«Теплопроводность». 8-й класс

Цели урока:

Образовательная

• познакомить учащихся с одним из видов теплопередачи — теплопроводностью, научить объяснять данное явление на основании молекулярно-кинетической теории;
• раскрыть основные научные положения изучаемой темы во взаимосвязи с природой и жизнедеятельностью человека Севера.

Развивающая

• продолжить формирование умений выдвигать гипотезу и проверять (или опровергать) ее экспериментально;
• развивать умения анализировать, делать выводы, обобщать;
• прививать навык самообразовательной деятельности.

Воспитательная

• способствовать нравственному воспитанию учащихся, воспитанию чувства патриотизма, любви к родному краю, своей малой Родине;
• развивать коммуникативные способности, налаживать межличное взаимодействие путем организации работы в группе;
• развивать личные качества учащихся: организованность, внимание, аккуратность.

Здоровьесберегающая

• создание комфортного психологического климата на уроке;
• атмосферы сотрудничества: ученик-учитель, учитель-ученик, ученик-ученик.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Форма организации учебной деятельности учащихся: коллективная, работа в группе, индивидуальная за партой и у доски.

Оборудование: компьютер, экран, оборудование для физического эксперимента, дидактические материалы, гербарий.

План урока:

1. Организационный этап.
2. Актуализация знаний, выведение темы и цели урока через проблемный вопрос и фронтальный эксперимент.
3. Изучение нового материала, используя демонстрационный эксперимент, работу с учебником.
4. Закрепление материала. Работа в группах. Решение качественных задач, связанных с природой республики Коми. Исследовательская деятельность.
5. Первичная проверка усвоения материала.
6. Итог урока. Домашнее задание. Рефлексия.

I. Организационный этап.

(Самооценка готовности к уроку).

II. Актуализация знаний, выведение цели урока.

а) Заполните пропуски в тексте.[1]

Внутренняя энергия – это энергия ___________ и _______________ частиц из которых состоят тела.
Зажечь спичку можно разными способами. Можно потереть её о коробок, тогда ________________ энергия преобразуется во _____________. Внутренняя энергия ______________ за счёт совершения работы ______ спичкой.
Но можно спичку внести в пламя свечи и тогда внутренняя энергия её ___________ без совершения работы. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы называется _______________. Самопроизвольно теплопередача всегда происходит от тела ________ нагретого к телу ________ нагретому.

(Ключевые слова: внутреннюю, увеличивается, теплопередачей, увеличится, более, самой, над, взаимодействия, механическая, менее, движения).

б) На данных картинках, обведите красным карандашом те, на которых внутренняя энергия тел изменяется путем совершения механической работы и синим карандашом – путем теплопередачи.

Повторяя материал предыдущего урока, составляем схему: (слайд 1)

в) фронтальный эксперимент

У вас на столе лежат металлический цилиндр и деревянный брусок. Возьмите в одну руку брусок, в другую – цилиндр. Температура в классе 23°>С. Почему цилиндр кажется холоднее, чем брусок? (ответы детей)

Правильный ответ дадим, изучив один из видов теплопередачи – теплопроводность.

Тема нашего урока «Теплопроводность». Учащиеся выводят цели урока: ввести понятие «теплопроводность», сравнить теплопроводность твердых тел, жидкостей и газов, рассмотреть практическое применение данного явления. (слайд 2, 3)

III. Изучение нового материала.

а) демонстрационный эксперимент

Нагреваем один конец медного стержня (на стержне пластилином прикреплены кнопки) в пламене горелки. Пластилин плавится, и кнопки постепенно падают. Почему?

(ответ детей: тепло от нагретого конца стержня передается его холодному концу)

Как происходит передача энергии по стержню? Для этого заглянем внутрь стержня, объясните с молекулярно – кинетической точки зрения явление теплопроводности.

(Просмотр видеоролика слайд 4)

Составьте определение теплопроводности, сравните ваше определение с определением, данным в учебнике на стр.13, запишите его в тетрадь. Основное можно выделять цветом. (

Теплопроводность – это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц) (слайд 5)

Обратите внимание на то, что при теплопроводности перенос вещества не происходит.

Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.

б) демонстрационный эксперимент (слайд 6)

Сделайте вывод из данных опытов о теплопроводности жидкостей и газов. Объясните свой вывод на основании молекулярно-кинетической теории. Запишите вывод в тетрадь.

(Теплопроводность различных веществ разная. Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых, а расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел

).

в) работа с учебником.

Используя текст учебника, стр.13, заполните таблицу: (слайд 7)

теплопроводность
хорошая	плохая
Металлы (серебро, медь, железо…)	Жидкости (вода)
	Газы (воздух, вакуум)
	Пористые тела, дерево, кирпич, пробка
	Шерсть, пух, мех, волосы, перья птиц
	Вата, войлок
	Снег, опилки, солома
	жир

Для проверки на экран проецируется заполненная таблица. Объясните, используя тему урока, что объединяет, выделенные цветом вещества. (Между волокнами этих веществ содержится воздух, а воздух плохой проводник тепла)

Отвечаем на вопрос, поставленный в начале урока (Теплопроводность металла больше, он быстрее забирает тепло от руки, поэтому мы ощущаем прохладу).

IV. Закрепление материала.

В качестве закрепления изученного материала, рассмотрим роль

теплопроводности в природе, жизни человека. Обратимся к нашему краю – Республике Коми. (слайд-шоу 8)

Мы живем в республике Коми. Она расположена на северо-востоке европейской части Российской Федерации. Климат в нашей республике довольно суровый с продолжительной снежной зимой и коротким прохладным летом, поэтому животный и растительный мир Коми приспособился к неблагоприятным воздействиям природно-климатических условий на его организм. Немалую роль в этом вопросе играет явление теплопроводности. Рассмотрим некоторые примеры.

Работа в группах.

1 группа получает отрывок из русской сказки «Байка про тетерева»: Некому выстроить тетереву в зимнюю стужу домишко, а сам не умеет. Одну-то ночь всего надо пережить. «Эх, – надумал он – куда ни шло!» И бултых в снег.. .В снегу и ночевал. Ничего. Тепло было. Поутру рано встал, по вольному свету полетел куда надо».

Что спасло тетерева от холода во время ночевки в снегу?

(Тетерев типичный представитель птиц таежной зоны Коми. Зимой, когда в лесу выпадает обильный снег, тетерева ночуют под снегом. Сразу же после вечерней кормежки они камнем падают вниз с берез, пробивают своей тяжестью снежный покров и, прорыв под снегом траншею, устраиваются там на ночевку. Снег состоит из снежинок, а между ними находится воздух, который обладает плохой теплопроводностью)

Просмотр видеоролика «Тетерева на лунках». (слайд 9)

2 группа получает гербарии карликовой березы и карликовой ивы, растения, произрастающие в тундре – стране холода.

Почему для растений, обитателей тундры, характерен карликовый рост? (слайд 10)

(Низкий рост тундровых растений является очень важным приспособлением. Он позволяет им воспользоваться защитой снегового покрова, снег плохой проводник тепла. Кроме того, дает возможность получать некоторое дополнительное количества тепла от почвы, так как почва нагревается значительно сильнее, чем окружающий воздух.)

3 группа получает карточки с изображениями пушных зверей нашей республики.

Объясните защитную роль шерстяного покрова животных. (слайд 11)

(Между волосками меха находится воздух, из-за плохой теплопроводности мех предохраняет животных от перегрева летом и охлаждения зимой. Зимой распушив мех животные создают воздушную подушку с хорошими теплоизоляционными свойствами.)

Благодаря этому ездовая собака может, например, спать на снегу при температуре -50°С.

Выступление ученика «Зимняя национальная одежда Коми» (слайды 12-23[2] )

(учеником была проведена исследовательская работа на тему: «Зимняя национальная одежда Коми». Цель исследования: выяснить, почему жители Севера предпочитают одежду из оленьих шкур, а не из другого меха? Показать практическое применение явления теплопроводности).

Зимняя одежда народа Коми очень рациональна, напрямую связана с природой и приспособлена к местным климатическим условиям, она должна быть удобной и сохранять тепло. В основном для ее изготовления использовались шкуры оленей. Коми широко использовали одежду, заимствованную от ненцев: малица (глухая верхняя одежда мехом внутрь), совик (глухая верхняя одежда из оленьих шкур мехом наружу), пимы (меховые сапоги) и др. Малица являлась основным видом зимней одежды. Это шуба закрытого типа, без застежек, с капюшоном и рукавицами. Она шилась мехом вовнутрь с глухим двойным капюшоном и свободными рукавами, к которым пришивались меховые рукавицы. В особо холодную погоду поверх малицы надевался совик, сходная по покрою одежда, но сшитая мехом наружу. Обувь – пимы, представляют собой длинные, до паха, мягкие сапоги, сшитые полностью из меха. Для удобства они подвязывались под коленом шерстяными шнурками с кистями.

Для изготовления разнообразных вещей использовались части шкур оленей определенного возраста и сезона забоя. В качестве меха использовались шкуры пыжиков (оленят до полугода) и неблюев (оленят до годовалого возраста). Пимы шили только из шкурок ног оленей – камуса, то есть из меха с наиболее коротким ворсом, плотного и прочного. Для производства только одной пары длинных пим требуется камус от четырех оленей.

Почему жители Севера предпочитают одежду из оленьих шкур, а не из другого меха?

Шкура оленя уникальна. Каждый волосок пуст внутри и подобен микроскопической трубочке. Там сохраняется нагретый телом воздух, поэтому волос очень легкий, ломкий, но очень теплый. Зимний мех оленя длинный, особенно на шее, где образуется свисающая вниз грива (подвес).

Поэтому оленьи унты и шуба самые теплые. Изготовленные из оленьей шерсти (из оленьей «бороды») свитер и носки спасают даже в шестидесятиградусные морозы.

V. Первичная проверка усвоения материала.

Слайды 24[1]-27

VI. Итог урока. Домашнее задание. Рефлексия.

(Оценивание работы каждого ученика. Самооценка учащимися работы на уроке).

Домашнее задание. Параграф 4, определение выучить.

Найти и выписать в тетрадь примеры использования явления теплопроводности в различных областях человеческой деятельности.

Собрать коллекцию веществ, обладающих разной теплопроводностью.

Использованные сайты:

1. www.slideshare.net/brenata/pril2-8957211
2. www.finnougoria.ru/community/folk/section.php?SECTION_ID=346&ELEMENT_ID=2705

Теплопроводность. Просто о сложном. — Блоги Mastergrad

 При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше, — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

 

 

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку. Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

 

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

 

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

 

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их
непосредственном контакте.

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой).

Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

 

 Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

 

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Её разбор проведем на примере теплоизоляционного материала из пенополиизоцианурата (ПИР/PIR) — LOGICPIR.

LOGICPIR – это инновационный утеплитель, обладающий уникальными показателями теплопроводности – всего 0,021 Вт/м*К, позволяющий добиться максимальной экономии пространства при минимальной толщине теплоизоляции. Кроме того, PIR-плиты не впитывают влагу, тем самым предотвращая образование конденсата и надежно защищая ваш дом от появления плесенных грибов, клещей и бактерий, представляющих опасность для здоровья. LOGICPIR относится к новому поколению полиуретанов, окружающих нас повсеместно: начиная от деталей интерьера автомобилей, матрацев и обуви и заканчивая медициной, где самая поразительная сфера их применения – изготовление протезов для сердечно-сосудистой системы. Стоит ли говорить, что материал экологически безопасен, что подтверждено целым рядом сертификатов и заключений.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

• твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
• газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

 

Подведем итог. Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Спасибо компании «Технониколь» за помощь в подготовке материала

Теплопроводные материалы и общие области применения

1.0 Что такое теплопроводность

Теплопроводность материала или элемента является определяющим свойством, которое помогает в разработке эффективных технологий нагрева/охлаждения. Значение теплопроводности можно определить путем измерения скорости, с которой тепло может проходить через материал.

Это значение выражается в ваттах на метр на градус Кельвина Вт/м•К в соответствии с рекомендациями S.I. (Международная система). Материалы с высокой теплопроводностью могут эффективно передавать тепло, в то время как материалы с более низкой теплопроводностью плохо передают тепло и медленно поглощают тепло из окружающей среды.

1.1 Факторы, влияющие на теплопроводность

На его теплопроводность могут влиять многочисленные химические и физические свойства элемента или материала. Как правило, материалы с простым химическим составом и молекулярной структурой имеют более высокую теплопроводность. Общей физической характеристикой, которая может влиять на теплопроводность материалов, является пористость. Воздух имеет теплопроводность 0,02 Вт/м•К при комнатной температуре (20-25°С). Это значение значительно ниже, чем у большинства твердых веществ. Когда воздух попадает в поры вещества, он может снизить скорость эффективного прохождения тепла через него. Размер пор, их распределение, форма и связность — все это влияет на пористость материала. Высокая пористость снижает теплопроводность. Другими внешними факторами, которые могут повлиять на теплопроводность, являются влажность и направление теплового потока.

Вода и лед имеют более высокую теплопроводность, чем воздух. Если материал подвергается воздействию среды с присутствующей влагой, он потенциально может быть поглощен и даст более высокое значение теплопроводности. Молекулярная структура материалов также может ограничивать поток тепла. Древесина является примером материала, молекулярная структура которого состоит из прямых волокон. Тепло, протекающее через древесину, движется в постоянном направлении по пути, обеспечиваемому волокнами. Если тепло течет против волокон, сопротивление больше. Это сопротивление может ограничить эффективную теплопередачу и снизить теплопроводность этого материала.

Рисунок 1: Пористость в образце горной породы

2.0 Теплопроводные материалы и современные применения

2.1 Алмазы

Алмаз в настоящее время носит титул теплопроводного материала, известного человеку. Теплопроводность алмаза может достигать 2000–2200 Вт/м•К при измерении при комнатной температуре (20–25°C). Это значение теплопроводности почти в 5 раз выше, чем у серебра, которое имеет второе по величине значение теплопроводности. Алмаз обычно используется в электронике для рассеивания тепла, чтобы защитить чувствительные устройства от перегрева. Их высокие значения теплопроводности также могут быть использованы для определения подлинности бриллиантов в ювелирных изделиях.

2.2 Серебро

Серебро имеет второй по величине измеренный показатель теплопроводности. Серебро — распространенный и относительно недорогой металл, который используется в тысячах практических приборов и технологий. 35% серебра, перерабатываемого в Соединенных Штатах, используется в электронике и электротехнике (сводка геологоразведочного сообщества США за 2013 г.) . Серебро является относительно ковким металлом, который можно легко манипулировать до различной вязкости и размера частиц. Это свойство серебра способствовало широкому использованию металла. Серебряная паста является примером промышленного продукта из серебра, спрос на который постоянно растет. Серебряная паста часто используется в производстве фотогальванических элементов, основного компонента солнечных батарей.

Рисунок 2: Круговая диаграмма, показывающая использование серебра в Соединенных Штатах Америки.

2.3 Медь, золото и алюминий

Медь является материалом с третьей по величине теплопроводностью, а также самым популярным металлом, используемым для производства технологий проводимости. Медь является чрезвычайно эффективным материалом для минимизации потерь энергии при передаче тепла. Медь имеет высокую температуру плавления и низкую скорость коррозии. Кастрюли, трубы с горячей водой и электронные радиаторы являются примерами приборов, в которых используются теплопроводные свойства меди.

Золото обладает такими же проводящими свойствами, как и медь, но встречается редко и требует больших затрат. Золото не тускнеет так быстро, как медь и серебро, поэтому его часто используют для изготовления электрических контактов и разъемов из-за его высокой износостойкости.

Алюминий — еще один металл с повышенным значением теплопроводности. Алюминий имеет относительно низкую температуру плавления по сравнению с другими металлами и часто используется в качестве экономичной альтернативы меди. Медно-алюминиевые смеси часто производятся для использования химических и физических характеристик обоих металлов и минимизации производственных затрат.

Рисунок 3: Основа решетки атома меди

2.4 Топ-10 теплопроводящих материалов

Материал	Теплопроводность Вт/м•К при (20-25°C)
Алмаз	2000-2200
Серебро	429
Медь	398
Золото	315
Нитрид алюминия	320
Карбид кремния	270
Алюминий	247
Вольфрам	173
Графит	168
Цинк	116

Таблица 1: Топ-10 теплопроводящих материалов и значения их проводимости, измеренные в Вт/м•К при комнатной температуре (20-25°C)

3.0 Механика теплопроводности

Теплопроводность является основным компонентом минералов и элементы, которые имеют решающее значение для разработки бесчисленных технологий и инструментов. Выбор материала с надлежащим значением проводимости может повысить эффективность продукта и сэкономить энергию и деньги. Наиболее исключительными теплопроводниками являются металлы из-за их внутреннего электронного расположения. Ионы металлов плотно упакованы в виде решетки (рис. 3). Эти ионы постоянно вибрируют, выделяя тепло.

Молекулярная структура металлов также включает свободные электроны. Эти делокализованные электроны несут большое количество энергии при движении через решетку. Когда эти электроны сталкиваются с основой решетки, они возбуждают ионную структуру, заставляя ее колебаться быстрее. Повышенная вибрация решетки начинает выделять больше тепла. Из-за движения свободных электронов, присутствующих в металле, тепло, выделяемое ионными колебаниями, может более эффективно передаваться через вещество.

3.1 Механика теплопроводности алмазов

В отличие от электронов, переносящих тепло в металлах, фотоны переносят энергию и тепло в алмазах. В научном сообществе предполагается, что поверхность алмаза покрыта тонкой карбидной пленкой, которая способствует спариванию электронов с фотонами. Это взаимодействие в настоящее время исследуется и, по-видимому, является средой теплопередачи, влияющей на повышенную теплопроводность алмаза. Структура простых углеродных связей в алмазах также влияет на перенос тепла через каждый атом. Как упоминалось выше, материалы с простой молекулярной структурой часто обладают более высокой теплопроводностью.

Рисунок 4: Диаграмма Льюиса, показывающая углеродную основу атома алмаза

4.0 Заключение

Согласно первому закону тепловой динамики, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Энергия (тепло) может только передаваться. Эффективная теплопередача требует эффективных теплопроводников. Материалы с высокой теплопроводностью имеют решающее значение при проектировании и разработке бесчисленного количества электроники и приборов, передающих тепло. Каждый теплопроводник обладает уникальными химическими и физическими свойствами, которые позволяют использовать нагревательные свойства с пользой.

Ссылки

Irimia R, Gottschling M (2016) Таксономическая ревизия Rochefortia Sw. (Ehretiaceae, Boraginales). Журнал данных о биоразнообразии 4: E7720 . (н.д.). https://doi.org/10.3897/BDJ.4.e7720.

Фликр. ¹ https://live.staticflickr.com/8227/8456671200_5c93da3b69_b.jpg

Множество способов использования серебра. (н.д.). Получено с ² https://geology.com/articles/uses-of-silver/

Электроника: самые основы. (2015, 21 апреля). Получено с ³ http://stuartparkinson.com/electronics-the-very-basics/

(без даты). Получено с https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/m/Material_properties_of_diamond.htm

Свойства и применение меди — электрическая, термическая, коррозионная стойкость, легирование и многое другое. (н.д.). Получено с https://copperalliance.org.uk/knowledge-base/education/education-resources/copper-properties-applications/

Алмазная структура. (1970, 01 января). Получено с ⁴ http://sciencesolve.blogspot.com/2015/09/diamond-structure.html

Автор: Каллиста Уилсон, младший технический писатель Thermtest

Теплопроводность: определение, единицы измерения, уравнение и пример

Когда вы Пройдись по ковру в холодный зимний день, твои ноги не замерзнут. Однако, как только вы ступаете на кафельный пол в ванной комнате, ваши ноги мгновенно мерзнут. На двух этажах какая-то разная температура?

Вы, конечно, не ожидали, что они будут такими, учитывая то, что вы знаете о тепловом равновесии. Так почему же они чувствуют себя такими разными? Причина связана с теплопроводностью.

Теплопередача

Тепло — это энергия, которая передается между двумя материалами из-за разницы температур. Теплота переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Способы передачи тепла включают теплопроводность, конвекцию и излучение.

Тепловая ​ проводимость ​ — режим, обсуждаемый более подробно далее в этой статье, но вкратце это передача тепла посредством прямого контакта. По сути, молекулы более теплого объекта передают свою энергию молекулам более холодного объекта посредством столкновений, пока оба объекта не станут одинаковой температуры.

В ​ конвекции ​ тепло передается посредством движения. Представьте себе воздух в вашем доме в холодный зимний день. Вы замечали, что большинство обогревателей обычно располагаются у пола? Когда обогреватели нагревают воздух, этот воздух расширяется. Когда он расширяется, он становится менее плотным и поэтому поднимается над более холодным воздухом. В этом случае более холодный воздух находится рядом с нагревателем, поэтому воздух может нагреваться, расширяться и т. д. Этот цикл создает конвекционные потоки и заставляет тепловую энергию рассеиваться по воздуху в помещении, перемешивая воздух по мере его нагревания.

Атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение ​, которое представляет собой форму энергии, способную перемещаться в космическом вакууме. Вот как тепловая энергия теплого огня достигает вас, и как тепловая энергия солнца попадает на Землю.

Определение теплопроводности

Теплопроводность — это мера того, насколько легко тепловая энергия проходит через материал или насколько хорошо этот материал может передавать тепло. Насколько хорошо происходит теплопроводность, зависит от тепловых свойств материала.

Рассмотрим плиточный пол в примере в начале. Это лучший проводник, чем ковер. Вы можете сказать только на ощупь. Когда ваши ноги стоят на кафельном полу, тепло покидает вас гораздо быстрее, чем когда вы стоите на ковре. Это связано с тем, что плитка позволяет теплу от ваших ног проходить через нее намного быстрее.

Так же, как удельная теплоемкость и скрытая теплота, проводимость является свойством конкретного материала. Он обозначается греческой буквой κ (каппа) и обычно просматривается в таблице. Единицами проводимости в СИ являются ватты на метр × Кельвин (Вт/мК).

Предметы с высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками, а предметы с низкой теплопроводностью — хорошими изоляторами. Здесь приведена таблица значений теплопроводности.

Как видите, объекты, которые часто кажутся «холодными» на ощупь, например металлы, являются хорошими проводниками. Обратите также внимание на то, насколько хорошим теплоизолятором является воздух. Вот почему большие пушистые куртки согревают вас зимой: они захватывают большой слой воздуха вокруг вас. Пенополистирол также является отличным изолятором, поэтому он используется для сохранения еды и напитков теплыми или холодными.

Как тепло распространяется через материал

По мере того как тепло распространяется через материал, в материале существует температурный градиент от конца, ближайшего к источнику тепла, к самому дальнему от него концу.

По мере прохождения тепла через материал и до достижения равновесия край, ближайший к источнику тепла, будет самым теплым, и температура будет линейно уменьшаться до самого низкого уровня на дальнем конце. Однако по мере приближения материала к равновесию этот градиент выравнивается.

Теплопроводность и тепловое сопротивление

Насколько хорошо тепло может проходить через объект, зависит не только от проводимости этого объекта, но также от размера и формы объекта. Представьте себе длинный металлический стержень, проводящий тепло от одного конца к другому. Количество тепловой энергии, которое может пройти через него в единицу времени, будет зависеть от длины стержня, а также от размера окружности стержня. Здесь в игру вступает понятие теплопроводности.

Теплопроводность материала, такого как железный стержень, определяется по формуле:

C=\frac{\kappa A}{L}

где A — площадь поперечного сечения материала, L — длина, а κ — теплопроводность. Единицами проводимости в системе СИ являются Вт/К (ватт на кельвин). Это позволяет интерпретировать κ как теплопроводность единицы площади на единицу толщины.

И наоборот, тепловое сопротивление определяется как:

R=\frac{L}{\kappa A}

Это просто обратная величина проводимости. Сопротивление является мерой сопротивления проходящей через него тепловой энергии. Удельное тепловое сопротивление также определяется как 1/κ.

Скорость, с которой тепловая энергия ​ Q ​ перемещается по длине ​ L ​ материала при разнице температур между торцами ​ ΔT ​, определяется по формуле:

\frac{Q }{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}

Это также можно записать как:

\frac{Q}{t}=C\Delta T = \frac{\Delta T} {R}

Обратите внимание, что это прямо аналогично тому, что происходит с током в электропроводности. В электропроводности ток равен напряжению, деленному на электрическое сопротивление. Электропроводность и электрический ток аналогичны теплопроводности и току, напряжение аналогично разности температур, а электрическое сопротивление аналогично тепловому сопротивлению. Применяется все та же математика.

Применение и примеры

​ Пример: ​ Полусферическое иглу из льда имеет внутренний радиус 3 м и толщину 0,4 м. Тепло уходит из иглу со скоростью, зависящей от теплопроводности льда, κ = 1,6 Вт/мК. С какой скоростью должна непрерывно вырабатываться тепловая энергия внутри иглу, чтобы внутри иглу поддерживалась температура 5 градусов Цельсия, когда на улице -30 градусов?

​ Решение: ​ Правильное уравнение для использования в этой ситуации – это уравнение из предыдущего:

\frac{Q}{t}=\frac{\kappa A\Delta T}{L}

Вам дано κ, ​ ΔT ​ это просто разница температур внутри и снаружи и ​ L – толщина льда. A немного сложнее. Чтобы найти ​ A ​ вам нужно найти площадь поверхности полушария. Это будет половина площади поверхности сферы, которая равна 4π r ² . Для ​ r ​ можно выбрать средний радиус (радиус внутренней части иглу + половина толщины льда = 3,2 м), поэтому площадь тогда: 92

Подставляя все в уравнение, получаем:

\frac{Q}{t} = \frac{\kappa A\Delta T}{L} = \frac{1,6\times 64,34\times 35}{0,4} = 9,000\text{ Ватт}

​ Применение: Радиатор – это устройство, передающее тепло от объектов с высокой температурой воздуху или жидкости, которая затем уносит избыточную тепловую энергию. Большинство компьютеров имеют радиатор, прикрепленный к процессору.

Радиатор изготовлен из металла, который отводит тепло от ЦП, а затем небольшой вентилятор циркулирует воздух вокруг радиатора, рассеивая тепловую энергию. Если все сделано правильно, радиатор позволяет процессору работать в стабильном режиме.