9 ТЕПЛОПРОВОДНИКИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ - НАУКА

Эти проводники тепла являются материалы , структура которых такова , что тепло может проходить через них легко. Следует помнить, что вся материя состоит из атомов и молекул, находящихся в постоянном колебательном движении, и что тепло приводит к еще большему возбуждению этих частиц.

Некоторые материалы проводят тепло лучше, чем другие, потому что их внутренняя конфигурация облегчает поток энергии. Например, дерево не является хорошим проводником тепла, потому что для его нагрева требуется много времени. Но железо, медь и другие металлы есть, а это значит, что их частицы очень быстро приобретают кинетическую энергию.

Термопаста, используемая в компьютерных микросхемах, хорошо проводит тепло, но не электричество. Источник: Wikimedia Commons.

Вот почему металлы являются фаворитом для изготовления кухонной утвари, такой как кастрюли и сковороды. Они быстро нагреваются и достигают температуры, достаточной для правильного приготовления пищи.

Однако ручки и ручки, контактирующие с руками пользователя, изготовлены из других теплоизоляционных материалов. Таким образом, с кастрюлями легко обращаться, даже когда они горячие.

Типы проводников

В зависимости от способа отвода тепла материалы подразделяются на:

- Теплопроводники : алмаз и такие металлы, как медь, железо, цинк и алюминий, среди других. Обычно хорошие проводники электричества также являются хорошими проводниками тепла.

- Теплоизоляторы : дерево, резина, стекловолокно, пластик, бумага, шерсть, аниме, пробка, полимеры - хорошие примеры. Газы тоже не являются хорошими проводниками.

Теплопроводность материалов

Свойство, которое по сути характеризует то, как каждый из них проводит тепло, называется теплопроводностью. Чем выше теплопроводность вещества, тем лучше оно проводит тепло.

Теплопроводность веществ определяется экспериментально. В Международной системе единиц СИ теплопроводность измеряется в ватт / (метр x кельвин) или Вт / (мК). Это трактуется следующим образом:

Другой единицей теплопроводности, используемой в англосаксонских странах, является BTUH / (ft.ºF), где BTUH - британская тепловая единица в час.

Тепло проходит через твердое тело, когда между его концами есть разница температур. Источник: Wikimedia Commons.

Значения теплопроводности

Ниже приведены значения теплопроводности некоторых элементов и материалов, встречающихся в природе и часто используемых в промышленности.

Однако следует отметить, что есть синтетические соединения, все еще находящиеся на стадии экспериментов, чья теплопроводность намного превышает теплопроводность алмаза, который возглавляет таблицу.

Температура имеет решающее значение для теплопроводности металлов. С повышением температуры увеличивается и теплопроводность (хотя электропроводность уменьшается). Для неметаллов теплопроводность примерно постоянна в широком диапазоне температур.

Значения в таблице указаны при 25ºC и давлении 1 атмосфера.

При выборе материала по его тепловым свойствам необходимо учитывать, что он расширяется при нагревании. Эта емкость определяется коэффициентом теплового расширения.

Основные теплопроводы

ромб

Алмаз - лучший в природе проводник тепла. Источник: Роберт Лавинский через Wikimedia Commons.

Это лучший проводник тепла при комнатной температуре, намного лучше, чем медь и любой другой металл. В алмазе, который является электрическим изолятором, тепло течет не через электроны проводимости, а через распространение колебаний в его высокоорганизованной кристаллической структуре. Эти колебания называются фононами.

Также он имеет низкий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры при нагревании останутся близкими к исходным. Когда требуется хороший проводник тепла, который не проводит электричество, лучшим вариантом будет алмаз.

В результате он широко используется для отвода тепла, выделяемого схемами компьютеров и других электронных устройств. Но у него есть серьезный недостаток: это очень дорого. Хотя есть синтетические алмазы, их нелегко сделать, и они также дороги.

Серебряный

Серебряные монеты

Этот металл очень ценится для украшения из-за его блеска, цвета и пластичности. Он устойчив к окислению и среди всех металлов имеет самую высокую теплопроводность, а также отличную электропроводность.

По этой причине он имеет множество применений в промышленности, как отдельно, так и в сплавах с другими элементами, такими как никель и палладий.

Из чистого серебра изготавливают печатные схемы, высокотемпературные сверхпроводящие кабели и покрывают проводники, используемые в электронике, в дополнение к сплавам, которые используются для создания электрических контактов.

Его недостаток состоит в том, что он относительно редок и поэтому дорог, но уникальное сочетание физических свойств для этих применений делает его отличной альтернативой, так как он очень гибкий и с его помощью можно получить проводники хорошей длины.

медь

Медные провода

Это один из наиболее часто используемых металлов, когда требуется хорошая теплопроводность, потому что он не подвержен коррозии, а его температура плавления довольно высока, что означает, что он не будет плавиться легко при воздействии тепла.

Другими преимуществами, которые он имеет, является его пластичность, а также отсутствие магнитных полей. Медь пригодна для вторичной переработки и намного дешевле серебра. Однако у него высокий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры заметно изменяются при нагревании.

Благодаря хорошим тепловым свойствам, он широко используется в кухонной утвари, например, в медных горшках, покрытых сталью. Также для производства теплообменников в резервуарах для горячей воды, в системах центрального отопления, автомобильных радиаторах и для отвода тепла в электронных устройствах.

Золото

Доиспанская золотая маска

Это по преимуществу драгоценный металл, занимающий ведущее место в истории человечества. Помимо этого особого значения, золото является пластичным, прочным и отличным проводником тепла и электричества.

Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для протекания небольших токов в твердотельных электронных компонентах. Эти токи настолько малы, что их можно легко отключить при малейших признаках коррозии, поэтому золото гарантирует надежность электронных компонентов.

Он также используется для изготовления разъемов для наушников, контактов, реле и соединительных кабелей. Такие устройства, как смартфоны, калькуляторы, ноутбуки, настольные компьютеры и телевизоры, содержат небольшое количество золота.

Специальные стекла для помещений с кондиционированием воздуха также содержат диспергированное золото таким образом, что они помогают отражать солнечное излучение снаружи, сохраняя свежесть внутри, когда очень жарко. Таким же образом они помогают поддерживать внутреннее тепло в доме зимой.

литий

Литий-ионный аккумулятор. Автор: Mr. ちゅらさん. Lithium_Battery * день фотографии, август 2005 г. * фотограф Эней. Источник: Wikimedia Commons.

Это самый легкий из всех металлов, хотя он очень реактивен, поэтому легко подвергается коррозии. Вы также должны обращаться с ним с большой осторожностью, потому что он легко воспламеняется. В связи с этим, хотя его много, он находится не в свободном состоянии, а в соединениях, поэтому его обычно следует выделять электролитическими методами.

Его теплопроводность аналогична теплопроводности золота, но намного дешевле. Карбонат лития - это соединение, используемое при производстве термостойкого стекла и керамики.

Другое широко распространенное применение лития - производство долговечных и легких батарей, в которых хлорид лития используется для извлечения металлического лития. Добавленный при обработке алюминия, он увеличивает его электропроводность и снижает рабочие температуры.

алюминий

Ведро металлическое алюминиевое. Источник: Карстен Нихаус

Этот легкий, недорогой, высокопрочный и простой в эксплуатации металл является одним из основных материалов, используемых для изготовления теплообменников в оборудовании для кондиционирования воздуха, таком как кондиционеры и обогреватели.

Как внутри страны, так и в промышленности алюминиевая посуда широко используется на кухнях по всему миру.

Алюминиевая посуда, такая как кастрюли, сковороды и противни, чрезвычайно эффективна. Они не меняют вкус пищи и позволяют теплу быстро и равномерно распространяться во время приготовления.

Тем не менее, алюминиевые кастрюли и сковороды были заменены нержавеющей сталью, которая не так хорошо проводит тепло. Это связано с тем, что нержавеющая сталь не вступает в реакцию с более сильными кислотами, например, с томатным соусом.

Вот почему предпочтительно делать томатные соусы в стальной посуде, чтобы предотвратить попадание алюминия в пищу, поскольку некоторые из них связывают алюминий, присутствующий в антацидах, тальках, дезодорантах и многих других продуктах, с появлением дегенеративных заболеваний, хотя большинство экспертов, а также FDA отвергают эту гипотезу.

Алюминиевая кастрюля на переднем плане. Источник: Pixabay.

Посуда из анодированного алюминия не имеет риска высвобождения частиц алюминия и, в принципе, может использоваться с большей безопасностью.

бронза

Бронза этих древних колоколов демонстрирует полезность металлов в декоративных или религиозных целях. Источник: Pxhere.

Бронза - это сплав меди и олова, в меньшей степени, других металлов. Он присутствует в истории человечества с давних времен.

Это так важно, что период доистории даже был назван бронзовым веком, временем, когда люди открыли и начали использовать свойства этого сплава.

Бронза устойчива к коррозии, с ней легко работать. Первоначально из него изготавливали различную утварь, инструменты, украшения, предметы искусства (например, скульптуры) и оружие, а также чеканили монеты. Сегодня он все еще используется для изготовления трубок, механических деталей и музыкальных инструментов.

цинк

Стекло для часов с оксидом цинка. Источник: Адам Рендзиковски

Это очень ковкий и пластичный голубовато-белый металл, с которым легко работать, хотя и с низкой температурой плавления. Он известен с древних времен, в основном используется в сплавах.

В настоящее время он используется для цинкования стали и защиты от коррозии. Также для производства батарей, пигментов и производства специальных цинковых листов для строительной индустрии.

Железо

Железные опилки на магните. Источник: Aney через Commons Wikimedia.

Железо - еще один металл, имеющий большое историческое значение. Подобно бронзе, железо связано с доисторической стадией, на которой произошел великий технический прогресс: железным веком.

Сегодня чугун по-прежнему находит широкое применение в производстве инструментов, посуды, в строительстве и в качестве материала для производства автомобильных деталей.

Как мы видели, железо является очень хорошим проводником тепла. Железные предметы очень хорошо распределяют тепло и сохраняют его надолго. Он также имеет высокую температуру плавления, что делает его устойчивым к высоким температурам, поэтому его можно использовать при производстве всех типов печей, как промышленных, так и бытовых.

Ссылки

СК-12. Теплопроводники и изоляторы. Получено с: ck12.org.
Медь: свойства и применение. Получено с: copperalliance.org.
Effunda. Свойства обычных твердых материалов. Получено с efunda.com
Хилл Д. Тепловые свойства чугуна. Получено с: ehow.com.
Кинг, Х. Многочисленные способы использования золота. Получено с: geology.com.
Литий. Получено с: gob.mx.
Рекреативная физика. Передача тепла. Получено с: fisicarecreativa.com.
Wikipedia. Список теплопроводностей. Получено с: es.wikipedia.org.

9 ТЕПЛОПРОВОДНИКИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ - НАУКА - 2025