Электро и теплопроводность это
Содержание:
МЕТАЛЛЫ — (от греч. metallon, первоначально шахта, руда, копи), простые в ва, обладающие в обычных условиях характерными св вами: высокими электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэфф. электропроводности, способностью хорошо… … Физическая энциклопедия
Графит — Формула C (углерод) Сингония Гексагональная (планаксиальная) Цвет Серый, чёрный стальной Цвет черты … Википедия
Металлическая связь — Металлическая связь это одновременное существование положительно заряженных атомов и свободного электронного газа. Содержание 1 Механизм металлической связи 2 Характерные кристаллические решётки … Википедия
Алюминиевые сплавы — сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50 х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в А. с.… … Большая советская энциклопедия
Нитриды — соединения азота с более электроположительными элементами, главным образом с металлами. По строению и свойствам Н. подразделяются на три группы: 1) солеобразные Н. металлов I и II групп периодической системы Менделеева, легко… … Большая советская энциклопедия
ПЕРЕХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — В соответствии с периодической классификацией элементов существует 44 элемента, образующих подгруппы А. В каждой из этих подгрупп (или семейств) на внешней (валентной) электронной оболочке число электронов равно номеру группы. При переходе от… … Энциклопедия Кольера
КЮРИ Пьер — (Curie, Pierre) (1859 1906), французский физик, один из основоположников учения о радиоактивности. Родился 15 мая 1859 в Париже. В 1877 окончил Парижский университет. В 1882 1904 преподавал в Школе индустриальной физики и химии в Париже, с 1904… … Энциклопедия Кольера
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА — раздел физики, изучающий структуру и свойства твердых тел. Научные данные о микроструктуре твердых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств. Физика… … Энциклопедия Кольера
МЕДНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ — Медь была одним из первых металлов, которыми научился пользоваться человек, и наиболее широко применявшимся металлом от начала письменной истории до периода Средних веков, когда были разработаны промышленные способы получения железа, а потом и… … Энциклопедия Кольера
ВИДЕМАНА — ФРАНЦА ЗАКОН — утверждает, что отношение коэфф. теплопроводности c к уд. электропроводности s для металлов при одинаковой темп ре постоянно: c/s=const. Установлен в 1853 экспериментально нем. физиками Г. Видеманом и Р. Францем (R. Franz). В 1881 дат. физик Л.… … Физическая энциклопедия
Основные определения
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества — молекулами, атомами, электронами — в процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках — перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.
В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, определения которых, целесообразно напомнить и пояснить.
Температурное поле — это совокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент времени. Математически оно описывается ввиде t = f(x, y, z, τ). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется с течением времени), и нестационарное температурное поле. Кроме того, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называют соответственно одно- или двух — мерным.
Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, температура в которых одинакова.
Градиент температуры — grad t есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры по этому направлению.
Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:
где λ — коэффициент теплопроводности вещества; его единица измерения Вт/(м·К).
Знак минус в уравнении (3) указывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.
Тепловой поток δQ через произвольно ориентированную элементарную площадку dF равен скалярному произведению вектора q на вектор элементарной площадки dF, а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F:
(4)
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов теплопроводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/grad t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры grad t = 1 К/м. Наибольшей теплопроводностью обладает легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ = 0,2 Вт/(м·К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у воздуха λ = 0,025 Вт/(м·К), у диоксида углерода λ = 0,02 Вт/(м·К).
Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь: λ = 400 Вт/(м·К). Для углеродистых сталей λ = 50 Вт/(м·К). У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1 Вт/(м·К). Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ = 0,6 Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м·К).
Пористые материалы – пробка, различные волокнистые наполнители типа органической ваты – обладают наименьшими коэффициентами теплопроводности λ
Перенос теплоты теплопроводностью
Однородная плоская стенка.
Простейшей и очень распространенной задачей, решаемой теорией теплообмена, является определение плотности теплового потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ, на поверхностях которой поддерживаются температуры tw1 и tw2. (рис.2). Температура изменяется только по толщине пластины — по одной координате х. Такие задачи называются одномерными, решения их наиболее просты, и в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только одномерных задач.
Учитывая, что для одномерного случая:
и используя основной закон теплопроводности (2), получаем дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности для плоской стенки:
(6)
В стационарных условиях, когда энергия не расходуется на нагрев, плотность теплового потока q неизменна по толщине стенки. В большинстве практических задач приближенно предполагается, что коэффициент теплопроводности λ не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. Значение λ находят в справочниках при температуре:
, (6)
средней между температурами поверхностей стенки. (Погрешность расчетов при этом обычно меньше погрешности исходных данных и табличных величин, а при линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры: λ = а+ bt точная расчетная формула для q не отличается от приближенной). При λ = const:
(7)
т.е. зависимость температуры t от координаты х линейна (рис. 2).
Рис.2. Стационарное распределение температуры по толщине плоской стенки.
Разделив переменные в уравнении (7) и проинтегрировав по t от tw1 до tw2 и по х от 0 до δ:
, (8)
получим зависимость для расчета плотности теплового потока:
, (9)
или мощность теплового потока (тепловой поток):
(10)
Следовательно, количество теплоты, переданной через 1 м 2 стенки, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и разности температур наружных поверхностей стенки (tw1 – tw2) и обратно пропорционально толщине стенки δ. Общее количество теплоты через стенку площадью F еще и пропорционально этой площади.
Полученная простейшая формула (10) имеет очень широкое распространение в тепловых расчетах. По этой формуле не только рассчитывают плотности теплового потока через плоские стенки, но и делают оценки для случаев более сложных, упрощенно заменяя в расчетах стенки сложной конфигурации на плоскую стенку. Иногда уже на основании оценки тот или иной вариант отвергается без дальнейших затрат времени на его детальную проработку.
Но формуле (10) можно рассчитать коэффициент теплопроводности материала, если экспериментально измерить тепловой поток и разность температур на поверхностях пластины (стенки) известных размеров.
Температура тела в точке х определяется по формуле:
Отношение λF/δ называется тепловой проводимостью стенки, а обратная величина δ/λF тепловым или термическим сопротивлением стенки и обозначается Rλ. Пользуясь понятием термического сопротивления, формулу для расчета теплового потока можно представить в виде:
. (11)
Зависимость (11) аналогична закону Ома в электротехнике (сила электрического тока равна разности потенциалов, деленной на электрическое сопротивление проводника, по которому течет ток).
Очень часто термическим сопротивлением называют величину δ/λ, которая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м 2 .
Примеры расчетов.
Пример 1. Определить тепловой поток через бетонную стену здания толщиной 200 мм, высотой H = 2,5 м и длиной 2 м, если температуры на ее поверхностях: tс1 = 20 0 С, tс2 = — 10 0 С, а коэффициент теплопроводности λ =1 Вт/(м·К):
= 750 Вт.
Пример 2. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки толщиной 50 мм,если плотность теплового потока через нее q = 100 Вт/м 2 , а разность температур на поверхностях Δt = 20 0 С.
Вт/(м·К).
Многослойная стенка.
Формулой (10) можно воспользоваться и для расчета теплового потока через стенку, состоящую из нескольких (n) плотно прилегающих друг к другу слоев разнородных материалов (рис. 3), например, головку цилиндров, прокладку и блока цилиндров, выполненных из разных материалов, и т д.
Рис.3. Распределение температуры по толщине многослойной плоской стенки.
Термическое сопротивление такой стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:
(12)
В формулу (12) нужно подставить разность температур в тех точках (поверхностях), между которыми «включены» все суммируемые термические сопротивления, т.е. в данном случае: tw1 и tw(n+1):
, (13)
где i – номер слоя.
При стационарном режиме удельный тепловой поток через многослойную стенку постоянен и для всех слоев одинаков. Из (13) следует:
. (14)
Из уравнения (14) следует, что общее термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме сопротивлений каждого слоя.
Формулу (13) легко получить, записав разность температур по формуле (10) для каждого из п слоев многослойной стенки и сложив все п выражений с учетом того, что во всех слоях Q имеет одно и то же значение. При сложении все промежуточные температуры сократятся.
Распределение температуры в пределах каждого слоя — линейное, однако, в различных слоях крутизна температурной зависимости различна, поскольку согласно формуле (7) (dt/dx)i = — q/λi. Плотность теплового потока, проходящего через все слон, в стационарном режиме одинакова, а коэффициент теплопроводности слоев различен, следовательно, более резко температура меняется в слоях с меньшей теплопроводностью. Так, в примере на рис.4 наименьшей теплопроводностью обладает материал второго слоя (например, прокладки), а наибольшей — третьего слоя.
Рассчитав тепловой поток через многослойную стенку, можно определить падение температуры в каждом слое по соотношению (10) и найти температуры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограниченной допустимой температурой.
Температура слоев определяется по следующей формуле:
Контактное термическое сопротивление. При выводе формул для многослойной стенки предполагалось, что слои плотно прилегают друг к другу, и благодаря хорошему контакту соприкасающиеся поверхности разных слоев имеют одну и ту же температуру. Идеально плотный контакт между отдельными слоями многослойной стенки получается, если одни из слоев наносят на другой слой в жидком состоянии или в виде текучего раствора. Твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шероховатостей (рис.4).
Площадь контакта вершин пренебрежимо мала, и весь тепловой поток идет через воздушный зазор (h). Это создает дополнительное (контактное) термическое сопротивление Rк. Термические контактные сопротивления, могут быть определены самостоятельно с использованием соответствующих эмпирических зависимостей или экспериментально. Например, термическое сопротивление зазора в 0,03 мм примерно эквивалентно термическому сопротивлению слоя стали толщиной около 30 мм.
Рис.4. Изображение контактов двух шероховатых поверхностей.
Методы снижения термического контактного сопротивления. Полное термическое сопротивление контакта определяется чистотой обработки, нагрузкой, теплопроводностью среды, коэффициентами теплопроводности материалов контактирующих деталей и другими факторами.
Наибольшую эффективность снижения термического сопротивления дает введение в контактную зону среды с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металла.
Существуют следующие возможности заполнения контактной зоны веществами:
— использование прокладок из мягких металлов;
— введение в контактную зону порошкообразного вещества с хорошей тепловой проводимостью;
— введение в зону вязкого вещества с хорошей тепловой проводимостью;
— заполнение пространства между выступами шероховатостей жидким металлом.
Наилучшие результаты получены при заполнении контактной зоны расплавленным оловом. В этом случае термическое сопротивление контакта практически становится равным нулю.
Цилиндрическая стенка.
Очень часто теплоносители движутся по трубам (цилиндрам), и требуется рассчитать тепловой поток, передаваемый через цилиндрическую стенку трубы (цилиндра). Задача о передаче теплоты через цилиндрическую стенку (при известных и постоянных значениях температуры на внутренней и наружной поверхностях) также является одномерной, если ее рассматривать в цилиндрических координатах (рис.4).
Температура изменяется только вдоль радиуса, а по длине трубы l и по ее периметру остается неизменной.
В этом случае уравнение теплового потока имеет вид:
. (15)
Зависимость (15) показывает, что количество теплоты, переданной через стенку цилиндра, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ, длине трубы l и температурному напору (tw1 – tw2) и обратно пропорционально натуральному логарифму отношения внешнего диаметра цилиндра d2 к его внутреннему диаметру d1.
Рис. 4. Изменение температуры по толщине однослойной цилиндрической стенки.
При λ = const распределение температуры порадиусу r однослойной цилиндрической стенки подчиняется логарифмическому закону (рис. 4).
Пример . Во сколько раз уменьшаются тепловые потери через стенку здания, если между двумя слоями кирпичей толщиной по 250 мм установить прокладку пенопласта толщиной 50 мм. Коэффициенты теплопроводности соответственно равны: λкирп. = 0,5 Вт/(м·К); λпен.. = 0,05 Вт/(м·К).
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9588 — | 7565 — или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Бронзы — сплавы меди с оловом ( оловянные ), алюминием ( алюминиевые ), бериллием ( бериллиевые ) и др. легирующими элементами. По электропроводности уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Применяются для изготовления пружинящих контактов электрических приборов, контактов токоведущих пружин, проводов линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин.
Бронзовые детали для упрочнения подвергаются термической обработке — закалке и отпуску при повышенных температурах. Предел прочности на растяжение бронз может быть 800 — 1200 МПа и более, в то время как проводимость твердых бронз может составлять 10 — 30% от проводимости чистой меди. Пример некоторых марок бронз:
БрО10 ( 10% олова, остальное медь);
БрА7 ( 6 — 8% алюминия, остальное медь).
Алюминий — в 3.3 раза легче меди, имеет сравнительно большую проводимость (для АМ =0.028 мкОм . м) и стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al2O3 . Алюминий мягкий имеет прочность на разрыв 80 , твердый 160 — 170 МПа . По сравнению с медью имеет больший температурный коэффициент линейного расширения ( 26 . 10 -6 1/ о С ), что является недостатком. В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0.005% изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0.3 — 0.5% (марки А7Е и А5Е ), изготовляют проволоку и шины. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей — марки А75К , А8К , А8КУ . Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев.
Из алюминиевых сплавов наиболее широко используется альдрей , высокие механические свойства которого достигаются за счет наличия в его составе соединения Mg2Si (сплав содержит 98% чистого алюминия). Его бр=350 МПа, =0.0317 мкОм . м.
В линиях электропередачи широко применяют сталеалюминиевый провод — стальные жилы, обвитые алюминиевой проволокой. Для сталеалюминиевого провода воздушных линий используется особо прочная стальная проволока с бр=1200 — 1500 МПа, покрытая цинком для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.
Сталь (железо с содержанием углерода 0.1 — 0.15% ) как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр. Удельная проводимость стали в 6 — 7 раз меньше, чем у меди, бр= 700 — 750 МПа , относительное удлинение перед разрывом 5 — 8% . На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис. Такая сталь может использоваться для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.
Сплавы высокого сопротивления для резисторов измерительных приборов
Манганины — сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn , 3% Ni .
Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с . в паре с медью ( 1 — 2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 — 0.48 мкОм . м, бр= 450 — 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 — 30% , максимальную длительную рабочую температуру не более 200 о С. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой и др. изоляцией.
Константан — медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu , 40%Ni ), имеет =0.648 — 0.52 мкОм . м, =(5 — 25) . 10 -6 К -1 , бр= 400 — 500 МПа, относительное удлинение перед разрывом 20 — 40% . Термо-э.д.с . в паре с медью 45 — 55 мкВ/К , поэтому константан можно использовать для термопар . Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450 о С .
Жаростойкие сплавы — это сплавы на основе никеля , хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO . Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами , на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями . В марках сплавов буквы обозначают: Х — хром, Н — никель, Ю — алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в таблице.
Отправить ответ