1.3.2. Căldură, materiale de conductivitate termică.
Capacitatea de căldură. Această capacitate de a stoca energie termică în materialul când este încălzit. Numeric egală cu energia termică specifică care trebuie să fie introduse în unitatea de volumul materialului pentru a se încălzi cu un grad. Dimensiunea căldurii specifice [J / (kg · K)]. Această valoare este extinsă, adică putem vorbi despre capacitatea calorică a unei singure molecule sau atom, atunci suma lor și să primească capacitatea calorică a unui gram mol dintr-o substanță sau una. Valoarea capacității de căldură în funcție de natura materialului. Cea mai înaltă căldura specifică a apei la 4,2 x 10 3 J / (kg · K) sau 4,2 kJ / (kg · K). Marea majoritate a materialelor căldura specifică de circa 1 kJ / (kg · K). Capacitatea de căldură depinde de temperatura. Aproape de zero Kelvin este mică, intervalul de temperatură de funcționare - variază ușor cu creșterea temperaturii. Orice capacitate termică salturi asociate cu rearanjare structurală a corpurilor, de exemplu, într-o substanță de topire întinsă cum ar fi parafina. Aici putem menționa exemplul de ceară se încălzește bandaj, în cazul în care căldura este depozitat pentru o lungă perioadă de timp, datorită capacității ridicate de căldură de parafină și sos cald pentru o lungă perioadă de timp.
Capacitatea termică a gazelor a fost bine studiat teoretic. Există două tipuri de capacitate de căldură chiar și pentru gaz introdus: Cp la presiune constantă și la Cv volum constant. luând în considerare, în general, capacitatea de căldură per moleculă. Apoi Cp = gaz monoatomic 5/2 kT și Cv = 3/2 kT. De ce, la o presiune constantă mai dificil să se încălzească moleculele? În mod evident, atunci când se extinde acest gaz, aceasta înseamnă că este nevoie de energie suplimentară pentru a încălzi gazul la presiune constantă. Rețineți că capacitatea de căldură de mai sus a gazelor poliatomice ca cu energie este necesară încălzirea pentru a roti moleculele, vibrații, etc.
Dă expresie pentru energia termică a materialului:
în care materialul m-greutate, T2, T1 temperatura finală și inițială.
Această expresie poate fi scrisă, specifică, parametrii locali:
unde Q / V - eliberare specifică de energie, d - material de densitate.
Expresiile (1.27-1.28) permit să se determine modificarea temperaturii materialului în timpul funcționării, de exemplu, din cauza pierderilor dielectrice ale energiei, fluxul de curent sau alte procese. Energia Q este dată de procese specifice care au loc în interiorul materialului.
Conductivitatea termică determină capacitatea de a transfera energia termică prin material. Aceasta este, de asemenea, o caracteristică importantă, este caracterizată printr-o conductivitate termică l. Partei este egal cu q flux care trece printr-o unitate de suprafață a pastilei cub, cu o diferență de pe fețele sale de temperatură de 1 ° C, cel mai bine este de a transfera căldura la metale, astfel încât de cupru l. = 400 W / (m · K) cu puțin mai mare de argint (418) pentru aluminiu 200 W / (m · K) pentru oțel inoxidabil de aproximativ 20 W / (m · K), pentru oțeluri obișnuite este de aproximativ de două ori mai mare.
La conductivitate termică materiale dielectrice sunt de obicei mult mai mici. De exemplu, în beton l. = 0,6 W / (m · K) în l ulei de transformator. = 0,13 W / (mK) Air l = 3,67 10 -2 W / (m · K). are doar dielectric ridicată conductivitate termică, oxid de beriliu este l. »200 W / (m · K). Rețineți că, de multe ori duce la manuale l. în unități de depășit, de exemplu cal / (cm · sec · ° C); pentru transferul către sistemul SI de unități ar trebui să fie înmulțită cu 418.
Pentru gaze și lichide conductivitatea termică a obișnuit joacă un rol minor. În acest caz, rolul principal este jucat de convecție și radiație.
Convecția apare datorită faptului că lichidul sau gazul încălzit se extind, densitatea lor scade, încep să „plutească“ sub efectul forței de flotabilitate Arhimede. Datorită acestui fapt, există curenți locale care elimina în mod eficient căldura din zona încălzită. Aparatul dezvoltat inginerie termică cu alocația de calcul conductivitatea termică a convectie. Aproximativ, putem spune că convecție termică crește conductivitate de mai multe ori.
Am făcut calculele de conductivitate termică în dezvoltarea de dispozitive bazate pe materiale Electro „ECOM“. Deci, păstrând convecție naturală în aer crește conductivitatea termică efectivă a convectorului în două plăci verticale paralele, este de aproximativ 10 de ori, la o temperatură de aproximativ 150 -200 suprafețe ° C.
radiații de căldură este de asemenea important, mai ales la temperaturi ridicate. Expresia de bază utilizată în estimări, este după cum urmează:
unde x - un material care emite factor gri de, s - postoja Stefan-Boltzmann prețurile constante, s = 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4). factor depinde de gri de tipul de material, în special, de starea de conductivitate și suprafață termică. Pentru metale, acest coeficient este mic, acesta variază de la câteva zeci de procente, în funcție de rugozitatea suprafeței, suprafața rugoasă corespunde coeficientului mai mare de cenușiul. Pentru dielectrici (cu excepția compoziției speciale cu componente conductoare electric), e este în intervalul 80-95%. Estimările arată că acest factor devine, în principal, la temperaturi de aproximativ 100 de grade și de mai sus.
Cea mai înaltă conductivitate termică în limite normale de temperatură poate fi realizată prin transferarea căldurii de vaporizare. Dacă undeva se evaporă lichidul și apoi condensarea într-un alt loc, căldura de evaporare va lua ceva căldură din porțiunea încălzită și o transmite prin condensare în altă parte. Aceasta este echivalentă cu conductivitatea termică între aceste secțiuni. Estimările arată că conductivitatea termică echivalentă poate depăși conductivitatea termică a cuprului este de aproximativ cinci mii de ori.
Coeficienții de temperatură. Aproape toate proprietățile materialelor depind de temperatură. De obicei, acest lucru ia în considerare introducerea așa-numitul coeficient de temperatură. Strict matematic pentru orice proprietăți ale lui x, este administrat de expresia
unde x poate fi orice caracteristică a materialului. Dimensiunea oricărui coeficientului de temperatură - 1 / K. De exemplu, luați ca mărime x l din materialul de probă. atunci
Aceasta înseamnă coeficientul de temperatură de dilatare a materialului. Pentru constanta dielectrică, este coeficientul de temperatură al dielectric constant, rezistivitate - coeficientul de temperatură al rezistivității.
În practică folosesc aproximare liniară, presupunând modificarea caracteristicilor cu temperatură mică în comparație cu valoarea de bază. Pentru acest caz, putem scrie în mod explicit dependența de temperatură.
Pentru rezistivitate r (T) = r (T 0) (1 + Tc r (T-T 0))
Pentru permitivitate e (T) = e (T 0) (Tk + 1 e (T-T 0))
Valorile specifice ale coeficienților de temperatură ale materialelor pot fi găsite în manuale. În cazul unor caracteristici puternice, cu o schimbare a temperaturii (de exemplu, constanta dielectrică în cazul feroelectricilor) aproximare liniară nu poate fi utilizat. În aceste cazuri, ar trebui să utilizați un tabel sau grafic.