Курс лекций для студентов специальности 1-25 01 09 «Товароведение и экспертиза товаров»

Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал и характеризуется коэффициентом теплопроводности (l), который численно равен потоку тепла, проходящему через площадку куба единичной площади при перепаде на его гранях температуры (T = 1 °С).
Наихудшие проводники тепла – изоляционные материалы. Идеаль-
ным изолятором является вакуум, теплопроводность которого практически равна нулю.
Наилучшими проводниками тепла являются алмаз (λ = 2 000 Вт/м·К), металлы и сплавы (медь – 400 Вт/м·К, серебро – 418 Вт/м·К, алюминий – 200 Вт/м·К). Теплопроводность диэлектриков обычно значительно ниже. Например, теплопроводность бетона равна 0,6 Вт/м·К, трансформаторного масла – 0,13 Вт/м·К, воздуха – 3,67  10^–2 Вт/м·К. Единственный диэлектрик, характеризующийся высокой теплопроводностью, – это оксид бериллия (200 Вт/м·К).
Методы определения коэффициента теплопроводности подразделяются на абсолютные и дифференциальные, стационарные и динамические. Если измерение теплового потока проводят, например, путем измерения электрической мощности, потребляемой нагревателем, то метод называют абсолютным, или прямым. Если измерение теплового потока производят путем сравнения, то метод называют дифференциальным, или косвенным.
К абсолютным методам относятся:
· метод горячей плиты (для изоляционных материалов);
· метод теплового потока (для стандартных приложений и пленок);
· метод горячей нити (для керамики и огнеупорных материалов);
· калориметрический метод (slug calorimeter).
Дифференциальные методы основаны на измерении температуры. К ним относится метод ксеноновой и лазерной вспышки для определения теплопроводности, термической диффузии и теплоемкости.
Стационарные методы предусматривают установление в системе термического равновесия. К стационарным методам относятся:
· методы осевого и радиального потока;
· метод закрытой горячей плиты;
· калориметрический метод.
Динамические методы изучают температурно-временную зависимость теплофизических свойств материала. К динамическим методам относятся:
· различные варианты метода горячей нити;
· методы лазерной и ксеноновой вспышки;
· метод зонда.
Наиболее часто используемыми группами методов являются методы осевого и радиального потока, метод защищенной горячей плиты и метод горячей нити (проволоки).
Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и излучение.
Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается и они начинают «всплывать» под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. Конвекция увеличивает теплопроводность в несколько раз.
В нагретом теле часть тепловой энергии всегда превращается в лучистую, степень превращения которой определяется тепловым состоянием тела, его температурой. Носителем лучистой энергии являются ультрафиолетовые, световые и инфракрасные лучи, свойства которых различны. Особый интерес представляют световые и инфракрасные лучи с длиной волны от 0,4 до 40 мкм. Эти лучи называются тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением, или радиацией. Особенно важно тепловое излучение при повышенных температурах.
Поскольку практически все свойства материалов зависят от температуры, введено понятие температурного коэффициента, конкретные значения которого приведены в справочниках.