Tepelná kapacita, tepelná vodivost materiálů

Tepelná kapacita je schopnost akumulovat tepelnou energii v materiálu při jeho zahřívání. Číselně se měrná tepelná kapacita rovná energii, kterou je třeba vložit do jednotkového objemu materiálu, aby se ohřel o jeden stupeň. Rozměr měrné tepelné kapacity [J/(kg K)]. Toto množství je rozsáhlé, tzn. můžete mluvit o tepelné kapacitě jednotlivé molekuly nebo atomu, pak je sečíst a získat tepelnou kapacitu jednoho gramu nebo jednoho molu látky. Hodnota tepelné kapacity závisí na charakteru materiálu. Nejvyšší tepelná kapacita vody je 4.2 10 3 J/(kg K) nebo 4.2 kJ/(kG K). Naprostá většina materiálů má měrnou tepelnou kapacitu řádově 1 kJ/(kg K). Tepelná kapacita závisí na teplotě. Blízko nuly Kelvinů je malý, v rozsahu provozních teplot se s rostoucí teplotou mírně mění. Jakékoli skoky v tepelné kapacitě jsou spojeny se strukturální restrukturalizací těles, například s prodlouženým tavením látek, jako je parafín. Zde můžeme uvést příklad parafínového nahřívacího obvazu, kdy se teplo díky vysoké tepelné kapacitě parafínu dlouhodobě udržuje a obvaz dlouhodobě hřeje.

Tepelná kapacita plynů byla dobře teoreticky prostudována. Pro plyny byly dokonce zavedeny dva typy tepelné kapacity: při konstantním tlaku C_p a při konstantním objemu C_v. Obvykle se uvažuje tepelná kapacita na molekulu. Pak pro monoatomický plyn C_p= 5/2 kT a C_v= 3/2 kT. Proč je obtížnější zahřívat molekuly při konstantním tlaku? Je jasné, že v tomto případě plyn expanduje, což znamená, že je potřeba další energie k ohřevu plynu při konstantním tlaku. Všimněte si, že pro víceatomové plyny je tepelná kapacita vyšší, protože Při zahřívání je zapotřebí energie k rotaci molekul, vibracím atd.

Uveďme výraz pro tepelnou energii materiálu:

kde m je hmotnost materiálu, T₂,T₁ konečné a počáteční teploty.

Tento výraz lze přepsat pro místní, specifické parametry:

kde Q/V je specifické uvolnění energie, d je hustota materiálu.

Výrazy (1.27-1.28) umožňují určit změnu teploty materiálu během jeho provozu, například v důsledku ztrát dielektrické energie, průtoku proudu nebo jiného procesu. Uvolňování energie Q je určeno specifickými procesy probíhajícími v materiálu.

Tepelná vodivost určuje schopnost přenášet tepelnou energii materiálem. To je také důležitá charakteristika, vyznačuje se součinitelem tepelné vodivosti l; Číselně se rovná průtoku q procházejícím plochou krychle o jednotkové ploše s rozdílem teplot na jejích stranách 1 °C. Nejlépe předávají teplo kovy, takže pro měď l = 400 W/(m K ), pro stříbro o něco více (418) , pro hliník 200 W/(m·K), pro nerez přibližně 20 W/(m·K), pro jednoduché oceli přibližně dvakrát vyšší.

Dielektrické materiály mají obvykle výrazně nižší tepelnou vodivost. Například pro beton l .=0.6 W/(m·K), pro transformátorový olej l .=0.13 W/(m·K), pro vzduch l = 3,67 10 -2 W/(m·K). Jediným dielektrikem, které má vysokou tepelnou vodivost, je oxid beryllitý l.“ 200 W/(m K). Všimněte si, že v příručkách se často uvádí l. v zastaralých jednotkách, například cal/(cm·sec·°С); Chcete-li převést na jednotky SI, vynásobte 418.

U plynů a kapalin hraje běžná tepelná vodivost vedlejší roli. V tomto případě hraje hlavní roli konvekce a záření.

