Теплопроводность — что это такое?

Содержание
  1. Теплопроводность: определение, принцип определения и другие факторы
  2. Что такое теплопроводность?
  3. Насколько важно знать значения теплопроводности?
  4. Важность теплопроводности в 3D-печати?
  5. Теплопроводность различных материалов а 3D-печати
  6. Насколько важна теплопроводность в лазерной резке?
  7. Насколько важна теплопроводность при литье пластмасс под давлением?
  8. Формула теплопроводности
  9. Символ теплопроводности
  10. Единица измерения теплопроводности
  11. Как рассчитать теплопроводность материала?
  12. Примеры расчета теплопроводности
  13. Какие факторы влияют на теплопроводность материалов?
  14. Каковы преимущества теплопроводности?
  15. Недостатки в определении теплопроводности
  16. Примеры теплопроводности различных материалов
  17. Что означает высокая теплопроводность?
  18. Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?
  19. Что означает низкая теплопроводность?
  20. Какой материал имеет самую низкую теплопроводность?
  21. Что лучше, высокая или низкая теплопроводность?

Теплопроводность: определение, принцип определения и другие факторы

Теплопроводность является одним из важных свойств материала, которое позволяет инженерам выбирать правильный материал для конкретного применения.

Она определяет, насколько легко тепло может проходить через материал. Например, материал с высокой теплопроводностью, такой как медь, идеально подходит для радиатора, тогда как материал с низкой теплопроводностью, такой как керамика, идеален для теплоизоляции.

В этой статье будет рассмотрено понятие теплопроводности, как она работает, как рассчитывается, а также различные факторы, которые могут влиять на это свойство.

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность можно определить как то, насколько легко материал может передавать тепло при наличии приложенного температурного градиента.

Теплопроводность материала часто определяется экспериментально. Он используется для характеристики теплопередачи материала при различных температурах.

Теплопроводность часто используется для описания того, является ли материал изолятором или проводником. В случае изолятора термин тепловое сопротивление часто используется для описания того, как материал сопротивляется потоку тепла.

Теплопроводность относится к способности материала передавать тепло по градиенту от высокой температуры к низкой температуре.

То, что мы воспринимаем как «тепло», когда прикасаемся к объекту, является макроскопическим эффектом вибраций атомного масштаба внутри материала.

Когда тепловая энергия поглощается материалом, эта энергия преобразуется в кинетическую энергию атомов. Атомы в твердых телах не могут много двигаться, поэтому они вибрируют.

Вибрирующие атомы, подвергающиеся непосредственному воздействию тепловой энергии, сталкиваются со своими соседями. Это передает кинетическую энергию соседям, которые затем возбуждают атомы еще ниже по потоку от источника тепла.

Колебания, вызванные тепловой энергией, перемещаются через материал в более холодные области, что-то вроде ряби, распространяющейся от гальки, ударяющейся о поверхность пруда.

Насколько важно знать значения теплопроводности?

Теплопроводность важна, потому что это мера того, насколько хорошо материал помогает (проводит) или сопротивляется (изолирует) потоку тепла.

На практике это позволяет инженерам выбирать подходящий материал для приложения. Например, в теплообменнике идеален хороший теплопроводник. Для футеровки печи идеально подойдет хороший изолятор.

Важность теплопроводности в 3D-печати?

Теплопроводность важна по ряду причин. Во-первых, станина 3D-принтера должна быть горячей, чтобы первый слой прилипал к ней.

Платформы для 3D-печати обычно изготавливаются из алюминиевой пластины с нагревательным элементом, прикрепленным к нижней стороне.

Алюминий является хорошим проводником тепла, поэтому нагретая алюминиевая платформа принтера будет равномерно передавать тепло по всей целевой области печати.

Во-вторых, теплопроводность внутри узла экструдера может привести к сбоям при печати из-за ползучести тепла. Наконец, важна теплопроводность, так как тепло в горячем конце должно передаваться от термистора к пластику, чтобы эффективно расплавить его.

