2.1. Основные понятия
Теплопроводность имеет место в твердых телах, капельных жидкостях и газах. В жидкостях и газах она наблюдается лишь при выполнении условий, исключающих перенос теплоты конвекцией. А это возможно, если теплотой обмениваются соприкасающиеся, но не перемещающиеся друг относительно друга макрочастицы.
Изменение температуры в телах наблюдается в направлениях, пересекающих изотермические поверхности1. Наиболее резкое изменение температуры имеет место в направлении нормали к изотермической поверхности (рис. 1).
Предел отношения разности температур между двумя изотермическими поверхностями к расстоянию между ними по нормали, проведенной в сторону возрастания температур, называется градиентом температуры:
T dT
Lim — = — = grad T , K/м
n dn
n 0
Следовательно, градиент температуры – это вектор, показывающий величину наибольшей интенсивности изменения температуры в теле. Его направление противоположно направлению вектора теплового потока q .
Согласно уравнению Фурье удельный тепловой поток прямо пропорционален градиенту температуры
q = - · grad T , Вт/м2 ,
где - коэффициент теплопроводности материала. Знак «минус» характеризует противоположность направлений градиента температуры и теплового потока (рис. 1).
Рис. 1. Изотермические поверхности
2.2. Коэффициент теплопроводности
Величина коэффициента теплопроводности определяется природой вещества и зависит от его температуры. В меньшей степени величина коэффициента теплопроводности зависит от давления.
Наиболее достоверные значения этих коэффициентов определяются экспериментально с помощью методов плоского слоя, коаксиальных цилиндров, нагретой нити и др.
Как показали лабораторные исследования, коэффициент теплопроводности металлов изменяется в диапазоне 2…400 Вт/(м·К) [4]. Самой большой теплопроводностью обладает серебро (около 400 Вт/(м·К). Теплопроводность углеродистых сталей марок 08, 20, 40 в диапазоне температур от 20 до 900 С составляет 59,2 … 26,1 Вт/(м·К). Высоколегированная сталь аустенитного класса 12Х18Н9Т в том же диапазоне температур имеет коэффициент теплопроводности 14,5 … 25,8 Вт/(м·К). С увеличением температуры коэффициенты теплопроводности всех чистых металлов уменьшаются, а у сплавов увеличиваются.
Коэффициент теплопроводности жидкостей изменяется в диапазоне 0,08… 0,7 Вт/(м·К). С ростом температуры теплопроводность жидкостей обычно уменьшается. Исключение составляют лишь вода и глицерин, у которых с ростом температуры коэффициент теплопроводности увеличивается.
Наименьшими коэффициентами теплопроводности обладают газы. Они изменяются в диапазоне 0,005… 0,5 Вт/(м·К). С увеличением температуры их теплопроводность возрастает.
Теплопроводность теплоизоляционных материалов невелика и обычно составляет 0,03…0,05 Вт/(м·К). Теплопроводность пенотерма равна 0,03 Вт/(м·К), фольгоизолона – 0,033 Вт/(м·К), аэрофлекса – 0,035 Вт/(м·К), минераловатных матов – 0,042 Вт/(м·К).
Теплопроводность строительных материалов в среднем изменяется от 0,1 до 1,3 Вт/(м·К). Теплопроводность бетона 0,1…1,3 Вт/(м·К), красного кирпича – 0,7 Вт/(м·К), силикатного – 0,8 Вт/(м·К). Теплопроводность сосны поперек волокон 0,14…0,16 Вт/(м·К), сосны вдоль волокон 0,35…0,41 Вт/(м·К). Теплопроводность древесно-стружечной плиты 0,077…0,097 Вт/(м·К) [4].