаваемого через бесконечно малый элемент поверхности dA, пропорциональна градиенту температуры: dQ= -λ*grad t*dA

   Знак  минус указывает на то, что  теплота передается в направлении  уменьшения температуры.

   Численно  коэффициент теплопроводности равен  количеству теплоты, проходящему  в единицу времени через единицу  изотермической поверхности при  условии gradt=1. Его размерность Вт/(м×К).

   Для большинства  материалов зависимость коэффициента  теплопроводности от температуры  приближенно можно выразить в  виде линейной функции     

  Коэффициент теплопроводности зависит от большого числа факторов (химсостава, структуры, пористости и т.п.)

   С увеличением содержания углерода теплопроводность углеродистых сталей снижается.

   Теплоизоляционными материалы - элемент конструкции, предотвращающий передачу тепла.

   Теплопроводность  теплоизоляционных и строительных материалов значительно растет с увеличением влажности. Основной особенностью теплоизоляционных материалов является их высокая пористость и, следовательно низкая теплопроводность.

   Термическое сопротивление, способность тела препятствовать распространению теплового движения молекул. Термическое сопротивление численно равно температурному напору, необходимому для передачи единичного теплового потока (равного 1 Вт/м2) к поверхности тела или через слой вещества; выражается в м2·К/Вт

   Когда  речь идет о многослойной конструкции, то сопротивление слоев просто складываются.

   Теоретической базой основных стационарных методов определения коэффициента теплопроводности является решение одномерных задач теплопроводности для тел правильной геометрической формы (пластина, цилиндр, шар). В ходе экспериментов измеряют тепловой поток, температуры на поверхностях образца и его геометрические размеры.

   Преимуществом стационарных методов определения теплопроводности являются простота расчетных формул и надежность получаемых результатов, а к недостаткам относятся необходимость применения большого числа датчиков температуры и значительные затраты времени на выполнение опытов.