Теплопроводность металлов и газов

Обновлено: 07.01.2025

Содержат основные сведения о явлении теплопроводности в газах. Опи­са­ны физические величины, характеризующие теплопроводность. Дано теоре­ти­ческое обоснование и изложена методика определения коэффициента тепло­проводности газа методом нагретой нити.

Методические указания подготовлены на кафедре физики и предназначены для использования студентами всех специальностей при выполнении лабо­раторных работ по курсу “Общая физика”.

архитектурно-строительная академия, 2000

Цель работы

Изучение теплопроводности как одного из явлений переноса в га­зах; освоение методики определения коэффициента тепло­провод­ности газа.

Установка для определения коэффициента теплопроводности воздуха ФПТ1-3.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ В ГАЗАХ

Из второго начала термодинамики следует, что во всякой изоли­рованной (т.е. не испытывающей никаких внешних воздействий) системе самопроизвольно протекают только такие процессы, кото­рые приводят ее в состояние, не изменяющееся в дальнейшем с те­че­нием времени. Такое состояние термодинамической системы назы­вается тепловым равновесием. Например, тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, пока температуры обоих тел не станут одинаковыми, то есть пока не установится тепловое равновесие.

Если в газе существует пространственная неоднородность плот­ности, температуры или скорости движения отдельных его слоев, то на хаотическое тепловое движение молекул накладывается их упо­рядоченное движение. При этом возникают потоки вещества, энер­гии или импульса. В результате происходит самопроизвольное вы­ра­в­нивание параметров газа. Эти потоки являются физической осно­вой так называемых явлений переноса. К явлениям переноса от­­но­сятся диффузия, теплопроводность и внутреннее трение (вяз­кость). Диффузия обусловлена переносом массы, а внутреннее тре­ние – переносом импульса молекул.

Рассмотрим более подробно теплопроводность. Это явление воз­никает при наличии разности температур, обусловленной внешними причинами. Теплопроводность газа заключается в непосредственной передаче кинетической энергии хаотического молекулярного дви­жения от одних молекул к другим при их соударениях.

Если значения температуры различных слоев газа отличаются друг от друга, то и значения средней кинетической энергии также будут разными. Молекулы, движущиеся из более нагретых частей объема газа, попадая в менее нагретые слои и сталкиваясь с молекулами, имеющими меньшие скорости, передают им часть своей энергии. Так, молекулы из менее нагретых слоев газа уве­ли­чивают свою энергию. Этим объясняется передача тепла в направ­ле­нии убывания температуры. Этот процесс не сопровождается макро­скопическим движением среды.

Для простоты рассмотрим одномерное явление тепло­провод­нос­ти. В этом случае определяющие ее физические величины зависят толь­ко от одной координаты (например координаты и


Если эти температуры под­дер­живать постоянными, то через газ установится стаци­о­нар­ный (т.е. неизменный во времени) поток теплоты. На­правим ось будет иметь место градиент температуры , передаваемое вследствие теплопроводности за время , расположенную перпендикулярно оси

где коэффициент теплопроводности;
градиент температуры.

Знак минус показывает, что перенос тепла происходит в на­правлении убывания температуры.

Количество теплоты, переносимое через поверхность площадью

Из формулы (1.1) следует, что

Отсюда видно, что коэффициент теплопроводности численно ра­вен количеству теплоты, проходящему через единицу площади по­верхности за единицу времени при градиенте температуры, равном единице.

Выведем размерность этой физической величины:

Коэффициент теплопроводности показывает, насколько быстро вы­равнивается температура различных точек газа. Чем больше коэф­фициент теплопроводности, тем скорее наступает состояние теп­лового равновесия. Коэффициент теплопроводности зависит от агрегатного состояния вещества, его атомно-молекулярного строе­ния, температуры, давления и состава. В анизотропных средах он зависит от направления распространения тепла.

Наилучшие проводники тепла – твердые тела, в особенности металлы. Влияние давления на теплопроводность твердых тел с хорошей степенью точности описывается линейной зависимостью. У многих металлов и минералов теплопроводность растет с ростом давления. В процессе плавления металлов теплопроводность, как правило, падает скачком при температуре плавления.

