Tepelná kapacita, tepelná vodivost materiálů

Tepelná kapacita je schopnost akumulovat tepelnou energii v materiálu při jeho zahřívání. Číselně se měrná tepelná kapacita rovná energii, kterou je třeba vložit do jednotkového objemu materiálu, aby se ohřel o jeden stupeň. Rozměr měrné tepelné kapacity [J/(kg K)]. Toto množství je rozsáhlé, tzn. můžete mluvit o tepelné kapacitě jednotlivé molekuly nebo atomu, pak je sečíst a získat tepelnou kapacitu jednoho gramu nebo jednoho molu látky. Hodnota tepelné kapacity závisí na charakteru materiálu. Nejvyšší tepelná kapacita vody je 4.2 10 3 J/(kg K) nebo 4.2 kJ/(kG K). Naprostá většina materiálů má měrnou tepelnou kapacitu řádově 1 kJ/(kg K). Tepelná kapacita závisí na teplotě. Blízko nuly Kelvinů je malý, v rozsahu provozních teplot se s rostoucí teplotou mírně mění. Jakékoli skoky v tepelné kapacitě jsou spojeny se strukturální restrukturalizací těles, například s prodlouženým tavením látek, jako je parafín. Zde můžeme uvést příklad parafínového nahřívacího obvazu, kdy se teplo díky vysoké tepelné kapacitě parafínu dlouhodobě udržuje a obvaz dlouhodobě hřeje.

Tepelná kapacita plynů byla dobře teoreticky prostudována. Pro plyny byly dokonce zavedeny dva typy tepelné kapacity: při konstantním tlaku C_p a při konstantním objemu C_v. Obvykle se uvažuje tepelná kapacita na molekulu. Pak pro monoatomický plyn C_p= 5/2 kT a C_v= 3/2 kT. Proč je obtížnější zahřívat molekuly při konstantním tlaku? Je jasné, že v tomto případě plyn expanduje, což znamená, že je potřeba další energie k ohřevu plynu při konstantním tlaku. Všimněte si, že pro víceatomové plyny je tepelná kapacita vyšší, protože Při zahřívání je zapotřebí energie k rotaci molekul, vibracím atd.

Uveďme výraz pro tepelnou energii materiálu:

kde m je hmotnost materiálu, T₂,T₁ konečné a počáteční teploty.

Tento výraz lze přepsat pro místní, specifické parametry:

kde Q/V je specifické uvolnění energie, d je hustota materiálu.

Výrazy (1.27-1.28) umožňují určit změnu teploty materiálu během jeho provozu, například v důsledku ztrát dielektrické energie, průtoku proudu nebo jiného procesu. Uvolňování energie Q je určeno specifickými procesy probíhajícími v materiálu.

Tepelná vodivost určuje schopnost přenášet tepelnou energii materiálem. To je také důležitá charakteristika, vyznačuje se součinitelem tepelné vodivosti l; Číselně se rovná průtoku q procházejícím plochou krychle o jednotkové ploše s rozdílem teplot na jejích stranách 1 °C. Nejlépe předávají teplo kovy, takže pro měď l = 400 W/(m K ), pro stříbro o něco více (418) , pro hliník 200 W/(m·K), pro nerez přibližně 20 W/(m·K), pro jednoduché oceli přibližně dvakrát vyšší.

Dielektrické materiály mají obvykle výrazně nižší tepelnou vodivost. Například pro beton l .=0.6 W/(m·K), pro transformátorový olej l .=0.13 W/(m·K), pro vzduch l = 3,67 10 -2 W/(m·K). Jediným dielektrikem, které má vysokou tepelnou vodivost, je oxid beryllitý l.“ 200 W/(m K). Všimněte si, že v příručkách se často uvádí l. v zastaralých jednotkách, například cal/(cm·sec·°С); Chcete-li převést na jednotky SI, vynásobte 418.

U plynů a kapalin hraje běžná tepelná vodivost vedlejší roli. V tomto případě hraje hlavní roli konvekce a záření.

Ke konvekci dochází v důsledku skutečnosti, že zahřátá kapalina nebo plyn expanduje, jejich hustota klesá a začnou „plavat“ pod vlivem Archimedovy vztlakové síly. Díky tomu vznikají lokální proudy, které efektivně odvádějí teplo z vyhřívané zóny. V tepelné technice bylo vyvinuto zařízení pro výpočet tepelné vodivosti při zohlednění konvekce. Zhruba lze říci, že konvekce zvyšuje tepelnou vodivost několikanásobně.

Při vývoji elektrických topných zařízení na bázi materiálu ECOM jsem se podílel na výpočtech tepelné vodivosti. Takže zohlednění přirozené konvekce ve vzduchu vede ke zvýšení efektivní tepelné vodivosti v konvektoru dvou paralelních vertikálních desek přibližně 10krát při povrchové teplotě přibližně 150 – 200 ° C.

Důležité je také tepelné záření, zejména při zvýšených teplotách. Hlavní výraz použitý v odhadech je:

kde _x je šedý koeficient emitujícího materiálu, s je konstantníяStefan-Boltzmann, s = 5.67-10 W/(m8K2). Součinitel šedi závisí na druhu materiálu, zejména na jeho tepelné vodivosti a stavu povrchu. U kovů je tento koeficient malý, pohybuje se od jednotek do desítek procent v závislosti na drsnosti povrchu, přičemž hrubší povrch odpovídá vyššímu koeficientu šedi. U dielektrik (s výjimkou speciálních kompozic s elektricky vodivými složkami) se e pohybuje v rozmezí 4 – 80 %. Odhady ukazují, že tento faktor se stává hlavním při teplotách řádově 95 stupňů a vyšších.

Nejvyšší tepelné vodivosti v normálním teplotním rozsahu lze dosáhnout přenosem tepla odpařováním. Pokud někde odpaříte kapalinu a pak ji zkondenzujete na jiném místě, výparné teplo odebere část tepla z vyhřívané oblasti a předá ji při kondenzaci na jiné místo. To je ekvivalentní tepelné vodivosti mezi těmito oblastmi. Odhady ukazují, že ekvivalentní tepelná vodivost může překročit tepelnou vodivost mědi přibližně pětitisíckrát.

Teplotní koeficienty. Téměř všechny vlastnosti materiálů závisí na teplotě. To se obvykle zohledňuje zavedením tzv. teplotní koeficient. Přísně matematicky se pro libovolnou vlastnost x uvozuje výrazem

kde x může být jakákoliv charakteristika materiálu. Rozměr libovolného teplotního koeficientu je 1/K. Vezměme například velikost x jako l vzorek materiálu. Pak

znamená teplotní koeficient roztažnosti materiálu. Pro dielektrickou konstantu to bude teplotní koeficient dielektrické konstanty, pro měrný odpor to bude teplotní koeficient měrného odporu.

V praxi obvykle používají lineární aproximaci, přičemž změnu charakteristik s teplotou považují za malou ve srovnání s hlavní hodnotou. Pro tento případ můžeme výslovně vypsat teplotní závislost.

Pro měrný odpor r (T) = r (T )(1 + Tk r (T-T ))

Pro dielektrickou konstantu e (T) = e (T )(1 + Tke (T-T ))

Konkrétní hodnoty teplotních koeficientů materiálů lze nalézt v referenčních knihách. V případě silné změny charakteristik s teplotou (např. dielektrická konstanta v případě feroelektrik) nelze lineární aproximaci použít. V těchto případech byste měli použít tabulky nebo grafy.

Lidé v moderním světě žijí v proudu energie a různých polí: elektrických, magnetických a dalších. Jedním z nejzáhadnějších a nejzajímavějších je tepelné pole, protože je přítomno všude a vždy. Věc se má tak, že všechno kolem má úžasnou vlastnost zvanou tepelná vodivost. Tepelná vodivost existuje v plynných, kapalných i pevných médiích, v zařízeních a výrobcích různých tvarů a účelů.

Co je tepelná vodivost?

Tepelná vodivost je proces přenosu tepla přímým kontaktem mezi různými tělesy nebo jednotlivými částicemi tělesa, které mají různé teploty [1].

Tepelná vodivost je proces přenosu tepla kontaktem, náhodně se pohybujících strukturních částic hmoty (molekul, atomů, elektronů atd.). Strukturní částice teplejší části tělesa, která má více energie, při kontaktu s okolními částicemi předávají část své energie těmto částicím. Tepelná vodivost v čisté formě je zpravidla možná pouze u pevných těles se spojitou strukturou.

Tento typ výměny tepla je pozorován u jakýchkoli tepelně nerovnovážných těles nebo soustav těles. Mechanismus přenosu energie závisí na fyzikálním stavu těles.

V kovech dochází k přenosu tepla pohybem (difúzí) volných elektronů; přenos tepla elastickými vibracemi krystalové mřížky je druhořadý.

V kapalinách i v pevných dielektrických tělesech se přenos tepla provádí přímým přenosem tepelného pohybu molekul a atomů na sousední částice látky.

V plynech dochází k přenosu tepla tepelnou vodivostí v důsledku výměny energie během srážky molekul s různými rychlostmi tepelného pohybu (difúzí molekul a atomů) [1].

Hlavní charakteristikou procesu přenosu tepla v důsledku tepelné vodivosti je součinitel tepelné vodivosti — λ (W/m K). Součinitel tepelné vodivosti (TC) ukazuje, kolik tepla se přenese přes jeden povrch za 1 sekundu, pokud je teplotní gradient (ΔT) roven jedné (1 °C nebo 1 K) [2] a je určen vzorcem (1):

kde: λ je tepelná vodivost; Q je množství přeneseného tepla; d je vzdálenost mezi dvěma izotermickými rovinami; ΔT je teplotní rozdíl mezi ohřátým a studeným povrchem.

Kromě toho prakticky významnou charakteristikou objektů může být také tepelná difuzivita – koeficient tepelné difuzivity a (m²/s), který charakterizuje rychlost šíření teploty v materiálu a je určen vzorcem (2) [3]:

kde: λ je součinitel tepelné vodivosti (W/m K); C je tepelná kapacita (J/kg K); ρ je hustota látky (kg/m³).

Na katedře nanostrukturních, vláknitých a kompozitních materiálů (NVKM) pojmenované po A.I. Meosi Státní univerzity průmyslových technologií a designu v Petrohradu (SPbGUPTD) bylo provedeno obrovské množství výzkumu, který charakterizuje tepelnou vodivost různých materiálů a zařízení. Vyvinuli jsme porézní, elektricky vodivé materiály s velmi nízkou tepelnou vodivostí a tepelnou difuzivitou (λ = 0,054–0,068 W/m K).

Hlavní objem výzkumných a implementačních prací byl proveden v letech 2012 až 2017. Technologie byly implementovány v závodě SvetlogorskKhimvolokno OJSC (Běloruská republika), kde v současné době funguje pilotní závod, který vyrábí vyvinuté materiály na zakázku.

O jaké materiály se jedná?

V první řadě se jedná o porézní tepelně ochranné materiály na bázi uhlíkových vláken, schopné provozu při teplotách 2000–3000 °C.

Vzorky tepelně ochranných kompozitních materiálů uhlík-uhlík vyvinutých na katedře NVKM

V rámci programu Svazového státu Rusko-Bělorusko specialisté z katedry NVKM společně se společností JSC SvetlogorskKhimvolokno vyvinuli a implementovali v pilotním výrobním závodě porézní elektricky vodivé a tepelně izolační uhlíkové materiály, včetně kompozitních materiálů uhlík-uhlík (CCCM).

Stávající rezervy a zkušenosti nashromážděné v oddělení NVKM umožňují implementaci těchto technologií na území Ruské federace.

Tryska z kompozitu uhlík-uhlík

Vyvinuté tepelněizolační materiály jsou schopné provozu při teplotách až 3000 °C v prostředí inertního plynu nebo ve vakuu. Takové materiály jsou určeny pro vytváření vysokoteplotních zařízení nebo pro ochranu před tepelnými účinky v prostředí inertního plynu nebo ve vakuu. Používají se například v zařízeních pro spékání různých kovů nebo pro získávání superpevných uhlíkových vlákenných materiálů z polyakrylonitrilu (PAN) a dalších prekurzorů, stejně jako pro získávání uhlík-uhlíkových a uhlík-polymerních materiálů schopných provozu za podmínek ultravysokých teplot. Zejména je lze použít jako ablativní ochranu a ochranu před vystavením vysokým teplotám ohni.

Demonstrace tepelných a požárně odolných vlastností uhlíkových kompozitů

Získané materiály lze také použít k výrobě elektricky vytápěných tepelněizolačních panelů schopných provozu při nízkých teplotách (až do minus 60 °C a níže) a účinně chránících budovy, konstrukce i zařízení před účinky nízkých teplot. Vzorky takových panelů mají nízkou hustotu, dostatečnou pevnost, nehromadí kondenzát a lze je považovat za slibné materiály pro vývoj nových typů tepelné ochrany v teplotním rozsahu od -60 do +150 °C, například pro řešení problémů tepelné izolace zařízení, budov a konstrukcí v nízkoteplotních podmínkách Arktidy, Dálného severu a Antarktidy.

Mezi slibné materiály pro tepelné stínění mohou patřit uhlíkové aerogely na bázi aerografitů a uhlíkových pěn. Pokud jde o uhlíkové aerogely a pěny, je třeba upřesnit, že pojmy „aerografity“, „aerogely“ a „pěny“ jsou v mnoha případech shodné a tyto materiály mají stejné vlastnosti. Zároveň jsou uhlíkové pěny látkami s hrubší strukturou, ale jejich výroba je levnější než aerografity nebo grafeny, což je činí atraktivními v oblasti výroby, studia vlastností a praktického použití zařízení, přístrojů a zařízení pracujících při teplotách od 1000 do 3000 °C. Hlavní nevýhodou uhlíkových pěn a aerogelů není jen jejich vysoká cena. V současné době nebyly vyvinuty průmyslové technologie pro výrobu výrobků z nich o délce 2000 mm, šířce 1000 mm a tloušťce 200–500 mm.

Uhlíková izolace pro vysokoteplotní pec

Nejjednodušší, ale zároveň nejpohodlnější pro výzkum, jsou vícevrstvé struktury sestávající z kombinací porézních uhlíkových a uhlíkových vlákenných vrstev s nízkou tepelnou vodivostí. V důsledku experimentů prováděných na katedře NVKM byly také získány vzorky kompozitních materiálů uhlík-uhlík obsahujících vnitřní pěnovou vrstvu (λ ≈ 0,07 W/m K; hustota ≈ 0,29 g/cm³).

Porovnání koeficientů tepelné vodivosti vyvinutých vzorků UUKM s koeficienty tepelné vodivosti v současnosti průmyslově vyráběné tepelné izolace z UUKM, například ochranné známky Sigratherm (Německo, 0,170 W/m K), nebo používané ruskou společností, výrobcem vysokoteplotních pecí, OOO NPK GKMP (0,05–0,10 W/m K), jakož i vyráběných uhlíkových pěn, ukazuje na perspektivy využití vyvinutého UUKM jako tepelně izolačního materiálu nahrazujícího dovoz.

Reference

1. Žedyajevskij, D.N. Stanovení součinitele tepelné vodivosti tepelně izolačních materiálů. Pedagogické a metodické pokyny pro laboratorní práce v kurzu „Výpočet a návrh zařízení na zpracování ropy a plynu“ / D.N. Žedyajevskij, V.A. Lukyanov, A.A. Motovilin, D.N. Čikičev – M.: Vydavatelské středisko Ruské státní univerzity ropy a plynu jménem Gubkin, 2013. – 26 s.
2. Charlamov, A.G. Tepelná vodivost vysokoteplotních tepelných izolantů. – M: Atomizat, 1980. – 100 s.
3. Termofyzikální měření a přístroje / E.S. Platunov, S.E. Buravoy, V.V. Kuperin, G. S. Petrov; pod generální redakcí E.S. Platunov. – Leningrad: Mashinostroenie, pobočka Leningrad, 1986. – 256 s.
4. Lukicheva, N.S. Vícevrstvé materiály pro tepelnou ochranu / N.S. Lukicheva, V.V. Martsenyuk, A.A. Lysenko, A.S. Bespalov, D.Ya. Barinov // Kompozity a nanostruktury. – 2020. – Sv. 12. – č. 1 (45). – S. 14-20.