Теплопроводность газоблока: Теплопроводность газобетона:

Теплопроводность — Википедия переиздано // WIKI 2

Теплопроводность — это передача внутренней энергии путем микроскопических столкновений частиц и движения электронов внутри тела. Столкнувшиеся частицы, которые включают молекулы, атомы и электроны, передают неорганизованную микроскопическую кинетическую и потенциальную энергию, совместно известные как внутренняя энергия. Проводимость происходит во всех фазах: твердых, жидких и газовых. Скорость, с которой энергия передается как тепло между двумя телами, зависит от разности температур (и, следовательно, градиента температуры) между этими двумя телами и от свойств проводящей границы раздела, через которую передается тепло.

Тепло самопроизвольно течет от более горячего тела к более холодному. Например, тепло передается от конфорки электрической плиты к нижней части кастрюли, соприкасающейся с ней. В отсутствие противоположного внешнего источника движущей энергии, внутри тела или между телами, разности температур со временем уменьшаются, и тепловое равновесие приближается, температура становится более равномерной.

В проводимости, тепловой поток находится внутри и через само тело. Напротив, при передаче тепла тепловым излучением передача часто происходит между телами, которые могут быть разделены пространственно.Также возможна передача тепла путем сочетания проводимости и теплового излучения. При конвекции внутренняя энергия переносится между телами движущимся материальным носителем. В твердых телах проводимость опосредуется комбинацией колебаний и столкновений молекул, распространения и столкновений фононов, а также диффузии и столкновений свободных электронов. В газах и жидкостях проводимость обусловлена ​​столкновениями и диффузией молекул при их случайном движении. Фотоны в этом контексте не сталкиваются друг с другом, и поэтому перенос тепла электромагнитным излучением концептуально отличается от теплопроводности при микроскопической диффузии и столкновениях материальных частиц и фононов.Но различие часто не так легко наблюдать, если материал не является полупрозрачным.

В инженерных науках теплообмен включает процессы теплового излучения, конвекции, а иногда и массообмена. Обычно более чем один из этих процессов происходит в данной ситуации.

Условное обозначение теплопроводности — к .

Энциклопедия YouTube

• 1/5

  Просмотров:

  72 121

  205 507

  144 738

  57 220

  92 342

• ✪ Теплопроводность | Термодинамика | Физика Хан Академия

• ✪ Теплопроводность, конвекция и излучение | Термодинамика | Физика Хан Академия

• ✪ Физика — Энергетика — Теплопередача — Проводимость

• ✪ Теплопроводность, Закон Стефана Больцмана, Теплопередача, Проводимость, Конвектон, Радиация, Физика

• ✪ GCSE Physics Revision: Проводимость тепла

Содержание

Обзор

В микроскопическом масштабе проводимость происходит в теле, которое считается стационарным; это означает, что кинетическая и потенциальная энергии объемного движения тела учитываются отдельно.Внутренняя энергия рассеивается, когда быстро движущиеся или вибрирующие атомы и молекулы взаимодействуют с соседними частицами, передавая некоторые свои микроскопические кинетические и потенциальные энергии, причем эти величины определяются относительно массы тела, считающейся неподвижной. Тепло передается за счет проводимости, когда соседние атомы или молекулы сталкиваются или когда несколько электронов движутся назад и вперед от атома к атому дезорганизованным образом, чтобы не образовывать макроскопический электрический ток или когда фотоны сталкиваются и рассеиваются.Проводимость является наиболее значительным средством передачи тепла внутри твердого тела или между твердыми объектами, находящимися в тепловом контакте. Проводимость больше ^{[требуется очищение ]} в твердых телах ^{[необходимо очищение ]} , потому что сеть относительно близких фиксированных пространственных отношений между атомами помогает передавать энергию между ними посредством вибрации.

Теплопроводность — это исследование теплопроводности между твердыми телами в контакте. Падение температуры часто наблюдается на границе раздела между двумя контактирующими поверхностями.Говорят, что это явление является результатом теплового контактного сопротивления, существующего между контактирующими поверхностями. Тепловое сопротивление поверхности — это мера сопротивления поверхности раздела тепловому потоку. Это термическое сопротивление отличается от контактного сопротивления, так как оно существует даже на атомно совершенных интерфейсах. Понимание термического сопротивления на границе раздела между двумя материалами имеет первостепенное значение при изучении его тепловых свойств. Интерфейсы часто вносят существенный вклад в наблюдаемые свойства материалов.

Межмолекулярный перенос энергии может быть в основном за счет упругого удара, как в жидкостях, или диффузии свободных электронов, как в металлах, или вибрации фононов, как в изоляторах. В изоляторах поток тепла почти полностью переносится фононными колебаниями.

Металлы (например, медь, платина, золото и т. Д.) Обычно являются хорошими проводниками тепловой энергии. Это связано с тем, что металлы химически связываются: металлические связи (в отличие от ковалентных или ионных связей) имеют свободно движущиеся электроны, которые быстро переносят тепловую энергию через металл.Электронная жидкость из проводящего металлического твердого тела проводит большую часть теплового потока через твердое тело. Фононный поток все еще присутствует, но несет меньше энергии. Электроны также проводят электрический ток через проводящие твердые вещества, и теплопроводность и электропроводность большинства металлов имеют примерно одинаковое соотношение. ^{[требуется уточнение ]} Хороший электрический проводник, такой как медь, также хорошо проводит тепло. Термоэлектричество обусловлено взаимодействием теплового потока и электрического тока.Теплопроводность в твердом теле прямо аналогична диффузии частиц внутри жидкости в ситуации, когда нет течений жидкости.

В газах передача тепла происходит при столкновении молекул газа друг с другом. При отсутствии конвекции, которая связана с движущейся жидкой или газовой фазой, теплопроводность через газовую фазу сильно зависит от состава и давления этой фазы и, в частности, от длины свободного пробега молекул газа относительно размера газовый зазор, определяемый числом Кнудсена К N {\ displaystyle K_ {n}} ^[1] .

Чтобы количественно оценить легкость, с которой проводит конкретную среду, инженеры используют теплопроводность, также известную как константа проводимости или коэффициент проводимости, к . В теплопроводности k определяется как «количество тепла Q , передаваемое во времени ( t ) через толщину ( L ), в направлении, перпендикулярном поверхности области ( A »). ), из-за разницы температур (Δ T ) […] «. Теплопроводность — это свойство материала , которое в первую очередь зависит от фазы, температуры, плотности и молекулярной связи среды.Тепловой эффект — это величина, полученная из проводимости, которая является мерой ее способности обмениваться тепловой энергией с окружающей средой.

Стационарная проводимость

Стационарная проводимость — это форма проводимости, которая возникает, когда разность температур, приводящих в действие проводимость, постоянна, так что (после времени уравновешивания) пространственное распределение температур (температурное поле) в проводящем объекте не изменяется дальше Таким образом, все частные производные температуры относительно пространства могут быть либо нулевыми, либо иметь ненулевые значения, но все производные температуры в любой точке относительно времени равны нулю.При стационарной проводимости количество тепла, поступающего в любую область объекта, равно количеству тепла, выходящего (если бы это было не так, температура поднималась или падала, так как тепловая энергия была захвачена или захвачена в области ).

Например, стержень может быть холодным на одном конце и горячим на другом, но после достижения состояния стационарной проводимости пространственный градиент температур вдоль стержня с течением времени не меняется. Вместо этого температура остается постоянной в любом данном поперечном сечении стержня, перпендикулярном направлению теплопередачи, и эта температура изменяется линейно в пространстве в случае, когда в стержне не выделяется тепло. ^[2]

При стационарной проводимости все законы электрической проводимости постоянного тока могут быть применены к «тепловым токам». В таких случаях можно принять «тепловые сопротивления» в качестве аналога электрических сопротивлений. В таких случаях температура играет роль напряжения, а тепло, передаваемое в единицу времени (тепловая мощность), является аналогом электрического тока. Стационарные системы могут моделироваться сетями таких тепловых сопротивлений последовательно и параллельно, в точной аналогии с электрическими сетями резисторов.Посмотрите чисто резистивные тепловые цепи для примера такой сети.

Переходная проводимость

В течение любого периода, в котором температура изменяется во времени в любом месте внутри объекта, режим потока тепловой энергии называется переходной проводимостью. Другой термин — нестационарная проводимость, относящаяся к зависимости температурных полей в объекте от времени. Нестационарные ситуации появляются после навязанного изменения температуры на границе объекта.Они также могут возникать при изменении температуры внутри объекта в результате внезапного появления внутри источника нового источника или поглотителя тепла, что приводит к изменению температуры вблизи источника или поглотителя во времени.

