Termisk ledningsevne

Termisk ledningsevne er en fysisk egenskap ved materialer som måler evnen til å lede varme . Med andre ord er termisk ledningsevne også evnen til et stoff til å overføre den kinetiske energien til molekylene til andre tilstøtende molekyler eller til stoffer som det er i kontakt med. I metalliske faste stoffer ledes varme, som elektrisitet, av frie elektroner som beveger seg i metallets strukturelle nettverk. I alle faste stoffer, inkludert metalliske, ledes varme ved overføring av vibrasjonsenergi fra tilstøtende atomer. Ikke-metalliske faste stoffer er isolatorer på grunn av deres lave varmeledningsevne. I International System of Units måles termisk ledningsevne i W /( m K ) (tilsvarer J / ( m s K ) )

Termisk ledningsevne (ofte representert som k, λ eller κ) er den iboende evnen til et materiale til å lede varme. Det er en av de tre metodene for varmeoverføring, de to andre er: konveksjon og stråling. Varmeoverføringsprosesser kan kvantifiseres i form av de tilsvarende hastighetsligningene. Hastighetsligningen i denne varmeoverføringsmodusen er basert på Fouriers lov om varmeledning.

Termisk ledningsevne er en intensiv mengde fordi den ikke er avhengig av masse, og når man deler delen av stoffet i små biter, er dens egenskaper ikke additive. Dens omvendte størrelse er den termiske resistiviteten , som er materialers evne til å motvirke passasje av varme. For et isotropt materiale (dets egenskaper endres ikke med retning) er varmeledningsevnen en skalar:

hvor:

, er varmefluksen (per tidsenhet og arealenhet). Det er et skalarfelt, så temperaturvariasjonsligningene er ikke så komplekse. , er temperaturgradienten .

En termisk ledningsevne på 1 watt per meter og kelvin indikerer at en varmemengde på en joule (J) sprer seg gjennom et materiale ved termisk ledning:

Jo høyere dens varmeledningsevne, vil et materiale være en bedre varmeleder. Jo lavere det er, vil materialet være mer isolerende. For eksempel har kobber en ledningsevne på 385 watt per kelvin og meter, og er mer enn 10 000 ganger bedre varmeleder enn polyuretan (0,035 watt per kelvin og meter).

Analogier med de andre transportfenomenene

Akkurat som viskositet i momentumtransport indikerer graden av motstand mellom bevegelige væskelag; diffusivitet i massetransport indikerer graden av motstand mot molekylær bevegelse av stoffer i en gitt ; Termisk ledningsevne indikerer motstanden mot varmeoverføring mellom to lag ved forskjellige temperaturer.

Molekylær opprinnelse til konduktivitet

Når materie varmes opp, øker den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene. Molekylær varmeledning er beskrevet av Fouriers lov og makroskopisk varmeledning er beskrevet ved å se bort fra fenomener på molekylært nivå snarere ved en energibalanse. Derfor skiller termisk ledning seg fra termisk konveksjon ved at i det første er det ingen makroskopiske bevegelser av materie, som forekommer i det andre fenomenet. Alle faste stoffer og væsker med laminær strømning har mulighet til å overføre varme ved termisk ledning, mens termisk konveksjon vanligvis kun er mulig i væsker med turbulent strømning. Ledningen endres avhengig av om det er gasser, væsker eller faste stoffer. Hvis de er gasser, har molekylene en uordnet og kontinuerlig bevegelse og kolliderer med hverandre og utveksler energi og lineært momentum. Hvis et molekyl beveger seg fra et område med høyere temperatur til et annet med lavere temperatur, gjør det det i en rett linje og overfører den kinetiske energien til disse andre som har lavere kinetisk energi. Denne overføringen er større når molekylene er små som hydrogen, hvis overføringen måles ved hastigheten på varmeoverføringen. Varmeledningsevnen øker omtrent som kvadratroten av absolutt temperatur og er uavhengig av trykk ved lave atmosfærer (mindre enn 10 atm). Når trykket er veldig lavt i et vakuum , har ledningsevnen en tendens til null fordi molekylene stopper bevegelsen som lar dem overføre. For væsker er molekylene nærmere hverandre og de intermolekylære kraftfeltene er større, så den kinetiske teorien er ikke lenger anvendelig. Av denne grunn ble korrelasjoner oppnådd ved bruk av modeller som ble tilpasset eksperimentelle data ved bruk av semi-empiriske metoder. Varmeledningsevnen varierer moderat med temperaturen, det vil si at den kan uttrykkes lineært: K=a+bT hvor a og b er empiriske konstanter. "a" er den termiske ledningsevnen ved en referansetemperatur og "b" er koeffisienten for termisk ledningsevne som tar for seg variasjonen av ledningsevnen med hensyn til ledningsevnen ved referansetemperaturen. Hvis variasjonen med temperaturen er liten, kan den betraktes som konstant over det temperaturområdet. Dette skjer også for tetthet og spesifikk varme. Den termiske ledningsevnen til væsker er uavhengig av trykk. For matvarer som er blandinger av enkeltstoffer er blandingsegenskapene en vekt av egenskapene til enkeltstoffene, dette er ikke omtalt i dette avsnittet. For metalliske og ikke-metalliske faste stoffer ble det allerede nevnt i begynnelsen.

Termisk ledningsevne til materialer

Termisk ledningsevne er en egenskap til materialer som vurderer evnen til å overføre varme gjennom dem. Den er høy i metaller og generelt i kontinuerlige kropper, den er lav i polymerer , og veldig lav i noen spesielle materialer som glassfiber . For at termisk ledning skal eksistere, er det nødvendig med et stoff, derfor er det null i det ideelle vakuumet , og veldig lavt i miljøer der det har vært praktisert lavt vakuum. Den skiller seg fra stråling ved at det ikke trengs noe medium for energioverføring.

Den termiske konduktivitetskoeffisienten (κ) karakteriserer energien som kan transporteres per tidsenhet, lengdeenhet for separasjon mellom lagene og enhet for temperaturvariasjon mellom lagene. Det er en iboende egenskap for hvert materiale som varierer avhengig av temperaturen som målingen gjøres ved, så målinger gjøres vanligvis ved 300° K for å kunne sammenligne noen elementer med andre fordi ved den temperaturen er det lettere å gjøre målinger. Hvis det er mer enn en komponent i blandingen, for eksempel en murvegg med mørtelfuger, oppnås en nyttig λ i laboratoriet, et vektet gjennomsnitt av koeffisientene til hvert materiale. Dette betyr ikke at det er heterogent .

Tabell over termiske konduktiviteter

Termisk ledningsevne avhenger av lokal temperatur, lokalt trykk, temperaturforskjell, trykkforskjell, stoffets natur, geometri og overflateareal.

Varmeledningsevner for ulike materialer i W / ( Km )
Materiale κ Materiale κ Materiale κ
Stål 47-58 Kork 0,03-0,04 Merkur 83,7
Vann 0,58 Tinn 64,0 Glimmer 0,35
Luft 0,02 Glassfiber 0,03-0,07 Nikkel 52,3
Alkohol 0,16 Glyserin 0,29 Ba 308,2
Alpakka 29.1 Jern 80,2 Parafin 0,21
Aluminium 237 Murstein 0,80 Sølv 406,1-418,7
Asbest 0,04 Brannstein 0,47-1,05 Lede 35,0
Bronse 116-186 Messing 81-116 Glass 0,6-1,0
Sink 106-140 Litium 78,38 Kobber 372,1-385,2
Tre 0,13 Vått land 0,8 Diamant 2300
Titanium 21.9

I noen industrielle prosesser er målet å maksimere varmeledning, enten ved å bruke materialer med høy ledningsevne, eller konfigurasjoner med et stort kontaktområde, eller begge deler. Eksempler på dette er varmeavledere og varmevekslere . I andre tilfeller er ønsket effekt akkurat det motsatte, og det er ønskelig å minimere effekten av ledning, for hvilke materialer med lav varmeledningsevne brukes, mellomrom (se termo ), og de er arrangert i konfigurasjoner med liten kontaktflate .

Faktorer som påvirker termisk ledningsevne

Temperatur

Effekten av temperatur på termisk ledningsevne er forskjellig for metaller og ikke-metaller. I metaller skyldes ledningsevnen først og fremst frie elektroner. I følge Wiedemann-Franz-loven er den termiske ledningsevnen til metaller omtrent proporsjonal med produktet av den absolutte temperaturen uttrykt i Kelvin , multiplisert med den elektriske ledningsevnen. I rene metaller øker ofte den elektriske resistiviteten proporsjonalt med temperaturen, og dermed forblir den termiske ledningsevnen tilnærmet konstant. I legeringer er endringen i elektrisk ledningsevne vanligvis liten og dermed øker den termiske ledningsevnen med temperaturen, ofte proporsjonalt.

På den annen side skyldes ledningsevnen i ikke-metaller grunnleggende gittervibrasjoner (se fononutveksling ). Bortsett fra krystaller av høy kvalitet ved lave temperaturer, reduseres ikke den gjennomsnittlige frie banen til en fonon betydelig ved høye temperaturer. Derfor er ledningsevnen til ikke-metaller tilnærmet konstant. Dermed er varmeledningsevnen lav så lenge temperaturen ikke er for lav. Ved lave temperaturer under Debye-temperaturen synker ledningsevnen akkurat som varmekapasiteten gjør. Med den matematiske formen for ledningsevne som funksjon av temperatur, gjennom middelverdisetningen , oppnås en gjennomsnittsverdi under forutsetningen om at hastigheten for varmeoverføring gjennom et medium med gjennomsnittlig termisk ledningsevne er lik overføringshastigheten gjennom samme medium med varierende ledningsevne. Gjennom denne ligningen er det vist at den gjennomsnittlige varmeledningsevnen er lik verdien av den termiske ledningsevnen ved gjennomsnittstemperaturen. Temperaturgradienten i forhold til posisjon er en funksjon av b. Hvis b er større enn null, går den ned. Hvis b er mindre enn null, øker den. Hvis b er lik null, er den konstant.

Materialfaseendringer

Når et materiale gjennomgår faseendringer fra fast til flytende eller fra væske til gass, kan varmeledningsevnen endres. Som et resultat skjer det at ledningsevnen til vann er kW/(m K) og når det fryser er det kW/(m K) ved én atmosfæres trykk.

Materialstruktur

Rene krystallinske stoffer kan vise ulik varmeledningsevne i forskjellige retninger av krystallen, på grunn av forskjeller i spredningen av fononer langs forskjellige retninger i krystallgitteret. Sapphire er et bemerkelsesverdig eksempel på retningsbestemt termisk ledningsevne, med en ledningsevne på 35 W/(m K) langs c-aksen, og 32 W/(m K) langs a-aksen. [ 1 ]

Elektrisk ledningsevne

I metaller varierer termisk ledningsevne tett med elektrisk ledningsevne i samsvar med Wiedemann-Franz-loven siden fritt bevegelige valenselektroner bærer ikke bare elektrisk strøm, men også varmeenergi. Imidlertid holder ikke den generelle korrelasjonen mellom elektrisk og termisk ledningsevne for andre materialer, på grunn av viktigheten av fotonoverføring i ikke-metaller.

Konveksjon

Luft og andre gasser er generelt gode isolatorer, i fravær av konveksjon, derfor fungerer mange isolasjonsmaterialer ganske enkelt etter prinsippet om at et stort antall gassfylte hull vil forhindre storskala konveksjon. Eksempler på dette inkluderer ekstrudert og ekspandert polystyren (populært kjent som "styrofoam") og silica aerogel . Naturlige og biologiske isolatorer som pels og fjær oppnår lignende effekter ved dramatisk å hemme konveksjonen av luft eller vann nær dyrets hud.

Lette gasser som hydrogen og helium har typisk høy varmeledningsevne. Tette gasser som xenon og diklordifluormetan har lav varmeledningsevne. Ett unntak, svovelheksafluorid brukt i strømbrytere i elektriske transformatorstasjoner, en tett gass, har en relativt høy varmeledningsevne på grunn av sin varmekapasitet . Argon , en gass som er tettere enn luft , brukes ofte som en isolator for glass (i doble vinduer) for å forbedre isolasjonsegenskapene, så vel som inne i lyspærer.

Termisk ledningsevne til kjemiske elementer

Termisk ledningsevne til elementene [ 2 ]​ ved 27 °C in (W m −1 K −1 ):

H jeg har
Li
84,7 		Vær
200 		B. C N ENTEN F ne
Na
141 		mg
156 		til
237 		Ja
148 		P ja Cl Ar
K102.4
_ 		ca
200 		Sc
15,8 		Du
21.9 		V
30,7 		Cr
93,7 		Min
7,82 		Tro
80.2 		Co
100 		Heller ikke
90,7 		Cu401
_ 		Zn116
_ 		Ga
40,6 		Ge
59,9 		ess
50 		Jeg vet br kr
Rb
58,2 		Mr
35.3 		og
17.2 		Zr
22,7 		NB
53,7 		Mo
138 		CT
50,6 		Ru
117 		Rh
150 		Pd
71,8 		august
429 		CD
96,8 		I
81,6 		Sn
66,6 		Sab
24.3 		Te jeg
45 		xe
CS
35.9 		B
18,4 		*
 hf
23 		Ta
57,5 		W174
_ 		Konge
47.9 		Os
87,6 		Gå
147 		Pt
71,6 		Au
317 		Hg
8,34 		Tl
46,1 		bp
35,3 		Bi
7,87 		Po
20 		På rn
Fr Ra **
 RF dB Sg bh timer Mt Ds rg cn Nh FL Mc nivå Ts og
*
 den
13.4 		ec
11.3 		pr
12,5 		Nd
16,5 		kl
15 		Sam
13.3 		Eu
13,9 		GD
10,5 		Tb
11.1 		Dy
10.7 		Ho
16.2 		Er
14.5 		m
16,9 		Yb
38,5 		Lu
16.4
**
 ac 54
_ 		Pa U
27,6 		Np
6,3 		Pu
6,74 		ER cm bk jfr Det er FM MD Nei lr


Beregning av varmeledningsevne for gasser

Som med viskositet finnes det grafer som viser egenskapens variasjon med trykk og temperatur. Det er to grafer, i en estimeres den kritiske varmeledningsevnen og i en annen brukes standard varmeledningsevne (ved 1 atm trykk og ved referansetemperatur) som referanseverdier. De er basert på prinsippet om tilsvarende stater . Grafen for kritisk ledningsevne består i å beregne den reduserte varmeledningsevnen, som er forholdet mellom den kritiske varmeledningsevnen og den termiske ledningsevnen ved et gitt trykk og temperatur. Den reduserte egenskapen finnes som en funksjon av relativ temperatur og trykk. Den relative temperaturen og trykket er kvotientene mellom størrelsene på egenskapene og de kritiske størrelsene. Den brukes for monoatomiske gasser og gir omtrentlige verdier for polyatomiske gasser. Fra plottet av kritiske konduktiviteter ser man at for lave trykk har konduktiviteten en tendens til å være en funksjon av T. Den blir uavhengig av trykk ved 1 atm trykk. Varmeledningsevnen øker med temperaturen for gasser med lav tetthet og varmeledningsevnen avtar med økende temperatur for væsker. I væskeregionen er korrelasjonen enda mindre tilfredsstillende og maksima for K versus T-kurven observeres for polare stoffer som vann . Bestemmelsen av den kritiske termiske ledningsevnen utføres på to måter: a) hvis den termiske ledningsevnen er kjent ved en viss temperatur og trykk, om mulig under forhold nær ønsket termisk ledningsevne, den relative ledningsevnen til grafen og den kritiske varmen konduktivitet beregnes. b) den kan estimeres ved hjelp av en korrelasjon for gasser ved lav tetthet og bestemme den relative ledningsevnen grafisk, for så å beregne den kritiske varmeledningsevnen. Standard konduktivitetsplottet bruker den forutsagte standard konduktiviteten som er konduktiviteten ved atmosfærisk trykk og ved referansetemperaturen. Deretter, med de relative trykk- og temperaturdataene, markeres den relative varmeledningsevnen på grafen og den kritiske varmeledningsevnen beregnes. Varmeledningsevnen for gassformige blandinger estimeres ved hjelp av pseudokritiske metoder. Hvis de eksperimentelle verdiene er tilgjengelige, brukes formen til Wilke-Chang-ligningen. Disse dataene vil komme fra korrelasjonen for gasser med lav tetthet i tilfelle av blandinger med lav tetthet. Korrelasjonen er utledet fra Theory of Heat Conductivity of Gases at Low Density . Ved arbeid med høyere trykk, må en korreksjonsfaktor brukes i tillegg til fugacity for å korrigere det reelle trykket som en gass utsettes for. Fugacity er en korreksjonsfaktor som står for trykkvariasjon på grunn av intermolekylære krefter. Mangelen på korrelasjoner for å estimere varmeledningsevnen til gassblandinger ved høye trykk hindrer utviklingen av korreksjonsfaktorer. For væsker brukes korrelasjonen som oppstår fra teorien om varmeledningsevne for væsker . Korrelasjonen er Bridgman-ligningen og er basert på at molekylene er innelukket i "bur" begrenset av de nærmeste molekylene, lydhastigheten er gjennomsnittshastigheten til molekylene og en del av resultatene for sfærenes kinetiske teori. stiv . For faste stoffer må varmeledningsevnen bestemmes eksperimentelt. Når det gjelder porøse faste stoffer , avhenger varmeledningsevnen av størrelsen på porene, hulromsfraksjonen og væsken som sirkulerer inne i porene. For krystaller er fasene og størrelsene på krystallene av betydning. I amorfe faste stoffer er graden av molekylær orientering av stor betydning. Generelt er metaller bedre varmeledere enn ikke-metaller, og krystallinske materialer leder varme lettere enn amorfe. Tørre porøse faste stoffer er svært dårlige ledere av varme og er derfor termiske isolatorer. Ledningsevnen til metaller avtar med økende temperatur og ledningsevnen til ikke-metaller øker med økende temperatur, mens legeringer viser middels oppførsel. For rene metaller brukes Wiedemann-Franz-Lorenz-ligningen som forutsier at termisk ledningsevne er relatert til absolutt temperatur og elektrisk ledningsevne ved Lorentz-tallet, et dimensjonsløst tall . Denne ligningen er basert på det faktum at frie elektroner er de viktigste varmebærerne i rene metaller. Den er ikke gyldig for ikke-metaller der den lave konsentrasjonen av frie elektroner gjør at energioverføringen skjer i en lav andel.

Se også

Referanser

  1. ^ " Sapphire , Al2O3 " . Almaz optikk . Hentet 15. august 2012 . 
  2. ↑ David R. Lide (2009). CRC Press Inc., red. CRC Handbook of Chemistry and Physics ( 90. utgave). s. 2804. ISBN  978-1-420-09084-0 . 

Bibliografi