5.4. Теплофизические свойства

Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойчивость к воздействию повышенных температур. Теплофизические свойства определяются типом межатомной связи, химическим составом материала и температурой. Рассмотрим некоторые из теплофизических свойств.

Теплопроводностью называется процесс передачи тепловой энергии от более горячих частей тела к холодным. Микрочастицы твердого тела участвуют в теплопроводности согласованно, при повышении температуры какого-то участка возрастает амплитуда колебаний узлов решетки (микрочастиц) относительно равновесных положений. За счет химических связей увеличивается также и амплитуда колебаний соседних микрочастиц, что эквивалентно передаче теплоты в менее нагретую область тела. Теплопередача имеет волновой характер. Микрочастицы, участвующие в передаче теплоты, называют фононами. Они являются квазичастицами. В теплопроводности металлов велика доля и свободных электронов. Поэтому общая теплопроводность - состоит: из - ­ электронной составляющей теплопроводности, и - ­ фононной, т. е. . Количественный показателем теплопроводности является экспериментально определяемый коэффициент теплопроводности, равный отношению количества теплоты Q, Дж, передаваемого за время t, с, через стенку площадью S=1 м², при градиенте температур в ней , равном 1⁰К/м, т. е., и имеет размерность Вт/м*⁰К.

В металлах механизм переноса тепла связан с электронами и фононами, в диэлектриках – только с фононами. Но механизм электропроводимости в металлах также связан со свободными электронами. Закон Видемана-Франца устанавливает, что для металлов отношение электронной теплопроводности к электронной проводимости есть величина постоянная : .

Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и электроны. Материалы в аморфном состоянии также хуже проводят теплоту.

Существенное влияние на теплопроводность оказывает тип химической связи. В таблице 2 приведены показатели физических свойств материалов с разными типами связей.

Таблица 2

Физические свойства материалов с различными типами химических связей

Материал	ТКЛР, *10-6, σК-1	, Вт/(м*σК)	Материал	ТКЛР, *10-6, σК-1	, Вт/(м*σК)
Металлическая связь			Ионная связь
Cu Be Al Fe	16,7 12,8 24 12,1	399 205 236 80	BeO Al2O3 SiO2 ZrO2	10,6 8,4 0,5 7,6	152,4 28,9 12,6 1,6
Ковалентная связь			Молекулярная связь
Алмаз Графит SiC AlN	1,2 8,1 4,3 4,03	1350 100 100 150	Поливинилхлорид Полистирол Поликарбонат Фторпласт - 4	230 60 60…70 –	0,4 0,16 0,24 0,24

Тепловое расширение проявляется в изменении объема или линейных размеров тела при повышении температуры. Оно определяется характером изменения сил притяжения и отталкивания, действующих между атомами вещества при изменении расстояний между ними (рисунок 5,б). Кривая изменения энергии связи Е_св.=f(d) имеет минимум при F=0. Это условие выполняется только при температуре абсолютного нуля. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов, которая может изменяться в диапазоне d₁-d`₁ , (кривая изменения энергии сместиться вверх по рисунку 5,б), несимметрично относительно положения равновесия с межатомным расстоянием d₀. Несимметричность амплитуд тепловых колебаний атомов при повышении температуры приводит к увеличению средних межатомных расстояний и лежит в основе теплового расширения.

Показателем теплового расширения является определяемый на практике температурный коэффициент теплового линейного расширения ТКЛР–, равный , где – ­ изменение длины при повышении температуры на градусов; l– длина образца. Обычно ТКЛР определяется как среднее значение для диапазона температур от 20 до 200⁰С и имеет размерность ⁰К^-1.

Чем сильнее сила связи между частицами твердого тела, тем меньше ТКЛР материала (таблица 2). Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражается на значениях ТКЛР: они существенно различаются в направлении преимущественной ориентации и в поперечном направлении, т. е. имеет место анизотропия.

Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмолекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличия водородных и химических связей молекул.

Различие значений ТКЛР двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений в сопряжении. Согласование (обеспечение примерного равенства ТКЛР) значений при соединении неметаллов с металлами, необходимо, например, у материалов подложек с проводниковыми и резистивными пленками, гермовводов в герметичный объем и другие. Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке, пайке, склеивании разнородных материалов. Особенно важен этот учет для изделий, работающих в изменяющихся температурных полях. Наиболее стойки к перепадам температур и разрушению материалы, в которых малые ТКЛР сочетаются с высокой теплопроводностью.

Термоудар– способность материала выдерживать без разрушения резкие смены температур. Чем меньше ТКЛР материала и выше его теплопроводность , тем большей стойкостью к термоудару обладают материал. Хорошей стойкостью к термоударам обладает металлы, бериллиевая керамика, плавленый кварц и другие. Понятие термоудар относится не только к материалу, но и к изделию.

Под нагревостойкостью материала понимают его свойство сохранять без изменения химический состав и структуру молекул при повышенных температурах. Для различных по строению и условиям эксплуатации материалов в различных областях техники ограниченно используют и другие термины, отражающие влияние температуры на свойства материала: теплостойкость– для полимеров, пластмасс; жаростойкость, термостойкость –для металлов, и другие [1,2,3,4,6].