Коэффициент теплопроводности материалов

Контрольная работа по теплофизике

1. Закон Фурье

Основной закон теплопроводности (закон Фурье) гласит, что количество теплоты, проходящее через элемент изотермической поверхности, пропорционально градиенту температуры и продолжительности промежутка времени. Коэффициент теплопроводности является теплофизической характеристикой материала.

[O] = [q]/[gad t] = Вт/м2 — к/м = Вт/м-К Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при единичном градиенте температуры. В общем случае O = O (t). Для многих материалов его зависимость от температуры определяется по формуле О = Oo[1+b (t-to)]

Металлы.

O= 3−458 Вт/м К С увеличением температуры О убывает. Коэффициент теплои электропроводности у металлов пропорциональны, т.к. носители тепловой энергии и заряда одни и те же электроны. Для сплавов коэффициент теплопроводности ниже, чем для чистых металлов. С увеличением температуры О растет.

Неметаллы.

О = 0,02 * 3 Вт/м-К Обычно с увеличением температуры О растет. Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористую структуру. Для них О — условная величина, которая имеет смысл коэффициента теплопроводности «эквивалентного сплошного материала». Материалы с О 0,25 Вт/м-К называются теплоизоляционными.

Жидкости.

О = 0,08 * 0,65 Вт/м-К С увеличением температуры О убывает (за исключением воды). Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц. Приводит к выравниванию температуры тела. Обычно количество переносимой энергии, определяемое как плотность теплового потока, пропорционально градиенту температуры — закон Фурье. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом теплопроводности.

Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.

Q = -k*?t/?x

k — коэффициент теплопроводности среды измеряется в ккал/м*r*с

?t/?x — градиент температуры

2. Зависимость коэффициента теплопроводности от влажности материала

С повышением влажности материала резко повышается и его коэффициент теплопроводности. Объясняется это тем, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности л порядка 0,6 Вт/м^оС, то есть в 20−25 раз больший, чем л воздуха в таких же порах. Кроме того, влага в порах увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала, что также повышает его коэффициент теплопроводности. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности в том случае, если влажный материал промерзает, так как л льда в 4 раза больше, чем л воды. При этом, правда, необходимо указать, что замерзание влаги происходит при температуре ниже 0 ^оС, причем чем меньше размер пор, тем при более низких температурах будет замерзать влага во влажном материале.

3. Зависимость коэффициента теплопроводности материала от направления теплового потока

Еще один немаловажный фактор, влияющий на теплопроводность материала, — это направление теплового потока. Его необходимо учитывать для анизотропных материалов (то есть имеющих разные свойства в различных направлениях). К ним относятся древесина, кристаллические вещества, прессованные и волокнистые материалы. Так, коэффициент теплопроводности древесины значительно увеличивается при направлении теплового потока параллельно направлению волокон (для сосны увеличение составляет 100%, для дуба — 75%), что объясняется тем, что при направлении, перпендикулярном волокнам, тепловому потоку приходится пересекать большее количество воздушных зазоров, находящихся внутри волокон древесины и между ними и оказывающих сопротивление прохождению тепла. При направлении теплового потока параллельно волокнам он будет идти по стенкам волокон, и в этом случае сопротивление воздуха, заключенное в древесине, будет значительно меньше. Увеличением коэффициента теплопроводности древесины при потоке тепла вдоль волокон объясняется резкое понижение температуры в наружных углах бревенчатых или брусковых стен.

4. Коэффициент теплопередачи

фурье теплопроводность металл влажность Величина, характеризующая интенсивность передачи тепла через ограждающую конструкцию, определяется отношением плотности теплового потока, проходящего через поверхность, к разности температур воздушных сред, прилегающих к конструкции. Если же рассмотреть всю конструкцию ограждения, то для неё возможно записать уравнение

где k — коэффициент теплопередачи ограждения, оценивающий его теплотехнические свойства.

Чем ниже коэффициент теплопередачи, тем меньше тепла уйдёт из здания при одинаковой разности температур воздуха внутри и снаружи здания. Коэффициентом теплопроводности (не путать с термическим сопротивлением и температуропроводностью) определяется количество тепла, проходящего в единицу времени через две противоположные грани куба из рассматриваемого материала (например, пенопласта), если длина ребер куба равна 1 м и разность температур на двух гранях равна 1 °C, а отдача тепла другими гранями куба предотвращена.

Перенос тепла от наружной поверхности пограничного слоя к окружающему воздуху определяется также коэффициентом теплоотдачи а, который по определению соответствует коэффициенту теплоотдачи внутренней поверхности, однако отличается от него большей частью численным значением. При совершенно спокойном наружном воздухе среднее значение, а составляет около 2,5 ккал/м*ч*град, а при сильной буре достигает 100 ккал/м2*ч*град. Вместо разделения процесса теплообмена (через стенку) на три части можно его отнести к разности температур теплоносителя и наружного воздуха, вводя как основную величину коэффициент теплопередачи. Им определяется количество тепла, передаваемого через стену в единицу времени, на единицу площади и на 1° разности температур теплоносителя и воздуха, между которыми происходит теплообмен.

Коэффициент теплопередачи обозначается через k и имеет размерность ккал/м2*ч*град. В промышленности и строительстве коэффициент теплопередачи колеблется в пределах от 0,2 до 3,5 ккал/м2*ч*град, когда это касается теплоизоляции.