Жидкости обычно проводят тепло намного хуже твердых тел. Так, коэффициент теплопроводности воды при температуре 0 0 С со­ставляет 0,55 , а льда 2,21 . Как правило, теплопро­вод­ность жидкостей убывает с ростом температуры и слабо возрастает с ростом давления.

Газы обладают наименьшей теплопроводностью по сравнению с жидкостями и твердыми телами. Например, при 20 0 С коэффициент теплопроводности углекислого газа равен 0,0162 , воздуха 0,0257

Выведем формулу для нахождения коэффициента теп­ло­проводности идеального газа. Выделим элементарную площадку (см. рис. 1).

В соответствии с формулой (1.1) элементарное количество теп­лоты за время

Учтем, что до площадки . Средняя длина свободного пробега – это среднее рас­с­тояние, которое пробегает молекула между двумя после­до­ва­тельными столкновениями. Она вычисляется по формуле

где эффективный диаметр молекулы – минимальное расстоя­ние, на которое сближаются при столкновении центры молекул;
концентрация молекул.

Выберем на оси на расстояниях от нее, равных средней длине свободного пробега молекулы газа , а

Тогда температура в точке А равна .

Найдем число молекул, проходящих за одну секунду через по­верхность , пересекающих эту поверхность в единицу времени слева на­право и справа налево, будет одинаковым. Ввиду хаотичности теп­лового движения можно считать, что вдоль каждой из осей коор­динат (а значит, и вдоль оси одна треть от общего количества молекул. Из них половина движется слева направо, а половина – справа налево.

Следовательно, количество молекул

где концентрация молекул;
среднеарифметическая скорость теплового движения молекул газа:

здесь постоянная Больцмана;
масса одной молекулы;
молярная масса газа;
универсальная газовая постоянная;
площадь выделенной поверхности.

Согласно закону равномерного распределения энергии по степеням свободы каждая молекула обладает средней кинетической энергией

где число степеней свободы молекулы;
постоянная Больцмана;
удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, вы­числяемая по формуле
абсолютная температура;
масса одной молекулы.

Эта энергия определяется температурой газа в той точке пространства, в которой произошло ее последнее столкновение с другой молекулой.

Энергия Тогда количество теплоты слева направо за время Количество теплоты за вре­мя Вычитая из выражения (1.7) выражение (1.6), получим общее количество теплоты, перенесенное через площадку Учитывая, что

где концентрация молекул;
масса одной молекулы;
плотность газа,

получим окончательное выражение:

Сравнивая выражения (1.9) и (1.2), получим выражение для коэффициента теплопроводности идеального газа:

Поскольку длина свободного пробега молекул прямо пропорцио­наль­на давлению, то теплопроводность идеального газа от давления не зависит.

Теплопроводность газов зависит от температуры. При увели­чении температуры возрастает энергия каждой молекулы, а значит, и количество энергии, переносимое из слоя в слой. Вместе с тем одновременно увеличивается и число столкновений молекул, что несколько снижает обмен энергией между слоями. В результате коэффициент теплопроводности идеального газа оказывается про­пор­циональным квадратному корню из абсолютной температуры.

Коэффициент теплопроводности реальных газов представляет собой довольно сложную функцию температуры и давления. При­чем, с ростом температуры и давления значение коэффициента теп­ло­­проводности возрастает.

На плохой теплопроводности газов основано применение в строительстве пористых материалов (т.е. материалов, содержащих газовые включения). Этим же объясняются теплоизолирующие свойст­ва одежды, в особенности шерстяной и меховой. В ней содер­жится большое число маленьких пузырьков воздуха, так же, как и в рыхлом снеге, защищающем посевы от вымерзания.

2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВОЗДУХА
МЕТОДОМ НАГРЕТОЙ НИТИ

Теплопроводность

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества - молекулами, атомами, электронами - в процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках - перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.

В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, оп­ределения которых, целесообразно напомнить и пояснить.

Температурное поле — это со­вокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент време­ни. Математически оно описывается ввиде t = f(x, y, z, τ). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется с течением времени), и нестационарное температурное поле. Кроме то­го, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле на­зывают соответственно одно- или двух - мерным.

Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, температура в которых одинакова.

