41) Згідно закону Фур’є вектор щільності теплового потоку пропорційний вектору градієнту температури, але направле-ний в протилежний бік
,
(106)
де знак „мінус” показує, що вектори направлені в протилежні боки;
- коефіцієнт пропорційності,
який називають коефіцієнтом
тепло-
провідності, є індивідуальною фізичною властивістю кожної ре-
човини. Він чисельно дорівнює щільності теплового потоку при
градієнті температури 1
:
,
(107)
Закон
Фур’є був встановлений
дослідним шляхом в результаті вимірювання
кількості теплоти
,
Дж, котра проходила за час
при стаціонарному режимі ек-спериментальної
установки через стіну невеликої товщини
з площею
при
різ-ниці температур на її поверхнях
,
яка також підтримувалася невеликою.
Резуль-тати дослідів показали, що
величина
визначається виразом:
,
(108)
де коефіцієнт теплопровідності залишається постійним, якщо середня темпера-
тура стінки змінюється в дослідах не дуже сильно. На підставі цих дослідів
був сформульований закон, який виражається залежністю (106) і використову-
ється в розрахунках процесів теплопровідності.
42) Коефіцієнт теплопровідності, його залежність від різних факторів
Коефіцієнт теплопровідності - фізичний параметр, який характеризує здатність речовин
проводити теплоту. Чим більший, тим краще речовина проводить теплоту (таблиця 11).
Теплопровідність
пов’язана з рухом мікрочасток речовини,
але характер руху різний для га-зів,
рідин і твердих тіл. Процес теплопровідності
здійснюється в газі в тому випадку, якщо
в ньому є неоднорідне температурне
поле. Теплообмін здійснюється в результаті
обміну молекулами. Кіль-кість
молекул, яка переходить з нагрітої
області в холодну, дорівнює в
середньому кількості мо-лекул,
що рухаються у зворотному напрямку. Але
молекули нагрітої області
несуть з собою біль-шу
кількість енергії молекулярного руху,
ніж молекули холодної.
Результуючий тепловий потік буде
направлений із нагрітої області в
холодну. Для газів
Найбільшу
теплопровідність має найлегший газ –
водень. За температури 20
коефіцієнт
у
водня. У важчих газів теплопровідність
менша: в діоксида вуглецю (
)
,
в повітря
У рідинах молекули розташовані майже упритул (дуже близько) одна до одної. Кожна мо-лекула коливається біля положення рівноваги, стикаючись при цьому з сусідніми молекулами. Теплота в рідинах передається шляхом поширення цих безладних коливань. Для рідин
Для більшості
органічних рідин у межах температур 0
... 120
коефіцієнт
теплопровід-ності
,
а для води в межах вказаних температур
.
Вода є одним із кращих провідників
теплоти.
Механізм поширення в твердих
тілах залежить від того є тіло металом
чи діелектриком.
У металах носіями теплоти є вільні
електрони („електронний
газ”), які в три тисячі разів легші від
молекул найлегшого газу - водню.
Відповідно і теплопровідність
металів значно вища, ніж газів. Електрони
є також носіями і електричної енергії.
Тому коефіцієнти теплопровідності та
електро-провідності
пропорційні між собою. Для металів
= 20
і
більше. Найбільший коефіцієнт
теплопровідності мають чисті срібло і
мідь:
Для вуглецевих сталей
,
а для легованих -
У чистого заліза
.
Приклад характеризує тенденцію різкого
зменшення теплопровідності металів за
наявності в них домішок внаслідок того,
що спотворення домішками кристалічної
гратки заважає рухові електро-нів. Із
збільшенням температури
чистих металів зменшується, а сплавів
зростає.
Діелектрики на практиці використовуються як будівельні і теплоізоляційні матеріали. Бага-то таких тіл мають пористу структуру. Тому вони характеризуються умовним (ефективним) коефі-цієнтом теплопровідності, який залежить від теплопровідності речовини твердого тіла і теплопро-
відності газу, який заповнює пори. Ефективна теплопровідність пористих матеріалів залежить від їх вологості: із збільшенням вологості підвищується.
Як правило, для матеріалів з вищою густиною коефіцієнт теплопровідності має вище зна-
чення. Він залежить від структури матеріалу, його пористості і вологості. Слід пам’ятати, що ефективна теплопровідність вологого матеріалу більше теплопровідності окремо взятих сухого матеріалу і води.
Теплоізоляційними
вважаються матеріали з низьким значенням
-
