Главная Процесс переноса теплоты




Рис 1-6. Коэффициенты теплопроводности гелия и водорода.

На рис. 1-5 представлены результаты измерения коэффициента теплопроводности различных газов, проведенного Н. Б. Варгафтиком.

Среди газов резко отличаются своим высоким коэффициентом теплопроводности гелий и водород. Коэффициент теплопроводности у них в 5-10 раз больше, чем у других газов [Л. 194]. Это наглядно видно, на рнс. 1-6. Молекулы гелия и водорода обладают малой массой, а следовательно, имеют большую среднюю скорость перемещения, чем и объясняется их высокий коэффициент теплопроводности.

Коэффициенты теплопроводности водяного пара и других реальных газов, существен- но отличающихся от идеальных, сильно зависят также от давления. Для газовых смесей коэффициент теплопроводности не может быть определен по закону аддитивности, его нужно-определять опытным путем.

Two ) Коэффициент теплопроводности жидкостей

Механизм распространения теплоты, в капельных жидкостях можно представить как перенос энергии путем нестрой-пых упругих колебаний. Такое теоретическое-представление о механизме передачи теплоты в жидкостях, выдвинутое А. С. Предводителевым [Л. 155], было использовано Н. Б. Варгафтиком [Л. 20] для описания опытных данных по теплопроводности различных жидкостей. Для большинства жидкостей теория нашла хорошее подтверждение. На основании этой теории была получена формула для коэффициента теплопроводности следующего вида:

Я = /1 fe. (1-2П.

где Cxi - теплоемкость жидкости при постоянном давлении; р - объемная плотность жидкости; р - относительная молекулярная масса.

Коэффициент А, пропорциональный скорости распространения упругих волн в жидкости, не зависит от природы жидкости, но зависит от температуры, при этом /1ср«const.

Так как плотность р жидкости с повышением температуры убывает, то из уравнения (1-21) следует, что для жидкостей с постоянной молекулярной массой (неасеоциированные и слабо ассоциированные жидкости) с повышением температуры коэффициент теплопроводности должен уменьшаться. Для жидкостей сильно ассоциированных (вода, спирты и т. д.) в формулу (1-21) нужно ввести коэффициент ассоциации, учитывающий изменение молекулярной массы. Коэффициент ассоциации также зависит от температуры, и поэтому при различных температурах он может влиять на коэффициент теплопроводности по-разному. Опыты подтверждают, что для большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности Я убывает, исключение составляют вода и глицерин (рис. 1-7). Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит примерно в пределах от 0,07 до. 0,7 Вт/(м-К).

При повышении давления коэффициенты теплопроводности жидкостей возрастают.



з) Коэффициент теплопроводности твердых тел

Металлы и сплавы. В металлах основным передатчиком теплоты являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомгюму газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений атомов или в виде упругих звуковых волн не исключается, но ее доля незначительна по сравнению

го но 60 so 100 ко да с


Рис 1-7. >.(0 различных жидкостей. 7 - вазелиновое масло: г -бензол; 3 -ацетон: i - касторовое масло 5 -спирт этиловый, 6 -спирт метиловый. 7 -глицерин, 8 -вода.

С переносом энергии электронным газом. Вследствие движения свободных электронов происходит выравнивание температуры во всех точках нагревающегося или охлаждающегося металла. Свободные электроны движутся как из областей, более нагретых, в области, менее нагретые, так и в обратном направлении. В первом случае они отдают энергию атомам, во втором отбирают. Так как в металлах носителем тепловой н электрической энергии являются электроны, то коэффициенты тепло- и электропроводности про--порцпональныдруг другу. При повышении температуры

вследствие усиления тепловых неоднородностей рассеивание электронов увеличивается. Это влечет за собой уменьшение коэффициентов тепло- и электропроводности чистых металлов (рис 1-8).

При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко убывает. Последнее можно объяснить увеличением структурных неоднородностей, которые приводят к рассеиванию электронов. Так, например, для чистой меди Я=396 Вт/(мХ ХК), для той же меди со следами мышьяка Я= = 142 Вт/(м-К;).

В отличие от чистых металлов коэффициенты теплопроводности сплавов при повышении температуры увеличиваются (рис. 1-9).

Твердые тела-диэлектрики (неметаллы). В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается (рис. 1-10). Как правило, для материалов с боль-


Рис. 1-8. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для некоторык чистых металлов



Многие строительные ристое строение (кирпич,

/? -

°с

1-9. ?.(/) различных сплавов. i - латунь 18; 2 - латунь 30; 3 - ля-Тунь 12: 4 - нихрсм: 5 ~ бронза: s - марганцовистая бронза; 7 -орудийная бронза: S -сплав олова к цинка; 9 - фосфористая броней: io - белый металл; /; - константен; 12 - монель-ме-талл: /3-манганин; /4-никелевая сталь; 15 - жидкий сплав олова с цин-

шей объемной плотностью коэффициент теплопроводиостн имеет более высокое значение. Он зависит от структуры материала его пористости и влажности.

и теплоизоляционные материалы имеют по-бетон, 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.

Условным является также коэффициент теплопроводности пористого материала. Эта величина имеет смысл коэффициента теплопроводности некоторого однородного тела, через которое при одинаковой форме, размерах и температурах на границах проходит то же количество тепла, что и через данное пористое тело [Л. 208].

Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел сильно зависит от их объемной плотности [Л. 197]. Например, при возрастании плотности р от 400 до 800 кг/м коэффициент теплопроводности асбеста увеличивается от 0,105 до 0,248 Вт/(м.К). Такое влияние плотности р на коэффициент теплопроводности объясняется тем, что теплопроводность Л заполняющего поры воздуха значительно меньше, чем твердых компонентов пористого материала.

Эффективный коэффициент теплопроводности пористых материалов сильно зависит также от влажности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно больше, чем для сухого и воды в отдельности. Например, для сухого кирпича ?.=0,35, для воды ?.=0,60, а для влажного кирпича X.!» я» 1,0 Вт/(м.К). Этот эффект может быть объяснен конвективным переносом теплоты, возникающая благодаря капиллярному движению воды внутри пористого материала и частично тем, что абсорб-ционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой.

Увеличение коэффициента теплопроводности зернистых материалов с изменением температуры можно объяснить тем, что с повышеппем температуры возрастает теплопроводность среды, заполняющей промежутки между зернами, а также увеличивается теплопередача излучением зернистого массива.


Рис. 1-10. ?.(() строительных и теплоизоляционнь1х материалов.

/ - воздух; 2 - минеральная ш-рсть: 3-шпакокпн вата; 4~ ньювель; Р -совелнт; fi -диа-точнтовый кирпич: 7 - кпас-iiufi кирпич, в-шлако6стоит-й кгтрпич: S-шамотный кирпич.



0 1 2 3 [4] 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.0125