Градиент температуры — grad t есть вектор, направленный по нор­мали к изотермической поверхности и численно равный производной от тем­пературы по этому направлению.

Согласно основному закону тепло­проводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:

где λ — коэффициент теплопро­водности вещества; его единица измерения Вт/(м·К).

Знак минус в уравнении (3) ука­зывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.

Тепловой поток δQ через произволь­но ориентированную элементарную пло­щадку dF равен скалярному произведе­нию вектора q на вектор элементарной площадки dF, а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F:

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) характеризует спо­собность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов тепло­проводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/grad t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры grad t = 1 К/м. Наиболь­шей теплопроводностью обладает легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ = 0,2 Вт/(м·К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у воз­духа λ = 0,025 Вт/(м·К), у диоксида уг­лерода λ = 0,02 Вт/(м·К).

Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь: λ = 400 Вт/(м·К). Для углеродистых сталей λ = 50 Вт/(м·К). У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1 Вт/(м·К). Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ = 0,6 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м·К).

Пористые материалы – пробка, различные волокнистые наполнители типа органической ваты – обладают наименьшими коэффициентами теплопроводности λВт/(м·К), приближающимся при малой плотности набивки к коэффициенту теплопроводности воздуха, наполняющего поры.

Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов ещё и влажность. В справочниках всегда приводятся условия, при которых определялся коэффициент теплопроводности данного вещества, и для других условий эти данныеиспользовать нельзя. Диапазоны значений λ для различных материалов приведены на рис. 1.


Рис.1. Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ.

Перенос теплоты теплопроводностью

Однородная плоская стенка.

Про­стейшей и очень распространенной за­дачей, решаемой теорией теплообмена, является определение плотности тепло­вого потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ, на повер­хностях которой поддерживаются темпе­ратуры tw1 и tw2. (рис.2). Температура изменяется только по толщине пластины - по одной координате х. Такие за­дачи называются одномерными, решения их наиболее просты, и в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только од­номерных задач.

Учитывая, что для од­номерного случая:

и используя основной закон теплопроводности (2), получаем дифференци­альное уравнение стационарной тепло­проводности для плоской стенки:

В стационарных условиях, когда энергия не расходуется на нагрев, плот­ность теплового потока q неизменна по толщине стенки. В большинстве практи­ческих задач приближенно пред­полагается, что коэффициент тепло­проводности λ не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. Зна­чение λ находят в справочниках при температуре:

средней между температурами поверхно­стей стенки. (Погрешность расчетов при этом обычно меньше погрешности исход­ных данных и табличных величин, а при линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры: λ = а+ bt точная расчетная формула для q не отличается от приближенной). При λ = const:

т.е. зависимость температуры t от координаты х линейна (рис. 2).


Рис.2. Стационарное распределение темпе­ратуры по толщине плоской стенки.

Разделив переменные в уравнении (7) и проинтегрировав по t от tw1 до tw2 и по х от 0 до δ:

получим зависимость для расчета плот­ности теплового потока:

или мощность теплового потока (тепловой поток):

Следовательно, количество теплоты, переданной через 1 м 2 стенки, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и разности температур наружных поверхностей стенки (tw1 – tw2) и обратно пропорционально толщине стенки δ. Общее количество теплоты через стенку площадью F еще и пропорционально этой площади.

Полученная простейшая формула (10) имеет очень широкое распространение в тепло­вых расчетах. По этой формуле не только рассчитывают плотности теплового потока через плоские стенки, но и делают оценки для случаев более сложных, уп­рощенно заменяя в расчетах стенки сложной конфигурации на плоскую стенку. Иногда уже на основании оценки тот или иной вариант отвергается без дальней­ших затрат времени на его детальную проработку.

Но формуле (10) можно рассчитать коэффициент теплопроводности материа­ла, если экспериментально измерить тепловой поток и разность температур на поверхностях пластины (стенки) извест­ных размеров.

Температура тела в точке х определяется по формуле:

Отношение λF/δ называется тепло­вой проводимостью стенки, а обратная величина δ/λF тепловым или термическим сопротивлением стенки и обозначается Rλ. Пользуясь понятием термического сопро­тивления, формулу для расчета теплово­го потока можно представить в виде:

Зависимость (11) аналогична закону Ома в электротехни­ке (сила электрического тока равна раз­ности потенциалов, деленной на электри­ческое сопротивление проводника, по ко­торому течет ток).

