Теплопровідність металів

Всі вироби, що використовуються людиною, здатні передавати і зберігати температуру предмета або навколишнього середовища, що доторкається до них. Здатність віддачі тепла одного тіла іншому залежить від виду матеріалу, через який відбувається процес. Властивості металів дозволяють передавати тепло від одного предмета іншому, з певними змінами, залежно від структури та розміру металевої конструкції. Теплопровідність металів – один із параметрів, що визначають їх експлуатаційні можливості.

Що таке теплопровідність і для чого потрібна

Процес перенесення енергії атомів і молекул від гарячих предметів до виробів з холодною температурою здійснюється при хаотичному переміщенні частинок, що рухаються. Такий обмін тепла залежить від стану агрегату металу, через який проходить передача. Залежно від хімічного складу матеріалу теплопровідність буде мати різні характеристики. Цей процес називають теплопровідністю, він полягає у передачі атомами та молекулами кінетичної енергії, що визначає нагрівання металевого виробу при взаємодії цих частинок, або передається від більш теплої частини – до тієї, яка менша нагріта.

Здатність передавати або зберігати теплову енергію дозволяє використовувати властивості металів для досягнення необхідних технічних цілей у роботі різних вузлів і агрегатів обладнання, що використовується в народному господарстві. Прикладом такого застосування може бути паяльник, що нагрівається в середній частині та передає тепло на край робочого стрижня, яким виконують пайку необхідних елементів.Знаючи властивості теплопровідності метали застосовують у всіх галузях промисловості, використовуючи необхідний параметр за призначенням.

Поняття термічного опору та коефіцієнта теплопровідності

Якщо теплопровідність характеризує здатність металів передавати температуру тіл від поверхні до іншої, то термічний опір показує зворотну залежність, тобто. можливість металів перешкоджати такій передачі, інакше кажучи, – чинити опір. Високий термічний опір має повітря. Саме він найбільше перешкоджає передачі тепла між тілами.

Кількісну характеристику зміни температури одиниці площі за одиницю часу на один градус (К) називають коефіцієнтом теплопровідності. Міжнародною системою одиниць прийнято вимірювати цей параметр у Вт/м*град. Ця характеристика є дуже важливою при виборі металевих виробів, які повинні передавати тепло від одного тіла до іншого.

Коефіцієнт теплопровідності металів при температурі, °С

Від чого залежить показник теплопровідності

Вивчаючи здатність передачі тепла металевими виробами виявлено, що теплопровідність залежить від:

• виду металу;
• хімічного складу;
• пористості;
• розмірів.

Метали мають різну будову кристалічних ґрат, а це може змінити теплопровідність матеріалу. Так, наприклад, у сталі та алюмінію, особливості будови мікрочастинок впливають по-різному на швидкість передачі теплової енергії через них.

Коефіцієнт теплопровідності може мати різні значення для того самого металу при зміні температури впливу.Це з тим, що з різних металів градус плавлення відрізняється, отже, за інших параметрах довкілля, властивості матеріалів також відрізнятимуться, але це позначиться на теплопровідності.

Методи виміру

Для вимірювання теплопровідності металів використовують два методи: стаціонарний і нестаціонарний.

Стаціонарне вимірювання проводиться дослідним шляхом, вимагає великої кількості часу, а також застосування досліджуваного металу у вигляді заготовок правильної форми, з плоскими поверхнями. на один градус за Кельвіном. Коли розраховують теплопровідність, обов'язково враховують розміри досліджуваного зразка.

Нестаціонарну методику досліджень використовують у рідкісних випадках через те, що результат, найчастіше, буває необ'єктивним. параметра збереження хімічного складу виробу.

Теплопровідність сталі, міді, алюмінію, нікелю та їх сплавів

Звичайне залізо і кольорові метали мають різну будову молекул і атомів.

Сталь має коефіцієнт теплопровідності при температурі навколишнього середовища 0 град. (С), що дорівнює 63, а при збільшенні градуса до 600, він знижується до 21 Вт/м*град. Алюміній, за таких самих умов, навпаки – збільшить значення від 202 до 422 Вт/м*град. Сплави з алюмінію також підвищуватимуть теплопровідність, у міру збільшення температури. Тільки величина коефіцієнта буде на порядок нижчою, залежно від кількості домішок, і коливатиметься в межах від 100 до 180 одиниць.

Мідь при зміні температури в тих же межах зменшуватиме теплопровідність від 393 до 354 Вт/м*град. При цьому, мідь, що містять сплави латуні будуть мати такі ж властивості, як і алюмінієві, а значення теплопровідності буде змінюватися від 100 до 200 одиниць, залежно від кількості цинку та інших домішок у складі сплаву латуні.

Коефіцієнт теплопровідності чистого нікелю вважається низьким, він змінюватиме своє значення від 67 до 57 Вт/м*град. Сплави з вмістом нікелю будуть також мати коефіцієнт зі зниженим значенням, який завдяки вмісту заліза і цинку коливається від 20 до 50 Вт/м*град. А наявність хрому дозволить знизити теплопровідність у металах до 12 одиниць, з невеликим збільшенням цієї величини, при нагріванні.

Застосування

Агрегатний стан матеріалів має відмінну структуру будови молекул та атомів. Саме це дуже впливає на металеві вироби та їх властивості, залежно від призначення.

Хімічний склад вузлів і деталей із заліза, що відрізняється, дозволяє володіти різною теплопровідністю. Це пов'язано зі структурою таких металів як чавун, сталь, мідь та алюміній.Пористість чавунних виробів сприяє повільному нагріванню, а щільність мідної структури навпаки прискорює процес тепловіддачі. Ці властивості використовують для швидкого відведення тепла чи поступового нагрівання продукції інертного призначення. Приклад використання властивостей металевих виробів є:

• кухонний посуд з різними властивостями;
• обладнання для паяння труб;
• праски;
• підшипники кочення та ковзання;
• сантехнічне обладнання для підігріву води;
• прилади опалення.

Мідні трубки широко використовують у радіаторах автомобільних систем охолодження та кондиціонерів, що застосовуються у побуті. Чавунні батареї зберігають тепло в квартирі, навіть при непостійній подачі теплоносія необхідної температури. А радіатори з алюмінію сприяють швидкій передачі тепла опалювальному приміщенню.

При виникненні високої температури в результаті тертя металевих поверхонь також важливо враховувати теплопровідність виробу. У будь-якому редукторі або іншому механічному обладнанні, здатність відводити тепло, дозволить деталям механізму зберегти міцність і не бути підданими руйнуванню в процесі експлуатації. Знання властивостей теплопередачі різних матеріалів дозволить грамотно застосувати ті чи інші сплави з кольорових або чорних металів.

Теплопровідність будівельних матеріалів стала популярною темою останніми роками. Це пов'язано з тим, що люди стали частіше замислюватися про те, як заощадити на опаленні будинку взимку, або зробити їх екологічнішими (якщо вони опалюються на вугіллі, мазуті чи іншому неекологічному паливі).

Вважаємо, багато хто з вас уже чув, що одні матеріали добре проводять тепло, а інші — не дуже. ? Про це ми розповімо вам у цій статті.

Коефіцієнт теплопровідності Лямбда.

Коефіцієнт λ (лямбда) – Це, мабуть, найбільш важливий параметр всіх теплоізоляційних матеріалів. Його значення вказує на те, скільки тепла матеріал може пропускати через себе.

Чим нижче значення коефіцієнта (лямбда), тим менше провідність матеріалу і, отже, він краще ізольований від теплових втрат. Це означає, що при однакових умовах більше тепла буде проходити через речовину з більшою теплопровідністю.

Як же вираховується цей коефіцієнт? Згідно з другим законом термодинаміки, тепло завжди йде в область більш низької температури.

Таким чином формула розрахунок виглядатиме так:

• λ (лямбда) – коефіцієнт теплопровідності;
• ΔQ – кількість тепла, що протікає через тіло;
• t – час;
• L – Довжина тіла;
• S – площа поперечного перерізу корпусу;
• ΔT – різниця температур у напрямку теплопровідності;
• d – Товщина перегородки.

За одиницю вимірювання теплопровідності приймається система СІ – [Вт/(м · К)].Вона виражає кількість теплового потоку через одиницю поверхні матеріалу заданої товщини, якщо різниця температур між двома сторонами становить 1 Кельвін. Вимірюють усі ці показники у спеціальних будівельних лабораторіях.

Від чого залежить теплопровідність?

Отже, як ми переконалися, коефіцієнт теплопровідності λ (лямбда) характеризує інтенсивність теплопередачі через конкретний матеріал.

Так, наприклад, найбільш теплопровідними є метали, а найслабшими — гази. Ще всі провідники електрики, такі як мідь, алюміній, золото чи срібло, також добре пропускають через себе тепло, тоді як електричні ізолятори (дерево, пластик, гума) навпаки затримують його.

Що може вплинути на цей показник, крім матеріалу? Наприклад, температура. Теплопровідність ізоляційних матеріалів збільшується з підвищенням температури, а металів — навпаки, зменшується. Ще може вплинути на наявність домішок. Сплави різнорідних металів зазвичай мають нижчу теплопровідність, ніж легуючі елементи.

У цілому нині, теплопровідність речовин залежить, переважно, від їх структури, пористості, і від їх щільності. Тому, якщо виробник заявляє про низьке значення лямбда при низькій щільності матеріалу, ця інформація, як правило, не має нічого спільного з дійсністю і просто рекламний хід.

Значення теплопровідності для різних матеріалів

Порівняти, наскільки той чи інший матеріал може пропускати тепло, ви можете скориставшись даною таблицею:

Теплопровідність [Вт/(м · К)]

Повсть, мати та плити з мінеральної вати

0,16 – 0,3 (сосна та ялина), 0,22 – 0,4 (дуб)

Застосування коефіцієнта теплопровідності у будівництві

У будівництві діє одне просте правило – коефіцієнти теплопровідності ізоляційних матеріалів повинні бути якомога нижчими. Все тому, що менше значення λ (лямбда), тим менше можна зробити товщину ізоляційного шару, щоб забезпечити конкретне значення коефіцієнта теплопередачі через стіни або перегородки.

В даний час виробники теплоізоляційних матеріалів (пінополістирол, графітові плити або мінеральна вата) прагнуть мінімізувати товщину виробу за рахунок зменшення коефіцієнта (лямбда), наприклад, для полістиролу він становить 0,032-0,045 в порівнянні з 0,15-1,31 у цегли.

Що стосується будівельних матеріалів, то при їх виробництві коефіцієнт теплопровідності не має такого великого значення, проте в останні роки спостерігається тенденція до виробництва будівельних матеріалів з низьким показником (наприклад, керамічних блоків, структурних ізоляційних панелей, блоків з пористого бетону). Такі матеріали дозволяють збудувати одношарову стіну (без утеплювача) або з мінімально можливою товщиною утеплювального шару.

Важливо: Коефіцієнт теплопровідності лямбда залежить від щільності матеріалу, тому при покупці, наприклад, пінополістиролу, зверніть увагу на вагу продукту. Якщо вага занадто мала, значить плити не мають заявленої теплоізоляції. Додамо, що виробник зобов'язаний зазначати заявлене значення коефіцієнта теплопровідності на кожній упаковці.

Який будівельний матеріал найтепліший?

Нині це пінополіуретан (ППУ) та його похідні, а також мінеральна (базальтова, кам'яна) вата. Вони вже зарекомендували себе як ефективні утеплювачі і сьогодні широко використовуються в утепленні будинків.

Для наочності про те, наскільки ефективними є ці матеріали, покажемо вам наступну ілюстрацію. На ній відображено якої товщини матеріалу достатньо, щоб утримувати тепло в стіні будинку:

А як же повітря та газоподібні речовини? — спитайте ви. Адже у них коефіцієнт Лямбда ще менший? Але якщо ми маємо справу з газами і рідинами, крім теплопровідності, тут треба також враховувати і переміщення тепла всередині них — тобто конвекції (безперервного руху повітря, коли тепліше повітря піднімається вгору, а холодніше — опускається).

Подібне явище має місце у пористих матеріалах, тому вони мають вищі значення теплопровідності, ніж суцільні матеріали. Справа в тому, що невеликі частинки газу (повітря, вуглекислий газ) ховаються в порожнечі таких матеріалів. Хоча таке може трапитися і з іншими матеріалами – якщо повітряні пори в них будуть занадто великими, у них може почати відбуватися конвекція.

Різниця між теплопровідністю та теплопередачею

Крім коефіцієнта теплопровідності Лямбда існує також коефіцієнт теплопередачі U. Вони звучать схоже, але позначають різні речі.

Так, якщо коефіцієнт теплопровідності є характеристикою певного матеріалу, коефіцієнт теплопередачі U визначає ступінь теплоізоляції стіни або перегородки. Простіше кажучи, коефіцієнт теплопровідності є вихідним і безпосередньо впливає на значення коефіцієнта тепловіддачі U.

Якщо вам цікаво отримати більше інформації на цю тему, а також дізнатися: якими матеріалами найкраще утеплити ваш будинок, у чому різниця між різними типами утеплювачів, ми радимо прочитати цю статтю.

Метали, що мають високу теплопровідність, відіграють важливу роль у нашому повсякденному житті. Вони використовуються в різних промислових та науково-дослідних галузях, а також у побутових приладах. Деякі з цих металів мають особливі властивості, які роблять їх найбільш ефективними теплопровідниками. Одним із таких металів є мідь. Вона не тільки має високу теплопровідність, а й має низький електричний опір. Другим лідером у списку найкращих теплопровідників є алюміній. Він не тільки має гарну теплопровідність, але й має низьку вартість та легкість, що робить його ідеальним матеріалом для використання у багатьох галузях. Завдяки цим металам, ми можемо насолоджуватися зручністю та комфортом у нашому повсякденному житті.

Алюміній: один із найкращих теплопровідників

Алюміній має теплопровідність, що перевищує більшість інших металів. Його здатність ефективно передавати тепло обумовлена ​​його кристалічною структурою, що забезпечує вільний рух електронів. Це дозволяє алюмінію передавати тепло протягом короткого часу, що робить його ідеальним матеріалом для використання у теплопровідних системах.

Коли йдеться про передачу тепла, ефективність матеріалу відіграє важливу роль. Алюміній має коефіцієнт теплопровідності близько 237 Вт/(м·К), що робить його одним із найкращих теплопровідників, доступних нам. Це означає, що алюмінієм можна передавати тепло швидко та ефективно.

Важливо, що алюміній також має високу здатність розсіювати тепло. Це означає, що коли алюмінієві компоненти нагріваються, тепло швидко розподіляється по всій поверхні.Таким чином, алюмінієві радіатори або інші тепловідвідні пристрої можуть ефективно відводити тепло і запобігати перегріву.

Не дивно, що алюміній широко використовується у різних сферах, де потрібна ефективна передача тепла. Він застосовується в авіаційній та автомобільній промисловості для охолодження двигунів та систем кондиціювання повітря. Алюмінієві радіатори, теплообмінники та трубопроводи також широко використовуються в системах опалення та охолодження будівель.

Мідь: найкращий теплопровідник

Почнемо з того, що мідь є одним із найстаріших металів, які використовуються людиною. Вона була відкрита ще в давні часи і відтоді широко застосовується у різних галузях, включаючи будівництво, електроніку та харчову промисловість.

Однією з найчудовіших властивостей міді є її висока теплопровідність. Це означає, що мідь здатна ефективно передавати тепло від однієї точки до іншої. Ця властивість робить мідь ідеальним матеріалом виготовлення тепловідводів, радіаторів і теплових трубок.

Проте, мідь як швидко і рівномірно нагрівається, а й швидко остигає. Це робить її ідеальним матеріалом для використання у багатьох електронних пристроях, таких як комп'ютери та смартфони. Мідні дроти та плати дозволяють електричному струму проходити без великого опору, а також швидко відводять тепло, запобігаючи перегріву.

Також варто зазначити, що завдяки своїй теплопровідності мідь використовується у харчовій промисловості. Наприклад, мідні каструлі та сковорідки рівномірно розподіляють тепло по всій поверхні, що дозволяє приготувати їжу швидко та рівномірно.

Теплопровідність міді також знайшла застосування у будівництві.Наприклад, мідні труби використовуються для транспортування гарячої та холодної води в системах водопостачання та опалення.

Тим не менш, крім усіх цих переваг, мідь не є найдешевшим металом. Вона має досить високу вартість, що може обмежувати її широке застосування в деяких областях.

Срібло: найкращий теплопровідник

Коли ми говоримо про теплопровідність, ми маємо на увазі здатність матеріалу передавати тепло від однієї точки до іншої. І срібло має цю здатність високою мірою. Фактично, воно є теплопровідним з усіх відомих металів і навіть деяких неметалевих елементів.

Теплопровідність срібла перевершує теплопровідність багатьох інших матеріалів, таких як мідь чи алюміній. Срібло має таку високу теплопровідність завдяки своїй кристалічній структурі, яка забезпечує ефективне пересування теплової енергії між атомами. Це дозволяє сріблу ефективно поширювати тепло у всіх напрямках.

Але навіщо нам потрібні такі добрі теплопровідники, як срібло? Відповіді це питання можуть бути різними і залежить від конкретної сфери застосування. Наприклад, в електронній та мікроелектронній промисловості, де теплові роз'єми та охолоджувачі відіграють важливу роль, срібло є ідеальним матеріалом. Його висока теплопровідність дозволяє ефективному відводу надлишкового тепла від електронних компонентів, запобігаючи їх перегріву та підвищуючи надійність роботи.

Срібло також широко використовується у галузі виробництва сонячних панелей. Перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію супроводжується значним нагріванням панелей.Використання срібла як провідника тепла дозволяє ефективно відводити надлишкове тепло, що допомагає збільшити загальну ефективність сонячної панелі.

Крім того, срібло знаходить застосування у промислових та наукових лабораторіях, де потрібний точний контроль температури. Завдяки своїй високій теплопровідності, срібло може бути використане в терморегулюючих системах для швидкого та рівномірного розподілу тепла.

Золото: не лише дорогоцінний метал, а й чудовий теплопровідник

Теплопровідність – це здатність матеріалу передавати тепло через свій обсяг. І золото, безперечно, є одним із найбільш теплопровідних металів на Землі. Його висока теплопровідність обумовлена ​​унікальною структурою його кристалічних ґрат.

Цікаво: Який трос використовуватиме для чищення каналізаційних труб? Посібник для вибору правильного інструменту

Коли ми говоримо про теплопровідність, не можемо не згадати важливу характеристику матеріалу – його теплопровідність – коефіцієнт або коефіцієнт теплопровідності. Що цей коефіцієнт, то ефективніше матеріал передає тепло.

Золото, як неважко здогадатися, має дуже високий коефіцієнт теплопровідності. Розмір цього коефіцієнта для золота становить близько 317 Вт/(м·К). Воно легко перевершує інші широко використовувані метали, такі як алюміній (237 Вт/(м·К)) та залізо (80 Вт/(м·К)).

Можна сказати, що золото — справжній чемпіон у своєму класі, коли йдеться про теплопровідність. Його приголомшлива здатність передавати тепло робить його незамінним матеріалом у багатьох областях, де потрібний ефективний розподіл тепла.

Золото широко використовується в електроніці, такій як контакти та дріт, завдяки своїй високій теплопровідності.Воно також застосовується у виробництві сонячних панелей та теплопередавальних систем. Завдяки своїм унікальним властивостям золото стає ідеальним матеріалом для виробництва ювелірних виробів високої якості.

Тепер ви розумієте, чому золото не лише дорогоцінний метал, а й неймовірно цінний теплопровідник. Його здатність ефективно передавати тепло робить його незамінним у різних галузях промисловості та науці.

Отже, якщо ви шукаєте надійний та ефективний матеріал для передачі тепла, то золото є оптимальним вибором. Його благородний блиск та чудові теплопровідні властивості зроблять ваш проект по-справжньому унікальним та ефективним.

Залізо: метал із високою теплопровідністю

Теплопровідність – Це здатність матеріалу передавати тепло. Залізо є одним із найкращих теплопровідників серед металів. Це означає, що воно здатне швидко та рівномірно поширювати тепло за своєю структурою.

Висока теплопровідність заліза робить його ідеальним матеріалом для різних додатків, пов'язаних із теплообміном. Наприклад, залізо широко використовується у виробництві теплообмінних труб та радіаторів для ефективного відведення тепла із систем охолодження. Воно також застосовується у виробництві котлів та нагрівальних елементів, де швидке розсіювання тепла відіграє важливу роль.

Крім того, залізо є основним компонентом сталі – одного з будівельних матеріалів, що найбільш використовуються. Завдяки високій теплопровідності, сталь чудово розподіляє і розсіює тепло, що робить її ідеальним матеріалом для будівельних конструкцій, схильних до високих температур.

Таким чином, залізо – метал з високою теплопровідністю, який знаходить широке застосування в різних галузях промисловості, пов'язаних із передачею та розсіюванням тепла.