3.2. Теплофизические свойства материалов.

Теплофизические свойства включают в себя тепловое расширение, теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность, температуры и теплоты фазовых и физических переходов. Помимо этих основных свойств, для некоторых материалов отмечают ещё специфические свойства. Так, для полимерных материалов это тепло- и термостойкость, для неорганических (стёкла, керамика) – стойкость к термоударам и т.д.

3.2.1. Теплоёмкость.

Теплоёмкостью называют количество теплоты, необходимое для нагревания определённого количества вещества на 1^оС. Различают удельную теплоёмкость с, относимую к 1 г вещества, мольную теплоёмкость С, относимую к 1 молю вещества. Размерность Дж/гК и Дж/мольК соответственно. Удельные и мольные теплоёмкости можно определять при постоянном объёме (с_v и С_v ) или при постоянном давлении (с_р и С_р). Следует отметить, что для газов С_р больше, чем С_v, т.к. в первом случае нужно не только увеличивать внутреннюю энергию, но и затрачивать энергию на совершение работы расширения газа. Для твёрдых и жидких тел существенных различий между С_р и С_v нет.

Атомная теплоёмкость простых веществ, являющаяся произведением удельной теплоёмкости (в кал/гК) на атомную массу элемента, согласно закону Дюлонга и Пти равна 6,3 (3R). Из этого следует, что с увеличением номера элемента удельная теплоёмкость закономерно уменьшается. В этом можно легко убедиться, заглянув в соответствующие справочники. Так, удельная теплоёмкость алюминия (№ 13, атомная масса 26,98) равна 0,22 кал/гК (0,94 Дж/г^.К), а висмута (№ 83, ат.масса 208,9) – 0,03 кал/гК (0,128 Дж/гК).

Удельная теплоёмкость стекла и керамики находится в диапазоне 0,83 – 1,1 Дж/гК, т.е. диапазон изменений меньше, чем у металлов.

Удельная теплоёмкость полимерных материалов находится в диапазоне от 0,92 для политрифторхлорэтилена до 2,8 для полиэтилена. На рис. 1.6 представлены области значений удельной теплоёмкости материалов различной природы в Дж/гК

Самое большое значение теплоёмкости – у жидких аммиака и воды – 4,28 Дж/г К.

Твёрдая вода (лёд) имеет теплоёмкость в 2 раза ниже – 2,14 Дж/г^. К.

Стекло,

керамика Полимеры

Металлы

_ _______________________________________________________________

0,1 0,9 1,0 1,1 2,8 Дж/гК

Рис. 3.2. Области значений удельной теплоёмкости материалов различной природы.

3.2.2. Теплопроводность.

Теплопроводность – это вид теплообмена, при котором перенос тепловой энергии в неравномерно нагретой среде происходит без макроскопического движения среды. В газах передача теплоты теплопроводностью осуществляется хаотическим движением молекул, в металлах и полупроводниках – главным образом электронами, в полимерах, стёклах, керамике – колебанием атомов или молекул относительно их равновесного положения. Такие колебания называют фононами – квантованными порциями энергии, распространяющимися со скоростью звука в данном материале. Количество перенесённой теплопроводностью энергии пропорционально плотности и теплоёмкости. Коэффициент теплопроводности обозначают буквой  и измеряют в Вт/мК. Коэффициент теплопроводности представляет собой тепловую мощность, Вт, передаваемую через стенку площадью 1м² при градиенте температуры в ней Т/L, равном 1К/м.

За счёт электронов проводимости теплопроводность металлов более высокая, чем диэлектриков. Исключение составляют два диэлектрика – алмаз (чисто ковалентный кристалл) и оксид бериллия ВеО, причина высокой теплопроводности которых неясна.

Порядок величин теплопроводности материалов различной природы представлен на рис. 3.3.

Р ис. 3.3. Коэффициент теплопроводности материалов различной природы.

1 – полимеры (0,1); 2 – Стекло, ситаллы ( 1); 3 – Поликор (30); 4 – Железо (75); 5 – Кремний (130); 6 – Алюминий (200); 7 – Бериллиевая керамика (219); 8 – Медь (390); 9 – Серебро (420); 10 – Алмазная теплопроводная керамика (АТК).

На этом рисунке масштаб шкалы коэффициента теплопроводности не позволяет разглядеть первый и второй ряд – полимеры и стёкла. Диаграмма начинается с третьего ряда – с поликора. Тем не менее, диапазон значений теплопроводности для различных материалов представлен наглядно.