Очень часто термическим сопротив­лением называют величину δ/λ, которая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м 2 .

Примеры расчетов.

Пример 1. Определить тепловой поток через бетонную стену здания толщиной 200 мм, высотой H = 2,5 м и длиной 2 м, если температуры на ее поверхностях: tс1 = 20 0 С, tс2 = - 10 0 С, а коэффициент теплопроводно­сти λ =1 Вт/(м·К):

Пример 2. Определить коэффициент теплопроводности материала стенки толщиной 50 мм,если плотность теплового потока через нее q = 100 Вт/м 2 , а разность температур на поверхностях Δt = 20 0 С.

Многослойная стенка.

Формулой (10) можно воспользоваться и для расчета теплового потока через стенку, состоя­щую из нескольких (n) плотно прилегающих друг к другу слоев разнородных материа­лов (рис. 3), например, головку цилиндров, прокладку и блока цилиндров, выполненных из разных материалов, и т д.


Рис.3. Распределение температуры по толщине многослойной плоской стенки.

Термическое сопротивление такой стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:

В формулу (12) нужно подставить разность температур в тех точках (по­верхностях), между которыми «включе­ны» все суммируемые термические сопротивления, т.е. в данном случае: tw1 и tw(n+1):

где i – номер слоя.

При стационарном режиме удельный тепловой поток через многослойную стенку постоянен и для всех слоев одинаков. Из (13) следует:

Из уравнения (14) следует, что общее термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме сопротивлений каждого слоя.

Формулу (13) легко получить, записав разность температур по формуле (10) для каждого из п слоев многослой­ной стенки и сложив все п выражений с учетом того, что во всех слоях Q имеет одно и то же значение. При сложении все промежуточные температуры сократятся.

Распределение температуры в преде­лах каждого слоя — линейное, однако, в различных слоях крутизна температур­ной зависимости различна, поскольку со­гласно формуле (7) (dt/dx)i = - q/λi. Плотность теплового потока, проходяще­го через все слон, в стационарном режи­ме одинакова, а коэффициент теплопро­водности слоев различен, следовательно, более резко температура меняется в сло­ях с меньшей теплопроводностью. Так, в примере на рис.4 наименьшей тепло­проводностью обладает материал второ­го слоя (например, прокладки), а наибольшей — третьего слоя.

Рассчитав тепловой поток через мно­гослойную стенку, можно определить па­дение температуры в каждом слое по соотношению (10) и найти температу­ры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограничен­ной допустимой температурой.

Температура слоев определяется по следующей формуле:

Контактное термическое сопротивле­ние. При выводе формул для многослойной стенки предполагалось, что слои плотно прилегают друг к другу, и благодаря хорошему контакту соприкасающиеся поверхности разных слоев имеют одну и ту же температуру. Идеально плотный контакт между отдельными слоями многослойной стенки получается, если одни из слоев наносят на другой слой в жидком состоянии или в виде текучего раствора. Твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шеро­ховатостей (рис.4).

Площадь контакта вершин пренебрежимо мала, и весь тепловой по­ток идет через воздушный зазор (h). Это создает дополнительное (контактное) термическое сопротивление Rк. Термические контактные сопротивления, могут быть определены самостоятельно с использованием соответствующих эмпирических зависимостей или экспериментально. Например, термическое сопротивление зазора в 0,03 мм примерно эквивалентно термическому сопро­тивлению слоя стали толщиной около 30 мм.


Рис.4. Изображение контактов двух шерохо­ватых поверхностей.

Методы снижения термического контактного сопротивления. Полное термическое сопротивление контакта определяется чистотой обработки, нагрузкой, теплопроводностью среды, коэффициентами теплопроводности материалов контактирующих деталей и другими факторами.

Наибольшую эффективность снижения термического сопротивления дает введение в контактную зону среды с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металла.

Существуют следующие возможности заполнения контактной зоны веществами:

- использование прокладок из мягких металлов;

- введение в контактную зону порошкообразного вещества с хорошей тепловой проводимостью;

- введение в зону вязкого вещества с хорошей тепловой проводимостью;

- заполнение пространства между выступами шероховатостей жидким металлом.

Наилучшие результаты получены при заполнении контактной зоны расплавленным оловом. В этом случае термическое сопротивление контакта практически становится равным нулю.

Цилиндрическая стенка.

Очень часто теплоносители движутся по трубам (цилиндрам), и требуется рассчитать тепловой поток, передаваемый через цилиндрическую стенку трубы (цилиндра). Задача о передаче теплоты через цилиндрическую стенку (при известных и постоянных значениях температуры на внутренней и наружной поверхностях) также является одномерной, если ее рассматри­вать в цилиндрических координатах (рис.4).

Температура изменяется только вдоль радиуса, а по длине трубы l и по ее периметру остается неизменной.

В этом случае уравнение теплового потока имеет вид:

Зависимость (15) показывает, что количество теплоты, переданной через стенку цилиндра, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ, длине трубы l и температурному напору (tw1 – tw2) и обратно пропорционально натуральному логарифму отношения внешнего диаметра цилиндра d2 к его внутреннему диаметру d1.


Рис. 4. Изменение температуры по толщине однослойной цилиндрической стенки.

При λ = const распределение темпера­туры порадиусу r однослойной цилиндрической стенки подчиняется ло­гарифмическому закону (рис. 4).

Пример . Во сколько раз уменьшаются тепловые потери через стенку здания, если между двумя слоями кирпичей толщиной по 250 мм установить прокладку пенопласта толщиной 50 мм. Коэффициенты теплопроводности соответственно равны: λкирп. = 0,5 Вт/(м·К); λпен.. = 0,05 Вт/(м·К).

Значения относительной теплопроводности

Среди используемых в настоящее время методов измерения концентраций газов в воздухе и технологических смесях метод, в основе которого лежит измерение концентрации газа по его теплопроводности, получил широкое распространение. Под теплопроводностью понимают процесс передачи количества тепла в единицу времени на единицу расстояния. За единицу теплопроводности l принят:

1 ватт \ метрхградус К.

В практике используется также:

1 ккал \ метрхчасхградус С.

Теплопроводность газов практически не зависит от давления. С увеличением температуры теплопроводность газов увеличивается, что связано с увеличением количества соударений молекул газа между собой. Значения теплопроводностей некоторых газов представлены в таблице 1.

Зависимость теплопроводности некоторых газов (ватт\ метрхградус К) от температуры (К).

№ Газ 250К 300К 400К 450К
Воздух 22,1 26,2 30,0 33,8
Азот 22,2 25,9 29,3 32,7
Кислород 22,6 26,6 29,8
Углекислый газ 16,6 20,4 24,3
Водород

Теплопроводность газов и паров веществ часто характеризуют в относительных от воздуха величинах (Таблица 2.).

некоторых газов и паров отнесенные к теплопроводности воздуха.

№ Газ, пары вещества Относительная теплопроводность (по воздуху)
Воздух 1,0
Азот 0,996
Кислород 1,015
Углекислый газ 0,605
Водород 7,15
Окись углерода 0,96
Двуокись азота 1,978
Окись азота 0,952
Аммиак 0,897
Ацетон 0,776
Гелий 5,9
Метан 1,25
Пары воды 0,62

В небольших диапазонах измерения теплопроводность газовой смеси l обладает свойством аддитивности и зависит от концентраций компонентов, составляющих данную смесь:

lсмеси = С1l1 + С2l2+…+ Сnln

где: С1, С2, Сn – концентрации компонентов газовой смеси;

l1, l2, ln – теплопроводности компонентов.

С увеличением значений теплопроводностей компонентов газовой смеси, значение общей теплопроводности смеси имеет сложную зависимость и определяется, как правило, опытным путем.

Теплопроводности газов лежат в широком диапазоне значений, однако среди газов имеются такие, чья теплопроводность резко отличается от остальных. К таким газам относятся водород и гелий. По этой причине газоанализаторы на водород, основанные на его аномально высокой теплопроводности, получили исключительно широкое распространение.

Чувствительными элементами в газоанализаторах, основанных на принципе теплопроводности, являются платиновые или платиново-иридиевые нити диаметром 0,02-0,05 мм изготовленные в виде пружинки и закрепленные в измерительной камере (Рисунок 1).

Рис.1. Конструкция измерительной камеры.

Достаточно широко используются чувствительные элементы, представляющие собой остеклованную спираль, изготовленную из платиновой проволоки длиной 2 см, диаметром 0,02 см, с сопротивлением 40 Ом. Данные элементы имеют несколько большую инерционность, но удобнее в эксплуатации.

Чувствительный элемент в газоанализаторах являются одновременно термометром сопротивления и нагревателем. Теплоотдача от чувствительного элемента к стенкам камеры зависит от теплопроводности газовой смеси в камере. При изменении концентрации измеряемого компонента происходит изменение теплоотдачи и изменяется температура чувствительного элемента, что в свою очередь приводит к изменению электрического сопротивления.

Теплоотдача W платиновой нити за счет теплопроводности газовой смеси выражается уравнением:

W = A lcм (tн – tст)

где: A– тепловая константа камеры;

lcм – теплопроводность газовой смеси;

tн , tст – температуры нити и стенки камеры.

Выходное напряжение U такого чувствительного элемента в общем виде выражается соотношением:

U = K R 2 I 2 Uпит lсм -1

где: K –конструктивный коэффициент;

R – электрическое сопротивление чувствительного элемента в установившемся режиме;

I – величина тока, проходящего через чувствительный элемент;

Uпит –напряжение питания;

lсм –теплопроводность газовой смеси в установившемся режиме.

В газоанализаторах обычно измерение концентрации осуществляется методом сравнения теплопроводностей исследуемой и сравнительной газовых смесей. Для этого в конструкции газоанализатора предусмотрены две газовые камеры: измерительная и сравнительная. В измерительную газовую камеру подается исследуемая газовая смесь, а в сравнительную газовую камеру стандартный газ. Для обеспечения нормальной работы газоанализатора расходы газов через обе камеры должны быть одинаковыми.

Существуют и широко применяются газоанализаторы, в которых исследуемая газовая среда не прокачивается через камеры, а лишь соприкасается с чувствительными элементами. У таких газоанализаторов чувствительные элементы сравнительной камеры находятся в атмосфере стандартного газа, а камера герметично закрыта. Недостатком газоанализаторов такого типа является их чувствительность к движению воздуха. Поэтому они должны размещаться в местах, где отсутствует движение воздуха и должны иметь на входе в измерительную камеру сетку, обеспечивающую диффузионный заход газовой смеси.

В качестве детектора в газоанализаторах получила исключительно широкое распространение мостовая схема соединения чувствительных элементов (Рис.2.).

Рис. 2. Мостовая схема соединения чувствительных элементов.

Принцип работы данной схемы заключается в следующем. На схему подается постоянное напряжение питания (точки А,Б). При равенстве всех четырех термосопротивлений и одинаковом тепло отводе с них в сравнительной и измерительной камерах, токи, протекающие через резисторы R1, R4 и R2, R3, будут одинаковыми. Поэтому в точках Д и С разности потенциалов не наблюдается. Если в измерительную камеру заходит газ с теплопроводностью, отличающейся от стандартного газа, то величины терморезисторов R1, R3 изменятся, что приведет к разбалансу токов в плечах мостовой схемы и появлению напряжения между точками С, Д. Величина этого напряжения будет тем больше, чем больше будет различие в теплопроводностях газов в измерительной и сравнительной камерах.

Внутренняя энергия тела может изменяться без совершения работы — за счет теплопередачи. Когда мы подносим металлическую палку к пламени свечи, ее конец тоже становится горячим.

На этом примере видно, что внутренняя энергия может передаваться от одних тел к другим. Также внутренняя энергия может передаваться от одной части тела к другой — ведь нижняя часть палки не касается свечи, но нагревается.

То же явления мы можем наблюдать, опустив железную ложку в кипяток. Вскоре конец ложки, не погружённый в воду, станет горячим (рисунок 1).

Одним из видов теплопередачи является теплопроводность. Именно его мы наблюдаем в приведенном примере. На данном уроке мы более подробно рассмотрим это явление.

