Коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплопроводности - физический параметр вещества, характеризующий его способность проводить теп­лоту. Из уравнения (2.7) следует, что коэффициент тепло­проводности численно равен

Его значение зависит от большого числа факторов (p, t, , влажности, природы вещества и т.д.) и определяется в основном экспериментально.

Для чистых металлов значение изменяется в пределах от 20 до 410 Вт/(м • К). Самым теплопроводным металлом считается серебро - = 410 Вт/(м • К), затем идут чистая медь - 395 Вт/(м • К), золото - 300 Вт/ (м • К), алюминий -210 Вт/(м • К) и т.д. В металлах носителем тепловой энергии являются свобод­ные электроны. При повышении температуры тела вследствие усиления тепловых неоднородностей рассеивание электронов увеличивается, что влечет за собой уменьшение коэффициента теплопроводности чистых металлов. При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко снижается. Последнее можно объяснить увеличением структур­ных неоднородностей, которые приводят К), для той же меди со следами мышьяка - 142 Вт/ (м • К).

В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно возрастает. Как правило, для материалов с большей объемной плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение. Он зависит от структуры материала, его пористости и влажности.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, керамзит, асбест, шлак и др.) и применение закона Фурье к таким телам явля­ется в известной мере условным. Наличие пор в материале

не позволяет рассматривать такие тела как сплошную среду. Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел в большой степени зависит от их объемной пористости. Например, при возрастании плотности от 400 до 800 кг/ коэффициент теплопроводности асбеста увеличи­вается от 0,105 до 0,248 Вт/(м • К). Такое влияние плотности на коэффициент теплопроводности объясняется тем, что теплопроводность заполняющего поры воздуха значительно меньше, чем твердых компонентов пористого материала.

Коэффициент теплопроводности пористых материалов существенно зависит также от влажности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно боль­ше, чем для сухого материала и воды в отдельности. Напри­мер, для сухого кирпича = 0,35, для воды 0,60, для влажного кирпича 1,0 Вт/(м • К). Этот эффект может быть объяснен конвективным переносом теплоты вследствие капиллярного движения воды внутри пористого материала и частично тем, что абсорбционно связанная влага имеет иные характеристики по сравнению со свободной водой. Увеличение коэффициента теплопроводности зернистых материалов с ростом темпера­туры можно объяснить тем, что с повышением температуры возрастает теплопроводность среды, заполняющей промежутки между зернами, а также увеличивается теплопередача излуче­ния зернистого массива.

Коэффициенты теплопроводности строительных и тепло­изоляционных материалов имеют значения, лежащие в преде­лах от 0,023 до 3,0 Вт (м • К). Материалы с низким значения, коэффициента теплопроводности (меньше 0,25 Вт (м∙К)), обычно применяемые для тепловой изоляции, называются теплоизоляционными.

Коэффициент теплопроводности газов лежит в пределах от 0,006 до 0,6 Вт/(м • К). Теплопроводность газов возрастает с повышением температуры. Это объясняется тем, что скорость перемещения молекул газа с повышением температуры увеличивается. Среди газов резко отличаются своим высоким коэффициентом теплопроводности гелии и водород. Коэф­фициент теплопроводности у них в 5 - 10 раз больше, чем у других газов. Молекулы гелия и водорода обладают малой массой, а следовательно, имеют большую среднюю скорость перемещения, чем и объясняется их высокий коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах от 0,07 до 0,7 Вт (м • К). Опыты подтверждают, что для большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности уменьшается, исключение составляют вода и глицерин. При повышении давления коэффициенты теплопроводности жидкостей воз­растают. Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом теле температура будет распределена неравномерно, в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента тепло­проводности от температуры можно принять линейной:

где - значение коэффициента теплопроводности при температуре to; b - постоянная, определяемая опытным путем.

В практических расчетах значение обычно определяют по среднеарифметической температуре на границах тела, и это значение принимают постоянным. Профессор д-р техн. наук Г.М. Кондратьев в своих исследованиях показал, что при стационарной теплопроводности такая замена законна и единственно правильна.

Значения коэффициентов теплопроводности материалов, применяемых в автомобилях (чугун, сталь, алюминий, вода, антифриз и др.), приводятся в справочной литературе.