Когда происходит новое возмущение температуры этого типа, температуры внутри системы изменяются во времени в направлении нового равновесия с новыми условиями, при условии, что они не изменяются. После достижения равновесия тепловой поток в систему снова равен тепловому потоку, и температуры в каждой точке внутри системы больше не изменяются.Как только это происходит, переходная проводимость заканчивается, хотя стационарная проводимость может продолжаться, если продолжается тепловой поток.

Если изменения внешних температур или внутренних тепловыделений происходят слишком быстро, чтобы произошло равновесие температур в космосе, то система никогда не достигает состояния неизменного распределения температуры во времени, и система остается в переходном состоянии.

Примером нового источника тепла, «включающегося» внутри объекта, вызывающего переходную проводимость, является двигатель, запускаемый в автомобиле.В этом случае переходная фаза теплопроводности для всей машины заканчивается, и фаза установившегося режима появляется, как только двигатель достигает установившейся рабочей температуры. В этом состоянии установившегося равновесия температуры сильно варьируются от цилиндров двигателя к другим частям автомобиля, но ни в одной точке пространства внутри автомобиля температура не увеличивается и не уменьшается. После установления этого состояния переходная фаза теплопередачи заканчивается.

Новые внешние условия также вызывают этот процесс: например, медная шина в примере стационарной проводимости испытывает переходную проводимость, как только один конец подвергается воздействию температуры, отличной от другой.Со временем поле температур внутри стержня достигает нового стационарного состояния, в котором постоянный градиент температуры вдоль стержня, наконец, устанавливается, и этот градиент остается постоянным в пространстве. Как правило, такой новый стационарный градиент приближается экспоненциально со временем после введения нового источника или поглотителя температуры или тепла. Когда фаза «переходной проводимости» заканчивается, тепловой поток может продолжаться при высокой мощности, пока температура не изменится.

Пример переходной проводимости, которая не заканчивается установившейся проводимостью, а скорее не имеет проводимости, возникает, когда горячий медный шарик падает в масло при низкой температуре.Здесь температурное поле внутри объекта начинает меняться как функция времени, когда тепло отводится от металла, и интерес заключается в анализе этого пространственного изменения температуры внутри объекта с течением времени, пока все градиенты полностью не исчезнут (шар достиг той же температуры, что и масло). Математически это условие также приближается экспоненциально; в теории это занимает бесконечное время, но на практике это, по сути, закончилось в гораздо более короткий период.В конце этого процесса без теплоотвода, но с внутренними частями шара (которые являются конечными), устойчивая теплопроводность не достигается. Такое состояние никогда не возникает в этой ситуации, скорее, конец процесса — когда вообще нет теплопроводности.

Анализ нестационарных систем проводимости является более сложным, чем анализ стационарных систем. Если проводящее тело имеет простую форму, то возможны точные аналитические математические выражения и решения (см. Уравнение теплопроводности для аналитического подхода). ^[3] Однако чаще всего из-за сложных форм с различной теплопроводностью внутри формы (т. Е. Наиболее сложных объектов, механизмов или машин в технике) часто требуется применение приближенных теорий и / или численный анализ с помощью компьютера. , Один из популярных графических методов связан с использованием диаграмм Хейслера.

Иногда проблемы переходной проводимости могут быть значительно упрощены, если можно идентифицировать области нагреваемого или охлаждаемого объекта, для которых теплопроводность намного больше, чем для теплопроводов, ведущих в область.В этом случае область с высокой проводимостью часто можно рассматривать в модели с сосредоточенной емкостью как «кусок» материала с простой тепловой емкостью, состоящей из его совокупной теплоемкости. Такие области нагреваются или охлаждаются, но не показывают значительного изменения температуры по всей их протяженности во время процесса (по сравнению с остальной частью системы). Это связано с их гораздо более высокой проводимостью. Следовательно, во время переходной проводимости температура поперек их проводящих областей изменяется равномерно в пространстве и как простая экспонента во времени.Примером таких систем являются те, которые следуют закону охлаждения Ньютона при переходном охлаждении (или наоборот при нагреве). Эквивалентная тепловая цепь состоит из простого конденсатора, включенного последовательно с резистором. В таких случаях остальная часть системы с высоким тепловым сопротивлением (сравнительно низкой проводимостью) играет роль резистора в цепи.