Определение тепловодности

Теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

  • теплопроводность свойственна веществам во всех трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном
  • разные вещества обладают разной теплопроводностью

Рассмотрим подробнее последнее утверждение. Поднесем к огню конец деревянной палочки (рисунок 2). Он загорится. Тем не менее, другой ее конец останется холодным. Следовательно, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Если мы заменим деревянную палочку на металлическую, то она вся довольно быстро нагреется. Держа такой предмет, можно легко обжечься.

Это говорит о том, что металлы имеют большую теплопроводность. Серебро медь и золото имеют наибольшую теплопроводность.

Теплопроводность твердых тел

Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 3.

Прикрепляем к штативу один конец толстой медной проволоки. Под другим концом проволоки расположим спиртовую горелку. К проволоке прикрепим с помощью воска небольшие гвоздики (рисунок 3, а).

Начнем нагревать свободный конец проволоки с помощью спиртовки (рисунок 3, б). Воск постепенно начнет таять.

Поочередно гвоздики начнут отваливаться, начиная с тех, что находятся ближе к огню спиртовки (рисунок 3, в).

Объясним происходящее со стороны физики:

  1. Частицы металла находятся очень близко к друг другу. Они колеблются в определенных положениях
  2. Скорость колебательного движения частиц при нагревании металла сначала увеличивается в той части проволоки, которая находится ближе к огню
  3. За счет взаимодействия частиц металла друг с другом, увеличивается скорость движения соседних частиц
  4. При увеличении скорости их движения, начинает подниматься температура

Этот процесс будет постепенно проходить по всей длине проволоки.

При теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.

Рассмотрим еще один опыт (рисунок 3). На этот раз с другой стороны подставим к горелке еще один штатив с закрепленной на нем проволокой. Различие будет в ее материале — проволока сделана из стали.

В процессе нагревания мы увидим, что гвоздики на медной проволоке отваливаются быстрее. Медь быстрее нагревается по всей длине. Это показывает нам, что тепловодность различных металлов неодинакова. Медь имеет большую тепловодность, чем сталь.

Теплопроводность жидкостей

Проведем простой опыт. Наполним пробирку водой и начнем подогревать ее верхнюю часть (рисунок 4).

Вода в верхней части пробирки быстро закипит, а у дна просто нагреется. Это говорит о том, что у жидкостей теплопроводность невелика (исключение составляют ртуть и расплавленные металлы).

Причина небольшой теплопроводности жидкостей — расположение молекул в их строении. Расстояние между молекулами жидкости больше, чем в твердых телах.

Теплопроводность газов

Исследуем на опыте теплопроводность газов. Наденем на палец пробирку. Будем нагревать ее дно в пламени спиртовки (рисунок 5).

Нам придется долго ждать, чтобы почувствовать тепло нагретого в пробирке воздуха. Расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел. Значит, теплопроводность газов еще меньше.

Волосы, шерсть, перья птиц обладают плохой теплопроводностью. Причина этому — между волокнами этих веществ содержится воздух.

Теплопроводность объясняется переносом энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии частиц вещества. Чем больше расстояние между частицами и слабее взаимодействие между ними, тем меньшей теплопроводностью обладает тело. Поэтому наименьшей теплопроводностью обладает вакуум (безвоздушное пространство). Нет частиц — нет теплопроводности.

Применение

Иногда необходимо предохранить тело от нагревания или охлаждения. Для этого используют тела с малой теплопроводностью. Если кастрюли и сковородки делают из металла (позволяет быстрее нагреваться), то их ручки делают из дерева или пластмассы. Это позволяет нам не обжигаться. По этой же причине кружки и стаканы изготавливают преимущественно из пластмассы, стекла, фарфора.

Материалы, которые используют при строительстве домов (бревна, кирпичи, бетон) обладают плохой теплопроводностью. Таким образом строения меньше охлаждаются.

В устройстве термоса тоже применяется явление теплопроводности (рисунок 6). Из пространства между колбой и кожухом выкачан воздух, так почти не осуществляется теплопередача.

Снежный покров имеет плохую теплопроводность. Это имеет огромное значение для живых организмов: многие зимующие растения защищены от вымерзания; крупные животные ночуют, зарывшись в снег; мелкие могут вести активную жизнь в норах, вырытых под снегом.

Читайте также: