Содержание
Влажная среда
В большей своей части мы, люди, состоим из воды. И не только мы, но и подавляющее число всех живых организмов и растений Земли.
Этот факт и породил чрезвычайно популярную теорию о том, что сама жизнь на нашей планете зародилась в воде. И хотя сейчас есть теории, что некие микроорганизмы были занесены на безжизненную тогда Землю из космоса, важным остается то, что без воды жизнь на Земле просто невозможна. Какую же роль в нас, людях, играет вода? Ну, кроме того, что все мы из нее состоим…
Вода внутри нас находится в постоянном движении, это не застывший лед или вязкий кисель. Она разносит по организму жизненно важные для него элементы и выводит наружу отработанные шлаки и отходы жизнедеятельности клеток. В этом смысле вода — идеальный транспортировщик: она не вступает в реакцию ни с полезным, ни с вредным для нас веществом. Витамины, гормоны, микроэлементы, аминокислоты доставляются водой без потерь и именно туда, куда надо — к сердцу и желудку, в клетки и их мембраны, в твердые и мягкие ткани.
Точно так же из нас выводится все ненужное и отработанное.
Более того, вода нейтральна и по отношению к нашему организму. Она не повреждает наши органы при прямом даже длительном контакте, зато отлично обеспечивает чистоту биохимических процессов, протекающих в наших органах и клетках. Ученые говорят, что это происходит по той причине, что кислотно-щелочной баланс воды идеально подходит под наши потребности.
Высокая теплоемкость воды и ее относительно низкая теплопроводность позволяет нам жить в достаточно широком диапазоне температур. Именно вода обеспечивает здоровому организму температуру 36-37 градусов, при которой биохимические реакции в организме протекают так, как положено природой.
Поддерживающая функция жидкости также очевидна. Представьте, что чувствовал бы человек, чьи органы не «плавали» бы в жидкости, например, при беге: сердце, легкие, щитовидная железа, пищевод провалились бы куда-то в район желудка, не выдержав тряски. Вода же позволила природе не создавать громоздких конструкций по их поддержанию — они как бы висят в жидкости, не испытывая дискомфорта от силы тяжести.
***
Горячая вода замерзает быстрее холодной. В научной среде этот феномен носит название «Эффект Мпемба», по имени танзанийского студента, его открывшего. Объяснения эффекту Мпембы нет, ученые ищут его природу в разнице в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции либо в воздействии разжиженных газов на горячую и холодную воду.
Абсолютно чистая неподвижная вода не замерзает даже при минусовой температуре. Но как только в нее попадет крупинка песка, или поверхность воды вздрогнет, или температура достигнет — 38 градусов, вода замерзнет практически мгновенно.
Если температуру воды после ее замерзания понижать и дальше, она перейдет в следующие свои состояния: при -120 градусов станет вязкой и тягучей, а при -135 превратится в «стеклянную» воду — твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
Анна Кожухарь.
Свойства воды
Чистая вода — прозрачная жидкость, не имеющая цвета, запаха и вкуса. В твердом состоянии вода называется льдом ли снегом, а в газообразном — водяным паром.
Около 71 поверхности Земли покрыто водой. «Она является хорошим сильнополярным растворителем». В природных условиях вода всегда содержит растворенные вещества (соли и газы). Она имеет ключевое значение в создании и поддерживании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Состав воды (по массе): 11,19 водорода и 88,81 кислорода. Наибольшую плотность она имеет при (1 г/. Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при и кипит при давлении 101325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода – хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму, атомы водорода по отношению к кислороду образует угол, равный 104,5. Поэтому молекула воды — диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, — отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.
Аномальными свойствами воды являются те, в которых поведение жидкой воды сильно отличается от того, что наблюдается для других жидкостей.
Вода – единственное, что встречается в природе во всех трёх агрегатных состояниях: в твердом, в жидком и в газообразном. В форме газа вода одна из самых легких структур, а как жидкость – намного плотнее, чем ожидалось, но вот в твердом виде вода оказалась намного легче, чем ожидалось, если сравнивать с жидкой формой. Вода может быть чрезвычайно сколькой и липкой. Вода меньше других похожа на жидкость. При низких температурах она ведет себя совершенно иначе, чем в горячем состоянии. Высокая когезия между молекулами придает воде высокую температуру замерзания и плавления. Большая теплоемкость, высокая теплопроводность и высокое содержание воды в организмах способствуют терморегуляции и предотвращают локальные колебания температуры, это позволяет им легче контролировать температуру тела. Высокая скрытая теплота испарения обеспечивает устойчивость к обезвоживанию и значительное испарительное охлаждение. Она обладает уникальными свойствами гидратации по отношению к важным биологическим макромолекулам (особенно белкам и нуклеиновым кислотам), которые определяют их трехмерные структуры и, следовательно, их биологические функции в организме.
Вода ионизирует и обеспечивает легкий протонный обмен между молекулами, способствует обогащению ионных взаимодействий в биологии. Кроме того, вода является отличным растворителем благодаря своей полярности, высокой относительной диэлектрической проницаемости и небольшому размеру, особенно для полярных и ионных соединений и солей.
В окрестностях температуры +4 °C вода расширяется при нагревании или охлаждении. Этот максимум плотности в сочетании с низкой плотностью льда приводит к тому, что весь объем пресной воды (а не только ее поверхность) имел бы температуру близкую к +4 °C до того, как может произойти какое-либо замерзание. Замерзание рек, озер и океанов происходит сверху вниз, что позволяет сохранить экологию дна, изолируя воду от дальнейшего замерзания, отражая тепловое излучение в космос.