Релятивистская проводимость

Теория релятивистской теплопроводности — это модель, совместимая с теорией специальной теории относительности.В течение большей части прошлого столетия было признано, что уравнение Фурье противоречит теории относительности, поскольку оно допускает бесконечную скорость распространения тепловых сигналов. Например, согласно уравнению Фурье, импульс тепла в начале координат будет ощущаться на бесконечности мгновенно. Скорость распространения информации выше скорости света в вакууме, что физически недопустимо в рамках относительности.

Квантовая проводимость

Второй звук — это квантово-механическое явление, при котором передача тепла происходит волнообразным движением, а не более обычным механизмом диффузии.Тепло заменяет давление в нормальных звуковых волнах. Это приводит к очень высокой теплопроводности. Он известен как «второй звук», потому что волновое движение тепла похоже на распространение звука в воздухе.

закон Фурье

Закон теплопроводности, также известный как закон Фурье, утверждает, что скорость теплопередачи через материал пропорциональна отрицательному градиенту температуры и площади под прямым углом к ​​тому градиенту, через который течет тепло.Мы можем сформулировать этот закон в двух эквивалентных формах: интегральной форме, в которой мы смотрим на количество энергии, поступающей в тело или из него в целом, и дифференциальной форме, в которой мы смотрим на скорости потока или потоки энергия локально.

Закон охлаждения Ньютона является дискретным аналогом закона Фурье, а закон Ома является электрическим аналогом закона Фурье.

Дифференциальная форма

Дифференциальная форма закона теплопроводности Фурье показывает, что локальная плотность теплового потока, Q {\ displaystyle \ mathbf {q}} , равно произведению теплопроводности, К {\ displaystyle k} и отрицательный локальный градиент температуры, — ∇ T {\ displaystyle — \ nabla T} ,Плотность теплового потока — это количество энергии, которая течет через единицу площади за единицу времени.

Q знак равно — К ∇ T {\ displaystyle \ mathbf {q} = -k {\ nabla} T}

где (включая единицы СИ)

Q {\ displaystyle \ mathbf {q}} локальная плотность теплового потока, Вт · м ^-2

К {\ displaystyle {\ big.} k {\ big.}} — удельная электропроводность материала, Вт · м ^-1 · K ^-1 ,

∇ T {\ displaystyle {\ big.} \ nabla T {\ big.}} градиент температуры, К · м ^-1 .

Теплопроводность, К {\ displaystyle k} , часто рассматривается как константа, хотя это не всегда так. Хотя теплопроводность материала обычно изменяется в зависимости от температуры, изменение может быть небольшим в значительном диапазоне температур для некоторых распространенных материалов. В анизотропных материалах теплопроводность обычно изменяется в зависимости от ориентации; в таком случае К {\ displaystyle k} представлен тензором второго порядка.В неоднородных материалах, К {\ displaystyle k} зависит от пространственного местоположения.

Для многих простых применений закон Фурье используется в его одномерной форме. В направлении x ,

Q Икс знак равно — К d T d Икс {\ displaystyle q_ {x} = — k {\ frac {dT} {dx}}}

В изотропной среде закон Фурье приводит к уравнению Тепла:

∂ U ∂ T знак равно α ( ∂ 2 U ∂ Икс 2 + ∂ 2 U ∂ Y 2 + ∂ 2 U ∂ Z 2 ) {\ displaystyle {\ frac {\ частичный u} {\ частичный t}} = \ alpha \ left ({\ frac {\ частичный ^ {2} u} {\ частичный x ^ {2}}} + {\ frac { \ частичный ^ {2} u} {\ частичный y ^ {2}}} + {\ frac {\ частичный ^ {2} u} {\ частичный z ^ {2}}} \ right)}

с фундаментальным решением, известным как Тепловое ядро.

