Какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая?

Содержание

Рассмотрены физические свойства воды: плотность воды, теплопроводность, удельная теплоемкость, вязкость, число Прандтля и другие. Свойства представлены при различных температурах в виде таблиц.

Плотность воды в зависимости от температуры

Принято считать, что плотность воды равна 1000 кг/м3, 1000 г/л или 1 г/мл, но часто ли мы задумываемся при какой температуре получены эти данные?

Максимальная плотность воды достигается при температуре от 3,8 до 4,2°С. В этих условиях точное значение плотности воды составляет величину 999,972 кг/м3. Такая температурная зависимость плотности характерна только для воды. Другие распространенные жидкости не имеют максимума плотности на этой кривой — их плотность равномерно снижается по мере роста температуры.

Вода существует как отдельная жидкость при температуре от 0 до 374,12°С — это ее критическая температура, при которой исчезает граница раздела между жидкостью и водяным паром. Какова плотность воды (или ее удельная масса) при этих температурах можно узнать в таблице ниже. Данные о плотности воды представлены в размерности кг/м3 и г/мл.

В таблице приведены значения плотности воды в кг/м3 и в г/мл (г/см3), допускается интерполяция данных. Например, плотность воды при температуре 25°С можно определить, как среднее значение от величин ее плотности при 24 и 26°С. Таким образом, при температуре 25°С вода имеет плотность 997,1 кг/м3 или 0,9971 г/мл.

Значения в таблице относятся к пресной или дистиллированной воде. Если рассматривать, например, морскую или соленую воду, то ее плотность будет выше — плотность морской воды равна 1030 кг/м3. Плотность соленой воды и водных растворов солей можно узнать в этой таблице.

0 999,8 0,9998 62 982,1 0,9821 200 864,7 0,8647
0,1 999,8 0,9998 64 981,1 0,9811 210 852,8 0,8528
2 999,9 0,9999 66 980 0,98 220 840,3 0,8403
4 1000 1 68 978,9 0,9789 230 827,3 0,8273
6 999,9 0,9999 70 977,8 0,9778 240 813,6 0,8136
8 999,9 0,9999 72 976,6 0,9766 250 799,2 0,7992
10 999,7 0,9997 74 975,4 0,9754 260 783,9 0,7839
12 999,5 0,9995 76 974,2 0,9742 270 767,8 0,7678
14 999,2 0,9992 78 973 0,973 280 750,5 0,7505
16 999 0,999 80 971,8 0,9718 290 732,1 0,7321
18 998,6 0,9986 82 970,5 0,9705 300 712,2 0,7122
20 998,2 0,9982 84 969,3 0,9693 305 701,7 0,7017
22 997,8 0,9978 86 967,8 0,9678 310 690,6 0,6906
24 997,3 0,9973 88 966,6 0,9666 315 679,1 0,6791
26 996,8 0,9968 90 965,3 0,9653 320 666,9 0,6669
28 996,2 0,9962 92 963,9 0,9639 325 654,1 0,6541
30 995,7 0,9957 94 962,6 0,9626 330 640,5 0,6405
32 995 0,995 96 961,2 0,9612 335 625,9 0,6259
34 994,4 0,9944 98 959,8 0,9598 340 610,1 0,6101
36 993,7 0,9937 100 958,4 0,9584 345 593,2 0,5932
38 993 0,993 105 954,5 0,9545 350 574,5 0,5745
40 992,2 0,9922 110 950,7 0,9507 355 553,3 0,5533
42 991,4 0,9914 115 946,8 0,9468 360 528,3 0,5283
44 990,6 0,9906 120 942,9 0,9429 362 516,6 0,5166
46 989,8 0,9898 125 938,8 0,9388 364 503,5 0,5035
48 988,9 0,9889 130 934,6 0,9346 366 488,5 0,4885
50 988 0,988 140 925,8 0,9258 368 470,6 0,4706
52 987,1 0,9871 150 916,8 0,9168 370 448,4 0,4484
54 986,2 0,9862 160 907,3 0,9073 371 435,2 0,4352
56 985,2 0,9852 170 897,3 0,8973 372 418,1 0,4181
58 984,2 0,9842 180 886,9 0,8869 373 396,2 0,3962
60 983,2 0,9832 190 876 0,876 374,12 317,8 0,3178

Следует отметить, что при увеличении температуры воды (выше 4°С) ее плотность уменьшается. Например, по данным таблицы, плотность воды при температуре 20°С равна 998,2 кг/м3, а при ее нагревании до 90°С, величина плотности снижается до значения 965,3 кг/м3. Удельная масса воды при нормальных условиях значительно отличается от ее плотности при высоких температурах. Средняя плотность воды, находящейся при температуре 200…370°С намного меньше ее плотности в обычном температурном диапазоне от 0 до 100°С.

Смена агрегатного состояния воды приводит к существенному изменению ее плотности. Так, величина плотности льда при 0°С имеет значение 916…920 кг/м3, а плотность водяного пара составляет величину в сотые доли килограмма на кубический метр. Следует отметить, что значение плотности воды почти в 1000 раз больше плотности воздуха при нормальных условиях.

Кроме того, вы также можете ознакомиться с таблицей плотности веществ и материалов.

Физические свойства воды при температуре от 0 до 100°С

В таблице представлены следующие физические свойства воды: плотность воды ρ, удельная энтальпия h, удельная теплоемкость Cp, теплопроводность воды λ, температуропроводность воды а, вязкость динамическая μ, вязкость кинематическая ν, коэффициент объемного теплового расширения β, коэффициент поверхностного натяжения σ, число Прандтля Pr. Физические свойства воды приведены в таблице при нормальном атмосферном давлении в интервале от 0 до 100°С.

Физические свойства воды существенно зависят от ее температуры. Наиболее сильно эта зависимость выражена у таких свойств, как удельная энтальпия и динамическая вязкость. При нагревании значение энтальпии воды значительно увеличивается, а вязкость существенно снижается. Другие физические свойства воды, например, коэффициент поверхностного натяжения, число Прандтля и плотность уменьшаются при росте ее температуры. К примеру, плотность воды при нормальных условиях (20°С) имеет значение 998,2 кг/м3, а при температуре кипения снижается до 958,4 кг/м3.

Такое свойство воды, как теплопроводность (или правильнее — коэффициент теплопроводности) при нагревании имеет тенденцию к увеличению. Теплопроводность воды при температуре кипения 100°С достигает значения 0,683 Вт/(м·град). Температуропроводность H2O также увеличивается при росте ее температуры.

Следует отметить нелинейное поведение кривой зависимости удельной теплоемкости этой жидкости от температуры. Ее значение снижается в интервале от 0 до 40°С, затем происходит постепенный рост теплоемкости до величины 4220 Дж/(кг·град) при 100°С.

ρ, кг/м3 999,8 999,7 998,2 995,7 992,2 988 983,2 977,8 971,8 965,3 958,4
h, кДж/кг 0 42,04 83,91 125,7 167,5 209,3 251,1 293 335 377 419,1
Cp, Дж/(кг·град) 4217 4191 4183 4174 4174 4181 4182 4187 4195 4208 4220
λ, Вт/(м·град) 0,569 0,574 0,599 0,618 0,635 0,648 0,659 0,668 0,674 0,68 0,683
a·108, м2/с 13,2 13,7 14,3 14,9 15,3 15,7 16 16,3 16,6 16,8 16,9
μ·106, Па·с 1788 1306 1004 801,5 653,3 549,4 469,9 406,1 355,1 314,9 282,5
ν·106, м2/с 1,789 1,306 1,006 0,805 0,659 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 0,295
β·104, град-1 -0,63 0,7 1,82 3,21 3,87 4,49 5,11 5,7 6,32 6,95 7,52
σ·104, Н/м 756,4 741,6 726,9 712,2 696,5 676,9 662,2 643,5 625,9 607,2 588,6
Pr 13,5 9,52 7,02 5,42 4,31 3,54 2,93 2,55 2,21 1,95 1,75

Примечание: Температуропроводность в таблице дана в степени 108 , вязкость в степени 106 и т. д. для других свойств. Размерность физических свойств воды выражена в единицах СИ.

Теплофизические свойства воды на линии насыщения (100…370°С)

В таблице представлены теплофизические свойства воды H2O на линии насыщения в зависимости от температуры (в диапазоне от 100 до 370°С). Каждому значению температуры, при которой вода находится в состоянии насыщения, соответствует давление ее насыщенного пара. При этих параметрах жидкость и ее пар находятся в состоянии насыщения или термодинамического равновесия.

В таблице даны следующие теплофизические свойства воды в состоянии насыщенной жидкости:

  • давление насыщенного пара при указанной температуре p, Па;
  • плотность воды ρ, кг/м3;
  • удельная энтальпия воды h, кДж/кг;
  • удельная (массовая) теплоемкость Cp, кДж/(кг·град);
  • теплопроводность λ, Вт/(м·град);
  • температуропроводность a, м2/с;
  • вязкость динамическая μ, Па·с;
  • вязкость кинематическая ν, м2/с;
  • коэффициент теплового объемного расширения β, К-1;
  • коэффициент поверхностного натяжения σ, Н/м;
  • число Прандтля Pr.

Свойства воды на линии насыщения имеют зависимость от температуры. Ее влияние особенно сказывается на вязкости воды — динамическая вязкость H2O при повышении температуры значительно снижается. Если, при температуре 100°С значение этого свойства воды в состоянии насыщения равно 282,5·10-6 Па·с, то при температуре, равной например 370°С, динамическая вязкость снижается до величины 282,5·10-6 Па·с.

Другие свойства воды такие, как плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность при росте ее температуры имеют тенденцию к снижению своих значений. Например, плотность воды уменьшается с 958,4 до 450,5 кг/м3 при нагревании со 100 до 370°С.

Теплопроводность воды в состоянии насыщения при увеличении температуры также снижается (в отличие от нормальных условий и температуре до 100°С, при которых имеет место ее рост в процессе нагрева). Снижение теплопроводности связано с увеличением как температуры, так и давления насыщенной жидкости.

Следует отметить, что удельная энтальпия воды в зависимости от температуры значительно увеличивается при нагревании, как до температуры кипения, так и выше.

Теплопроводность воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении

В таблице представлены значения теплопроводности воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении. Теплопроводность воды указана в зависимости от температуры в интервале от 0 до 100°С.

Вода при нагревании становиться более теплопроводной — ее коэффициент теплопроводности увеличивается. Например, при 10°С вода имеет теплопроводность 0,574 Вт/(м·град), а при росте температуры до 95°С величина теплопроводности воды увеличивается до значения 0,682 Вт/(м·град).

0,569 0,572 0,574 0,587 0,599 0,609 0,618 0,627 0,635 0,648
0,654 0,659 0,664 0,668 0,671 0,674 0,677 0,68 0,682 0,683

Теплопроводность воды в зависимости от температуры и давления

В таблице приведены значения теплопроводности воды и водяного пара при температурах от 0 до 700°С и давлении от 1 до 500 атм.

Как известно, вода при атмосферном давлении закипает и переходит в пар при температуре 100°С. Коэффициент теплопроводности воды в этих условиях равен 0,683 Вт/(м·град). При увеличении давления растет и температура кипения воды (закон Клапейрона — Клаузиуса). По данным таблицы видно, при давлении в 100 раз выше атмосферного (100 бар) вода находится в виде пара при температуре от 310°С и имеет теплопроводность 0,523 Вт/(м·град).

Таким образом, следует отметить, что изменение давления влияет как на температуру кипения воды, так и на величину ее теплопроводности. Высокая теплопроводность воды достигается за счет роста давления — при повышении давления коэффициент теплопроводности воды увеличивается. Например, при давлении 1 бар и температуре 20°С вода имеет теплопроводность, равную 0,603 Вт/(м·град). При росте давления до 500 бар теплопроводность воды становится равной 0,64 Вт/(м·град) при этой же температуре.

Примечание: Черта под значениями в таблице означает фазовый переход воды в пар, то есть цифры под чертой относятся к пару, а выше ее — к воде. Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000! Размерность теплопроводности воды в таблице Вт/(м·град).

Источники:

  1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.
  2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.
  3. Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: «Пищевая промышленность», 1970 — 184 с.
  4. ГСССД 2-77 Вода. Плотность при атмосферном давлении и температурах от 0 до 100°С. М.: Издательство стандартов, 1978 — 6 с.

Кто знает формулу воды еще со времен школьной поры? Конечно же, все. Вероятно, что из всего курса химии у многих, кто потом не изучает ее специализированно, только и остается знание того, что обозначает формула H2O. Но сейчас мы максимально подробно и глубоко постараемся разобраться, что такое вода? Какие ее главные свойства и почему именно без нее жизнь на планете Земля невозможна.

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

Вода как вещество

Молекула воды, как мы знаем, состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Ее формула записывается так: H2O. Данное вещество может иметь три состояния: твердое — в виде льда, газообразное — в виде пара, и жидкое — как субстанция без цвета, вкуса и запаха. Кстати, это единственное вещество на планете, которое может существовать во всех трех состояниях одновременно в естественных условиях. Например: на полюсах Земли — лед, в океанах — вода, а испарения под солнечными лучами — это пар. В этом смысле вода аномальна.

Еще вода — это самое распространенное вещество на нашей планете. Она покрывает поверхность планеты Земля почти на семьдесят процентов — это и океаны, и многочисленные реки с озерами, и ледники. Большая часть воды на планете соленая. Она непригодна для питья и для ведения сельского хозяйства. Пресная вода составляет всего два с половиной процента от всего количества воды на планете.

Вода — это очень сильный и качественный растворитель. Благодаря этому химические реакции в воде проходят с огромной скоростью. Это же ее свойство влияет на обмен веществ в человеческом организме. Общеизвестный факт, что тело взрослого человека на семьдесят процентов состоит из воды. У ребенка этот процент еще выше. К старости этот показатель падает с семидесяти до шестидесяти процентов. Кстати, эта особенность воды наглядно демонстрирует, что основой жизни человека есть именно она. Чем воды в организме больше — тем он здоровее, активнее и моложе. Потому ученые и медики всех стран неустанно твердят, что пить нужно много. Именно воду в чистом виде, а не заменители в виде чая, кофе или других напитков.

Вода формирует климат на планете, и это не преувеличение. Теплые течения в океане обогревают целые континенты. Это происходит за счет того, что вода поглощает очень много солнечного тепла, а потом отдает его, когда начинает остывать. Так она регулирует температуру на планете. Многие ученые говорят, что Земля давно бы остыла и стала камнем, если бы не наличие такого количества воды на зеленой планете.

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

Свойства воды

У воды есть много очень интересных свойств.

Например, вода — это самое подвижное вещество после воздуха. Из школьного курса многие, наверняка, помнят такое понятие, как круговорот воды в природе. Например: ручеек испаряется под воздействием прямых солнечных лучей, превращается в водяной пар. Далее, этот пар посредством ветра, переносится куда-либо, собирается в облака, а то и в грозовые тучи и выпадает в горах в виде снега, града или дождя. Далее, с гор ручеек вновь сбегает вниз, частично испаряясь. И так — по кругу — цикл повторяется миллионы раз.

Также у воды очень высокая теплоемкость. Именно из-за этого водоемы, тем более океаны, очень медленно остывают при переходе от теплого сезона или времени суток к холодному. И наоборот, при повышении температуры воздуха вода очень медленно нагревается. За счет этого, как и упоминалось выше, вода стабилизирует температуру воздуха на всей нашей планете.

После ртути вода обладает самым высоким значением поверхностного натяжения. Нельзя не заметить, что случайно пролитая на ровной поверхности капля иногда становится внушительным пятнышком. В этом проявляется тягучесть воды. Еще одно свойство проявляется у нее при понижении температуры до четырех градусов. Как только вода остывает до этой отметки, она становится легче. Поэтому лед всегда плавает на поверхности воды и застывает корочкой, покрывая собой реки и озера. Благодаря этому в водоемах, замерзающих зимой, не вымерзает рыба.

Вода, как проводник электроэнергии

Вначале стоит узнать о том, что такое электропроводность (воды в том числе). Электропроводность — это способность какого-либо вещества проводить через себя электрический ток. Соответственно, электропроводность воды — это возможность воды проводить ток. Эта способность непосредственно зависит от количества солей и иных примесей в жидкости. Например, электропроводность дистиллированной воды почти сведена к минимуму из-за того, что такая вода очищена от различных добавок, которые так нужны для хорошей электропроводности. Отличный проводник тока — это вода морская, где концентрация солей очень велика. Еще электропроводность зависит от температуры воды. Чем значение температуры выше — тем большая электропроводность у воды. Эта закономерность выявлена благодаря множественным опытам ученых-физиков.

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

Измерение электропроводности воды

Есть такой термин — кондуктометрия. Так называют один из методов электрохимического анализа, основанного на электрической проводимости растворов. Применяют этот метод для определения концентрации в растворах солей или кислот, а также для контроля состава некоторых промышленных растворов. Вода обладает амфотерными свойствами. То есть в зависимости от условий она способна проявлять как кислотные, так и основные свойства — выступать и в роли кислоты, и в роли основания.

Прибор, который используют для этого анализа, имеет очень сходное название — кондуктометр. С помощью кондуктометра измеряется электропроводность электролитов, находящихся в растворе, анализ которого ведется. Пожалуй, стоит объяснить еще один термин — электролит. Это вещество, которое при растворении или плавлении распадается на ионы, за счет чего впоследствии проводится электрический ток. Ион — это электрически заряженная частица. Собственно, кондуктометр, взяв за основу определенные единицы электропроводности воды, определяет ее удельную электропроводность. То есть он определяет электропроводность конкретного объема воды, взятого за начальную единицу.

Еще до начала семидесятых годов прошлого столетия для обозначения проводимости электричества использовали единицу измерения «мо», это была производная от другой величины — Ома, являющейся основной единицей сопротивления. Электропроводимость — это величина, обратно пропорциональная сопротивлению. Сейчас же она измеряется в Сименсах. Получила свое название данная величина в честь ученого-физика из Германии — Вернера фон Сименса.

Сименс

Сименс (обозначаться может как См, так и S) — это величина, обратная Ому, являющаяся единицей измерения электрической проводимости. Один См равен электрической проводимости любого проводника, сопротивление которого равно 1 Ом. Выражается Сименс через формулу:

  • 1 См = 1 : Ом = А : В = кг−1·м−2·с³А², где
    А — ампер,
    В — вольт.

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

Теплопроводность воды

Теперь поговорим о том, что такое теплопроводность. Теплопроводность — это способность какого-либо вещества переносить тепловую энергию. Суть явления заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, что определяют температуру данного тела или вещества, передается другому телу или веществу при их взаимодействии. Иначе говоря, теплопроводность — это теплообмен между телами, веществами, а также между телом и веществом.

Теплопроводность у воды также очень высока. Люди ежедневно используют это свойство воды, сами того не замечая. Например, наливая холодную воду в тару и остужая в ней напитки или продукты. Холодная вода забирает тепло у бутылки, контейнера, взамен отдавая холод, возможна и обратная реакция.

Теперь это же явление легко можно представить в масштабе планеты. Океан нагревается в течение лета, а потом — с наступлением холодов, медленно остывает и отдает свое тепло воздуху, тем самым обогревая материки. Остыв за зиму, океан начинает очень медленно нагреваться по сравнению с землей и отдает свою прохладу изнывающим от летнего солнца материкам.

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

Плотность воды

Выше рассказывалось о том, что рыба живет зимой в водоеме благодаря тому, что вода застывает корочкой по всей их поверхности. Мы знаем, что в лед вода начинает превращаться при температуре в ноль градусов. Из-за того, что плотность воды больше, чем плотность льда, лед всплывает и застывает по поверхности.

Что такое окислительно-восстановительные свойства воды

Также вода при разных условиях способна быть и окислителем, и восстановителем. То есть вода, отдавая свои электроны, заряжается положительно и окисляется. Или же приобретает электроны и заряжается отрицательно, значит, восстанавливается. В первом случае вода окисляется и называется мертвой. Она обладает очень мощными бактерицидными свойствами, только вот пить ее не надо. Во втором случае вода живая. Она бодрит, стимулирует организм на восстановление, несет энергию клеткам. Разница между этими двумя свойствами воды выражается в термине «окислительно-восстановительный потенциал».

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

С чем вода способна реагировать

Вода способна реагировать почти со всеми веществами, которые существуют на Земле. Единственное, что для возникновения этих реакций нужно обеспечить подходящую температуру и микроклимат.

Например, при комнатной температуре вода отлично реагирует с такими металлами, как натрий, калий, барий — их называют активными. С галогенами — это фтор, хлор. При нагревании вода отлично реагирует с железом, магнием, углем, метаном.

При помощи различных катализаторов вода вступает в реакцию с амидами, эфирами карбоновых кислот. Катализатор — это вещество, словно бы подталкивающее компоненты к взаимной реакции, ускоряющее ее.

Есть ли вода где-либо еще, кроме Земли?

Пока ни на одной планете Солнечной системы, кроме Земли, воды не обнаружено. Да, предполагают о ее присутствии на спутниках таких планет-гигантов, как Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран, но пока точных данных у ученых нет. Существует еще одна гипотеза, пока не проверенная окончательно, о подземных водах на планете Марс и на спутнике Земли — Луне. Касательно Марса вообще выдвинуто ряд теорий о том, что когда-то на этой планете был океан, и его возможная модель даже проектировалась учеными.

какая теплопроводность у воды низкая средняя высокая

Вне Солнечной системы существует множество больших и малых планет, где, по догадкам ученых, может быть вода. Но пока нет ни малейшей возможности убедиться в этом наверняка.

Как используют тепло- и электропроводность воды в практических целях

Ввиду того, что вода обладает высоким значением теплоемкости, ее используют в теплотрассах в качестве теплоносителя. Она обеспечивает передачу тепла от производителя к потребителю. Как отличный теплоноситель воду используют и многие атомные электростанции.

В медицине лед используют для охлаждения, а пар — для дезинфекции. Так же лед используют в системе общественного питания.

Во многих ядерных реакторах воду используют как замедлитель, для успешного протекания цепной ядерной реакции.

Воду под давлением используют для раскалывания, проламывания и даже для резки горных пород. Это активно используется при строительстве туннелей, подземных помещений, складов, метро.

Заключение

Из статьи следует, что вода по своим свойствам и функциям — самое незаменимое и поразительное вещество на Земле. Зависит ли жизнь человека или любого другого живого существа на Земле от воды? Безусловно, да. Способствует ли это вещество ведению научной деятельности человеком? Да. Обладает ли вода электропроводностью, теплопроводностью и иными полезными свойствами? Ответ тоже «да». Иное дело, что воды на Земле, а тем более воды чистой, все меньше и меньше. И наша задача — сохранить и обезопасить ее (а значит, и всех нас) от исчезновения.

Теплопроводность

Теплопроводность – способность материала проводить тепловой поток через свою толщину при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Показателем теплопроводности является коэффициент теплопроводности λ. Иногда теплопроводность выражают величиной, обратной λ,— термическим сопротивлением (R = 1 / λ).

Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала, его строения, пористости и влажности. Материал кристаллического строения обычно более теплопроводен по сравнению с материалом аморфного строения. Коэффициент теплопроводности слоистых (слоистые пластики) и волокнистых (древесина) материалов существенно зависит от направления теплового потока по отношению к слоям или волокнам. Так, у древесины вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек.

Величина λ тем больше, чем крупнее поры в материалах. Коэффициент снижается с уменьшением средней плотности однородных материалов, причем наименьшую теплопроводность имеют материалы с развитой пористостью и небольшой влажностью. При увлажнений материала теплопроводность его увеличивается, так как коэффициент теплопроводности воды примерно в 25 раз больше, чем воздуха. Ниже приводятся коэффициенты теплопроводности различных материалов, Вт / (м · °С); для сравнения даются значения λ воды и воздуха:

медь……………………. 403,00

сталь……………………. 58,00

гранит……………………. 2,92

бетон тяжелый…………. 1,28—1,55

кирпич глиняный………. 0,70—0,85

туф……………………….. 0,35—0,45

сосна:

вдоль волокон 0,30

поперек волокон    0,17

минеральная вата   0,06—0,09

бетон теплоизоляционный . .0,03—0,08

вода… … 0,599

воздух           0,023

Теплопроводность имеет практическое значение при выборе материалов для наружных стен, перекрытий и покрытий зданий, изоляции теплосетей, холодильников, котлов и т. п.

Теплоемкость

Теплоемкость – свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать при охлаждении. Отношение теплоемкости к единице количества материала (по массе или объему) называется удельной теплоемкостью, которая численно равна количеству тепла (в Дж), необходимому для нагревания I кг материала на I °С. Удельная теплоемкость, кДж / (кг -°С), приведенных ниже материалов составляет:

медь 0,38

сталь      0,46—0,48

алюминиевые сплавы     0,90

природные каменные материалы    0,75—0,93

бетон тяжелый 0,80—0,92

кирпич    0,74

сосна . .        2,51

Теплоемкость учитывают при определении теплоустойчивости наружных ограждений отапливаемых зданий (требуются материалы с наиболее высокой удельной теплоемкостью), при расчете подогрева составляющих бетона и раствора, также мастик для работ в зимнее время и т. п.

Тепловое расширение

Тепловое расширение – свойство материала изменять объем и размеры при нагревании. Количественно характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения. Коэффициент объемного расширения равен относительному увеличению объема материала, а коэффициент линейного расширения – относительному увеличению его длины при нагревании на 1 °С. Жесткое соединение нескольких материалов с разными коэффициентами теплового расширения может вызвать в конструктивном элементе значительные по величине напряжения, которые приведут к его короблению и растрескиванию. При большом изменении размеров материала из-за колебаний температуры может произойти его разрушение.

Огнестойкость – способность материала противостоять действию огня и высоких температур во время пожара. По степени огнестойкости все материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Под действием огня или высокой температуры материалы ведут себя по-разному: несгораемые (природные каменные материалы, бетон, кирпич, сталь и т. п.) не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются; трудносгораемые (фибролит, асфальтовый бетон, древесина, пропитанная огнезащитными составами) с трудом воспламеняются, тлеют или обугливаются в присутствии источника огня; сгораемые (незащищенная древесина, войлок, рубероид, большинство полимерных материалов) воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня. Причем из числа несгораемых одни материалы (кирпич глиняный, черепица, большинство бетонов) практически не деформируются и не растрескиваются, другие – значительно деформируются (сталь), а некоторые разрушаются (гранит, мрамор, известняк).

При оценке огнестойкости материалов необходимо также учитывать совместное действие высокой температуры, воды и других жидкостей, используемых при тушении пожара, а также химических веществ и газов, выделяющихся из некоторых материалов (особенно полимерных).

Огнеупорность – свойство материала выдерживать, не расплавляясь и не деформируясь, длительное воздействие высоких температур. По степени огнеупорности материалы подразделяют на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие: огнеупорные (например, шамотный кирпич) выдерживают продолжительное воздействие температуры свыше 1580 °C (используют для внутренней облицовки промышленных печей), тугоплавкие (гжельский кирпич) выдерживают температуру 1350—1580 °С, легкоплавкие (кирпич глиняный обыкновенный) противостоят температуре ниже 1350 °С.

Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Она зависит от обратного электропроводности свойства – электрического сопротивления. Очевидно, что чем меньше удельное электрическое сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток. В зависимости от этого показателя все материалы подразделяют на проводники, полупроводники и изоляторы. К проводникам относятся серебро, медь и ее сплавы, алюминий, сталь. Хорошими изоляторами являются резина, асбест, фарфор, стекло, пластические массы. Полупроводники (кремний, мышьяк и др.) занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами; в обычных условиях они слабо проводят электрический ток. Полупроводники широко применяются в различных отраслях народного хозяйства, в частности для регулирования силы тока и напряжения, преобразования одного вида энергии в другой.

Электропроводность и соответственно электрическое сопротивление материалов учитывают при оценке качества и выборе шнуров, проводов, кабелей, электроустановочных и других изделий.

Цвет материалов – это определенное зрительное ощущение, вызываемое в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения в диапазоне видимой части спектра. В общем случае цвет материала связан с его окраской, свойствами поверхности и оптическими свойствами источников света. Цвет играет большую роль при выборе облицовочных и отделочных материалов.

Структура – строение материала, определенное сочетание его составных частей. В структуре материалов различают структуру горной породы, структуру металла и др.

Фактура (от латинского фактура – обработка, строение) – видимое строение поверхности материала. Различают две группы фактур: рельефные (с разной высотой и разнообразным характером рельефа) и гладкие (от зеркально-блестящих до шероховато-ровных).

Цвет, структура и фактура различных материалов более подробно рассмотрены при их характеристике в соответствующих главах книги.

Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{displaystyle {vec {q}}=-varkappa ,mathrm {grad} (T),}

где q→{displaystyle {vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{displaystyle varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){displaystyle mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{displaystyle P=-varkappa {frac {SDelta T}{l}},}

где P{displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{displaystyle Delta T} — перепад температур граней, l{displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{displaystyle varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{displaystyle sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{displaystyle {frac {varkappa }{sigma }}={frac {pi ^{2}}{3}}left({frac {k}{e}}right)^{2}T,}где k{displaystyle k} — постоянная Больцмана; e{displaystyle e} — заряд электрона; T{displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{displaystyle varkappa sim {frac {1}{3}}rho c_{v}lambda {bar {v}},}

где ρ{displaystyle rho } — плотность газа, cv{displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{displaystyle lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{displaystyle {bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ=ik3π3/2d2RTμ,{displaystyle varkappa ={frac {ik}{3pi ^{3/2}d^{2}}}{sqrt {frac {RT}{mu }}},}

где i{displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{displaystyle i=3}), k{displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{displaystyle mu } — молярная масса, T{displaystyle T} — абсолютная температура, d{displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{displaystyle varkappa sim {frac {1}{3}}rho c_{v}l{bar {v}}propto P}, где l{displaystyle l} — размер сосуда, P{displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Обобщения закона Фурье

Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:

τ∂q∂t=−(q+ϰ∇T).{displaystyle tau {frac {partial mathbf {q} }{partial t}}=-left(mathbf {q} +varkappa ,nabla Tright).}

Если время релаксации τ{displaystyle tau } пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.

Коэффициенты теплопроводности различных веществ

Графен 4840 ± 440 — 5300 ± 480
Алмаз 1001—2600
Графит 278,4—2435
Арсенид бора 200—2000
Карбид кремния 490
Серебро 430
Медь 401
Оксид бериллия 370
Золото 320
Алюминий 202—236
Нитрид алюминия 200
Нитрид бора 180
Кремний 150
Латунь 97—111
Хром 107
Железо 92
Платина 70
Олово 67
Оксид цинка 54
Сталь нелегированная 47—58
Свинец 35,3
Сталь нержавеющая (аустенитная) 15
Кварц 8
Термопасты высокого качества 5—6
Гранит 2,4
Бетон сплошной 1,75
Бетон на гравии или щебне из природного камня 1,51
Базальт 1,3
Стекло 1—1,15
Термопаста КПТ-8 0,7
Бетон на песке 0,7
Вода при нормальных условиях 0,6
Кирпич строительный 0,2—0,7
Силиконовое масло 0,16
Пенобетон 0,05—0,3
Газобетон 0,1—0,3
Древесина 0,15
Нефтяные масла 0,12
Свежий снег 0,10—0,15
Пенополистирол (горючесть Г1) 0,038—0,052
Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) 0,029—0,032
Стекловата 0,032—0,041
Каменная вата 0,034—0,039
Воздух (300 K, 100 кПа) 0,022
Аэрогель 0,017
Аргон (273—320 K, 100 кПа) 0,017
Аргон (240—273 K, 100 кПа) 0,015
Вакуум (абсолютный) 0 (строго)

Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

Примечания

См. также

  • Теплопередача
  • Конвекция
  • Равновесный градиент температуры
  • Тепловое излучение
  • Закон Ньютона — Рихмана
  • Уравнение диффузии
  • Теплоизоляция

Ссылки

  • Теплопроводность воды и водяного пара
  • Коэффициенты теплопроводности элементов
  • Таблица теплопроводности веществ и материалов