Теплопередача

Теплопроводность металлов: основные аспекты

Все вещества состоят из молекул и атомов, которые находятся внутри в постоянном движении. В результате перехода кинетической энергии в тепловую они начинают лучше двигаться при нагреве. У теплопередачи существует три разновидности: теплопроводность, конвекция и излучение. Конвекцией называется перенос тепла в пространстве вместе с нагретым веществом.

Теплопроводность: определение и факторы влияния

Способность металлов передавать тепловую энергию от горячих частей холодным называется теплопроводностью. Атомы переносятся во время движения частиц, и скорость обмена теплом зависит от агрегатного состояния материала, через который происходит передача.

Формула λ = (Q × L) / (A × ΔT) показывает, что теплопроводность зависит от количества тепла, передаваемого через материал, его толщины, площади поперечного сечения и разности температур. На уровень теплопроводности также влияет плотность, вид, размеры и расположение пор. Хуже всего тепло проводят инертные газы из-за больших расстояний между молекулами.

Особенности различных материалов

Вакуум обладает самой плохой теплопроводностью из-за отсутствия молекул для передачи энергии. Металлические предметы не всегда холодные из-за хорошей передачи тепла. Деревянные окна и двери хорошо изолируют тепло, так как дерево проводит его хуже, чем металлы. Фольга является хорошим материалом для пароизоляции.

Теплопроводность vs. теплоемкость

Отличие теплопроводности от теплоемкости заключается в том, что теплопроводность отвечает за передачу тепла, а теплоемкость – за поглощение. Температура плавления материалов зависит от показателей теплоемкости.

Энергию в металлах передают электроны, и для увеличения теплопроводности чистых металлов добавляют легирующие вещества. Легирование влияет на структуру металлов и уровень теплопроводности.

Свойства теплопроводности металлов

В зависимости от уровня передачи тепла меняются области применения. Например, для ручки сковороды необходим металл с низкой теплопроводностью, чтобы не обжечь руки. А для быстрого нагрева еды на сковороде нужен металл или сплав, хорошо проводящий тепло.

Наиболее теплопроводным металлом является серебро, затем идут олово, алюминий и железо. У материалов с низкой теплопроводностью имеются искажения кристаллической решетки. К чёрным относят железо и его сплавы (чугун и сталь), все остальные цветные металлы.

Закон Фурье и коэффициент теплопроводности

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

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (к), называют коэффициентом теплопроводности. Это количество теплоты, переносимое за секунду через одну единицу поверхности.

Теплоту передают свободные электроны, которых в металле содержится максимальное количество. Поэтому у них коэффициент выше, чем у диэлектрических материалов. Большинство металлов имеют линейную зависимость.

Применение свойств теплопроводности металлов

От химического состава меняется теплопроводность. Теплопроводность металлов используется при изготовлении утюгов, сантехнических приборов, посуды, изделий для пайки труб, отопительных приборов. Медные изделия имеют плотную структуру с ускоренной теплоотдачей.

Передача и сохранение энергии применяется для достижения технических целей при работе деталей, оборудования. В зависимости от теплопроводности используют материал в разных сферах промышленности.

Пример применения – медь

Медь – распространенный, недешевый металл, обладающий хорошей проводимостью тепла. Важно помнить об особенностях его использования:

• для укладки медных труб отопления требуется использовать теплоизоляцию;
• при газовой сварке медного листа потребуются вспомогательные горелки для подогрева;
• медь требует предварительного нагрева при работе с деталями;
• обработка медных изделий требует специализированных приборов и инструментов;
• использование меди в экспериментах с добавлением графена может улучшить теплопроводность металла.

В эксперименте по повышению качества медного сплава использовались медные пленки с верхним слоем графена, обладающим высоким уровнем теплопроводности. Имеются научные сведения о теплопроводности различных сортов металлов, например, пружинной и быстрорежущей стали. В специализированных справочниках указаны средние значения показателей при температуре до +1 200 °С.

Использование меди в производстве радиаторов

Медь играет значительную роль в производстве отопительных радиаторов, которые отличаются различными характеристиками и свойствами. Ключевые факторы, которые влияют на эффективность радиаторов, включают в себя:

Характеристики радиаторов:

1. Конструктивные особенности
2. Материал изготовления
3. Значение теплоотдачи
4. Количество и размер секций

Медные радиаторы:

Считаются наиболее эффективными отопительными радиаторами, однако их сложная обработка и высокая стоимость делают данный материал нецелесообразным для всех случаев.

Технология и теплопроводность:

Необходимо учитывать технологию получения материала, так как свойства меди могут изменяться при термической обработке. При высоких температурах свойства меди могут изменяться из-за рекристаллизации, что должно быть учтено при выборе материала для радиаторов.

Теплопередача и виды механизмов:

Теплопередача – это физический процесс передачи тепла между телами разной температуры. Существуют три основных механизма передачи тепла:

1. Проводимость
2. Конвекция
3. Излучение

Внутренние источники теплоты:

Также важно учитывать внутренние источники теплоты при выборе материала для радиаторов, такие как тепловыделение при работе электрического тока, ядерных реакциях или химических реакциях.

При выборе материала для радиаторов необходимо учитывать все вышеперечисленные факторы, чтобы обеспечить оптимальную теплопередачу и эффективность работы системы отопления.

Моделирование конвекции в мантии Земли

Цвета варьируются от красного и зелёного для высокой температуры до синего для низкой температуры. Горячий, и менее плотный нижний пограничный слой поставляет горячее вещество вверх в виде струй, а холодное вещество движется вниз.

Таблица с параметрами конвекции

Конвекция как процесс теплопередачи

Конвективная теплопередача, или просто конвекция, — процесс передачи тепла от одного объёма к другому за счёт движения жидкостей и газов, который является передачей тепла посредством массообмена.

Процесс переноса тепла с потоком жидкости известен как адвекция. В случае теплопередачи в жидкости, перенос посредством адвекции всегда сопровождается переносом тепла посредством диффузии. Поэтому конвекция понимается как сумма переноса тепла посредством адвекции и диффузии/теплопроводности.

Тепловое излучение

Раскалённый железный предмет передаёт тепло в окружающую среду посредством теплового излучения. Тепловое излучение возникает из-за беспорядочных движений атомов и молекул в веществе, приводящих к испусканию электромагнитного излучения.

Уравнение Стефана — Больцмана описывает скорость передачи лучистой энергии между объектами. Оно включает в себя термины как коэффициент излучения, постоянная Стефана-Больцмана, коэффициент видимости и абсолютные температуры объектов.

Излучение обычно важно для очень горячих объектов, с большой разницей температур или для тел в вакууме.

Основное уравнение теплопередачи

Основное уравнение теплопередачи устанавливает, что количество теплоты, переданное от более нагретого тела к менее нагретому, пропорционально поверхности теплообмена, среднему температурному напору и времени.

Где:

• К — коэффициент теплопередачи вдоль поверхности теплообмена,
• F — поверхность теплообмена,
• △_t_ср — среднелогарифмический температурный напор,
• τ — время.

1. . Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. Архивировано 12 апреля 2021 года.

2. Abbott, J.M. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics / J.M. Abbott, H.C. Smith, M.M. Van Ness. — 7th. — Boston, Montreal : McGraw-Hill, 2005. — ISBN 0-07-310445-0.

3. . Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. Архивировано 12 апреля 2021 года.

4. Çengel, Yunus. Heat Transfer: A practical approach. — 2nd. — Boston : McGraw-Hill, 2003. — ISBN 978-0-07-245893-0. Архивная копия от 26 мая 2021 на Wayback Machine

5. Convective heat transfer. Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. Архивировано 31 октября 2018 года.

6. Convection — Heat Transfer. Engineers Edge. Дата обращения: 20 апреля 2009. Архивировано 18 ноября 2018 года.

7. Transport Processes and Separation Principles. — Prentice Hall, 2003. — ISBN 0-13-101367-X.

8. . Thermal-FluidsPedia. Thermal Fluids Central. Дата обращения: 9 марта 2021. Архивировано 14 марта 2021 года.

9. Thermal Radiation Heat Transfer. — Taylor and Francis.

10. Mojiri, A (2013). "Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 28: 654—663. doi:10.1016/j.rser.2013.08.026.

11. Taylor, Robert A. (March 2011). "Applicability of nanofluids in high flux solar collectors". Journal of Renewable and Sustainable Energy. 3 (2): 023104. doi:10.1063/1.3571565. Архивировано из оригинала 19 апреля 2021. Дата обращения: 9 марта 2021.

12. Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel Архивная копия от 25 июля 2019 на Wayback Machine manufacturing.net, 28 July 2016, retrieved 14 April 2019.

13. Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен: Учеб. пособие — 2-е изд. — М: МЭИ, 2005.

14. Исаченко В. П. и др. Теплопередача: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975.

15. Галин Н. М., Кириллов П. Л. Тепломассообмен. — М.:Энергоатомиздат, 1987.

16. Карташов Э. М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. — М.: Высш. шк., 1989.

17. Крупнов Б. А., Шарафадинов Н. С. Руководство по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. 2008

18. Котляр Я. М., Совершенный В. Д., Стриженов Д. С. Методы и задачи тепломассообмена. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.

19. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория переноса энергии и вещества. — Минск, АН БССР, 1959. — 330 с.

Один из способов изменения тепловой энергии объекта – это передача тепла от одного объекта другому. При теплопередаче внутренняя энергия (энергия молекул и атомов) одного объекта переходит во внутреннюю энергию другого объекта без совершения механической работы. Когда предметы и вещества (на языке науки – физические объекты), объединённые в одну систему, имеют разную температуру, то происходит передача тепловой энергии от более горячего к более холодному до наступления равновесия. Тепловое равновесие (его ещё называют термодинамическим) наступает, когда все объекты системы будут иметь одинаковую температуру, то есть средняя скорость движения их молекул уравняется.

Теплопередача протекает так, что уменьшение (убыль) внутренней энергии одних объектов, участвующих в ней, всегда сопровождается таким же увеличением (приращением) внутренней энергии других объектов.

Существуют три различных способа передачи тепловой энергии от одного объекта другому или внутри одного объекта (как, например, в чашке с чаем). Тепло передаётся в процессах теплопроводности, конвекции или излучения. Сегодня речь пойдёт о теплопроводности.

Теплопроводность – это передача тепловой энергии путём непосредственного соударения молекул двух объектов. Тепло передаётся из более тёплой области в более холодную по мере того, как энергия быстрых частиц при столкновении передаётся медленным частицам. Быстрые молекулы сталкиваются с медленными, при этом медленные получают часть кинетической энергии быстрых. В результате движение быстрых молекул замедляется, а медленных – ускоряется.

Мы наблюдаем теплопроводность повсюду. Мороженое начинает таять, когда ему передаётся тепло воздуха: молекулы воздуха ударяются о молекулы мороженого, увеличивая их скорость. Что происходит, когда мы нагреваем на плите кастрюлю с водой? Сначала тепло передаётся от нагревательного элемента плиты дну кастрюли, затем от дна кастрюли – соприкасающимся с ним молекулам воды. Весь этот процесс возможен благодаря теплопроводности. Внимательно осмотревшись вокруг, ты увидишь много примеров того, как тёплые предметы соприкасаются с более холодными и передают им часть своего тепла (в результате воздействия их молекул друг на друга).

Теплопроводность присуща веществам в любом состоянии: твёрдом, жидком, газообразном. В твёрдых объектах – это главный способ передачи тепла. Но некоторые вещества проводят тепло легче, чем дру- гие; их называют проводниками тепла. Лучшие проводники тепла – металлы, а серебро – самый лучший. Другие твёрдые вещества – например, стекло и кирпич – проводят тепло хуже. Некоторые материалы, например, хлопок и шерсть, служат очень плохими проводниками.

Большинство газов – в особенности если они находятся в закрытом пространстве и не могут свободно двигаться – проводят тепло очень плохо. Материал, который плохо проводит тепло, называется теплоизолятором. Слово «изолятор» происходит от латинского слова, означающего «остров». Один из примеров теплоизолятора – это стекловолокно. Оно представляет собой вещество, состоящее из очень мелких волокон стекла, между которыми заключён воздух – то есть газ. Шерстяной свитер также служит хорошим теплоизолятором. Шерсть сама по себе плохо проводит тепло; кроме того, в промежутках между нитями пряжи задерживается воздух, что также предотвращает теплопроводность.

Двойные окна – то есть два оконных стекла, между которыми заключён воздух,– служат гораздо лучшим изолятором, чем одинарные стёкла.

Дом, построенный с максимальным применением теплоизоляторов, будет тёплым зимой и прохладным летом; такая постройка позволит сэкономить средства на отоплении и кондиционерах.

Люди используют проводники тепла и теплоизоляторы для улучшения условий жизни. Но не

они придумали это первыми. Бог создал птиц способными использовать изоляционные возможности воздуха, чтобы сохранять тепло. Когда на улице холодно, птицы распушают перья, чтобы между ними и телом была прослойка воздуха. От тела птицы воздух нагревается, но, удерживаемый перьями, никуда не уходит, и тепло сохраняется около тела птицы, согревая её.