Теплопроводность различных материалов а 3D-печати

В таблице 1 ниже перечислены теплопроводности ряда материалов для 3D-печати:

Таблица 1: Теплопроводность материалов для 3D-печати
Материал для 3D-печати Теплопроводность (Кал/см·с·oC) Теплопроводность (Вт/м·К)
НОАК [FDM]
0,00031
0,13
АБС [FDM]
0,00059
0,25
СС 316 [ОДС]
0,0389
16,3
Нейлон PA12 [SLS]
0,00072
0,3

Насколько важна теплопроводность в лазерной резке?

Теплопроводность при лазерной резке важна по ряду причин. Во-первых, материалам с высокой теплопроводностью требуется больше энергии, чтобы лазер мог их прорезать.

По этой причине такие материалы, как алюминий или медь, труднее резать. Во-вторых, материалы с низкой теплопроводностью будут локализовать тепло вблизи кромки реза.

Неравномерный нагрев может привести к остаточным напряжениям, которые могут вызвать коробление или растрескивание материала после остывания.

Насколько важна теплопроводность при литье пластмасс под давлением?

Теплопроводность важна при литье пластмасс под давлением для производства качественных литьевых деталей.

Важно, чтобы форма поддерживалась при оптимальной температуре во время формования и быстро охлаждалась после формования, чтобы сократить время цикла.

Формы с высокой теплопроводностью обеспечивают быстрый нагрев и быстрое охлаждение для обеспечения оптимального качества и минимального времени цикла.

Формула теплопроводности

Теплопроводность можно рассчитать, используя упрощенную форму закона Фурье для теплопередачи. Важно отметить несколько допущений, используемых при использовании этого уравнения:

  1. Устойчивое состояние: теплопередачу можно классифицировать как «устойчивое состояние», если температура на горячей стороне не меняется.
  2. Одномерная теплопередача: тепло передается только в одном направлении.
  3. Постоянная теплопроводность: значение теплопроводности материала будет меняться в зависимости от температуры. Как правило, теплопроводность увеличивается с повышением температуры.

Уравнение теплопередачи:

Уравнение 1: Одномерный установившийся теплообмен

Где:

k: теплопроводность

В: Тепловой поток

A: площадь поперечного сечения

ΔT: разница температур (T1-T2) между горячей стороной (T1) и холодной стороной (T2) материала.

d: это относится к длине куска материала

Уравнение можно изменить таким образом, чтобы значение теплопроводности находилось в левой части уравнения в соответствии с уравнением 2:

Уравнение 2: Математическая формула для теплопроводности

Следует отметить, что это неэффективный метод определения теплопроводности материала.

Теплопроводность обычно определяется экспериментально в контролируемых условиях в соответствии с международно признанным стандартным методом.

Большинство спецификаций материалов указывают теплопроводность при определенной температуре или в диапазоне температур.

Символ теплопроводности

Теплопроводность чаще всего обозначается буквой k. Однако его также можно представить греческими буквами каппа (κ) и лямбда (λ).

Единица измерения теплопроводности

Единицей теплопроводности в СИ (Международная система единиц) является Вт/м·К, где:

Вт: Вт

м: метры

К: Кельвины

В английских единицах теплопроводность выражается в БТЕ/(час·фут·°F), где:

BTU: британские тепловые единицы

час: Часы

футов: футы

°F: градусы Фаренгейта

Как рассчитать теплопроводность материала?

Расчет теплопроводности материала не является общепринятой практикой.

Вместо этого теплопроводность в основном определяется в ходе экспериментального процесса, который определяет значение в контролируемых условиях в диапазоне различных температур.

Как только теплопроводность известна, ее можно использовать для расчета теплового потока, как показано в формуле в уравнении 1.

Примеры расчета теплопроводности

Теплопроводность не рассчитывается, а определяется экспериментальным путем.