Интегральная форма

Путем интегрирования дифференциальной формы по всей поверхности материала S {\ displaystyle S} , мы приходим к интегральной форме закона Фурье:

∂ Q ∂ T знак равно — К {\ displaystyle {\ frac {\ частичный Q} {\ частичный t}} = — k} S {\ displaystyle \ scriptstyle S} ∇ T ⋅ d S {\ displaystyle {\ nabla} T \ cdot \, dS}

где (включая единицы СИ):

• ∂ Q ∂ T {\ displaystyle {\ big.} {\ frac {\ частичный Q} {\ частичный t}} {\ большой.}} количество тепла, передаваемого за единицу времени (в Вт), и
• d S {\ displaystyle dS} элемент ориентированной поверхности (в м ² )

Вышеупомянутое дифференциальное уравнение, будучи интегрированным для однородного материала 1-D геометрии между двумя конечными точками при постоянной температуре, дает скорость теплового потока как:

Q Δ T знак равно — К Δ T Δ Икс {\ displaystyle {\ big.} {\ frac {Q} {\ Delta t}} = — kA {\ frac {\ Delta T} {\ Delta x}}}

где

Δ T {\ displaystyle \ Delta t} интервал времени, в течение которого количество тепла Q {\ displaystyle Q} протекает через поперечное сечение материала,

{\ displaystyle A} площадь поперечного сечения,

Δ T {\ displaystyle \ Delta T} разница температур между концами,

Δ Икс {\ displaystyle \ Delta x} это расстояние между концами.

Этот закон является основой для вывода уравнения теплопроводности.

Проводимость

Письменные

U знак равно К Δ Икс , {\ displaystyle {\ big.} U = {\ frac {k} {\ Delta x}}, \ quad}

, где U — проводимость, в Вт / (м ² К).

Закон Фурье также может быть сформулирован как:

Δ Q Δ T знак равно U ( — Δ T ) , {\ displaystyle {\ big.} {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}} = UA \, (- \ Delta T).}

Обратной проводимостью является сопротивление, р {\ displaystyle {\ big.} R} дан кем-то:

р знак равно 1 U знак равно Δ Икс К знак равно ( — Δ T ) Δ Q Δ T , {\ displaystyle {\ big.} R = {\ frac {1} {U}} = {\ frac {\ Delta x} {k}} = {\ frac {A \, (- \ Delta T)} {\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t}}}.}

Сопротивление является аддитивным, когда между горячей и холодной областями лежит несколько проводящих слоев, потому что A и Q одинаковы для всех слоев.В многослойном разделе общая проводимость связана с проводимостью его слоев следующим образом:

1 U знак равно 1 U 1 + 1 U 2 + 1 U 3 + ⋯ {\ displaystyle {\ big.} {\ frac {1} {U}} = {\ frac {1} {U_ {1}}} + {\ frac {1} {U_ {2}}} + {\ frac {1} {U_ {3}}} + \ cdots}

Итак, при работе с многослойным разделом обычно используется следующая формула:

Δ Q Δ T знак равно ( — Δ T )

Воздух — Теплопроводность

Теплопроводность — это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло . Теплопроводность может быть определена как

« количество тепла, передаваемого через единицу толщины материала — в направлении, перпендикулярном поверхности единицы площади — из-за градиента температуры единицы в условиях установившегося состояния».

Наиболее распространенными единицами теплопроводности являются W / (м К) в системе СИ и Btu / (ч футы F) в системе Imperial.

Табличные значения и единицы измерения теплопроводности приведены ниже рисунков.

Онлайн калькулятор теплопроводности воздуха

Приведенный ниже калькулятор можно использовать для расчета теплопроводности воздуха при заданных температурах и давлении.
Выходная проводимость дана в мВт / (м К), БТЕ (IT) / (ч фут ° F) и ккал (IT) / (ч м К).

См. Также другие свойства Воздух при с изменяющейся температурой и давлением: Плотность и удельный вес при изменяющейся температуре, Плотность при переменном давлении, Коэффициенты диффузии для газов в воздухе, Число Прандтля, Удельная теплоемкость при изменяющейся температуре и Удельная теплоемкость при изменяющееся давление, температуропроводность, свойства в условиях газожидкостного равновесия и теплофизические свойства воздуха при стандартных условиях и состав и молекулярная масса,
, а также теплопроводность аммиака, бутана, диоксида углерода, этана, этилена, водорода, метана , азот, пропан и вода.

См. Также Калькулятор кондуктивной теплопередачи

Вернуться к началу

Вернуться к началу

Вернуться к началу

Теплопроводность воздуха при атмосферном давлении и температурах, указанных в ° C: