Теплопроводность фото: Таблица теплопроводности строительных материалов

Теплопроводность. Просто о сложном. | Isobud

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.

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.

Источник: http://www.nappan.ru/press/news/Teploprovodnost_Prosto_o_slozhnom/

Таблица теплопроводности строительных материалов

Таблица теплопроводности строительных материалов необходима при проектировании защиты здания от теплопотерь согласно нормативам СНиП от 2003 года под номером 23-02. Этими мероприятиями обеспечивается снижение эксплуатационного бюджета, поддержание круглогодичного комфортного микроклимата внутри помещений. Для удобства пользователей все данные сведены в таблицы, даны параметры для нормальной эксплуатации, условий повышенной влажности, так как, некоторые материалы при увеличении этого параметра резко снижают свойства.

Теплопотери сквозь конструкционные материалы

Теплопроводность является одним из способов потерь тепла жилыми помещениями. Эта характеристика выражается количеством тепла, способным проникнуть сквозь единицу площади материала (1 м²) за секунду при стандартной толщине слоя (1 м). Физики объясняют выравнивание температур различных тел, объектов путем теплопроводности природным стремлением к термодинамическому равновесию всех материальных веществ.

Таким образом, каждый индивидуальный застройщик, отапливая помещение в зимний период, получает потери тепловой энергии, уходящей из жилища сквозь наружные стены, полы, окна, кровлю. Чтобы сократить расход энергоносителя для обогрева помещений, сохранив внутри них комфортный для эксплуатации микроклимат, необходимо рассчитать толщину всех ограждающих конструкций на этапе проектирования. Это позволит сократить бюджет строительства.

Таблица теплопроводности строительных материалов позволяет использовать точные коэффициенты для стеновых конструкционных материалов. Нормативы СНиП регламентируют сопротивление фасадов коттеджа передаче тепла холодному воздуху улицы в пределах 3,2 единиц. Перемножив эти значения, можно получить необходимую толщину стены, чтобы определиться с количеством материала.

Например, при выборе ячеистого бетона с коэффициентом 0,12 единиц достаточно кладки в один блок длиной 0,4 м. используя более дешевые блоки из этого же материала с коэффициентом 0,16 единиц, потребуется сделать стену толще – 0,52 м. Коэффициент теплопроводности сосны, ели составляет 0,18 единиц. Поэтому, для соблюдения условия сопротивления теплопередаче 3,2, потребуется 57 см брус, которого не существует в природе. При выборе кирпичной кладки с коэффициентом 0,81 единица толщина наружных стен грозит увеличением до 2,6 м, железобетонных конструкций – до 6,5 м.

На практике стены изготавливают многослойными, закладывая внутрь слой утеплителя или обшивая теплоизолятором наружную поверхность. У этих материалов коэффициент теплопроводности гораздо ниже, что позволяет уменьшить толщину многократно. Конструкционный материал обеспечивает прочность здания, теплоизолятор снижает теплопотери до приемлемого уровня. Современные облицовочные материалы, используемые на фасадах, внутренних стенах, так же обладают сопротивлением теплопотерям. Поэтому, в расчетах учитываются все слои будущих стен.

Вышеуказанные расчеты будут неточными если не учесть наличие в каждой стене коттеджа светопрозрачных конструкций. Таблица теплопроводности строительных материалов в нормативах СНиП обеспечивает легкий доступ к коэффициентам теплопроводности данных материалов.

Пример расчета толщины стены по теплопроводности

При выборе типового или индивидуального проекта застройщик получает комплект документации, необходимый для возведения стен. Силовые конструкции в обязательном порядке просчитаны на прочность с учетом ветровых, снеговых, эксплуатационных, конструкционных нагрузок. Толщина стен учитывает характеристики материала каждого слоя, поэтому, теплопотери гарантированно будут ниже допустимых норм СНиП. В этом случае заказчик может предъявить претензии организации, занимавшейся проектированием, при отсутствии необходимого эффекта в процессе эксплуатации жилища.

Однако, при строительстве дачи, садового домика многие владельцы предпочитают экономить на приобретении проектной документации. В этом случае расчеты толщины стен можно произвести самостоятельно. Специалисты не рекомендуют пользоваться сервисами на сайтах компаний, реализующих конструкционные материалы, утеплители. Многие из них завышают в калькуляторах значения коэффициентов теплопроводности стандартных материалов для представления собственной продукции в выгодном свете. Подобнее ошибки в расчетах чреваты для застройщика снижением комфортности внутренних помещений в холодный период.

Самостоятельный расчет не представляет сложностей, используется ограниченное количество формул, нормативных значений:

• теплосопротивление стены – 3,5 либо больше этого числа (согласно СНиП), является суммой теплосопротивлений всех слоев, из которых состоит несущая стена
• коэффициент теплопроводности строительных материалов – каждый производитель конструкционного материала, светопрозрачных конструкций, утеплителя указывает его в обязательном порядке, однако, лучше дополнительно свериться с таблицей в нормативах СНиП
• теплосопротивление отдельного слоя стены – вычисляется путем умножения толщины слоя (м) на коэффициент теплопроводности материала

Например, чтобы привести толщину кирпичной стены в соответствие с нормативным теплосопротивлением, потребуется умножить коэффициент для этого материала, взятый из таблицы на нормативное теплосопротивление:

0,76 х 3,5 = 2,66 м

Подобная крепость излишне затратна для любого застройщика, поэтому, следует снизить толщину кладки до приемлемых 38 см, добавив утеплитель:

• облицовка в полкирпича 12,5 см
• внутренняя стена в кирпич 25 см

Теплосопротивление кирпичной кладки в этом случае составит 0,38/0,76 = 0,5 единиц. Вычитая из нормативного параметра полученный результат, получаем необходимое теплосопротивление слоя утеплителя:

3,5 – 0,5 = 3 единицы

При выборе базальтовой ваты с коэффициентом 0,039 единиц, получаем слой толщиной:

3 х 0,039 = 11,7 см

Отдав предпочтение экструдированному пенополистиролу с коэффициентом 0,037 единиц, снижаем слой утеплителя до:

3 х 0,037 = 11,1 см

На практике, можно выбрать 12 см для гарантированного запаса либо обойтись 10 см, учитывая наружные, внутренние облицовки стен, так же обладающие теплосопротивлением. Необходимый запас можно добрать без использования конструкционных материалов либо утеплителей, изменив конструкцию кладки. Замкнутые пространства воздушных прослоек внутри некоторых типов облегченных кладок так же обладают теплосопротивлением.

Их теплопроводность можно узнать из нижеприведенной таблицы, находящейся в СНиП.

Например, 10 см прослойка замкнутого контура обеспечивает теплоспопротивление 0,18 либо 0,15 единиц при отрицательных, положительных температурах, соответственно. Сантиметровый воздушный зазор добавляет несущей стене 0,15 или 0,13 единиц теплосопротивления (зимой, летом, соответственно).

Что такое «точка росы»

На завершающем этапе вычислений потребуется правильно расположить утеплитель, коробки оконных блоков в толще стен. Это необходимо для смещения точки росы наружу, в противном случае избавиться от влаги на стеклах, внутренних стенах с началом отопительного сезона не получится.

Точкой росы называют температурный барьер, при достижении которого из теплого воздуха в эксплуатируемом помещении, имеющим высокую относительную влажность, начинает конденсироваться вода. Для увеличения ресурса силовых конструкций точку росы необходимо вывести за наружную поверхность стены, чтобы кирпич. Древесина, бетон не разрушался под действием влаги.

Кроме того, смещение точки росы внутрь слоя утеплителя приведет к увеличению расхода энергоносителя для обогрева жилища уже на третий сезон эксплуатации. Тплоизолятор намокнет, снизится его теплосопротивление.

Неправильная установка оконных блоков приводит к аналогичной ситуации – откосы будут стабильно влажными всю зиму. Поэтому, нормативы СНиП рекомендуют смещение внутренней плоскости оконного блока:

• заподлицо с внутренней стеной в срубах, кирпичных коттеджах с кладкой в 1,5 кирпича
• отступ от наружной плоскости стены от 12,5 см при значительной толщине кладки

Выбор конструкционных, облицовочных, теплоизоляционных материалов должен осуществляться комплексно. Паропропускная способность отдельных слоев стены должна снижаться изнутри наружу. Принцип этого метода становится понятнее на простом примере:

• если облицевать фасады коттеджа, выложенные из газобетонных блоков, керамическим кирпичом, клинкером без вентиляционного зазора
• влажный воздух из помещений свободно преодолеет материал стены, будет остановлен облицовкой
• блоки начнут разрушаться в агрессивной среде, снизится ресурс здания

Кроме того, замерзающая нутрии блоков вода будет расширяться, дополнительно разрушая кладку, ослабляя силовой каркас коттеджа. Проблема решается заменой керамики на сайдинг, деревянные облицовки либо созданием вентиляционного зазора, через который влага сможет отводиться воздушными массами.

Присоединяйтесь к обсуждению!

Нам было бы интересно узнать вашу точку зрения, оставьте свое мнение в комментариях 😼

Теплопроводность строительных материалов — таблица утеплителей, сравнение

Любое строительство независимо от его размера всегда начинается с разработки проекта. Его цель – спроектировать не только внешний вид будущего строения, еще и просчитать основные теплотехнические характеристики. Ведь основной задачей строительства считается сооружение прочных, долговечных зданий, способных поддерживать здоровый и комфортный микроклимат, без лишних затрат на отопление. Несомненную помощь при выборе сырья, используемого для возведения постройки, окажет таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты.

Тепло в доме напярямую зависит от коэффициента теплопроводности строительных материалов

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность – это процесс передачи энергии тепла от нагретых частей помещения к менее теплым. Такой обмен энергией будет происходить, пока температура не уравновесится. Применяя это правило к ограждающим системам дома, можно понять, что процесс теплопередачи определяется промежутком времени, за который происходит выравнивание температуры в комнатах с окружающей средой. Чем это время больше, тем теплопроводность материала, применяемого при строительстве, ниже.

Отсутствие теплоизоляции дома скажется на температуре воздуха внутри помещения

Для характеристики проводимости тепла материалами используют такое понятие, как коэффициент теплопроводности. Он показывает, какое количество тепла за одну единицу временного промежутка пройдет через одну единицу площади поверхности. Чем выше подобный показатель, тем сильнее теплообмен, значит, постройка будет остывать значительно быстрее. То есть при сооружении зданий, домов и прочих помещений необходимо использовать материалы, проводимость тепла которых минимальна.

Сравнительные характеристики теплопроводности и термического сопротивления стен, возведенных из кирпича и газобетонных блоков

Основные характеристики утеплителей

Соотношение качества утеплителя, в зависимости от его толщины
При выборе утеплителей нужно обращать внимание на разные факторы: тип сооружения, наличие воздействия высоких температур, открытого огня, характерный уровень влажности. Только после определения условий использования, а также уровня теплопроводности применяемых материалов для сооружения определенной части конструкции, нужно смотреть на характеристики конкретного утеплителя:

• Теплопроводность. От этого показателя напрямую зависит качество проведенного утеплительного процесса, а также необходимое количество материала для обеспечения желаемого результата. Чем ниже теплопроводность, тем эффективнее использование утеплителя.
• Влагопоглощение. Показатель особо важен при утеплении внешних частей конструкции, на которые может периодически воздействовать влага. К примеру, при утеплении фундамента в грунтах с высокими водами или повышенным уровнем содержания воды в своей структуре.
• Толщина. Применение тонких утеплителей позволяет сохранить внутреннее пространство жилого сооружения, а также напрямую влияет на качество утепления.
• Горючесть. Это свойство материалов особенно важно при использовании для понижения теплопроводной способности наземных частей сооружения жилых домов, а также зданий специального назначения. Качественная продукция отличается способностью к самозатуханию, не выделяет при воспламенении ядовитых веществ.
• Термоустойчивость. Материал должен выдерживать критические температуры. К примеру, низкие температуры при наружном использовании.
• Экологичность. Нужно прибегать к использованию материалов безопасных для человека. Требования к этому фактору может изменяться в зависимости от будущего назначения сооружения.
• Звукоизоляция. Это дополнительное свойство утеплителей в некоторых ситуациях позволяет добиться хорошего уровня защиты помещения от шума, а также посторонних звуков.

Когда используется при сооружении определенной части конструкции материал с низкой теплопроводностью, то можно покупать самый дешевый утеплитель (если это позволят предварительные расчеты).
Важность конкретной характеристики напрямую зависит от условий использования и выделенного бюджета.

Что влияет на величину теплопроводности?

Тепловая проводимость любого материала зависит от множества параметров:

• Пористая структура. Присутствие пор предполагает неоднородность сырья. При прохождении тепла через подобные структуры, где большая часть объема занята порами, охлаждение будет минимальным.
• Плотность. Высокая плотность способствует более тесному взаимодействию частиц друг с другом. В результате теплообмен и последующее полное уравновешивание температур происходит быстрее.
• Влажность. При высокой влажности окружающего воздуха или намокании стен постройки, сухой воздух вытесняется капельками жидкости из пор. Теплопроводность в подобном случае значительно увеличивается.

Теплопроводность, плотность и водопоглощение некоторых строительных материалов

Монтаж и эффективность в эксплуатации

Монтаж ППУ – быстро и легко.

Сравнение характеристик утеплителей должно осуществляться с учетом монтажа, ведь это тоже важно. Легче всего работать с жидкой теплоизоляцией, такой как ППУ и пеноизол, но для этого требуется специальное оборудование. Также не составляет труда укладка эковаты (целлюлозы) на горизонтальные поверхности, например, при или чердачного перекрытия. Для напыления эковаты на стены мокрым методом также нужны специальные приспособления.

Пенопласт укладывается как по обрешетке, так и сразу на рабочую поверхность. В принципе, это касается и плит из каменной ваты. Причем укладывать плитные утеплители можно и на вертикальные, и на горизонтальные поверхности (под стяжку в том числе). Мягкую стекловату в рулонах укладывают только по обрешетке.

В процессе эксплуатации теплоизоляционный слой может претерпевать некоторых нежелательных изменений:

• напитать влагу;
• дать усадку;
• стать домом для мышей;
• разрушиться от воздействия ИК лучей, воды, растворителей и прочее.

Кроме всего вышеуказанного, важное значение имеет пожаробезопасность теплоизоляции. Сравнение утеплителей, таблица группы горючести:

Применение показателя теплопроводности на практике

В строительстве все материалы условно подразделяются на теплоизоляционные и конструкционные. Конструкционное сырье отличается наибольшими показателями теплопроводности, но именно его применяют для постройки стен, перекрытий, прочих ограждений. Согласно таблице теплопроводности строительных материалов, при возведении стен из железобетона, для низкого теплообмена с окружающей средой толщина конструкции должна быть около 6 метров. В таком случае строение получится огромным, громоздким и потребует немалых затрат.

Наглядный пример — при какой толщине различных материалов их коэффициент теплопроводности будет одинаковым

Поэтому при возведении постройки следует отдельное внимание уделять дополнительным теплоизолирующим материалам. Слой теплоизоляции может не понадобиться только для построек из дерева или пенобетона, но даже при использовании подобного низкопроводного сырья толщина конструкции должна быть не менее 50 см.

Сравнение с помощью таблицы

N	Наименование	Плотность	Теппопроводность		Цена , евро за куб.м.		Затраты энергии на
кг/куб.м	мин	макс	Евросоюз	Россия	квт*ч/куб. м.
1	целлюлозная вата	30-70	0,038	0,045	48-96	15-30	6
2	древесноволокнистая плита	150-230	0,039	0,052	150	800-1400
3	древесное волокно	30-50	0,037	0,05	200-250	13-50
4	киты из льняного волокна	30	0,037	0,04	150-200	210	30
5	пеностекло	100-150	0.05	0,07	135-168	1600
6	перлит	100-150	0,05	0.062	200-400	25-30	230
7	пробка	100-250	0,039	0,05	300	80
8	конопля, пенька	35-40	0,04	0.041	150	55
9	хлопковая вата	25-30	0,04	0,041	200	50
10	овечья шерсть	15-35	0,035	0,045	150	55
11	утиный пух	25-35	0,035	0,045	150-200
12	солома	300-400	0,08	0,12	165
13	минеральная (каменная) вата	20-80	0.038	0,047	50-100	30-50	150-180
14	стекповопокнистая вата	15-65	0,035	0,05	50-100	28-45	180-250
15	пенополистирол (безпрессовый)	15-30	0.035	0.047	50	28-75	450
16	пенополистирол экструзионный	25-40	0,035	0,042	188	75-90	850
17	пенополиуретан	27-35	0,03	0,035	250	220-350	1100

Показатель теплопроводных свойств является основным критерием при выборе утеплительного материала. Остается только сравнить ценовые политики разных поставщиков и определить необходимое количество.

Утеплитель – один из основных способов получить сооружение с необходимой энергоэффективностью. Перед его окончательным выбором точно определите условия использования и, вооружившись приведенной таблицей, совершите правильный выбор.

Теплопроводность готового здания. Варианты утепления конструкций

При разработке проекта постройки необходимо учесть все возможные варианты и пути потери тепла. Большое его количество может уходить через:

стены – 30%;

крышу – 30%;

двери и окна – 20%;

полы – 10%.

Теплопотери неутепленного частного дома

При неверном расчете теплопроводности на этапе проектирования, жильцам остается довольствоваться только 10% тепла, получаемого от энергоносителей. Именно поэтому дома, возведенные из стандартного сырья: кирпича, бетона, камня рекомендуют дополнительно утеплять. Идеальная постройка согласно таблице теплопроводности строительных материалов должна быть выполнена полностью из теплоизолирующих элементов. Однако малая прочность и минимальная устойчивость к нагрузкам ограничивает возможности их применения.

Сравнительный график коэффициентов теплопроводности некоторых строительных материалов и утеплителей

Самым распространенным вариантом сочетание несущей конструкции из высокопрочных материалов с дополнительным слоем теплоизоляции. Сюда можно отнести:

Каркасный дом. При его постройке каркасом из древесины обеспечивается жесткость всей конструкции, а укладка утеплителя производится в пространство между стойками. При незначительном уменьшении теплообмена в некоторых случая может потребоваться утепление еще и снаружи основного каркаса.

Дом из стандартных материалов. При выполнении стен из кирпича, шлакоблоков, утепление должно проводиться по наружной поверхности конструкции.

Необходимая тепло- и гидроизоляция для сохранения тепла в частном доме

Сравнение паропроницаемости утеплителей

Высокая паропроницаемость=отсутствие конденсата.

Паропроницаемость – это способность материала пропускать воздух, а вместе с ним и пар. То есть теплоизоляция может дышать. На этой характеристике утеплителей для дома последнее время производители акцентируют много внимания. На самом деле высокая паропроницаемость нужна только при . Во всех остальных случаях данный критерий не является категорически важным.

Характеристики утеплителей по паропроницаемости, таблица:

Сравнение утеплителей для стен показало, что самой высокой степенью паропроницаемости обладают натуральные материалы, в то время как у полимерных утеплителей коэффициент крайне низок. Это свидетельствует о том, что такие материалы как ППУ и пенопласт обладают способностью задерживать пар, то есть выполняют . Пеноизол – это тоже своего рода полимер, который изготавливается из смол. Его отличие от ППУ и пенопласта заключается в структуре ячеек, которые открытие. Иными словами, это материал с открытоячеистой структурой. Способность теплоизоляции пропускать пар тесно связан со следующей характеристикой – поглощение влаги.

Таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты

В этой таблице собраны показатели теплопроводности самых распространенных строительных материалов. Пользуясь подобными справочниками, можно без проблем рассчитать необходимую толщину стен и применяемого утеплителя.

Таблица коэффициента теплопроводности строительных материалов:

Таблица теплопроводности строительных материалов: коэффициенты

Обзор гигроскопичности теплоизоляции

Высокая гигроскопичность – это недостаток, который нужно устранять.

Гигроскопичность – способность материала впитывать влагу, измеряется в процентах от собственного веса утеплителя. Гигроскопичность можно назвать слабой стороной теплоизоляции и чем выше это значение, тем серьезнее потребуются меры для ее нейтрализации. Дело в том, что вода, попадая в структуру материала, снижает эффективность утеплителя. Сравнение гигроскопичности самых распространенных теплоизоляционных материалов в гражданской строительстве:

Сравнение гигроскопичности утеплителей для дома показало высокое влагопоглощение пеноизола, при этом данная теплоизоляция обладает способностью распределять и выводить влагу. Благодаря этому, даже намокнув на 30%, коэффициент теплопроводности не уменьшается. Несмотря на то, что у минеральной ваты процент поглощения влаги низкий, она особенно нуждается в защите. Напитав воды, она удерживает ее, не давая выходить наружу. При этом способность предотвращать теплопотери катастрофически снижается.

Чтобы исключить попадание влаги в минвату используют пароизоляционные пленки и диффузионные мембраны. В основном полимеры устойчивы к длительному воздействию влаги, за исключением обычного пенополистирола, он быстро разрушается. В любом случае вода ни одному теплоизоляционному материалу на пользу не пошла, поэтому крайне важно исключить или минимизировать их контакт.

Разновидности и описание

На выбор потребителей предлагаются материалы с различными механическими свойствами.

От этого во многом зависит удобство монтажа и свойства. По данному показателю различают:

1. Пеноблоки
   . Изготавливаются из бетона со специальными добавками. В результате химической реакции структура получается пористой.
2. Плиты.
   Строительный материал различной толщины и плотности изготавливается при помощи прессования или склеивания.
3. Вата.
   Продается в рулонах и характеризуется волокнистой структурой.
4. Гранулы (крошка).
   с пеновеществами различной фракции.

Важно знать:

подбор материала осуществляется с учетом свойств, стоимости и предназначения. Применение одинакового утеплителя для стен и чердачного перекрытия не позволит получить желаемый эффект, если не указано, что он предназначен для конкретной поверхности.

Сырьем для утеплителей могут выступать различные вещества. Они все делятся на две категории:

• органические на основе торфа, камыша, древесины;
• неорганические — изготавливаются из вспененного бетона, минералов, асбестосодержащих веществ и др.

Особенности применения

Прежде чем определиться с материалами для отделки частного дома или квартиры, необходимо правильно рассчитать толщину слоя конкретного утеплителя.

1. Для горизонтальных поверхностей (пол, потолок) можно использовать практически любой материал. Применение дополнительного слоя с высокой механической прочностью обязательно.
2. Цокольные перекрытия рекомендуется утеплять стройматериалами с низкой гигроскопичностью. Повышенная влажность должна быть учтена.
   В противном случае утеплитель под воздействием влаги частично или полностью потеряет свойства.
3. Для вертикальных поверхностей (стены) необходимо использовать материалы плитно-листового типа. Насыпные или рулонные со временем будут проседать, поэтому необходимо тщательно продумать способ крепежа.

Если задумано индивидуальное строительство

При возведении дома важно учитывать технические характеристики всех составляющих (материала для стен, кладочного раствора, будущего утепления, гидроизоляционных и пароотводящих плёнок, финишной отделки).

Для понимания, какие стены наилучшим образом будут сохранять тепло, нужно проанализировать коэффициент теплопроводности не только материала для стен, но и строительного раствора, что видно из таблицы ниже:

Номер п/п	Материал для стен, строительный раствор	Коэффициент теплопроводности по СНиП
1.	Кирпич	0,35 – 0,87
2.	Саманные блоки	0,1 – 0,44
3.	Бетон	1,51 – 1,86
4.	Пенобетон и газобетон на основе цемента	0,11 – 0,43
5.	Пенобетон и газобетон на основе извести	0,13 – 0,55
6.	Ячеистый бетон	0,08 – 0,26
7.	Керамические блоки	0,14 – 0,18
8.	Строительный раствор цементно-песчаный	0,58 – 0,93
9.	Строительный раствор с добавлением извести	0,47 – 0,81

Важно
. Из приведённых в таблице данных видно, что у каждого строительного материала довольно большой разброс в показателях коэффициента теплопроводности.
Это связано с несколькими причинами:

• Плотность. Все утеплители выпускаются или укладываются (пеноизол, эковата) различной плотности. Чем ниже плотность (больше присутствует воздуха в теплоизоляционной структуре), тем ниже проводимость тепла. И, наоборот, у очень плотных утеплителей этот коэффициент выше.
• Вещество, из которого производят (основа). Например, кирпич бывает силикатным, керамическим, глиняным. От этого зависит и коэффициент теплопроводности.
• Количество пустот. Это касается кирпича (пустотелый и полнотелый) и теплоизоляции. Воздух – самый худший проводник тепла. Коэффициент его теплопроводимости – 0,026. Чем больше пустот, тем ниже этот показатель.

Строительный раствор хорошо проводит тепло, поэтому любые стены рекомендуется утеплять.

Сравнение основных показателей

Чтобы понять, насколько эффективным будет тот или иной утеплитель, необходимо сравнить основные показатели материалов. Это можно сделать, просмотрев таблицу 1.

Материал	Плотность кг/м3	Теплопроводность	Гигроскопичность	Минимальный слой, см
Пенополистирол	30-40	Очень низкая	Средняя	10
Пластиформ	50-60	Низкая	Очень низкая	2
60-70	Низкая	Средняя	5
Пенопласт	35-50	Очень низкая	Средняя	10
25-32	низкая	низкая	20
35-125	Низкая	Высокая	10-15
130	Низкая	высокая	15
500	Высокая	Низкая	20
Ячеистый бетон	400-800	Высокая	Высокая	20-40
Пеностекло	100-600	Низкая	низкая	10-15

Таблица 1 Сравнение теплоизоляционных свойств материалов

При этом многие отдают предпочтение пластиформу, минеральной вате или ячеистому бетону. Это связанно с индивидуальными предпочтениями, особенностями монтажа и некоторыми физическими свойствами.

Теплопроводность каменного SPC ламината Stone Floor

При выборе материала для укладки в качестве напольного покрытия, немаловажным фактором является такой показатель, как теплопроводность материала, то есть его способность быстро (или медленно) терять накопленное внутреннее тепло. Современный интернет «пестрит» большим количеством сводных таблиц, где приводятся абсолютно разные и неточные данные по теплопроводности разных материалов.

Потребитель при оценке часто вводится в заблуждение и совершает простую ошибку, полагая, что чем выше показатель теплопроводности, тем лучше. На самом деле, все происходит с точностью до наоборот: чем ниже коэффициент теплопроводности, тем дольше материл сохраняет текущую температуру.

Лабораторные испытания SPC плиты Stone Floor

Компания Stone Floor совместно с испытательным центром CERTIFICATION GROUP провела  лабораторные испытания  образцов своей продукции на такие показатели, как  теплопроводность и термическое сопротивление.  Замеры проводились несколько раз при НОРМАЛЬНЫХ бытовых условиях: комнатная температура составляла 20 С при относительной влажности 70 %.

Все испытания проводились согласно стандарту ГОСТ 7076-99 по симметричной (1 тепломер) и ассиметричной (2 тепломера) схемам, распространяющийся на строительные материалы. Сущность ГОСТ 7076-99 заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец SPC плиты определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца, измерении плотности теплового потока и температуры противоположных лицевых граней.

По результатам испытаний, опытные образцы StoneFloor получили следующие результаты:

Теплопроводность, λ: 0,062 Вт/м*К 
Термическое сопротивление, R: 0,081 м²*К/Вт

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла

Сравнительная таблица по теплопроводности самых популярных напольных покрытий в Вт/м*С
1 место	SPC ламинат	0.062
2 место	Паркет и деревянные плиты (при плотности 800 кг/м3)	0.13
3 место	HDF ламинат	0.17
4 место	Линолеум (при плотности 1600 кг/м3)	0.75
5 место	Керамическая плитка	1.2

При этом, несмотря на свою высокую плотность, сопоставимую с керамической плиткой, коэффициент термического сопротивления у SPC Stone Floor ниже, чем у большинства замковых покрытий, и, соответственно, его свойства, в эксплуатации намного более комфортны и высоко экономичны.

Как видно из приведенной ниже таблицы, каменный SPC ламинат Stone Floor является одним из лучших вариантов для использования в тандеме с теплыми полами, так как по своим свойствам быстро проводить тепло и сохранять его длительное время, является одним из лучших в классе бытовых покрытий.

Термическое сопротивление и экономия электричества

Согласно нормам для укладки напольного покрытия на теплый пол, общее тепловое сопротивление финишного «пирога» (покрытие + подложка)  не должно превышать 0,15 м²*К/Вт.  Если эти показатели превышены, то нарушается энергоэффективность системы теплый пол и возрастают траты на обогрев, что особенно актуально в загородном доме.

Сравнительная таблица по термическому сопротивлению самых популярных напольных покрытий в м²*К/Вт
1 место	Керамическая плитка	0.011
2 место	Линолеум (при плотности 1600 кг/м3)	0.062
3 место	Паркет и деревянные плиты (при плотности 800 кг/м3)	0.07
4 место	SPC ламинат	0.081
5 место	HDF ламинат	0.25

Самым эффективным покрытием для теплого пола будет керамическая плитка, самым не эффективным — HDF ламинат.

Заключение

Компания Stone Floor всегда стремится к предоставлению самой достоверной информации о своих напольных покрытиях. Вы всегда можете запросить протокол испытаний на теплопроводность SPC Stone Floor в напечатанном виде у официального представителя марки в вашем городе. Проверить приведенную нами испытательную информацию на подлинность Вы также сможете в испытательном центре РФ CERTIFICATION GROUP по телефону: 8-800-100-18-14

Теплопроводность теплоизоляции и ППУ

Что такое теплопроводность теплоизоляционных материалов и какую роль эта характеристика играет при выборе теплоизоляции?

Теплопроводность теплоизоляционных материалов – главная характеристика утеплителя

На рынке строительных материалов выбор утеплителя впечатляет своим разнообразием не только обывателей, но и профессионалов. Всю продукцию визуально можно разделить на два основных типа: рулоны и плиты. Однако простота монтажа – не главный критерий при выборе продукции. Основным параметром является теплопроводность теплоизоляционных материалов, демонстрирующая их способность пропускать тепло. Чем ниже этот показатель, тем лучше термическое сопротивление конструкции. Численным выражением теплопроводности теплоизоляционных материалов является коэффициент, определяющий количество тепла, способное пройти за один час образец утеплителя площадью 1 кв.м. и толщиной в 1 м. Условием проведения эксперимента для его определения является разность температур между поверхностями теплоизоляции в 1ºС. В технической и справочной документации этот коэффициент получил буквенное обозначение λ и имеет размерность в Вт/(м•°С). Чем ниже коэффициент λ, тем меньше утеплителя понадобиться по толщине для достижения определенных теплотехнических характеристик, рассчитанных проектировщиками для данного климатического района.

На фото наглядно видно, что толщина панелей для внешних стен с наполнителем из полиуретана составляет 10 – 15 см. Благодаря низкой теплопроводности материала этого достаточно для комфортного проживания.

Сравнение теплопроводности теплоизоляционных материалов

Определить, как утеплитель станет надежным барьером на пути тепла, которое стремиться покинуть помещение, можно с помощью анализа коэффициентов теплопроводности. Для большей наглядности производить сравнение можно на фоне теплотехнических характеристик основных общестроительных материалов. Соотношение между толщиной материала, обеспечивающей нормативные показатели теплозащиты, к коэффициенту теплопроводности называется сопротивлением теплопередачи и обозначается R. Для каждого региона он имеет свою величину, так для Москвы R=3,16. Используя этот коэффициент, можно рассчитать оптимальную толщину строительного материала и утеплителя, необходимую для соответствия нормам по теплозащиты.

Материал	Теплопроводность λБ Вт/мºС	Толщина, см
Железобетон	2.04	644
Кирпич керамический	0.81	255
Кирпич керамический пустотный	0.52	164
Ячеистый бетон плотность 1000 кг/куб.м	0.3	94
Сосна, Ель	0.18	56
Газобетон плотностью 400 кг/куб.м	0.10	38
Пенополистирол плотностью 40 кг/куб.м.	0.05	15.8
Пенополиэтилен плотностью 30 кг/куб.м.	0.5	15.8
Утеплитель из базальтового волокна плотностью 45 кг/куб.м.	0.045	14.2
Минераловатный утеплитель из стекловолокна	0.041	12.9
Пенополипропилен	0.04	12.6
Пенополиуретан плотностью 60 кг/куб.м	0.032	10.1
Экструдированный пенополистирол	0.029	9.1
Пенополиуретан плотностью 25 кг/куб.м.	0.018	5.7

Из таблицы наглядно видно, что плита из пенополиуретана толщиной всего 6 см, плотностью 25 кг/куб.м может заменить собой полтора метра стены из керамического пустотелого кирпича.

На схеме наглядно изображено различие между толщиной строительных и теплоизоляционных материалов, широко используемых при возведении жилых и промышленных зданий. Что выбрать – 25 мм пенополиуретана или 650 мм кирпичной кладки – вопрос риторический.

Преимущество теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью

Использование теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью имеет массу преимуществ. Одно из основных – требуется небольшой объем материала. Если для утепления большинства объектов достаточно плит из пенополиуретана толщиной 40-60 мм, то в случае с пенополистиролом или минераловатным утеплителем потребуется материал, толщиной в 1,5-2,5 раза больше. Это чревато необходимостью использовать более мощные системы направляющих для навесных фасадных материалов, более длинные гибкие связи и кронштейны в процессе облицовки кирпичом. Все это увеличивает стоимость работ. Кроме того, пенополистирол менее долговечный материал, в течение 7-10 лет происходит его деградация и усыхание, что негативно сказывается на теплопроводности.

На фото видно, как происходит облицовка плитами толщиной в 10 см. С учетом зазора лицевая отделка будет отдалена от несущей конструкции на 13-17 см, что потребует длинных гибких связей. В случае с пенополиуретаном было бы достаточно плит 40 — 60 мм, что снизило бы расходы на анкерные системы.

Заменив материал с высоким коэффициентом теплопроводности на теплоизоляцию с низкой теплопроводностью можно при одинаковой толщине добиться более высоких теплотехнических характеристик для внешних конструкций. Как результат – снижение затрат на отопление. Положительно скажется использование утеплителя с небольшим λ и на транспортных расходах, так как для доставки на объект потребуется меньшее количество рейсов грузовых автомобилей.

Теплопроводность меди – как влияет на свойства меди? + Видео

Высокая теплопроводность меди наряду с другими замечательными свойствами определила этому металлу значимое место в истории развития человеческой цивилизации. Изделия из меди и ее сплавов используются практически во всех сферах нашей жизни.  

1 Медь – коротко про теплопроводность

Теплопроводностью называют процесс переноса энергии частиц (электронов, атомов, молекул) более нагретых участков тела к частицам менее нагретых его участков. Такой теплообмен приводит к выравниванию температуры. Вдоль тела переносится только энергия, вещество не перемещается. Характеристикой способности проводить тепло является коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, которая проходит через материал площадью 1 м², толщиной 1 м, за 1 секунду при единичном градиенте температуры.

Коэффициент теплопроводности меди при температуре 20–100 °С составляет 394 Вт/(м*К) – выше только у серебра. Стальной прокат уступает меди по этому показателю почти в 9 раз, а железо – в 6. Различные примеси по-разному влияют на физические свойства металлов. У меди скорость передачи тепла снижается при добавлении в материал или попадании в результате технологического процесса таких веществ, как:

• алюминий;
• железо;
• кислород;
• мышьяк;
• сурьма;
• сера;
• селен;
• фосфор.

Высокая теплопроводность характеризуется быстрым распространением энергии нагрева по всему объему предмета. Эта способность обеспечила меди широкое применение в любых системах теплообмена. Ее используют при изготовлении трубок и радиаторов холодильников, кондиционеров, вакуумных установок, автомашин для отвода избыточного тепла охлаждающей жидкости. В отопительных приборах подобные изделия из меди служат для обогрева.

Способность меди проводить тепло снижается при нагреве. Значения коэффициента теплопроводности меди в воздухе зависит от температуры последнего, которая влияет на теплоотдачу (охлаждение). Чем выше температура окружающей среды, тем медленнее остывает металл и ниже его теплопроводность. Поэтому во всех теплообменниках используют принудительный обдув вентилятором – это повышает эффективность работы устройств и одновременно поддерживает тепловую проводимость на оптимальном уровне.

2 Теплопроводность алюминия и меди – какой металл лучше?

Теплопроводность алюминия и меди различна – у первого она меньше, чем у второго, в 1,5 раза. У алюминия этот параметр составляет 202–236 Вт/(м*К) и является достаточно высоким по сравнению с другими металлами, но ниже, чем у золота, меди, серебра. Область применения алюминия и меди, где требуется высокая теплопроводность, зависит от ряда других свойств этих материалов.

Алюминий не уступает меди по антикоррозионным свойствам и превосходит в следующих показателях:

• плотность (удельный вес) алюминия меньше в 3 раза;
• стоимость – ниже в 3,5 раза.

Аналогичное изделие, но выполненное из алюминия, значительно легче, чем из меди. Так как по весу металла требуется меньше в 3 раза, а цена его ниже в 3,5 раза, то алюминиевая деталь может быть дешевле примерно в 10 раз. Благодаря этому и высокой теплопроводности алюминий нашел широкое применение при производстве посуды, пищевой фольги для духовок. Так как этот металл мягкий, то в чистом виде не используется – распространены в основном его сплавы (наиболее известный – дюралюминий).

В различных теплообменниках главное – это скорость отдачи избыточной энергии в окружающую среду. Эта задача решается интенсивным обдувом радиатора посредством вентилятора. При этом меньшая теплопроводность алюминия практически не отражается на качестве охлаждения, а оборудование, устройства получаются значительно легче и дешевле (к примеру, компьютерная и бытовая техника). В последнее время в производстве наметилась тенденция к замене в системах кондиционирования медных трубок на алюминиевые.

Медь практически незаменима в радиопромышленности, электронике в качестве токопроводящего материала. Благодаря высокой пластичности из нее можно вытягивать проволоку диаметром до 0,005 мм и делать другие очень тонкие токопроводящие соединения, используемые для электронных приборов. Более высокая, чем у алюминия, проводимость обеспечивает минимальные потери и меньший нагрев радиоэлементов. Теплопроводность позволяет эффективно отводить выделяемое при работе тепло на внешние элементы устройств – корпус, подводящие контакты (к примеру, микросхемы, современные микропроцессоры).

Шаблоны из меди используют при сварке, когда необходимо на стальную деталь сделать наплавку нужной формы. Высока теплопроводность не позволит медному шаблону соединиться с приваренным металлом. Алюминий в таких случаях применять нельзя, так как велика вероятность его расплавления или прожига. Медь также используют при сварке угольной дугой – стержень из этого материала служит неплавящимся катодом.

3 Минусы высокой теплопроводности

Низкая теплопроводность во многих случаях является нужным свойством – на этом основана теплоизоляция. Использование медных труб в системах отопления приводит к гораздо большим потерям тепла, чем при применении магистралей и разводок из других материалов. Медные трубопроводы требуют более тщательной теплоизоляции.

У меди высокая теплопроводность, что обуславливает достаточно сложный процесс монтажных и других работ, имеющих свою специфику. Сварка, пайка, резка меди требует более концентрированного нагрева, чем для стали, и зачастую предварительного и сопутствующего подогрева металла.

При газовой сварке меди необходимо использование горелок мощностью на 1–2 номера выше, чем для стальных деталей такой же толщины. Если медь толще 8–10 мм, рекомендуется работать с двумя или даже тремя горелками (часто сварку производят одной, а другими осуществляют подогрев). Сварочные работы на переменном токе электродами сопровождаются повышенным разбрызгиванием металла. Резак, достаточный для толщины высокохромистой стали в 300 мм, подойдет для резки латуни, бронзы (сплавы меди) толщиной до 150 мм, а чистой меди всего в 50 мм. Все работы связаны с значительно большими затратами на расходные материалы.

4 Как у меди повысить теплопроводность?

Медь – один из главных компонентов в электронике, используется во всех микросхемах. Она отводит и рассеивает тепло, образующееся при прохождении тока. Ограничение быстродействия компьютеров обусловлено увеличением нагрева процессора и других элементов схем при росте тактовой частоты. Разбиение на несколько ядер, работающих одновременно, и другие способы борьбы с перегревом себя исчерпали. В настоящее время ведутся разработки, направленные на получение проводников с более высокой электропроводимостью и теплопроводностью.

Открытый недавно учеными графен способен значительно увеличить теплопроводность медных проводников и их возможность к рассеиванию тепла. При проведении эксперимента слой меди покрыли графеном со всех сторон. Это улучшило теплоотдачу проводника на 25 %. Как объяснили ученые, новое вещество меняет структуру передачи тепла и позволяет энергии двигаться в металле свободнее. Изобретение находится на стадии доработки – при эксперименте использовался медный проводник гораздо больших размеров, чем в процессоре.

Теплопроводность поликарбоната — прочный материал для сохранения тепла

Наряду с множеством отделочных материалов поликарбонат выступает в роли одного из лидеров по продажам на рынке строительной продукции. Спрос на этот вид изделий строительной промышленности обусловлен их надежностью, практичностью, долговечностью и удовлетворительной ценой. Говоря о его долговечности, большинство производителей дают гарантийный срок на продукт от 15 до 20 лет. В данном случае среди прочего, особое внимание уделим теплопроводности поликарбоната.

Основные характеристики

Коротко рассмотрим основные характеристики данного изделия. Изготовляется поликарбонат из химических полимеров на специальном оборудовании в заводских условиях. Листы имеют небольшой вес и довольно прочны. Этот материал достаточно гибок и устойчив к высоким и низким температурам. Полимерный состав сохраняет свои свойства при температурах от — 40 до +110 С. Существует два основных вида полимерного изделия:

1. Сотовый.
2. Монолитный.

Основным отличием сотового поликарбоната от монолитного является структура листа. Сотовый состоит из двух полотен, соединенных вертикальными вставками и имеет решетчатую структуру, внутри заполненную воздухом. Обладает хорошей светопропускной способностью. Применяется при монтаже:

• навесов и крыш;
• теплиц и тепличных комплексов;
• обшивке различных поверхностей.

Перед тем как приобрести и начать его использовать, хорошо было бы ознакомиться с некоторыми свойствами материала, а именно, с тем, какой теплопроводностью обладает поликарбонат.

Понятие теплопроводности

У многих возникает вопрос, что подразумевается под понятием теплопроводность. Данное свойство подразумевает передачу тепла (энергии) от одного тела к другому. Короче говоря, насколько хорошо и как долго тот или иной материал удерживает (сохраняет) тепло. Это физическое свойство напрямую зависит от толщины и структуры листа. Вычисление производится по формуле, где основными показателями выступают:

• плотность вещества;
• коэффициент теплопроводности;
• вектор и количество тепла направленное на поверхность.

Следует заметить, чем меньше коэффициент теплопроводности поликарбоната, тем лучше он сохраняет тепло. Для сотового полимера эта цифра равна примерно 0,026 Вт/Мкх. Для сравнения приведем несколько цифр этого свойства характерных для других веществ:

• стекло — 1,15 Вт/Мкх;
• вода — 0,56 Вт/мкх;
• полиэтилен — 0,3 Вт/Мкх.

Способность поликарбоната сохранять тепло

Теплопроводность монолитного и сотового поликарбоната, как уже отмечалось, зависит от самого вещества, из которого изготовлены листы. Этот показатель важен при выборе и закупке данной строительной продукции, так как важно заранее точно посчитать потерю тепла и затраты на обогрев того или иного помещения. Монолитный поликарбонат обладает более низким показателем теплопроводности, нежели сотовый, несмотря на это он сохраняет тепло на 25 % лучше, чем стекло и на 30 % лучше полиэтилена. Сотовый благодаря свой структуре (заполненные воздухом соты) сохраняет наибольшее количество тепловой энергии. Благодаря этому он широко применяется для обшивки теплиц и парников. Распространенной практикой является установка сотового поликарбоната в виде теплоизоляции.

На заметку: Благодаря своим свойствам и структуре в зимнее время года материал сохраняет большое количество тепла, так как воздух, который находится в сотах довольно плохой проводник тепловой энергии.

Термическое расширение

Нельзя обойти стороной еще одно важное свойство рассматриваемого материала — термическое расширение. Как мы знаем, многие вещества под действием высоких или низких температур соответственно расширяются и сжимаются. Поликарбонат не является исключением и обладает таким же свойством. Поэтому при монтаже обязательно нужно учитывать коэффициент теплового расширения поликарбоната как сотового, так и монолитного. Этот показатель высчитывается довольно просто. Для этого применяется несложная формула:

L = G x T x Kr,

где G — размеры стандартного листа, Т — амплитуда температур, Кr — коэффициент расширения, который равен 0,065 мм /С.

Если провести несложные вычисления, то 1м полимера при амплитуде температур от −40 до +40 ℃ (80градусов ℃) будет расширяться и сжиматься в пределах 5,2 мм.

L = 1×80×0,065 = 5,2 мм.

Устанавливая обшивку нужно обязательно учитывать показатели термического расширения. Для этого на стыках используется специальный профиль, в котором при монтаже оставляется необходимый зазор для уширения листа. Точечный крепеж производится таким образом, чтобы диаметр отверстий был немного больше толщины шурупов. Шурупы используйте в сочетании с термошайбами.

Важная деталь: Следует также помнить, что данные показатели и расчеты подходят для определенных видов материала. Листы темных цветов поглощают большее количество солнечных лучей, поэтому и степень их расширения на 20 −30% в жаркое время года будет выше.

Видео про соединение полотен с помощью разъемного профиля

Теплопроводность металлов — объяснение физики

Теплопроводность измеряет способность материала пропускать тепло через проводимость. Теплопроводность такого материала, как металл, сильно зависит от состава и структуры.

Известно, что металлы являются высокоэффективными проводниками тепла.

В этой статье будут изучены механизмы теплопередачи, что делает металлы идеальными проводниками тепла, а также способы использования обычных металлов и сплавов.

Важность теплопроводности в повседневной жизни

Изображение 1. A

Изображение 1. B

Изображение 1. A и B показывают визуальные иллюстрации людей на кухне, использующих кухонные принадлежности.

Кулинария — часть повседневной жизни большинства людей. Следовательно, кухонное оборудование разработано с целью обеспечения максимальной безопасности и эффективности. Это требует понимания теплофизики. Существует причина, по которой нагревательный элемент тостера обычно изготавливается из нихромовой проволоки, ложки для смешивания обычно бывают деревянными, а в конструкции рукавиц для духовки никогда не используется металлический состав.

Определение температуры и теплопроводности

Необходимо вспомнить определение температуры , чтобы понять теплопроводность математически.

Оперативное определение Т:

Оперативное определение температуры — это значение, измеренное термометром, который просто измеряет расширение объема ртути.

Изображение 2. Изображение двух термометров в единицах Цельсия и Фаренгейта

Физическое определение T:

В теплофизике температура и теплопроводность понимаются путем изучения движения молекул.

Шредер, автор « Introduction to Thermal Physics » математически описывает температуру как:

\ [\ frac {1} {T} = \ Bigg (\ frac {dS} {dU} \ Bigg) \ scriptscriptstyle N, V ​​\]

где:
S = энтропия,
U = энергия,
N = количество частиц,
V = объем системы (Schroeder, 2007).

Следовательно, температура системы зависит от энтропии и энергии , когда количество частиц и объем системы поддерживаются постоянными.

Шредер заявляет словами: «Температура — это мера тенденции объекта спонтанно отдавать энергию своему окружению. Когда два объекта находятся в тепловом контакте, тот, который имеет тенденцию спонтанно терять энергию, имеет более высокую температуру »(Schroeder, 2007). Это потому, что два соприкасающихся объекта будут пытаться достичь теплового равновесия ; становятся той же температуры.

Для визуализации температуры и теплопроводности на микроскопическом уровне На рисунках 1 A и B показаны ниже.Представьте, что неизвестные объекты A и B находятся в физическом контакте друг с другом. Объект A имеет более высокую температуру, чем объект B. Что произойдет с температурой с течением времени?

Рисунок 1. A

Рисунок 1.B

На рис. 1.A показаны два неизвестных объекта, находящихся в физическом контакте друг с другом, а на рис. 1.B показаны молекулы объектов.

При t _0, T _A > T _B

При t _1, T _A > T _B

.

.

При t _n, T _A = T _B

При t _0, ŝ _A > ŝ _B

При t _1, ŝ _A > ŝ _B

.

.

При t _n, ŝ _A > ŝ _B

Учитывая, что t _n : момент времени, T _A : температура объекта A, T _B : температура объекта B, _A : средняя скорость частицы A, ŝ _B : средняя скорость частицы B.

В t ₀ атомы объекта A движутся с большей скоростью, а атомы объекта B движутся с меньшей скоростью (T _A > T _B ). Со временем объект A теряет энергию, а объект B получает энергию до тех пор, пока они не достигнут одинаковой температуры (T _A = T _B ) и не достигнут теплового равновесия. Это теплопроводность , описанная на молекулярном уровне. Ближайшие атомы объекта A сталкиваются с атомами объекта B. Атомы объекта B, которые первоначально взаимодействовали с атомами объекта A, сталкиваются с другими атомами объекта B, пока энергия не передается через все атомы объекта B.

Шредер определяет теплопроводность как «перенос тепла посредством молекулярного контакта: быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами, отдавая при этом часть своей энергии» (Schroeder, 2007).

Режимы теплопередачи металлов

Полезно вспомнить три режима теплопередачи; конвекция для газов / жидкостей, излучение для объектов, разделенных пустым пространством и проводимость для объектов, находящихся в прямом контакте.

Теплопроводность также подразделяется на три категории: столкновение молекул, для форм газа / жидкости, колебания решетки, для твердых тел и электронов проводимости, для металлов, как показано на рисунке 2 ниже.

Рисунок 2. Режимы теплопередачи.

Теплопроводность металлов будет включать столкновения молекул + электрон проводимости для металлов в газообразном состоянии и колебания решетки + проводящие электроны для металлов в твердом состоянии. Электроны проводимости — это, по сути, то, что делает металл невероятным проводником. . Прежде чем объяснять, что на самом деле представляет собой электрон проводимости, необходимо вспомнить определение металла.

Определение металлов

Все элементы могут быть найдены в периодической таблице, включая металлы, неметаллы и металлоиды. Металлы определяются как «элементы, которые образуют положительные ионы, теряя электроны во время химических реакций» (Blaber, 2015).

Рисунок 3. Периодическая таблица, показывающая все элементы, разделенные на металлы, неметаллы и металлоиды.

Таблица 1. Список типичных физических свойств металлов.

Физические свойства большинства металлов
Твердое при комнатной температуре
Жесткий
Высокая плотность
Высокая температура плавления
Высокая точка кипения
Гибкий
Пластичный
Блестящий

Что делает металлы хорошими проводниками тепла?

Что делает металл хорошим проводником тепла, так это свободно текущие электроны проводимости .

Рис. 4. Металлический блок, который нагревается, показывая атомы и свободно текущие электроны.

Атомы металлов выделяют валентные электроны при химической реакции с атомами неметаллов, например образуя оксиды и соли. Таким образом, ионы металлов являются катионами в водном растворе. Что делает металлы и их сплавы хорошими проводниками, так это особая металлическая связь. В металлических твердых телах связанные атомы разделяют свои валентные электроны, образуя море свободно движущихся электронов проводимости, которые несут как тепло, так и электрический заряд.Итак, в отличие от, например, электронов в ковалентных связях, валентные электроны в металле могут свободно течь через металлические латексы, эффективно неся тепло, не будучи привязанными к отдельному атомному ядру.

Математическое моделирование значения теплопроводности (k)

Теплопроводность (k) измеряет способность объекта проводить тепло (Q).

Высокое значение k: Высокая теплопроводность

Рис. 4. Лист материала с уравнением теплопроводности.

Дано:

k = теплопроводность (Вт / м • K),

ΔQ = передача энергии (Джоуль / сек),

Δt = изменение во времени (секунды),

ΔT = температурный градиент (K),

A = площадь теплопроводности (м ² ),

Δx = толщина материала.

Значения теплопроводности металлов и сплавов

В следующих таблицах показана теплопроводность некоторых металлов и сплавов при комнатной температуре.

Таблица 2. Список типичных физических свойств металлов.

Металлы	Теплопроводность при комнатной температуре (Вт / м • К)
Алюминий	226
Алюминиевый сплав (Al Mg 2,5-5,0)	125
Углеродистая сталь	71
Магний	151
Латунь (желтый)	117
Бронза (алюминий)	71
Медь	397
Утюг	72
Нержавеющая сталь (446)	23
Стальной сплав 8620 (литье)	46
Сталь углеродистая типа 1020 (0.2 — 0,6 в)	71
Вольфрам	197
Свинец	34
Никель	88
Сталь углеродистая тип 1020 (0,2 — 0,6 с)	71
цинк	112
Титан	21
Олово	62

Примечание. Медь и алюминий имеют наивысшее значение теплопроводности (k).Проверьте нашу базу данных материалов.

Использование обычных металлов и сплавов в таблице выше

Металлы и сплавы (материалы, состоящие из комбинации металлов) используются в качестве строительных материалов в различных отраслях промышленности, таких как электроника, машиностроение, лабораторное оборудование, медицинские приборы, товары для дома и строительство.

Наивысшие значения теплопроводности металлов имеют серебро (-429 Вт / м • К), медь (-398 Вт / м • К) и золото (-315 Вт / м • К).

Металлы очень важны в производстве электроники, так как они хорошо проводят электричество.Медь, алюминий, олово, свинец, магний и пластик часто используются для изготовления деталей телефонов, ноутбуков, компьютеров и автомобильной электроники. Медь экономична и используется для электропроводки. Свинец используется для оболочки кабеля и изготовления аккумуляторов. Олово используется для изготовления припоев. Магниевые сплавы используются в производстве по новой технологии, так как они легкие. Пластик используется для изготовления деталей электроники, которые не должны проводить электричество, а титан используется для производства пластика.

Металлы также важны в машиностроении.Алюминий часто используется в производстве деталей автомобилей и самолетов, а также в качестве сплава, поскольку его чистая форма непрочна. Автомобильное литье изготавливается из цинка. Железо, сталь и никель — обычные металлы, используемые в строительстве и инфраструктуре. Сталь — это сплав железа и углерода (и часто других элементов). Увеличение содержания углерода в стали создает углеродистую сталь, которая делает материал более прочным, но менее пластичным. Углеродистая сталь часто используется в строительных материалах. Латунь и бронза (медь, легированная цинком и оловом, соответственно) обладают полезными свойствами поверхностного трения и используются для замков, петель и рам дверей и окон соответственно.

Наконец, традиционно нити накала ламп дневного света изготавливаются из вольфрама. Однако они постепенно сокращаются, поскольку только около 5% мощности преобразуется в свет в таком источнике света, а остальная часть энергии преобразуется в тепло. Современные источники света часто основаны на светодиодной технологии и полупроводниках.

В заключение отметим, что теплопроводность металла очень важна для проектирования любой конструкции. Это неотъемлемая часть безопасности, эффективности и новых инноваций в отраслях.Электроны проводника являются механизмом высокой проводимости металлов по сравнению с неметаллическими материалами. Однако значение теплопроводности (k) также может сильно различаться для разных металлов.

Список литературы

Шредер, Д. В. (2018). Введение в теплофизику. Индия: Служба образования Pearson India.

База данных материалов — Тепловые свойства. (нет данных). Получено с https://thermtest.com/materials-database

.

Алюминиевые сплавы 101. (9 марта 2020 г.).Получено с https://www.aluminium.org/resources/industry-standards/aluminium-alloys-101

.

Элерт, Г. (нет данных). Проведение. Получено с https://physics.info/conduction/

.

Блабер, М. (3 июня 2019 г.). 9.2: Металлы и неметаллы и их ионы. Получено с https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.)/09:_The_Periodic_Table_and_Some_Atomic_Properties/9.2:_Metals_and_Nonmetals_Ions_and_the

Теплопроводность.(нет данных). Получено с http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html

.

Диоксид титана для пластмасс. (нет данных). Получено с https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center

.

Сандхана, Л., и Джозеф, А. (6 марта 2020 г.). Что такое углеродистая сталь? Получено с https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html

.

(нет данных). Получено с http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html

.

Изображения

Изображение 1.A: Мохамед, М. (2019). Кулинария [Иллюстрация]. Получено с https://pxhere.com/en/photo/1584957.

Изображение 1.B: Mohamed, M. (2019). Шеф-повар Кулинария [Иллюстрация]. Получено с https://pxhere.com/en/photo/1587003.

Изображение 2: Википедия. Термометр [Иллюстрация]. Получено с https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg

.

Автор: Селен Йылдыр | Младший технический писатель | Thermtest

Превосходная теплопроводность и эффективность фототермического преобразования материала с органическим фазовым переходом, содержащего технический углерод

Особенности

•

Повышенная теплопроводность (TC) в парафиновом воске с добавлением CBNP.

•

Повышение содержания TC на ~ 135% наблюдается при загрузке CBNP 2,5 мас.%.

•

В твердом состоянии формирование квази-2D сети с высокой эффективностью теплопередачи

•

Фототермическое преобразование увеличено на ~ 84%.

•

Недорогие нано-включения CBNP — более дешевая альтернатива для улучшения TC.

Реферат

Эффективные материалы для хранения энергии необходимы для уменьшения нашей чрезмерной зависимости от истощающегося ископаемого топлива и для решения экологических проблем.Материалы с фазовым переходом (PCM) были многообещающими кандидатами для эффективного управления температурой, но их низкая теплопроводность остается основным недостатком для приложений. Мы сообщаем о превосходном увеличении теплопроводности (~ 135%) и эффективности фототермического преобразования (~ 84%) в материалах с органическим фазовым переходом (PCM) на основе парафина (PW), загруженных нанопорошком сажи (CBNP) при низких концентрациях загрузки ( 2,5 мас.%) Для хранения скрытой тепловой энергии. Большое увеличение теплопроводности в твердом состоянии объясняется образованием квазидвумерной сети перколяционных структур CBNP с высокой фононной теплопроводностью.Кроме того, более низкий размер первичных частиц, высокая сжимаемость и заполняющая способность CBNP с низким сопротивлением термическому барьеру также способствуют значительному увеличению теплопроводности в твердой фазе. Обнаружено хорошее согласие экспериментальных данных с логарифмической моделью теплопроводности перколяционных структур. Роль агрегации на микромасштабе в увеличении теплопроводности также изучается с помощью оптической фазово-контрастной микроскопии. Наши исследования показывают повышение эффективности фототермического преобразования при увеличении нагрузки CBNP из-за увеличения общей эффективности экстинкции, приписываемой интенсивному рассеянию Ми падающего солнечного излучения кластерами CBNP микронного размера.Повышенная скорость теплопередачи, сокращение времени охлаждения, низкая плотность и низкая стоимость делают PCM, загруженные CBNP, подходящими для практических приложений хранения тепловой энергии.

Ключевые слова

Повышение теплопроводности

Фототермическое преобразование

Наножидкости

Материалы с фазовым переходом

Технический углерод

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2019 Elsevier B.V. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Теплопроводность: определение, единицы, уравнения и пример

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор GAYLE TOWELL

Когда вы идете по ковру в холодный зимний день, это не так Вам холодно в ногах.Однако стоило вам ступить на кафельный пол в ванной, и ваши ноги мгновенно похолодели. На двух этажах как-то различаются температуры?

Вы, конечно, не ожидали бы этого, учитывая то, что вы знаете о тепловом равновесии. Так почему же они такие разные? Причина в теплопроводности.

Теплообмен

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

Тепловая проводимость — это режим, который более подробно обсуждается далее в этой статье, но вкратце это теплопередача посредством прямого контакта. По сути, молекулы более теплого объекта передают свою энергию молекулам более холодного объекта посредством столкновений, пока оба объекта не достигнут одинаковой температуры.

В конвекционном аппарате тепло передается посредством движения. Представьте себе воздух в вашем доме в холодный зимний день.Вы заметили, что большинство обогревателей обычно располагаются около пола? Когда обогреватели нагревают воздух, он расширяется. Когда он расширяется, он становится менее плотным и поднимается над более прохладным воздухом. В этом случае более холодный воздух находится рядом с обогревателем, поэтому воздух может нагреваться, расширяться и т. Д. Этот цикл создает конвекционные потоки и заставляет тепловую энергию рассеиваться по воздуху в комнате, смешивая воздух по мере его нагрева.

Атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение , которое представляет собой форму энергии, которая может перемещаться в космическом вакууме.Вот как тепловая энергия от теплого огня достигает вас, и как тепловая энергия от 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 просто наощупь. Когда ваши ноги стоят на кафельном полу, тепло уходит намного быстрее, чем на ковре. Это связано с тем, что плитка позволяет теплу от ваших ног гораздо быстрее проходить через нее.

Так же, как удельная теплоемкость и скрытая теплота, проводимость — это свойство, присущее конкретному материалу. Он обозначается греческой буквой κ (каппа) и обычно ищется в таблице. Единицы проводимости в системе СИ — ватт / метр × Кельвин (Вт / мК).

Объекты с высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками, а объекты с низкой теплопроводностью — хорошими изоляторами. Здесь представлена ​​таблица значений теплопроводности.

Как видите, предметы, которые часто кажутся «холодными» на ощупь, например, металлы, являются хорошими проводниками. Отметим также, насколько хорош воздух изолятор. Вот почему большие пушистые куртки согревают зимой: они задерживают большой слой воздуха вокруг вас. Пенополистирол также является отличным изолятором, поэтому его используют для сохранения тепла или холода в еде и напитках.

Как тепло перемещается через материал

По мере того, как тепло распространяется через материал, существует градиент температуры по всему материалу от конца, ближайшего к источнику тепла, до конца, самого дальнего от него.

По мере прохождения тепла через материал и до достижения равновесия конец, ближайший к источнику тепла, будет самым теплым, а температура будет линейно снижаться до самого низкого уровня на дальнем конце. Однако по мере того, как материал приближается к равновесию, этот градиент выравнивается.

Теплопроводность и тепловое сопротивление

Насколько хорошо тепло может перемещаться через объект, зависит не только от его проводимости, но и от размера и формы объекта. Представьте себе длинный металлический стержень, проводящий тепло от одного конца к другому. Количество тепловой энергии, которое может пройти за единицу времени, будет зависеть от длины стержня, а также от размера стержня вокруг 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 материал, L, — длина, а κ — теплопроводность.Единицы проводимости в системе СИ — Вт / К (ватт на кельвин). Это позволяет интерпретировать κ как теплопроводность единицы площади на единицу толщины.

И наоборот, тепловое сопротивление определяется по формуле:

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

Это просто величина, обратная проводимости. Сопротивление — это мера сопротивления проходящей через него тепловой энергии. Термическое сопротивление также определяется как 1 / κ.

Скорость, с которой тепловая энергия Q перемещается по длине L материала, когда разница температур между концами составляет 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 при электрической проводимости.В электрической проводимости ток равен напряжению, деленному на электрическое сопротивление. Электропроводность и электрический ток аналогичны теплопроводности и току, напряжение аналогично разнице температур, а электрическое сопротивление аналогично тепловому сопротивлению. Применяется все та же математика.

Применения 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 генерироваться тепловая энергия внутри иглу, чтобы поддерживать температуру 5 градусов по Цельсию внутри иглу, когда на улице -30 ° C?

Решение: Правильным уравнением для использования в этой ситуации является уравнение из предыдущего:

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

Вы учитывая κ, ΔT — это просто разница в температурном диапазоне между внутренней и внешней средой, а L — толщина льда.2

Включение всего в уравнение дает:

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

Применение: Радиатор — это устройство, передающее тепло от объектов при высоких температурах воздуху или жидкости, которая затем уносит избыточную тепловую энергию. У большинства компьютеров к процессору прикреплен радиатор.

Радиатор сделан из металла, который отводит тепло от процессора, а затем небольшой вентилятор циркулирует воздух вокруг радиатора, заставляя тепловую энергию рассеиваться.Если все сделано правильно, радиатор позволяет процессору работать в стабильном состоянии. Насколько хорошо работает радиатор, зависит от проводимости металла, площади поверхности, толщины и поддерживаемого температурного градиента.

Библиотека TLP Введение в термическую и электрическую проводимость

Щелкните здесь, чтобы просмотреть актуальные (непечатаемые) страницы TLP.

Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предназначена для удобства, но не отображает все содержимое TLP.Например, отсутствуют какие-либо видеоклипы и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержание

• Цели
• Перед тем, как начать
• Введение
• Введение в проводимость
• Металлы: модель электропроводности Друде
• Факторы, влияющие на электрическую проводимость
• Металлы теплопроводные
• Электропроводность: неметаллы
• Неметаллы: тепловые фононы
• Приложения
• Сводка
• Вопросы
• Идем дальше

Цели

По завершении этого пакета TLP вам необходимо:

• Понимать основные механизмы и модели теплопроводности и теплопроводности металлов и неметаллов.
• Помните о некоторых факторах, которые влияют на оба типа проводимости.
• Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед тем, как начать

Этот TLP является введением, поэтому никаких специальных предварительных знаний не требуется. Однако есть и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе для дальнейшего чтения.

Введение

Электропроводность охватывает невероятно большой порядок величин (30!) От изоляторов до металлов и даже может быть бесконечным в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, привело к компьютерной революции и постоянно увеличивающейся миниатюризации

Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков величины, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических путешествий до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, важно понимать, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; между теплопроводностью и электропроводностью в металлах существуют близкие параллели, в то время как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

Введение в проводимость

Электропроводность

Важно не запутаться в проводимости, проводимости, сопротивлении и удельном сопротивлении.

Свойства материалов: электропроводность σ и удельное электрическое сопротивление ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

где J — плотность тока (ток на единицу площади), а E — градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще выражается как \ (V = I R \).

Для изотропного материала:

\ [\ sigma = \ frac 1 \ rho \]

Единицы измерения удельного электрического сопротивления — омметр ( Ом · м ), а для проводимости — обратная величина ( Ом ^-1 м ^-1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

\ [R = \ rho \ frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя , а не означает, что сами электроны движутся так быстро.Вместо этого типичная дрейфовая скорость электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с ^-1 . Это подробно описано в разделе моделей Друде.

Еще одно уместное напоминание о потенциале и токе: ток — это поток электронов, а потенциал — это движущая сила, заставляющая их течь. Обладая достаточным потенциалом, электроны могут переносить заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшие электрические проводники (кроме сверхпроводников) — это чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 ²⁸ нОм, что на 27 порядков отличается!

Теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно знать концепцию теплопередачи, которая представляет собой движение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит при нескольких обстоятельствах:

• Когда объект имеет температуру, отличную от температуры окружающей среды;
• Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта, контактирующего с ним;
• Когда внутри объекта существует температурный градиент.

Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, которая не находится в тепловом равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Передача тепловой энергии происходит только через 3 режима: теплопроводность, конвекция и излучение. Каждый режим имеет свой механизм и скорость передачи тепла, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость передачи тепла зависит от того, насколько преобладает определенный режим.

Проводимость включает в себя передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний — применимо к твердым телам.

Конвекция включает передачу тепловой энергии в движущейся среде — горячий газ / жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за разницы в плотности).

Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце — хороший пример передачи энергии через (близкий) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, Κ, — это свойство материала, которое указывает на способность проводить тепло.Согласно первому закону Фурье тепловой поток пропорционален разности температур, площади поверхности и длине образца:

\ [H = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ kappa A \ frac {\ Delta T} {l} \]

где ΔQ / Δt — скорость теплопередачи, A — площадь поверхности, l — длина.

Лучшие металлические теплопроводники — это чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт · м ^-1 K ^-1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт · м ^-1 K ^-1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов преобладает над теплопроводностью.

Основной материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, удивительно, является неметаллом: чистый монокристаллический алмаз, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт · м ^-1 K ^-1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности алмаза. Сильные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло передается фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, которые заменяют атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. Е. Проводимости) потребует рассмотрения не только всех остовов положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном, , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с продвинутыми моделями это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию за счет использования классической механики и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся по прямым линиям, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически выведенных числа:
τ , среднее время между столкновениями (время рассеяния , ) и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями (среднее свободное расстояние путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E, и, таким образом, ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v ₀ , скорость по истечении времени t определяется как:

\ [v = v_ {0} — \ frac {eEt} {m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v ₀ будет равно нулю.{2} \ tau E} {m} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ — подвижность , которая определяется как

\ [\ mu = \ frac {| v |} {E} = \ frac {eE \ tau} {mE} = \ frac {e \ tau} {m} \]

Конечный результат всей этой математики — разумное приближение проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре, используя кинетическую теорию газов для оценки скорости дрейфа, модель Друде дает σ ~ 10 ⁶ Ом ^-1 м ^-1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ ~ 2,13 × 10 ⁵ Ом ^-1 м ^-1 ).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. В отсутствие приложенного поля видно, что электроны перемещаются беспорядочно. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском проваливается. Чтобы иметь возможность более точно предсказать проводимость этих материалов, требуются квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Это выходит за рамки настоящего TLP

. Сверхпроводники

также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти на сайте Superconductivity TLP.

Факторы, влияющие на электрическую проводимость

Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) Легко определить.Есть три важных случая:

Чистые и почти чистые металлы

Для чистых металлов при температуре около комнатной удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

\ [\ rho_2 = \ rho_1 [1 + \ alpha (T_2 — T_1)] \]

Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой по правилу Маттизена:

\ [\ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {defect}}}} + {\ rho _ {{\ rm {Thermal}}}} \]

Низкотемпературное сопротивление (\ ({\ rho _ {{\ rm {defect}}}} \)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы.Следовательно, оно ниже в отожженных металлических образцах с крупными кристаллами и выше в сплавах и закаленных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах электроны будут иметь больше энергии, чтобы двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (а, следовательно, и проводимость уменьшается) с увеличением температуры. Причина этого в том, что с повышением температуры электроны все чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что приводит к увеличению удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается термином ρ _{термического} .

Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематично проиллюстрирована в следующем моделировании. Используйте ползунок для изменения температуры, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув мышью внутри решетки.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Сплавы — твердый раствор

Как и раньше, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордхейма:

\ [\ rho = \ chi _ {\ alpha} \ rho _ {\ alpha} + \ chi _ {\ beta} \ rho _ {\ beta} + C \ chi _ {\ alpha} \ chi _ {\ beta} \]

, где C — постоянная, а CA и CB — атомные доли металлов A и B, удельные сопротивления которых равны ρA и ρB соответственно.2 \]

, где ΔZ — разность валентностей растворенного вещества и растворителя.

Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут иметь большее влияние на удельное сопротивление.

Сплавы — многофазные

Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

\ [\ rho = \ chi_ \ alpha \ rho_ \ alpha + \ chi_ \ beta \ rho_ \ beta \]

Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордхейма и правило смешения.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Металлы теплопроводности

Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но эффект перекрывается электронной проводимостью.

Следующая симуляция показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы приложить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить радиатор к противоположной стороне образца, используя кнопку «сток».

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Закон Видеманна-Франца

Так как преобладающий метод теплопроводности у металлов одинаковый для теплопроводности и электропроводности (т.{- 2}} \]

Этот закон можно объяснить тем фактом, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса тепла и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, так как это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электропроводность уменьшается с увеличением скорости частиц, поскольку столкновения отвлекают электроны от прямого переноса заряда.

Электропроводность: неметаллы

Хотя модель Друде достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не предсказывает свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

Ионная проводимость

Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они по-прежнему проводят электричество.

Это механизм ионной проводимости, при котором некоторые заряженные ионы могут перемещаться через объемную решетку (с помощью обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры составляют от 500 до 1000 ° C.Поскольку они действуют по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывала бы простая модель Друде.

Напряжение пробоя

Существует важный и потенциально смертельный механизм, благодаря которому изолятор может стать проводящим. В воздухе это обычно распознается как молния. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», делая его временно более проводящим.

Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

Для первоначального возбуждения паров ртути в свете люминесцентной лампы требуется всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такого света, как внезапное возгорание с соответствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приводит к небольшому свечению на концах.

Под высоким напряжением может проводиться даже оргстекло. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» от Берт Хикман

Более подробная информация доступна на странице Dielectrics TLP в разделе

.

Неметаллы: тепловые фононы

Как упоминалось ранее, металлы имеют два режима теплопроводности: на основе электронов и на основе фононов. Для неметаллов имеется относительно мало свободных электронов, поэтому преобладает фононный метод.

Тепло можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и все вещи в атомном масштабе, здесь есть квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантована (и пропорциональна частоте). Фонон — это квант колебательной энергии, и за счет комбинации (суперпозиции) многих фононов тепло наблюдается макроскопически.

Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантована в квазичастицу, называемую фононом . Это аналог фотона в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые можно отнести к термически возбужденным фотонам.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и теплопроводность материала.

Фонон — это квантово-механическая адаптация нормальных модальных колебаний в классической механике. Ключевым свойством фононов является дуальность волна-частица; нормальные моды имеют волновые явления в классической механике, но приобретают поведение, подобное частицам в квантовой механике.

Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

\ [\ varepsilon = (n + \ frac {1} {2}) \ hbar \ omega \]

с квантовым числом n .Член \ (\ frac {1} {2} \ hbar \ omega \) — это энергия нулевой точки моды. Это определяется как минимально возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов примерно равна частоте звука, а частота оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, поскольку в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

Если кристаллическая решетка имеет нулевую температуру, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетку нагревают и поддерживают при ненулевой температуре, ее энергия не постоянна, а колеблется случайным образом около некоторого среднего значения. Эти флуктуации энергии вызваны случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку температура решетки порождает эти фононы, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут создаваться или разрушаться случайными колебаниями энергии.

Принято считать, что фононы тоже имеют импульс и, следовательно, могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, существует чистое движение фононов — от более горячей части решетки к более холодной, где они разрушаются. Электроны должны сохранять нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

Следующая симуляция показывает схематические оптические и акустические фононы в двумерной решетке и дает возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого поля.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Рассеяние Umklapp

Когда два фонона сталкиваются, образующийся фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ обработки частиц, движущихся в решетке квантово-механически, в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данной TLP, но более подробно исследуется в TLP зон Бриллюэна), приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (за пределами первой зоны Бриллюэна), то образующийся фонон движется почти в противоположном направлении.Это Umklapp scattering , и оно преобладает при более высоких температурах, снижая теплопроводность при повышении температуры.

Приложения

Кремниевые чипы

Поскольку электрические свойства меняются в зависимости от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый памятью с произвольным доступом с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ ).

Аморфное состояние является полупроводником, а в (поли) кристаллической форме — металлическим.При нагревании выше точки стеклования, но ниже точки плавления кристаллизуется ранее полупроводниковая аморфная ячейка. Точно так же, полностью расплавившись, а затем быстро охлаждая клетку, она остается в металлическом кристаллическом состоянии.

Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Варьируя условия нагрева, различная пропорция каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной — правило смеси применяется, поскольку фактически это две фазы.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления для каждой ячейки, увеличивая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, процесс 22 нм). Охладитель должен отводить указанное количество тепла с поверхности кристалла, которое обычно составляет менее 10 см ² . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно делается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, намного хуже, чем большинство металлов, поэтому ее используют только в качестве тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

Электропроводность — не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубки, обычно сделанные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

Космос

Теплоизоляторы находят множество применений, разработка которых связана с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т.е. не пропускает тепло, но не плавится)

Особенно известное применение теплоизоляции — это (ныне снятые с производства) плитки космических челноков, которые отвечают за защиту челнока во время повторного входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи они могут раскалиться докрасна, а внутри шаттла астронавты еще живы.

Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

Аэрогель — это твердотельный материал с чрезвычайно низкой плотностью, сделанный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое тело чрезвычайно низкой плотности, что делает его эффективным теплоизолятором.

Одно применение аэрогелей — это легкий коллектор микрометеоритов, использовался аэрогель.Хотя он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большой массив аэрогелевых кирпичей готов к запуску в космос, а образовавшаяся космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

Aerogels могут быть изготовлены из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нано-пены» с открытыми ячейками). Однако чаще всего используется силикат. Аэрогели кремнезема были впервые открыты в 1931 году.

Аэрогели обладают экстремальной структурой и экстремальными физическими свойствами. Высокопористая природа структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг м ^{— 3} .

Аэрогели являются хорошими теплоизоляторами, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами благодаря тому, что воздух не может циркулировать по решетке.Кремнеземный аэрогель является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что диоксид кремния плохо проводит тепло — металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, поскольку углерод способен поглощать инфракрасное излучение, которое передает тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучший аэрогель — это кремнезем, легированный углеродом.

Трансмиссия

Одно из самых масштабных применений электрических проводников — передача энергии.

К сожалению, свойства, которые желательны для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

Алюминиевые сплавы могут быть очень прочными из-за своей плотности, но, согласно правилу Нордхейма, они намного хуже проводят.

Существует огромное множество сталей, но, опять же, межузельные атомы углерода увеличивают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим кабель большего диаметра, который из-за плотности стали оказывается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные пилоны, что составляет значительную часть стоимости.

Медь, хотя и подходит для домашней электропроводки, является плотной и все более дорогой.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Для большинства воздушных силовых кабелей решение состоит в использовании двух материалов — стальной жилы, окруженной множеством отдельных алюминиевых жил. Это позволяет получить легкие, высокопрочные кабели с приемлемой проводимостью.

Сверхпроводники

были испытаны для передачи энергии, но только под землей, и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне устройства разная температура. Он также может работать «в обратном направлении», поэтому, когда на него подается напряжение, создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Эффект Пельтье заключается в том, что когда (постоянный) ток течет через переход металл-полупроводник, тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различается, и это различие компенсируется теплом.

Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, более подробно рассмотренной в TLP по полупроводникам.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Сводка

Мы рассмотрели основы, лежащие в основе электрической и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности в зависимости от температуры.Вы должны понимать, что металлы имеют больше механизмов теплопередачи, чем их неметаллические аналоги, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных применений тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, была установлена ​​связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов, включая закон Видемана-Франца.

Суммируя факторы, влияющие на проводимость:

• Температура — при повышении температуры увеличивается средняя энергия, приходящаяся на один фонон, и благодаря механизму рассеяния с перебросом тепла теплопроводность уменьшается.Фононы также больше рассеивают электроны.

• Плотность электронов (в металлах) — если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.

• Легирование — межузельные частицы рассеивают электроны и уменьшают проводимость. Фазовые границы, примеси, дислокации и т. Д. Снижают проводимость даже при низкой температуре.
  

Вопросы

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP.Если нет, то вам следует пройти через это еще раз!

1. Для фононов нормальные моды

2. Каким образом кристаллические решетки влияют на электроны, исходя из предположений модели свободных электронов?

3. Разброс Umklapp:

4. Что из следующего верно согласно закону Видемана-Франца?

5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

6. Какой из них является правильным с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что это чистые материалы)?

   		Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K.
   	b	Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	с	Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	d	Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 4K.
   	e	Nb 3 Sn при 4K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.

Далее

Книги

Курс химии A NST IB и / или курс физики NST IB также более подробно рассматривают проведение.

Сайтов

Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Витти
Фотография и видео:
Веб-разработка: Лианн Саллоус и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

Фотопроводимость | физика | Britannica

Фотопроводимость , увеличение электропроводности некоторых материалов при воздействии на них света достаточной энергии.Фотопроводимость служит инструментом для понимания внутренних процессов в этих материалах, а также широко используется для обнаружения наличия света и измерения его интенсивности в светочувствительных устройствах.

Подробнее по этой теме

Фотоэлектрический эффект: фотоэлектрические принципы

… приложенным напряжением (см. Фотопроводимость), или он может генерировать напряжение независимо от каких-либо внешних источников напряжения (см…

Некоторые кристаллические полупроводники, такие как кремний, германий, сульфид свинца и сульфид кадмия, а также связанный с ним полуметалл селен, обладают высокой фотопроводимостью. Обычно полупроводники являются относительно плохими электрическими проводниками, потому что в них есть лишь небольшое количество электронов, которые могут свободно перемещаться под напряжением. Большинство электронов связаны со своей атомной решеткой в ​​наборе энергетических состояний, называемых валентной зоной. Но если предоставляется внешняя энергия, некоторые электроны поднимаются в зону проводимости, где они могут перемещаться и переносить ток.Фотопроводимость возникает, когда материал бомбардируется фотонами с достаточной энергией, чтобы поднять электроны через запрещенную зону, запрещенную область между валентной зоной и зоной проводимости. В сульфиде кадмия эта энергия составляет 2,42 электронвольта (эВ), что соответствует фотону с длиной волны 512 нанометров (1 нм = 10 ^-9 метра), который является видимым зеленым светом. В сульфиде свинца энергия зазора составляет 0,41 эВ, что делает этот материал чувствительным к инфракрасному свету.

Поскольку ток прекращается, когда исчезает свет, фотопроводящие материалы составляют основу электрических переключателей, управляемых светом.Эти материалы также используются для обнаружения инфракрасного излучения в военных целях, например, для наведения ракет на выделяющие тепло цели. Фотопроводимость имеет широкое коммерческое применение в процессе фотокопирования или ксерографии, при которой первоначально использовался селен, но теперь он основан на фотопроводящих полимерах. См. Также фотоэлектрический эффект .

Свойства накопления тепловой энергии и теплопроводности композитных ПКМ октадеканол-MWCNT как перспективных органических теплонакопителей

Характеристика химической структуры

FTIR-спектры синтезированных MWCNT-COOH, MWCNT-COCl и OD- g -MWCNT ( 1: 1) представлены на рис.3. В спектре MWCNT-COOH широкий пик между 3250 и 3650 см ^-1 подтверждает присутствие гидроксильных (-OH) групп, присутствующих в MWCNT ²² . Пик поглощения при 1690 см ^-1 представляет собой растяжение связи C = O группы –COOH, поскольку симметричные и асимметричные валентные колебания COOH проявляются при 1471 и 1359 см ^-1 , соответственно, ²⁴ . Кроме того, пики, появляющиеся при 958 и 829 см. ^-1 отнесены к колебаниям групп -ОН ²⁵ .В спектре MWCNT-COCl пик поглощения при 1776 см ^-1 связан с валентным колебанием C = O хлорангидрида. Пики поглощения при 1328 и 639 см ^-1 подтвердили присутствие C – O и C – Cl растяжения MWCNT, функционализированных хлорангидридом. Пик при 1736 см ^-1 приписывается растяжению C = O, которое происходит от OD- г -MWCNT. С другой стороны, в спектре предварительного композита OD- г -MWCNT, интенсивность пика поглощения -OH между 3250 и 3650 см ^-1 значительно уменьшилась после прививки.Однако небольшой пик, наблюдаемый в этом диапазоне, связан с колебанием –OH групп OD, которые не были привиты с MWCNT-COCl. Более того, пики, обнаруженные при 2924 и 2836 см ^-1 , отождествляются с колебанием растяжения групп -CH ₂ и -CH ₃ , которые исходят от OD. Все это подтверждает, что OD была успешно трансплантирована на MWCNT ²² .

Рисунок 3

FTIR-спектры ( a ) MWCNT-COOH, ( b ) MWCNT-COCl и ( c ) OD- g -MWCNT (1: 1).

FTIR-спектры чистого OD, OD / OD- г -MWCNT (1: 1) -5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (2: 1) -5 мас.%, OD / OD- g Композиты -MWCNT (4: 1) -5 мас.% и OD / MWCNT-5 мас.% представлены на рис. 4. Из спектров видно, что нет дополнительного пика в спектре CPCM после смешивания OD с привитые или не привитые MWCNT. Небольшие сдвиги в волновых числах некоторых пиков поглощения наблюдались для CPCM по сравнению с таковым для чистого OD, что может быть связано с физическими взаимодействиями или может быть идентифицировано как капиллярные силы и силы поверхностного натяжения среди них ^11,22,23 .

Рис. 4

Спектральные результаты FTIR чистого OD и приготовленных CPCM.

С другой стороны, чтобы исследовать влияние привитых или непривитых MWCNT на кристаллическую структуру OD, был проведен анализ XRD. На Фигуре 5 показаны результаты XRD-анализа, полученные для OD / OD- г -MWCNT (1: 1) -5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (2: 1) -5 мас.%, OD / OD- . g Композиты -MWCNT (4: 1) -5 мас.% и OD / MWCNT-5 мас.%. Все типичные дифракционные пики OD видны около 6 °, 20 °, 21.5 °, 22 ° и 24,5 °, дублет около 24,5 ° может быть связан с MWCNT ¹⁵ . Поскольку количество нанотрубок довольно мало, трудно получить отдельный различимый пик из них ^11,17,22 .

Рис. 5

Результаты XRD приготовленных CPCM.

Морфология поверхности и стабильность дисперсии

Морфология поверхности и распределение MWCNT в CPCM были исследованы с помощью анализа SEM. Полученные РЭМ-изображения представлены на рис.6 (а). Как видно из изображений композитов OD / OD- г -MWCNT, фазовая интенсивность привитых MWCNT на поверхности OD уменьшалась с уменьшением степени прививки. Нанотрубки были равномерно диспергированы по всей поверхности OD, агломерации не наблюдалось. Однородность MWCNT в привитом или смешанном состоянии создает сеть теплопередачи, которая может обеспечить эффективные пути теплопроводности через CPCM ^21,22 .

Рисунок 6

SEM-фотографии ( a ) OD / OD-g-MWCNT (1: 1) -5 мас.%, ( b ) OD / OD-g-MWCNT (2: 1) -5 мас.% , ( c ) OD / OD-g-MWCNT (4: 1) -5 мас.% ( d ) OD / MWCNT-5 мас.% ( e ) Фотография изображения OD / OD- г -MWCNT- 5 мас.% И OD / MWCNT-5 мас.% Суспензий после 1 ч выдержки при 65 ° C.

На рис. 6 (b) показаны изображения стабильности дисперсии композитных образцов OD / OD- г -MWCNT-5wt% и OD / MWCNT-5wt% при 65 ° C после 1-часового периода ожидания. Как ясно видно, некоторые части MWCNT в образце OD / MWCNT-5 мас.% Начали осаждаться, в то время как образец OD / OD- г -MWCNT-5 мас.% Сохранял свою стабильную суспензию. Эти результаты показывают, что привитые MWCNT создают более стабильную суспензию с расплавленным OD по сравнению с чистыми MWCNT. Вероятно, это результат относительно более сильного коллоидного притяжения между OD- g -MWCNT и OD.Аналогичное наблюдение было зарегистрировано для модифицированной кислотой суспензии композита углеродные нанотрубки / эритритол ²⁶ .

TES свойства синтезированных прекомпозитов и CPCM

Результаты ДСК синтезированных образцов прекомпозитов OD- g -MWCNT представлены на рис. 7. Было обнаружено, что температуры фазового перехода OD- г -MWCNT (1: 1), OD- г -MWCNT (2: 1) и OD- г -MWCNT (4: 1) несколько уменьшились на 1,1, 1,0 и 0.9 ° C для изменения фазы плавления и 2,4, 0,6 и 1,3 ° C для изменения фазы замерзания по сравнению с чистым OD. Эти нерегулярные сдвиги могут быть результатом его преобразования в новые химические структуры. Обе теплоемкости, измеренные для плавления и замораживания всех привитых образцов, довольно низки из-за очень небольшого количества OD, присутствующего в привитых образцах. Однако обе теплоемкости увеличивались с увеличением OD в привитых образцах.

Фигура 7

Термограммы ДСК продуктов OD- г -MWCNT, синтезированных как пре-CPCM.

Таблица 1 TES-свойства чистого OD, синтезированных пре-композитов и CPCM.

Термограммы ДСК полученных композитов OD / OD- г -MWCNT представлены на рис. 8, а данные TES, полученные из этих термограмм, приведены в таблице 1. Все CPCM плавятся и затвердевают в диапазоне температур 54,6 ° С 55,3 ° С и 55,4-55,8 ° С соответственно. При сравнении этих результатов с результатами для чистого OD, было обнаружено, что изменение температуры плавления OD / OD- г -MWCNT (1: 1) -5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (2 : 1) -5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (4: 1) -5 мас.% И OD / MWCNT-5 мас.% Композитов находились в диапазоне (-0.2) — (-0,9) ° С, а изменение температуры замерзания у них находилось в пределах 0,7–1,1 ° С. Кроме того, теплоемкость CPCM увеличивалась параллельно с теплоемкостью соответствующего предварительного композита, добавленного к OD. Фактически, образец CPCM с OD- г -MWCNT (4: 1) показал самую высокую теплоемкость 267,7 ± 2,7 и 263,03 ± 2,6 Дж / г, соответственно, для периодов плавления и замерзания, которые были очень близки к что чистого OD.

Рисунок 8

Термограммы ДСК OD / OD- г -MWCNT и OD / MWCNT CPCM.

Кроме того, при сравнении с результатами, полученными для композита OD / MWCNT, его энтальпии аккумулирования тепла оказались ниже, чем у трех других образцов CPCM. Как видно из табличных данных в таблице 2, CPCM, содержащие привитые и не привитые MWCNT, полученные в этой работе, показали относительно более высокую теплоемкость, чем у аналогичных PCM ^{15,16,19,20,22} , о которых сообщалось ранее. Стало ясно, что прививка помогла добиться лучшего распределения MWCNT, а дополнительный OD, присутствующий в привитых MWCNT, также внес свой вклад в общую способность аккумулирования тепла PCM.

Таблица 2 Сравнение свойств ТЭС приготовленных CPCM со свойствами композитов различных типов в литературе.

Влияние термоциклирования на свойства TES подготовленных CPCM

Надежность циклического TES PCM можно рассматривать как срок его службы TES после его длительного использования ^16,24,26 . В связи с этим испытание последовательного термического цикла было адаптировано для всех подготовленных композитных ПКМ, а термограммы ДСК, полученные после 500 циклов, показаны на рис.9. При сравнении данных в Таблице 1 и Таблице 3, изменение температуры плавления OD / OD- г -MWCNT (1: 1) -5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (2: 1 ) -5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (4: 1) -5 мас.% И OD / MWCNT-5 мас.% Композиты были определены как -0,7, 0,1, 0,8 и -0,4 ° C и вариации в их замораживании. Температура была установлена ​​на уровне −0,2, −0,1, −0,3 и −0,4 ° C соответственно. Кроме того, емкость аккумулирования тепла была уменьшена на 8,6, 8,0, 7,3 и 7,8 Дж / г для плавления CPCM, в то время как емкость аккумулирования тепла была уменьшена на 7.1, 6,7, 8,4 и 6,1 Дж / г для замораживания соответствующего композита. Эти незначительные изменения подтверждают хорошую стабильность полученных композитных ПКМ при циклировании ТЭС.

Рисунок 9

Термограммы ДСК OD / OD- г -MWCNT и OD / MWCNT CPCM до и после 500 циклов.

Таблица 3 TES-свойства приготовленных CPCM после 500 термических циклов.

Влияние термоциклирования на химическую структуру приготовленных CPCM

Зависимость химической стабильности ПКМ от длительного использования является одним из важнейших ограничений, который стоит учитывать на этапе выбора.Соответственно, анализ FTIR и XRD четырех типов композитных PCM был повторен после 500 циклов. Результаты для циклических и нециклических композитных ПКМ сравнивались на рис. 10 и 11. Как видно из спектров FTIR, профиль и волновые числа поглощения пиков основных полос почти не изменились после цикла. В XRD наблюдали аналогичный ответ без каких-либо новых пиков. Значения 2 θ ° характеристических пиков были почти такими же после периода циклирования.Оба результата подтверждают, что все композитные ПКМ обладают уникальной химической стабильностью при циклическом воздействии.

Рис. 10

Результаты FTIR OD / OD- г -MWCNT и OD / MWCNT CPCM до и после 500 циклов.

Рисунок 11

Результаты XRD OD / OD- г -MWCNT и OD / MWCNT CPCM до и после 500 циклов.

Температурная деструкция приготовленных композитных ПКМ

Термическая стойкость чистого OD и изготовленных композитных ПКМ была исследована с помощью анализа ТГА.Как видно на рис. 12, чистый OD продемонстрировал одностадийное термическое разложение между 190 ° C и 295 ° C. В аналогичной форме композитный ПКМ OD / MWCNT-5 мас.% Термически разложился только на одной стадии, соответствующей диапазону температур 198-306 ° C, что немного выше, чем у чистого OD. MWCNT с привитым OD, т.е. OD / OD- г -MWCNT (1: 1) -5% масс., OD / OD- г -MWCNT (2: 1) -5% масс., OD / OD- г -MWCNT ( 4: 1) -5 мас.% Композитных образцов ПКМ также показали термическое разложение с одноступенчатой ​​градацией.Разложение началось при 243 ± 1,3 ° C, 235 ± 1,6 ° C и 228 ± 1,4 ° C и завершилось при 353 ± 1,7 ° C, 337 ± 1,5 ° C и 318 ° C ± 1,6 для соответствующих композитных ПКМ. Сдвиг начальной и конечной температуры разложения наблюдался для всех привитых образцов. В OD / OD- г -MWCNT (1: 1) -5% масс., OD / OD- г -MWCNT (2: 1) -5% масс., OD / OD- г -MWCNT (4: 1) -5 мас.% Композитных образцов ПКМ, температура разложения переместилась к более высоким значениям с более низкими отношениями OD в привитых образцах.Это показало, что рабочая температура и температура термического разложения чистого OD были увеличены за счет добавления привитых MWCNT. Аналогичные результаты наблюдались и для различных типов композитных ПКМ ^27,28 .

Рис. 12

Кривые ТГА чистого OD, OD / OD- г -MWCNT и OD / MWCNT CPCM.

TC готовых прекомпозитов и композитных ПКМ

TC Свойство является одним из важных параметров, учитываемых при выборе ПКМ.PCM с более высоким TC сокращают период зарядки / разрядки тепла во время работы системы TES. OD — это органический спирт с низким TC, который следует повысить перед использованием. Одним из распространенных подходов является добавление некоторых наночастиц с более высоким TC, таких как графит, УНТ, графен и т. Д., Для увеличения свойства TC ^29,30,31 . Для этого исследования OD был привит на MWCNT и использовался в качестве проводящего наполнителя. Чистый OD имеет значение TC 0,16 ± 0,01 Вт / м К. Все другие образцы показали более высокое значение TC, чем у чистого OD.Образцы OD- г -MWCNT (1: 1), OD- г -MWCNT (2: 1) и OD- г -MWCNT (4: 1) показали ОС 0,82 ± 0,04, 0,77 ± 0,05 и 0,69 ± 0,03 Вт / м · К соответственно. Величина TC составила 0,57 ± 0,05, 0,76 ± 0,03, 0,61 ± 0,02 и 0,58 ± 0,04 Вт / м · К соответственно для OD / MWCNT-5wt%, OD / OD- г -MWCNT (1: 1) — 5 мас.%, OD / OD- г -MWCNT (2: 1) -5 мас.% И OD / OD- г образцов -MWCNT (4: 1) -5 мас.%. Улучшение значения TC в привитых образцах по сравнению с чистым OD обусловлено присутствием MWCNTS, как и ожидалось, значения TC медленно уменьшались с увеличением количества OD.Более низкое значение TC образца OD / MWCNT-5 мас.% В основном связано с негомогенным распределением MWCNTS и агломерацией, что подтверждено на СЭМ-изображении и (фиг. 6). Значения TC OD / OD- г, -MWCNT (1: 1) -5% мас., OD / OD- г, -MWCNT (2: 1) -5% мас. И OD / OD- г — Образцы MWCNT (4: 1) -5 мас.% Были выше, чем образцы OD / MWCNT-5 мас.%, В основном из-за лучшей дисперсии MWCNT в структуре композита. Опять же, аналогичная тенденция к снижению значений TC наблюдалась, в основном, из-за увеличения количества OD в привитой структуре, но это помогло сохранить способность аккумулировать тепло композитов, очень близкую к таковой для чистого OD.

В таблице 4 сравниваются результаты TC полученного OD / OD- г -MWCNT (4: 1) -5 мас.% Композитного ПКМ с привитыми и не привитыми СФКМ, содержащими жирный спирт. Как видно из табличных данных, CPCM, приготовленный в этой работе, имел намного лучшие тепловые свойства, чем другие аналогичные зарегистрированные PCM ^13,14,15 . Особенно если сравнивать с отчетами Ванга и др. . ¹⁵ , где авторы работали с OD и смешивали с оксидом графена для улучшения его термических свойств.По сравнению с чистым OD уменьшение энтальпии плавления для лучшего композитного образца составило 2,76 Дж / г ¹⁵ . Однако в этом исследовании было обнаружено, что снижение энтальпии плавления составило 1,6 Дж / г, что подтверждает значительное улучшение способности аккумулировать тепло. В случае TC улучшение было намного больше. Таким образом, прививка OD на MWCNT оказалась лучшим вариантом для улучшения его распределения в композитной структуре. В то же время это способствовало лучшему сохранению теплоемкости.

Таблица 4 Сравнение значений TC для CPCM с привитым и не привитым жирным спиртом.

Изоляционные свойства материала могут быть изменены по желанию | MIT News

Материалы, электронные и магнитные свойства которых можно значительно изменить, применяя электрические входы, составляют основу всей современной электроники. Но достижение такого же настраиваемого контроля над теплопроводностью любого материала было труднодостижимой задачей.

Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института сделала большой шаг вперед. Они разработали долгожданное устройство, которое они называют «электрическим тепловым клапаном», которое может изменять теплопроводность по запросу. Они продемонстрировали, что способность материала проводить тепло можно «настроить» в 10 раз при комнатной температуре.

Этот метод потенциально может открыть дверь к новым технологиям контролируемой изоляции в умных окнах, умных стенах, умной одежде или даже к новым способам сбора энергии отходящего тепла.

Результаты опубликованы сегодня в журнале Nature Materials , в статье профессоров Массачусетского технологического института Бильге Йылдыза и Ганг Чена, недавних выпускников Цияна Лу, доктора философии ’18 и Сэмюэля Хубермана, доктора философии ’18, а также шести других сотрудников Массачусетского технологического института и Брукхейвенского национального университета. Лаборатория.

Теплопроводность описывает, насколько хорошо тепло может передаваться через материал. Например, по этой причине вы можете легко взять горячую сковороду с деревянной ручкой из-за низкой теплопроводности древесины, но вы можете получить ожог, подняв аналогичную сковороду с металлической ручкой, которая имеет высокую теплопроводность.

Исследователи использовали материал под названием оксид стронция-кобальта (SCO), который может быть изготовлен в виде тонких пленок. При добавлении кислорода к SCO в кристаллической форме, называемой браунмиллеритом, теплопроводность увеличивается. Добавление к нему водорода привело к снижению проводимости.

Процесс добавления или удаления кислорода и водорода можно контролировать, просто изменяя напряжение, приложенное к материалу. По сути, процесс управляется электрохимически. В целом, исследователи обнаружили, что при комнатной температуре этот процесс обеспечивает десятикратное изменение теплопроводности материала.Исследователи говорят, что такого порядка величины электрически контролируемого изменения никогда не было ни в одном материале.

В большинстве известных материалов теплопроводность неизменна — древесина никогда не проводит тепло, а металлы — плохо. Таким образом, когда исследователи обнаружили, что добавление определенных атомов в молекулярную структуру материала может фактически увеличить его теплопроводность, это был неожиданный результат. Во всяком случае, добавление дополнительных атомов — или, точнее, ионов, атомов, лишенных некоторых электронов или с избыточными электронами, чтобы дать им чистый заряд — должно ухудшить проводимость (что, как оказалось, имело место при добавлении водорода. , но не кислород).

«Я был удивлен, когда увидел результат», — говорит Чен. Но после дальнейших исследований системы, по его словам, «теперь мы лучше понимаем», почему происходит это неожиданное явление.

Оказывается, введение ионов кислорода в структуру браунмиллерита SCO превращает ее в так называемую структуру перовскита — структуру, которая имеет еще более упорядоченную структуру, чем исходная. «Он переходит от низкосимметричной структуры к высокосимметричной. Это также уменьшает количество так называемых дефектных участков кислородных вакансий.Вместе они приводят к более высокой теплопроводности », — говорит Йылдыз.

Тепло легко проходит через такие высокоупорядоченные структуры, в то время как оно имеет тенденцию рассеиваться и рассеиваться в сильно нерегулярных атомных структурах. Напротив, введение ионов водорода приводит к более неупорядоченной структуре.

«Мы можем ввести больше порядка, что увеличивает теплопроводность, или мы можем ввести больше беспорядка, что приведет к снижению проводимости. Мы могли бы выяснить это, выполнив вычислительное моделирование в дополнение к нашим экспериментам », — объясняет Йылдыз.

Хотя коэффициент теплопроводности можно изменять примерно в 10 раз при комнатной температуре, при более низких температурах это изменение еще больше, добавляет она.

Новый метод позволяет непрерывно изменять эту степень порядка в обоих направлениях, просто изменяя напряжение, прикладываемое к тонкопленочному материалу. Материал либо погружен в ионную жидкость (по существу, жидкую соль), либо находится в контакте с твердым электролитом, который поставляет в материал либо отрицательные ионы кислорода, либо положительные ионы водорода (протоны) при включении напряжения.В случае жидкого электролита источником кислорода и водорода является гидролиз воды из окружающего воздуха.

«То, что мы показали здесь, на самом деле является демонстрацией концепции», — поясняет Йылдыз. Тот факт, что они требуют использования жидкого электролита для всего диапазона гидрогенизации и оксигенации, делает эту версию системы «нелегко применимой к твердотельным устройствам», что, по ее словам, является конечной целью. Для создания более практичной версии потребуются дальнейшие исследования.«Мы знаем, что существуют твердотельные электролиты», которые теоретически могут заменить жидкости, — говорит она. Команда продолжает изучать эти возможности, а также продемонстрировала работающие устройства с твердыми электролитами.

Чен говорит: «Есть много приложений, в которых вы хотите регулировать тепловой поток». Например, для хранения энергии в виде тепла, например, от солнечно-тепловой установки, было бы полезно иметь контейнер, который мог бы иметь высокую изоляцию, чтобы сохранять тепло до тех пор, пока оно не понадобится, но который затем можно было бы переключить на высокая проводимость, когда приходит время вернуть это тепло.«Святой Грааль был бы чем-то, что мы могли бы использовать для хранения энергии», — говорит он. «Это мечта, но мы еще не достигли цели».

Но это открытие настолько ново, что может иметь множество других потенциальных применений. Такой подход, по словам Йылдыза, «может открыть новые приложения, о которых мы раньше не думали». И хотя изначально работа была ограничена материалом SCO, «концепция применима к другим материалам, потому что мы знаем, что можем оксигенировать или гидрогенизировать ряд материалов электрически, электрохимически», — говорит она.Кроме того, хотя это исследование было сосредоточено на изменении тепловых свойств, тот же процесс на самом деле имеет и другие эффекты, говорит Чен: «Он не только изменяет теплопроводность, но и изменяет оптические свойства».

«Это действительно инновационный и новый способ использования ионов в твердых телах для настройки или переключения теплопроводности», — говорит Юрген Флейг, профессор химической технологии и аналитики Венского университета, Австрия, который не участвовал в этой работе.«Измеренные эффекты (вызванные двумя фазовыми переходами) не только довольно большие, но и двунаправленные, что очень интересно. Я также впечатлен тем, что эти процессы так хорошо работают при комнатной температуре, поскольку такие оксидные материалы обычно работают при гораздо более высоких температурах ».

Юнцзе Ху, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который также не принимал участия в этой работе, говорит: «Активный контроль над тепловым переносом является принципиально сложной задачей.Это очень увлекательное исследование, которое представляет собой важный шаг к достижению цели. Это первый отчет, в котором подробно рассматриваются структуры и тепловые свойства трехфазных фаз, и он может открыть новые возможности для управления тепловым режимом и энергетики ».