Однако, чтобы проиллюстрировать влияние теплопроводности материала на величину теплового потока, ниже представлены три примера с использованием экспериментально определенных коэффициентов теплопроводности обычных материалов.

Предполагается, что пластина имеет толщину 1 м, длину и ширину 1 м, а Т1 равна 250 °С, а Т2 равна 25 °С.

Примеры расчета теплопроводности для обычных материалов.

Какие факторы влияют на теплопроводность материалов?

Ниже перечислены некоторые факторы, которые могут повлиять на теплопроводность материала:

1. Температура

У проводящих материалов, таких как металл, теплопроводность обычно уменьшается с повышением температуры. По мере того как металл нагревается, атомы и фононы начинают вибрировать более энергично.

Это уменьшит длину свободного пробега свободных электронов за счет механизма, называемого рассеянием электронов на фононах.

Для неметаллов взаимосвязь между температурой и теплопроводностью более сложная, и повышение температуры может как увеличивать, так и уменьшать теплопроводность.

2. Плотность

Более высокая плотность материала обычно может быть связана с более высокой плотностью упаковки атомов в кристаллической решетке или молекулярной структуре материала.

Эта более высокая плотность упаковки повысит теплопроводность за счет повышения эффективности теплопередачи через фононы или свободные электроны.

3. Давление

Когда материал подвергается воздействию достаточно высокого давления, существует вероятность увеличения его плотности. Это может привести к увеличению теплопроводности из-за более плотной упаковки атомов или молекул.

Другим потенциальным эффектом давления является изменение фазы материала, т.е. из твердого состояния в жидкое. Этот фазовый переход может повлиять на теплопроводность материала.

4. Состав

Типы атомов, молекул или ионов в материале могут влиять на его теплопроводность. Например, металлы, как правило, обладают высокой теплопроводностью, потому что их электроны могут свободно двигаться и легко передавать тепло.

Однако неметаллические материалы, такие как полимеры или керамика, как правило, имеют более низкую теплопроводность из-за их более жесткой и менее подвижной молекулярной структуры.

5. Структура

Решетчатая структура материала может влиять на его теплопроводность, потому что некоторые структуры более эффективны при передаче тепла, чем другие.

Например, материалы с более крупными кристаллами могут более эффективно передавать тепло, так как в них меньше границ зерен, которые могут препятствовать потоку свободных электронов.

В дополнение к этому, форма кристаллической структуры может иметь влияние, например, ГЦК (гранецентрированные кубические) структуры, подобные тем, которые обнаружены в меди, имеют лучшую теплопроводность, чем ОЦК (объемноцентрированные кубические) структуры, подобные тем, которые встречаются в железе. .

6. Пористость

Пористость относится к наличию пустот или газовых карманов в структуре материала. Эти пустоты могут быть естественным явлением, преднамеренно добавленными или из-за плохих методов обработки.

Теплопроводность через эти газовые карманы значительно снижается по сравнению с основным материалом. Это снижает общую теплопроводность материала.

7. Примеси

Примеси внутри материала могут влиять на теплопроводность посредством механизма, называемого рассеянием электронов на примесях.

Примеси могут создавать локальные аномалии электрического потенциала внутри кристаллической решетки. Это может препятствовать или отклонять движение свободных электронов, тем самым уменьшая теплопроводность материала.

Каковы преимущества теплопроводности?

Как материалы с очень высокой теплопроводностью, так и материалы с очень низкой теплопроводностью могут обеспечить преимущества для приложения, в зависимости от того, является ли более важной характеристикой теплопередача или сохранение тепла. Преимущества использования отличных проводников и изоляторов перечислены ниже:

  1. Проводники: материалы с высокой теплопроводностью могут эффективно передавать тепло от источника тепла к радиатору, поддерживая охлаждение оборудования. В качестве альтернативы проводники могут передавать тепло от источника тепла к более холодной жидкости, чтобы нагреть ее, а также обеспечить равномерную передачу тепла для предотвращения деформации.
  2. Изоляторы: материалы с низкой теплопроводностью могут препятствовать передаче тепла от источника тепла. Это может повысить эффективность печи, например, поскольку она удерживает тепло внутри там, где оно необходимо. Другим примером может быть предотвращение попадания тепла в чувствительную к температуре среду, например внутрь космического корабля, во время входа в атмосферу.

Недостатки в определении теплопроводности

Ниже перечислены некоторые ограничения измерений теплопроводности:

  1. Неточность: теплопроводность материалов зависит от температуры. По этой причине расчеты, основанные на теплопроводности, измеренной в определенном наборе условий, могут быть неточными при использовании для оценки теплопередачи в других условиях.
  2. В первую очередь на основе проводимости: теплопроводность обычно охватывает только передачу тепла посредством проводимости и не касается конвекции или теплопередачи излучением.

Примеры теплопроводности различных материалов

В таблице 2 ниже перечислены теплопроводности ряда распространенных материалов:

Материал Теплопроводность (Кал/см·с·oC) Теплопроводность (Вт/м·К)
Мягкая сталь
0,102
43
Нержавеющая сталь типа 316
0,039
16,3
Медь
0,958
401
Серебро
1,025
429
Керамическое волокно
0,00008
0,035

Что означает высокая теплопроводность?

Высокая теплопроводность означает способность материала быстро и эффективно отводить тепло.

Материалы с высокой теплопроводностью могут быстро передавать тепло из одного места в другое. Они используются в приложениях, где важна быстрая теплопередача, например, в теплообменниках.

При теплопроводности основным механизмом передачи тепла является движение свободных электронов. Однако в некоторых случаях фононный теплообмен является основным механизмом, например в алмазах.

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Алмаз обладает самой высокой теплопроводностью среди всех встречающихся в природе материалов. Это связано с его высокоупорядоченной кристаллической структурой, а также с сильными ковалентными связями между структурой кристаллической решетки.

Алмаз имеет теплопроводность от 2000 до 2500 Вт/м·К. Однако графен, представляющий собой искусственную структуру, состоящую из плоского расположения атомов углерода, может иметь скорость теплопередачи в плоскости от 3000 до 5000 Вт/м·К.

Что означает низкая теплопроводность?

Низкая теплопроводность означает неспособность материала эффективно проводить тепло. Материалы с низкой теплопроводностью являются хорошими изоляторами.

Они, как правило, препятствуют передаче тепла и имеют меньше свободных электронов. По этой причине первичный механизм передачи тепла осуществляется через решетку или молекулярные колебания, которые обычно менее эффективны, чем передача тепла свободными электронами.

Какой материал имеет самую низкую теплопроводность?

Аэрогель имеет самую низкую зарегистрированную теплопроводность среди всех физических материалов. Аэрогель представляет собой гель с микропорами, заполненными газом, обычно воздухом.

Эти микропоры создают искусственную пористость, препятствующую теплопередаче. Аэрогель на основе легированного азотом графена может иметь теплопроводность всего 0,023 Вт/м·К.

Это примерно такая же теплопроводность, как у воздуха (0,025 Вт / мК), и воздух считается очень плохим проводником тепла в условиях окружающей среды.

Что лучше, высокая или низкая теплопроводность?

Лучше высокая или низкая теплопроводность полностью зависит от области применения. В устройствах теплопередачи, таких как теплообменники, идеальна высокая теплопроводность, поскольку она улучшает скорость передачи тепла теплоносителю.

В тех случаях, когда необходимо предотвратить передачу тепла на окружающие компоненты, например, в печи, предпочтительна более низкая теплопроводность.

В этой статье представлена ​​теплопроводность, объяснено, что это такое, и обсуждены ее различные расчеты.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

1 × пять =

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: