2.3. Тепловой поток
Тепло самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Количество тепла, переносимого через какую-либо поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Тепловой поток, отнесённый к единице поверхности, называется плотностью теплового потока, или удельным тепловым потоком, или тепловой нагрузкой поверхности q. Если тепловой поток отнесен к единице изотермической поверхности, то величина q является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения тепла в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Закон Фурье
Закон Фурье. Изучая процесс теплопроводности в твердых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения тепла. Если количество переданного тепла отнести к единице сечения и единице времени, то установленную зависимость можно записать:
(2.4)
2.4. Коэффициент теплопроводности
Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает: это означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый, Теплопроводность металлов колеблется в пределах 2,3—420 Вт/(м·К).
Для изоляционных и огнеупорных материалов λ при повышении температуры возрастает. Это объясняется тем, что большинство изоляционных материалов не представляет собой монолитной массы, а является пористым телом — конгломератом отдельных частиц с воздушными прослойками между ними, вследствие чего теплопроводность уменьшается. Однако при лучистом теплообмене, происходящем в этих прослойках эффективная теплопроводность (с учетом излучения) увеличивается при повышении температуры пористого тела.
Для таких материалов λ зависит не только от свойств материала, но и от степени его уплотненности, что в свою очередь характеризуется плотностью. Кроме того, на теплопроводность указанных материалов большое влияние оказывает влажность, с увеличением которой теплопроводность возрастает. Для влажного материала λ выше, чем для сухого материала и воды, взятых в отдельности. Например, для сухого кирпича λ = 0,35 Вт/(м·К), для воды λ =0,58 Вт/(м·К), а для влажного кирпича λ =1,05 Вт/(м·К). Это объясняется тем, что адсорбированная в капиллярно-пористых телах вода отличается по физическим свойствам от свободной воды. Поэтому по отношению к таким материалам правильнее величину λ называть эффективной теплопроводностью. Теплопроводность теплоизоляционных материалов находится в пределах 0,02—3 Вт/(м·К).
Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастает, но от давления она практически не зависит (кроме очень низкого <2,5 кПа и очень высокого >200 МПа). Для газов теплопроводность лежит в пределах 0,006—0.6 Вт/(м·К).
Для большинства капельных жидкостей теплопроводность находится в пределах 0,09—0,7 Вт/(м·К), и с повышением температуры уменьшается. Вода является исключением: с ростом температуры от 0 до 150°С теплопроводность возрастает, а при дальнейшем увеличении температуры уменьшается.