Virtual Laboratory Wiki
Advertisement

Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

В установившемся режиме поток энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорционален градиенту температуры:

где  — вектор потока тепла — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси,  — коэффициент теплопроводности (иногда называемый просто теплопроводностью),  — температура. Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где  — полная мощность тепловых потерь,  — площадь сечения параллелепипеда,  — перепад температур граней,  — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Материал Теплопроводность, Вт/(м·K)
Алмаз 1001—2600
Серебро 430
Медь 382—390
Золото 320
Алюминий 202—236
Латунь 97—111
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Сталь 47
Кварц 8
Стекло 1
Вода 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Пенобетон 0,14—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Дерево 0,15
Шерсть 0,05
Минеральная вата 0,045
Пенополистирол 0,04
Пеноизол 0,035
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,026
Воздух (сухой неподвижный) 0,024—0,031
Аргон 0,0177
Ксенон 0,0057
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример — Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример — фен, греющие вентиляторы).


Паутина превзошла по теплопроводности медь

Представитель рода Nephila. Видно, что паутина имеет яркий, почти золотой отлив (фото Xinwei Wang research group).

Учёные из университета Айовы (Iowa State University) решили исследовать способность паутины передавать тепло. Для этого они «надоили» паутину восьми пауков вида Nephila clavipes. Результаты их измерений оказались удивительными: полученный показатель теплопроводности составил 416 ватт/(метр*Кельвин). Это означает, что так называемая каркасная нить паутины обеспечивает передачу тепла лучше, чем медь (353–401 Вт/(м*К)), и, практически, аналогична серебру (406–430 Вт/(м*К)). Получается, что паутина проводит тепло в тысячу раз лучше нити тутового шелкопряда и, в среднем, в 800 раз лучше, чем другие органические материалы.

Нить паутины имеет гибкую, но прочную структуру. Она в 15 раз тоньше человеческого волоса и имеет толщину всего 4 микрометра. Нить представляет собой белок, обогащённый глицином, аланином и серином, содержащий внутри нанокристаллы.

При всей своей кажущейся хрупкости паутина сравнима по прочности со сталью (для своего веса), но при этом обладает высокой упругостью. Эти уникальные свойства обещают широкое применение искусственной паутине во многих областях биотехнологии. Кстати, при растяжении нить паутины проявляет ещё более интересные свойства. Исследователи из США выяснили, что теплопроводность нити паутины растёт прямо пропорционально её растяжению. Например, если растянуть нить на 20% от нормальной длины, паутина станет на 20% лучше проводить тепло.

По мнению американцев, результат их открытия может быть использован в различных сферах. На основе паутины можно будет создавать новые теплоотводящие элементы для электроники или медицинские бинты, которые не будут приводить к перегреву.

Коэффициент теплопроводности вакуума

Коэффициент теплопроводности вакуума стремится к нулю. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тепло в вакууме передаётся только излучением. Поэтому для уменьшения теплопотери стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность хуже излучает и лучше отражает), а воздух между ними откачивают.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности с удельной электрической проводимостью в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

где  — постоянная Больцмана,  — заряд электрона.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье не применим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. д. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл[1], а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:[2]

Если время релаксации пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Примечания

  1. J. C. Maxwell, Philos. Trans. Roy. Soc. London 157 (1867) 49.
  2. C. Cattaneo, Atti Seminario Univ. Modena 3 (1948) 33.

См. также

Другие способы теплопередачи



Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Теплопроводность. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


Advertisement