Ke konvekci dochází v důsledku skutečnosti, že zahřátá kapalina nebo plyn expanduje, jejich hustota klesá a začnou „plavat“ pod vlivem Archimedovy vztlakové síly. Díky tomu vznikají lokální proudy, které efektivně odvádějí teplo z vyhřívané zóny. V tepelné technice bylo vyvinuto zařízení pro výpočet tepelné vodivosti při zohlednění konvekce. Zhruba lze říci, že konvekce zvyšuje tepelnou vodivost několikanásobně.

Při vývoji elektrických topných zařízení na bázi materiálu ECOM jsem se podílel na výpočtech tepelné vodivosti. Takže zohlednění přirozené konvekce ve vzduchu vede ke zvýšení efektivní tepelné vodivosti v konvektoru dvou paralelních vertikálních desek přibližně 10krát při povrchové teplotě přibližně 150 – 200 ° C.

Důležité je také tepelné záření, zejména při zvýšených teplotách. Hlavní výraz použitý v odhadech je:

kde _x je šedý koeficient emitujícího materiálu, s je konstantníяStefan-Boltzmann, s = 5.67-10 W/(m8K2). Součinitel šedi závisí na druhu materiálu, zejména na jeho tepelné vodivosti a stavu povrchu. U kovů je tento koeficient malý, pohybuje se od jednotek do desítek procent v závislosti na drsnosti povrchu, přičemž hrubší povrch odpovídá vyššímu koeficientu šedi. U dielektrik (s výjimkou speciálních kompozic s elektricky vodivými složkami) se e pohybuje v rozmezí 4 – 80 %. Odhady ukazují, že tento faktor se stává hlavním při teplotách řádově 95 stupňů a vyšších.

Nejvyšší tepelné vodivosti v normálním teplotním rozsahu lze dosáhnout přenosem tepla odpařováním. Pokud někde odpaříte kapalinu a pak ji zkondenzujete na jiném místě, výparné teplo odebere část tepla z vyhřívané oblasti a předá ji při kondenzaci na jiné místo. To je ekvivalentní tepelné vodivosti mezi těmito oblastmi. Odhady ukazují, že ekvivalentní tepelná vodivost může překročit tepelnou vodivost mědi přibližně pětitisíckrát.

Teplotní koeficienty. Téměř všechny vlastnosti materiálů závisí na teplotě. To se obvykle zohledňuje zavedením tzv. teplotní koeficient. Přísně matematicky se pro libovolnou vlastnost x uvozuje výrazem

kde x může být jakákoliv charakteristika materiálu. Rozměr libovolného teplotního koeficientu je 1/K. Vezměme například velikost x jako l vzorek materiálu. Pak

znamená teplotní koeficient roztažnosti materiálu. Pro dielektrickou konstantu to bude teplotní koeficient dielektrické konstanty, pro měrný odpor to bude teplotní koeficient měrného odporu.

V praxi obvykle používají lineární aproximaci, přičemž změnu charakteristik s teplotou považují za malou ve srovnání s hlavní hodnotou. Pro tento případ můžeme výslovně vypsat teplotní závislost.

Pro měrný odpor r (T) = r (T )(1 + Tk r (T-T ))

Pro dielektrickou konstantu e (T) = e (T )(1 + Tke (T-T ))

Konkrétní hodnoty teplotních koeficientů materiálů lze nalézt v referenčních knihách. V případě silné změny charakteristik s teplotou (např. dielektrická konstanta v případě feroelektrik) nelze lineární aproximaci použít. V těchto případech byste měli použít tabulky nebo grafy.

Kovy jsou chemické prvky s krystalickou strukturou a řadou charakteristických vlastností, jako je kujnost, charakteristický lesk a vysoká elektrická a tepelná vodivost. Při vysokých teplotách se zahřívají a stávají se tekutými. Některé z těchto látek tají při relativně nízkých teplotách. Kus cínu nebo olova lze například roztavit přidržením nad svíčkou.

K tavení ostatních se používají speciální pece. Pro snížení bodu tání se do jejich složení přidávají speciální složky, což vede k tavitelnějším sloučeninám. U řady druhů oceli, bronzu, litiny nebo mosazi je tento práh výrazně nižší než u obecného kovu.

Pojďme zjistit, co určuje teplotu tání. Všechny kovy a slitiny mají v různé míře tepelnou kapacitu a tepelnou vodivost. Číselným vyjádřením schopnosti materiálu absorbovat teplo je jeho měrná tepelná kapacita, tedy množství energie absorbované na jednotku hmotnosti při zahřátí o 1 °C.

U většiny kovů se tento ukazatel pohybuje v rozmezí od 300 do 400 J/(kg*K), u slitin se může pohybovat od 100 do 2 000 J/(kg*K). Tepelná vodivost určuje zejména množství paliva potřebného k roztavení daného objemu kovu.

Tepelná vodivost kovů je popsána Fourierovým zákonem. Projevuje se přenosem tepelné energie z atomů, molekul nebo elektronů s vyšší teplotou na části s nižší teplotou při jejich chaotickém pohybu. Hodnota tohoto ukazatele závisí na stavu agregace, struktuře a dalších fyzikálních vlastnostech materiálu.

Přenos energie (tepelná vodivost) v kovech je prováděn elektrony. U jiných pevných látek k tomuto jevu dochází v důsledku vibrací atomů nebo molekul umístěných v místech mřížky, která se nazývají fonony. U kovů závisí hodnota tohoto ukazatele na jeho krystalické struktuře. Čím méně je deformován nečistotami, tím vyšší je jeho schopnost přenášet teplo. Jak již bylo zmíněno, do slitiny se zavádějí legující prvky pro snížení tepelné vodivosti.

Všechny kovy mají relativně vysokou tepelnou vodivost, ale u různých členů této skupiny se může výrazně lišit. Mezi ty, které dobře vedou tepelnou energii, patří zlato, stříbro a měď. Toto číslo je poněkud nižší u cínu, hliníku a železa.

Schopnost vést teplo může být pozitivní i negativní charakteristikou pro použití v určité oblasti. Příklad kuchyňského nádobí to jasně dokazuje. Pokud je rukojeť pánve vyrobena z kovu s vysokou tepelnou vodivostí, popálí vás ruce. Pánev ale musí rychle ohřát jídlo na vysokou teplotu, takže její tělo bývá vyrobeno z kovu nebo slitiny, která dobře vede teplo.

Kovy s nízkou tepelnou vodivostí se obvykle vyznačují vysokou koncentrací nečistot, které deformují krystalovou mřížku a činí strukturu jemnozrnnou. Čím menší je velikost zrna, tím horší je přenos tepla. Dispergovaná směs různých fázových stavů (eutektika a eutektoidy) ve struktuře kovu snižuje jeho schopnost vést tepelnou energii ve srovnání se základní slitinou. Porézní materiály a plyn mají extrémně nízkou tepelnou vodivost.

Tepelná vodivost oceli

V referenčních materiálech o tepelné vodivosti různých kovů zaujímají zvláštní místo hodnoty tohoto ukazatele pro různé třídy oceli.

Referenční knihy obsahují vypočítané a empirické údaje týkající se hlavních typů oceli:

• odolný vůči teplu a korozi;
• pružina a vysokorychlostní;
• vysoce legované.

Tabulky obsahují hodnoty tepelné vodivosti kovů při teplotách od -263 °C do +1 °C. Specializované referenční knihy obsahují průměrné údaje pro:

• třídy uhlíkové oceli: 50–90 W/(m×deg);
• martenzitické slitiny odolné proti korozi, teplu a teplu: 30–45 W/(m×deg);
• slitiny příbuzné austenitické: 12–22 W/(m×deg).

Při výrobě spojek a armatur pro potrubí se používají nízkouhlíkové slitiny, které mají vysokou tepelnou vodivost, pohybující se od 47 do 54 W/(m×K).

Součinitele tepelné vodivosti slitin

Pro výpočty týkající se různých neželezných, železných kovů a jejich slitin se při návrhu používají tabulky ze speciální referenční literatury, které obsahují hodnoty stanovené při teplotách od 0 do +600 °C.

Tepelná vodivost kovů a slitin: