Теплотехнические свойства стен из крупноформатных камней
- О нас
- Статьи
- Новости
- Партнеры
- Отзывы
- Реквизиты
- Сертификаты
- СОУТ
- Наши проекты
- Фотогалерея
10|02|2015
- Наружные стены из крупноформатных пустотелых керамических камней жилых, общественных и производственных зданий с нормируемой температурой внутреннего воздуха должны отвечать требованиям СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника. Нормы проектирования» по сопротивлению теплопередаче, паропроницаемости, воздухопроницаемости и теплозащитных качеств.
- Требуемые сопротивления наружных стен из крупноформатных камней воздухопроницанию, паропроницанию и их теплоустойчивость определяется расчетом по СНиП II-3-79* (табл. №1).
- Для снижения воздухопроницаемости наружных стен из крупноформатных пустотелых камней кладку необходимо снаружи выполнять с расшивкой швов, а внутреннюю поверхность стены с штукатурным слоем толщиной 15-20 мм или применять обшивку из плотных материалов.
- Теплозащитные свойства из крупноформатных камней характеризуются сопротивлением теплопередаче Ro м.кв. °С/Вт.
- Сопротивление теплопередаче Ro, приведенное сопротивление теплопередаче Rпр должны быть не менее требуемого сопротивления теплопередаче Rтр.
- Теплопроводность кладки из пустотелых крупноформатных камней составляет – 0,171 Вт/(м°С).
- Теплопроводность кладки из лицевого пустотелого кирпича плотностью 1200 кг м.куб. составляет=0,38(м°С).
- Приведенное сопротивление теплопередаче наиболее повторяемого участка наружной стены в здании из крупноформатных камней в сочетании с лицевым кирпичом и внутренним штукатурным слоем общей толщиной 655 мм составляет 3,17 м. кв. °С/Вт.
- Коэффициент паропроницаемости кладки из крупноформатного керамического камня, облицованной лицевым кирпичом составляет м=0,120 мг(м ч Па)
кв. °С/Вт.Таблица №1
Толщина стены, (мм) | Характеристика слоев, составляющих стены, (мм) | Воздухо-проницаемость (кг/(м2ч)) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
камень | лицевой кирпич | вертикальный растворный шов | штукатурка наружная | штукатурка внутренняя | |||
мокрая | сухая | ||||||
545 | 510 | – | – | 20 | 15 | 16 | 0,45 |
655 | 510 | 120 | 10 | – | 15 | 16 | 0,48 |
670 | 510 | 120 | 10 | – | – | – | 0,5 |
Теплотехнические характеристики огнеупорных и теплоизоляционных материалов
Огнеупорность определяется как температура Т огн, при которой происходит деформация стандартного образца в форме усеченной пирамиды при отсутствии механического и физико-химического воздействия.
Огнеупорные изделия подразделяют на три группы: средней огнеупорности (огнеупорные) – Т огн до 1770 °С; высокой огнеупорности (высокоогнеупорные) Т огн от 1770 °С до 2000 °С, высшей огнеупорности – Т огн – выше 2000 °С. Предельная рабочая температура службы огнеупоров в условиях эксплуатации Tmax значительно ниже, чем Т огн.
В таблице 1 приведены свойства наиболее широко используемых печных огнеупоров. Все огнеупоры характеризуются такими важными эксплуатационными показателями, как термостойкость, шлакоустойчивость, строительная прочность, изменение объема при нагреве, которые определяют их применение для строительства элементов печей.
Термостойкостью называют способность огнеупоров выдерживать циклическое изменение температур при нагреве и охлаждении, так называемые теплосмены. Термостойкость характеризуют числом теплосмен до потери 20% первоначальной массы огнеупора в результате образования трещин и скалывания.
Динас содержит более 93% SiO2 и относится к кремнеземистым, кислым огнеупорам. Обладает высокой строительной прочностью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и соответственно рабочей температурой службы 1650–1700 °С. Устойчив к воздействию кислых расплавов и газовых сред, но не выдерживает контакта с основными расплавами металлов и их оксидов. Термостойкость динаса по стандартной методике не превышает 1-2 водяных теплосмен. Однако, если колебания температуры происходят в области значений выше 300 °С и особенно выше 600 °С, то термостойкость динаса исключительно высока.
Динас широко применяют для изготовления высокотемпературной части насадки доменных воздухонагревателей и регенераторов нагревательных колодцев, которая не охлаждается ниже 600 °С, для кладки распорных сводов.
Таблица 1 – Свойства огнеупоров, наиболее широко используемых в печах
| Группа огнеупоров | Главные хим. | Тогн, °С | Tmax, °С | Плотность – r, т/м3 | Коэф. теплопроводности – l, Вт/(м×К) при 100 °С | Уд. теплоемкость – с, кДж/(кг×К) при 100 °С |
1 | Динасовые | SiO2>93 | 1690-1720 | 1650-1700 | 1,84-1,97 | 1,3 | 0,86 |
2 | Шамотные | 30<Al2O3<45 | 1580-1750 | 1200-1400 | 1,83-1,95 | 0,9 | 0,9 |
3 | Муллитовые | 62<Al2O3<72 | 1600-1800 | 1600-1650 | 2,34-2,52 | 1,2 | 0,86 |
4 | Корундовые | Al2O3>90 | 1950-2000 | 1650-1800 | 2,89-3,12 | 2,1 | 0,83 |
5 | Смолодоломитовые | 50<MgO<85 | 1800-1900 | 1300-1400 | 2,7-2,8 | 3,4 | 0,96 при 1000°С |
6 | Периклазовые (магнезитовые) | MgO>85 | 2200-2400 | 1650-1700 | 2,6-2,8 | 4,5 | 1,08 |
7 | Периклазохромитовые | MgO>60 | 2000 | 1650-1700 | 2,95-3,04 | 2,5 | 1,0 |
8 | Хромитопериклазовые | 40<MgO<60 | 1920-2000 | 1700 | 2,9-3,15 | 2,0 | 1,8 ¸ 1,15 |
9 | Цирконовые | ZrO2>50, | 2000-2300 | 1900-2000 | 3,48-3,83 | 1,4 | 0,64 |
10 | Карбидкремниевые | SiC>70 | 2000 | 1800-2000 | 2,35-2,54 | 9,3 при 1000°С | 0,97 |
компоненты в % (мас.)Шамот относится к алюмосиликатным огнеупорам, содержащим кроме SiO2 до 45% Al2O3.
Обладает более высокой термостойкостью (10-20 водяных теплосмен), но низкой шлакоустойчивостью. Наиболее широко применяется в печестроении при температурах до 1350 °С для строительства стен, сводов, не контактирующих с оксидами металлов, для низкотемпературной части регенеративной насадки. Не выдерживает истирающего действия при высоких температурах.
Муллит и корунд относятся к высокоглиноземистым алюмосиликатным огнеупорам. По мере увеличения содержания Al2O3 повышается их рабочая температура службы, прочность и постоянство объема при разогреве. Термостойкость превышает 150 водяных теплосмен. Применяются вместо шамота в условиях более высоких температур: муллит – до 1650 °С, корунд – до 1800 °С. Плавленые корундовые изделия обладают высокой шлакоустойчивостью и выдерживают давление и истирающее действие металла и шихты. Применяются в установках внепечной обработки стали, в монолитных подинах методических нагревательных печей, в качестве насадки шариковых регенераторов.
Периклаз (или магнезит) содержит не менее 85% MgO. Температура начала размягчения под нагрузкой значительно ниже огнеупорности. Максимальная рабочая температура 1700 °С. Термостойкость изделий невысока и составляет 1-2 водяных теплосмены.
Шлакоустойчивость по отношению. к основным расплавам – металлам и шлакам, богатым оксидами металлов и известью, исключительно высока. Поэтому магнезитовые кирпичи используются для кладки элементов печей черной и цветной металлургии, которые контактируют с расплавами металлов и основных шлаков. Магнезитовый порошок используют для заполнения швов при кладке подин плавильных печей.
Периклазохромитовые и хромитопериклазовые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и хромит Cr2O3. Свойства этих огнеупоров существенно отличаются от периклазовых и зависят от соотношения хромита и магнезита. Максимальная термостойкость соответствует отношению Cr2O3:MgO = 30:70. Шлакоустойчивость выше при содержании хромита 20 %. В сводах сталеплавильных печей наибольшую стойкость имеют изделия с содержанием хромита 20-30 %.
Они изнашиваются из-за образования трещин и сколов, к которым приводят термические напряжения, возникающие при колебании температуры в рабочем пространстве печи.Смолодоломитовые безобжиговые огнеупоры содержат в качестве основы MgO и СаО, а также углерод в виде смоляной связки в количестве 2-4 %. Они применяются для футеровки конвертеров. Известь СаО взаимодействует с силикатами конвертерного шлака, благодаря чему на поверхности футеровки образуется гарниссаж, препятствующий проникновению шлака в футеровку.
Углеродистые огнеупоры изготавливаются из доступного сырья – графита, кокса – с высокой температурой плавления ³ 3500 °С. Они не смачиваются расплавами и поэтому устойчивы против них, имеют высокую термостойкость, но начинают окисляться в продуктах горения топлива при температуре ³ 600 °С. Поэтому их используют для службы в восстановительной среде: в электрических печах для производства ферросплавов, алюминия, свинца, в лещади доменных печей, в качестве припаса для разливки металлов, для изготовления электродов дуговых плавильных печей.
Карбидкремниевые огнеупоры содержат в качестве главного компонента SiC – карборунд. Они покрыты защитной плёнкой SiO2, поэтому не окисляются как углеродистые. Имеют высокую прочность, износоустойчивость, термостойкость. Устойчивы против нейтральных и кислых расплавов, нестойки против основных. Применяются для изготовления трубок керамических рекуператоров, огнеупорных муфелей.
Неформованные огнеупоры применяют для изготовления монолитных футеровок из огнеупорного бетона и набивных масс. Огнеупорный бетон представляет собой смесь огнеупорного наполнителя (бой огнеупорных изделий) с размером частиц от 0,5 до 70 мм, вяжущего и добавок. В качестве вяжущего используют твердеющие в холодном состоянии огнеупорные цементы (глиноземистый, магнезиальный), жидкое стекло, фосфатные связки на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4. Добавки могут регулировать скорость схватывания и твердения, улучшать пластические свойства, уменьшать усадку.
Широко распространены динасовые бетонные блоки и панели для стен нагревательных колодцев, глинистокварцитовые массы для набивной футеровки ковшей.
Применяют монолитную футеровку стен и сводов нагревательных печей из жидкого (литого) бетона с креплением её к металлическому каркасу печи с помощью анкерных кирпичей, распределенных по площади стен и свода.Защитные гарниссажи образуются на рабочей поверхности ограждения плавильных, шахтных и дуговых печей из спекающихся или расплавленных материалов при интенсивном охлаждении стен печи водой или воздухом. В плавильных печах цветной металлургии гарниссаж является эффективным средством защиты, а иногда и замены футеровки.
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для тепловой изоляции металлургических печей применяются три вида изделий: 1) легковесные пористые огнеупорные кирпичи: шамот-легковес, динас-легковес, диатомитовый и другие; 2) теплоизоляционные засыпки; 3) изделия в виде плит, ваты, войлока, картона, изготовленные на основе керамического волокна в смеси со связующим материалом, так называемые волокнистые огнеупоры. Волокнистые огнеупоры являются относительно новыми теплоизоляционными материалами.
Легковесные огнеупорные кирпичи обладают большой пористостью и поэтому меньшей плотностью и теплопроводностью, чем обычные огнеупорные кирпичи (табл. 2). Марка кирпича в табл. 2 расшифровывается так: Д – динас, Ш – шамот, Л – легковес, числа после тире означают плотность. Чем меньше плотность кирпича, тем лучше его теплоизоляционные свойства, но ниже максимальная рабочая температура.
По сравнению с обычными огнеупорами шамот-легковес и другие легковесы имеют более низкую прочность, шлакоустойчивость и термостойкость. Их можно применять не только для теплоизоляционного слоя футеровки, но и для рабочего слоя, в термических печах. Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей.
Таблица 2 – Свойства легковесных огнеупорных изделий
№пп | Тип и марка изделия | Плотность – r, т/м3 | Т мах, раб, °С | Коэф. | Уд. теплоемкость – с, кДж/(кг×К) в интервале 0‑1400 °С |
1 | Динас ДЛ-1,2 | 1,2 | 1500 | 0,58+0,38×10-3×t | 1,19 |
2 | Шамот ШЛ-1,3 | 1,3 | 1350 | 0,47+0,14×10-3×t | 1,19 |
5 | Диатомитовый кирпич | 0,5 | 1000 | 0,15 (при t=350 °С) | 1,0 |
теплопроводности – l, Вт/(м×К)В качестве засыпок используются, в основном, естественные теплоизоляционные материалы: диатомит, инфузорная земля, трепел и вермикулит.
Первые три материала имеют состав SiO2×nh3O.
Диатомит – продукт разложения водорослей, имеет рыхлую землистую структуру. Применяют в виде порошка или изделий, изготовленных на глинистой связке: плотность изделий 500, 600 и 700 кг/м3, коэффициент теплопроводности соответственно равен 0,18, 0,21, 0,27 Вт/(м×К). Коэффициент теплопроводности засыпки из диатомита колеблется в пределах 0,12-0,16 Вт/(м×К). Предельная температура применения диатомитовых изделий 1000 °С, засыпки 900 °С.
Инфузорная земля является продуктом разложения животных организмов; применяют чаще в виде порошка.
Трепел – продукт выветривания горных пород, пористый материал с низкой теплопроводностью; применяют в виде порошка или изделий. По свойствам изделия из трепела близки к диатомитовым.
Вермикулит — это разновидность слюды, имеющая способность при нагреве значительно увеличивать свой объем. Используют вермикулит в виде засыпки или в виде плит. Применяется до температуры 700-900 °С. В обожженном виде носит название – зонолит.
Предельная температура применения зонолита 1000-1100 °С. Коэффициент теплопроводности вермикулита и зонолита 0,1 Вт/(м×К).
К неогнеупорным изоляционным материалам относится асбест. Асбест является водным силикатом магния состава 3MgO×2SiO2×2h3O, имеет волокнистое строение, пористый. Применяют в виде крошки для засыпки или в виде изделий – шнура, картона, плит, ткани и ваты.
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, КОТОРЫЕ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧАХ
В таблице 3 представлены некоторые виды волокнистых огнеупорных изделий и их свойства. Волокнистые плиты, как и шамот-легковес, применяют для изготовления не только изоляционного, но и рабочего слоя футеровки термических печей с целью снижения потерь теплоты в рабочем пространстве печи. При этом уменьшаются два вида потерь: на аккумуляцию теплоты футеровкой и теплопроводностью через футеровку в окружающую среду.
Таблица 3 – Виды волокнистых огнеупорных изделий
№ пп | Тип и марка изделия | Толщина, мм | Плотность – r, т/м3 | Т мах, раб, °С | Коэф. | Уд. теплоемкость – с, кДж/(кг×К) |
1 | Плита ШПГТ-450 | 100 | 0,45 | 1300 | 0,2 | 1,0 |
2 | Вата МКРР-130 | 15; 20 | 0,13 | 1250 | 0,22 | 1,0 |
3 | Войлок МКРВЦ-150 | 15; 20 | 0,15 | 1400 | 0,14 | 1,0 |
4 | Фетр МКРВЦФ-130 | 15; 20 | 0,13 | 1400 | 0,18 | 1,0 |
Тепловые свойства материалов
Каковы тепловые свойства материалов и почему такие материалы, как сталь, выбираются для конкретной конструкции изделия, а дерево не учитывается? Термические свойства присутствуют в каждой разработке продукта , так как самые разные детали должны будут справляться с такими требованиями, как подвергаться интенсивному нагреву в течение короткого периода времени или, наоборот, противостоять изменениям температуры в течение длительного периода времени в под открытым небом.
Действительно, при подводе тепла к твердому, жидкому или газообразному телу изменяются некоторые его свойства . Тепловые характеристики связаны с реакцией, зависящей от материала, и в основном все свойств материалов (физические, химические, механические, электрические, магнитные и оптические) зависят от температуры, хотя существуют материалы, специально разработанные для сопротивления экстремальному нагреву.
Среди тепловых характеристик мы находим некоторые, связанные с переносом тепла (теплопроводность, температуропроводность или теплоемкость.
В этой статье мы рассмотрим некоторые из наиболее важных тепловых характеристик материалов в машиностроении , такие как теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, плавкость и свариваемость.
1. Теплоемкость
Теплоемкость – это свойство, указывающее на способность материала поглощать тепло и изменять свою температуру , таким образом измеряя внешнюю энергию, необходимую для увеличения единицы температуры (обычно на 1°C или 1°C). С).
В математических терминах теплоемкость (C) представляет собой скорость изменения тепла (Q) по отношению к температуре (T):
C= dQ ÷ dT
более или менее трудно для тела претерпевать изменения под воздействием тепла. Например, теплоемкость воды в бассейне будет намного больше, чем у стакана воды, который мы легко можем нагреть в микроволновке.
Не путать с понятием удельная теплоемкость (обозначается строчной буквой с), которая относится к теплоемкости на единицу массы. Таким образом, эта способность тела «аккумулировать тепло» есть частное между теплоемкостью и массой тела. Единицей удельной теплоемкости в Международной системе является Дж/(кг∙К). Таким образом, можно вычислить количество теплоты в джоулях, необходимое для повышения температуры одного килограмма данного вещества на 1 градус.
При разработке продукта нельзя игнорировать тепловые свойства, и одним из испытаний, проводимых с материалами для определения их старения, является помещение их в климатическую камеру, которая имитирует поведение материала в течение периода от 0 до 10 лет при определенных климатических условиях.
Здесь вы можете увидеть практический пример его использования в t Ускоренное старение материалов для обнаружения критических отказов из-за коррозии.
2. Теплопроводность
Теплопроводность – это способность материала передавать тепло. Теплопроводность выражается в единицах международной системы как Вт/(м∙К). Металлы, которые так способны быть очень горячими или ледяными, не обладают самой высокой теплопроводностью , но алмаз подходит. За ним следуют серебро, медь, карбид кремния, графит, железо или сталь.
Причина в том, что атомы металлов имеют свободные электроны в самых внешних слоях, что позволяет им легко перемещаться и переносить тепловую энергию (как и электричество). Это не относится ко многим пластикам, изоляционным материалам или, например, к дереву. Поэтому никогда не стоит закрывать радиаторы мебелью.
Теплопроводность, с другой стороны, представляет собой явление, при котором тепло передается от областей с более высокой температурой к более низкой в материале или между различными телами. На самом деле тепло всегда течет из области с более высокой температурой в область с более низкой .
3. Тепловое расширение
Большинство материалов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Тепловое расширение материалов представляет собой их расширение при нагревании. Это может быть длина, объем или какой-либо другой метрический размер. Его можно измерить различными способами, такими как:
- Линейное расширение: , когда преобладает изменение в одном измерении.
- Кубическое расширение: коэффициент объемного расширения сравнивает значение полного объема тела до и после изменения температуры.
- Расширение площади или поверхности: когда тело увеличивает свои размеры в той же пропорции.
4. Плавкость
Плавкость – это легкость, с которой материал может плавиться или плавиться . Понятно, что некоторые материалы, такие как металл, стекло или пластик, легко плавятся при нагревании, но это не всегда представляет интерес при выборе материалов для изделия.
Знание этой легкости или устойчивости к плавлению необходимо для таких процессов, как сварка , где сплав, используемый для сварки, должен иметь более низкую температуру плавления по сравнению со свариваемыми материалами. Для мягкой пайки обычно используются сплавы свинца и олова, а для твердой пайки используются такие материалы, как серебро, медь или цинк.
С другой стороны, существуют огнеупорные материалы , которые могут выдерживать высокие температуры без разложения, такие как оксиды алюминия, кремния и магния, которые используются в плавильных печах и мусоросжигательных печах.
5. Свариваемость
Это способность одного или нескольких материалов соединять две свои части вместе в однородный и высококачественный сварной шов , чтобы они соответствовали требованиям, для которых они были разработаны. Это можно сделать путем применения тепла до достижения температуры плавления или с помощью промежуточного материала для адгезии. Сталь, алюминий, никель, медь или титан и их сплавы — это металлы, которые обычно используются для сварки.
В этом практическом примере до Инновационный материал , команда Infinitia решила задачу , найдя идеальный материал для устойчивых коррозионно-стойких покрытий , которые также имеют высокую температуру, высокую влажность, совместимость со сваркой и экономичность.
В INFINITIA Industrial Consulting мы являемся экспертами в области материалов и помогаем десяткам компаний и организаций решать конкретные проблемы с помощью этого подхода. Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации .
Тепловые свойства инженерных материалов
РЕКЛАМА:
Под тепловыми свойствами материала мы подразумеваем такие свойства или характеристики материалов, которые являются функциями температуры или тепла. Здесь нас интересует термическое поведение твердых тел, т. е. реакция твердого материала на тепловое изменение, т. е. увеличение или уменьшение тепла или температуры.
Термические свойства технических материалов включают следующее:
1. Удельная теплоемкость.
ОБЪЯВЛЕНИЙ:
2. Теплопроводность.
3. Термическое расширение.
4. Температура плавления или термостойкость.
5. Тепловой удар.
РЕКЛАМА:
6. Температуропроводность.
7. Тепловой эффект.
Эти свойства важны в таких приложениях, как термодинамика, теплопередача и плавление металлов.
1. Удельная теплоемкость (теплоемкость) :Теплоемкость материала определяется как количество теплоты, необходимое для повышения его температуры на 1°. Теплоемкость на единицу массы материала определяется как его удельная теплоемкость. Теплоемкость на моль определяется как его молярная теплоемкость.
РЕКЛАМА:
Математически удельная теплоемкость твердого тела определяется как-
Где, m = Масса,
T = Температура,
РЕКЛАМА:
Q = содержание энергии и
dQ = Энергия (тепло), добавляемая или вычитаемая для получения изменения температуры dT.
При изменении удельной теплоемкости на единицу массы на градус c = dQ, количество теплоты, которое необходимо добавить к единице массы твердого тела, чтобы повысить его температуру на один градус. Удельную теплоемкость материала иногда определяют как отношение его теплоемкости к теплоемкости воды. Удельная теплоемкость при этом становится безразмерной единицей (как удельная теплоемкость воды равна единице в единицах МКС).
Для газов существует две удельные теплоемкости: удельная теплоемкость при постоянном объеме c v и удельная теплоемкость при постоянном давлении c p . c p всегда больше, чем c v , так как любое вещество расширяется при нагревании и требуется дополнительное тепло для повышения температуры на 1 градус, чтобы компенсировать энергию, необходимую для расширения. Для твердых веществ разница между c p и c v незначительна, и используется только одна удельная теплоемкость (c р = с v = с). Это связано с тем, что в твердых и жидких телах расширение при нагревании очень мало.
РЕКЛАМА:
Согласно классической кинетической теории теплоты теплоемкость атома в твердом теле (кристаллическом элементе) постоянна и равна 26 кДж/кг атомов (°С) при комнатной температуре. Это должно быть разделено на молекулярную массу, чтобы получить массовую удельную теплоемкость твердого тела.
Удельная теплоемкость слегка увеличивается с повышением температуры и варьируется от металла к металлу. В качестве общего приближения можно использовать увеличение на 5 процентов на каждые 100°C повышения температуры. Эффект повышения температуры металлов и сплавов заключается в увеличении амплитуды колебаний каждого атома, а поглощаемая таким образом тепловая энергия представляет собой удельную теплоемкость.
2. Теплопроводность : Определяется как количество тепла, проводимого в единицу времени через единицу площади перпендикулярно направлению теплового потока. Теплопроводность через изотропные твердые тела выражается законом Фурье:
q = скорость теплового потока на единицу площади по нормали к направлению потока,
T = Температура,
x = расстояние, измеренное в направлении потока, и
k = теплопроводность.
Тепловой поток через твердые тела возникает из-за упругих колебаний атомов или молекул или из-за передачи энергии свободными электронами. Металлы имеют большой запас свободных электронов, которые объясняют их теплопроводность. Оба типа проводимости встречаются в металлах и полупроводниках. Изоляторы имеют более низкую проводимость, поскольку они полностью зависят от колебаний решетки атомов и молекул. Это более медленный процесс, чем электронная проводимость.
Теория теплопроводности через кристаллические твердые тела (металлы), основанная на квантовой (твердотельной) теории, может быть объяснена концепцией фононов, которые представляют характеристики частиц (газа) тепловой волны. Это квант энергии и колебания термоупругой (акустической) волны.
В диэлектриках (теплоизоляторах) теплопроводность обусловлена только атомными или молекулярными колебаниями решетки (решетка представляет собой геометрический массив линий или точек, в которых атомы считаются сферами), представляющей определенный тип кристаллической (скажем, металлической) структуры.
Прохождение этой упругой тепловой волны (или фононов) через кристалл сродни прохождению молекулы газа через газ. На нагретой поверхности движение увеличивается, так что столкновения с другими фононами происходят с повышенной скоростью и, таким образом, тепло передается другим частям фононного газа. Теплопроводность в твердых телах определяется формулой, аналогичной формуле, полученной из кинетической теории газов.
Где, k = Теплопроводность,
c = Удельная теплоемкость на единицу объема,
ν = средняя скорость частиц или скорость решеточной волны (скорость звука), а
λ = Длина свободного пробега решеточной волны (фонона) данной частоты.
В идеальном кристалле атомные или молекулярные волны вибрации гармоничны, следовательно, X очень велико, и он должен иметь бесконечную теплопроводность. В реальных кристаллах возможно взаимное рассеяние и решеточная волна (фононы) из-за негармоничности колебаний и внутреннего несовершенства кристалла. Рассеяние фононов и, следовательно, теплопроводность зависят от кристаллической структуры металлов и сплавов.
Сравнение теплопроводности и электропроводности приведено ниже:
Ниже приведены некоторые типичные коэффициенты теплопроводности:
Теплопроводность чистых металлов увеличивается при понижении температуры, часто в значительной степени. Медь имеет теплопроводность примерно в 35 раз большую при -269°С, чем при 20°С.
Однако сплавы не демонстрируют такого выраженного увеличения теплопроводности при более низких температурах, и для подавления этого изменения тепловых характеристик требуется лишь небольшой процент легирования.
При нормальных и повышенных температурах чистые металлы и их сплавы обладают очень низким температурным коэффициентом теплопроводности, и, таким образом, для всех целей проектирования это влияние более высокой температуры на теплопроводность обычно игнорируется.
Теплопроводность аморфных твердых тел, таких как стекла и пластмассы, увеличивается с повышением температуры. Как правило, они обладают низкой теплопроводностью при комнатной температуре. Это связано с тем, что аморфные твердые тела имеют избыточное рассеяние фононов своей неупорядоченной структурой при более низких температурах.
Теплопроводность огнеупоров (более сложных твердых тел) зависит от их химического состава и кристаллической структуры. Это связано с наличием примесей и сравнительно меньшим размером зерна и пористостью, что приводит к более низким значениям теплопроводности.
Если структура простая, как в случае карбида кремния, теплопроводность имеет более высокое значение. Огнеупорные глиняные кирпичи и топливный плавленый кварц также демонстрируют увеличение теплопроводности с повышением температуры. С другой стороны, в случае магнезита и оксида алюминия, которые по своей природе более кристалличны, теплопроводность уменьшается с повышением температуры.
Тепловое расширение возникает из-за добавления тепловой энергии к атомам и их последующего перемещения от их положений равновесия по мере повышения температуры в твердом теле. Это расширение или сжатие в результате повышения или понижения температуры является трехмерным, но на практике для простоты используется линейное тепловое расширение вместо объемного расширения.
Увеличение длины на единицу длины на градус повышения температуры называется коэффициентом линейного расширения. Тепловое расширение не обязательно зависит от температуры равномерно, но достаточно линейно в узких диапазонах температур.
Если связи между атомами сильные и узконаправленные, как в ионных и ковалентных твердых телах, тепловое расширение будет относительно небольшим. Если, с другой стороны, атомы более слабо связаны, как в металлах, то степень расширения выше. В молекулярном твердом теле, где связь меньше всего сопротивляется движению молекул, тепловое расширение будет наибольшим.
Тепловое расширение твердого тела связано с другими тепловыми свойствами, такими как удельная теплоемкость и температура плавления, поскольку все эти свойства возникают из-за колебаний решетки, которые увеличиваются с температурой. Атомы или молекулы, как объяснялось ранее, колеблются (вибрируют) с определенной амплитудой относительно своего положения равновесия.
Амплитуда этой вибрации увеличивается с повышением температуры, что приводит к удалению атомов и молекул от их равновесного положения, вызывая увеличение объема (или линейное расширение) твердого тела. Таким образом, величина коэффициента теплового расширения твердых тел будет зависеть от их межатомных и межмолекулярных форм, а также от их структурного устройства.
Было замечено, что между абсолютной нулевой температурой и точкой плавления диапазон общего объема элементов примерно постоянен. Это можно интерпретировать так, что материалы с более низкими температурами размягчения (плавления) будут иметь более высокие коэффициенты расширения. Это также означает, что тепловое расширение будет приближаться к нулю при температуре абсолютного нуля.
Органические полимеры, такие как пластмассы и каучук, имеют во много раз более высокие коэффициенты расширения, чем металлы, из-за их относительно более низкой температуры размягчения. Это можно уменьшить путем добавления наполнителей (таких как стекловолокно, асбест, оксид алюминия и т. д.), обладающих более низкими коэффициентами теплового расширения. Легирование металлов оказывает незначительное влияние на это свойство.
4. Температура плавления : Точка плавления или точка размягчения представляет собой значительный уровень температуры, поскольку она представляет собой точку перехода между твердой и жидкой фазами, имеющими различное структурное расположение атомов в материале. Когда тепло добавляется к твердому телу, его тепловая энергия увеличивается до тех пор, пока атомы или молекулы на поверхности не начнут отрываться от своих положений равновесия.
Существует связь между межатомным расстоянием, при котором сила связи максимальна, и амплитудой теплового колебания, при которой происходит это отрывание, как если бы атомы могли быть разделены в этой точке, для дальнейшего их разделения не требуется дальнейшего увеличения силы. После начала плавления любое дополнительное тепло расходуется на активацию новых частиц твердых тел, которые, в свою очередь, сталкиваются с соседними частицами, передавая им свою энергию.
Таким образом, структура превращается из твердого тела, имеющего определенные положения равновесия, в жидкость, имеющую только ближний порядок. При плавлении дальнейшего повышения температуры не происходит, и твердая и жидкая фазы существуют при одной и той же температуре. Температура плавления зависит от количества необходимой тепловой энергии.
Это, в свою очередь, зависит от характера межатомных и межмолекулярных связей. Поэтому более высокую температуру плавления демонстрируют те материалы, которые обладают более прочными связями. Ковалентные, ионные, металлические и молекулярные типы твердых тел имеют порядок убывания прочности связи и, следовательно, температуры плавления.
Кристаллические твердые вещества имеют высокую температуру плавления, при которой происходит внезапный переход из твердого состояния в жидкое. Аморфные твердые вещества, такие как стекла, пластмассы и каучуки, а также глины не имеют определенных температур плавления, но постепенно размягчаются в определенном диапазоне температур.
Связь между тепловым расширением и температурой плавления:
Оба зависят от связей между атомами (или молекулами) твердого тела и поэтому связаны между собой. Для каждого класса материалов
α T м = постоянная, …(10,4)
Где α = коэффициент теплового расширения, а
T m = Температура плавления.
Таким образом, любые два материала данного класса, обладающие одинаковым коэффициентом расширения, будут иметь примерно одинаковую температуру плавления.
Значение этой константы следующее:
Есть интересный вывод, что для того, чтобы материал был покрыт другим материалом, покрытие должно быть другого класса, чем основной материал, если оба должны иметь одинаковое тепловое расширение.
Термостойкость:
Температура плавления определяет термостойкость материала, поскольку любой материал для применения при высоких температурах должен иметь температуру плавления выше рабочей температуры. Известно, что керамические материалы имеют высокие температуры плавления и хорошую химическую стабильность, но их трудно изготовить, и они не выдерживают термических или механических ударов.
Ниже приведен список некоторых материалов, обладающих устойчивостью к высоким температурам:
5. Термический удар : Термический удар — это воздействие резкого изменения температуры на материал, тогда как устойчивость к тепловому удару можно определить как способность материала выдерживать термические напряжения из-за внезапных и резких изменений температуры на поверхности твердого тела.
Если твердая конструкция не может свободно расширяться или сжиматься при нагревании или охлаждении, чрезмерные термические напряжения могут привести к термическому удару и разрушению корпуса. Термический удар в результате охлаждения, приводящий к возникновению растягивающих напряжений на поверхности, гораздо опаснее, чем при нагреве.
Термическое сопротивление твердого тела иногда определяется уравнением:
Где, k = Теплопроводность,
σ t = Прочность на растяжение,
E = модуль Юнга и
α = Линейный коэффициент теплового расширения.
Для максимальной ударопрочности:
(i) Теплопроводность должна быть высокой.
(ii) Тепловое расширение должно быть низким.
(iii) Материал должен иметь низкий модуль упругости и высокую прочность на растяжение.
г. Хрупкие материалы, такие как стекло и керамика, особенно подвержены термическому удару, потому что они легко разрушаются из-за хрупкости, а не пластичности.
Температуропроводность (ч) определяется как:
c p ρ представляют потребность в тепле на единицу объема. Материал с высокой потребностью в тепле на единицу объема обладает низкой температуропроводностью, потому что для воздействия на изменение температуры к материалу необходимо добавить или отвести больше тепла. Таким образом, температуропроводность связана с диффузией тепловой энергии и может рассматриваться как поток энергии, возникающий в результате движения фононов через относительно стационарный массив атомов. Поскольку фононы имеют форму волны, атомы вибрируют в унисон, но физически не переносятся.
7. Термические напряжения: Когда расширение или сжатие тела из-за изменения температуры полностью или частично предотвращается, в теле возникает тепловой стресс. Термическое напряжение может возникать из-за внешних тел, соединенных с одним под напряжением, например, сварной конструкции, компонентов термоусадочной посадки железнодорожных путей.