Большая теплоемкость океанов и морей позволяет им действовать как резервуары тепла, так что температура моря изменяется лишь на треть от температуры суши и, таким образом, смягчает климат нашей планеты Сжимаемость воды снижает уровень моря примерно на 40 м, что дает нам на 5% больше суши.
Среди аномалий воды следует отметить противоположные свойства горячей и холодной воды, причем аномальное поведение более выражено при низких температурах, когда свойства переохлажденной воды часто отличаются от свойств льда. При нагревании (переохлажденной) холодной жидкой воды отдельные молекулы сжимаются, объем воды уменьшается и ее становится все труднее сжимать, показатель преломления увеличивается, скорость звука в воде растёт, газы труднее растворяются, их легче нагревать и они лучше проводят тепло. Напротив, при нагревании горячей жидкой воды происходит расширение, воду становится легче сжимать, показатель преломления воды уменьшается, скорость звука в ней уменьшается, газы становятся более растворимыми, их труднее нагревать и они хуже проводят тепло. С увеличением давления отдельные молекулы расширяются, молекулы холодной воды движутся быстрее, но молекулы горячей воды движутся медленнее. Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, лед тает при сжатии, за исключением случаев высокого давления, когда жидкая вода замерзает при сжатии.
Аномалии воды проявляются как иерархия эффектов с различными границами. Поскольку плотность всегда увеличивается с увеличением давления, аналогичная зависимость сохраняется и для давления.
Подведём итог и приведём список аномальных термодинамических и физических свойств воды, влияющих на жизнедеятельность человека в целом. Итак, вода имеет:
- Необычно высокую температуру плавления.
- Необычно высокую температуру кипения.
- Необычно высокую критическую точку.
- Твердая вода существует в более широком разнообразии стабильных (и метастабильных) кристаллических и аморфных структур, чем другие материалы.
- Теплопроводность, модуль сдвига и поперечная скорость звука льда уменьшаются с увеличением давления.
- Структура жидкой воды изменяется при высоком давлении.
- Переохлажденная вода имеет две фазы и вторую критическую точку около -91°C.
- Жидкая вода существует при очень низких температурах и замерзает при нагревании.
- Жидкая вода может быть легко перегрета.
- Горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная;
- Молекулы воды сжимаются при повышении температуры и расширяются при повышении давления.
- Вода обладает необычно высокой вязкостью.
- Большая вязкость и число Прандтля увеличиваются при понижении температуры.
- Вязкость воды уменьшается при давлении ниже 33°C.
- Значительно уменьшается диффузия при понижении температуры.
- При низких температурах самодиффузия воды увеличивается с увеличением плотности и давления.
- Коэффициент температуропроводности достигает максимума при давлении примерно 0,8 ГПа.
- Вода обладает необычайно высоким поверхностным натяжением.
- Теплота плавления воды с температурой достигает максимума при -17 градусов
- Удельная теплоемкость воды более чем в два раза превышает удельную теплоемкость льда или пара.
- Вода имеет высокую теплоту испарения, температуру сублимации и энтропию испарения.
- Теплопроводность воды высока и достигает максимума примерно при 130 °C.
Что такое теплопроводность? Определение, единицы, формула, примеры, вода, воздух, медь, алюминий, сталь, стекло
В этой статье мы узнаем, что такое теплопроводность, ее определение, единицы, формула или уравнение, примеры для воды, воздуха, меди, алюминий, сталь, стекло и т. д.
Давайте исследовать!
Что такое теплопроводность? Определение
Давайте попробуем понять, что вы подразумеваете под теплопроводностью?
Основы теплопроводности
Способность материала проводить тепло называется теплопроводностью и обозначается как «k», «λ» или «κ». Обсуждаемая величина включена в теплофизические свойства.
- Противоположностью теплопроводности является удельное тепловое сопротивление.
- Для радиаторов используются материалы с высокими значениями теплопроводности, а материалы с низкими значениями используются в качестве теплоизоляторов.
Определение теплопроводности
Теплопроводность – это присущее материалу свойство проводить или передавать тепло или электричество.
- Это один из методов теплопередачи, остальные — конвекция и излучение.
- Это процесс, происходящий посредством контакта и молекулярного возбуждения без участия самого вещества.
Тепло передается по градиенту температуры, т. е. всегда перемещается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой.
- Его также можно определить как движение от области высокой молекулярной энергии к области низкой молекулярной энергии.
- Уравнения скорости используются для определения теплопередачи.
- Одним из известных законов является закон теплопроводности Фурье.
- Подробно объясняется в разделе Закон Фурье блога.
Ознакомьтесь с нашим «Обучающим приложением MechStudies» в iOS и Android
Измерения теплопроводности
Давайте посмотрим, как измерить теплопроводность?
Существует несколько методов измерения теплопроводности.
В целом есть два метода;
- Метод стационарного измерения
- Метод стационарного измерения
Метод стационарного измерения
Он включает измерение, при котором исследуемый материал не изменяет температуру со временем. Это выгодно, так как это приводит к простому анализу из-за постоянной температуры.
Основным недостатком является то, что для проведения экспериментов требуется правильно спроектированная установка. Метод Серла Бара и метод диска Ли относятся к стационарным методам.
Техника переходных процессов
Включает запись измерений в процессе нагрева. Основным преимуществом этого метода является быстрота и простота измерений. Однако недостатком является сложность математического анализа данных во время экспериментов. Метод лазерной вспышки и метод линейного источника переходных процессов классифицируются как методы переходных процессов.
Следовательно, существует несколько методов, но широко используются описанные выше два метода.
Каждый метод имеет свои плюсы и минусы. Еще один важный момент, который следует учитывать, заключается в том, что легче изучать тепловые свойства твердых тел, чем жидкостей.
Ознакомьтесь с нашим 100% объяснением Решенный тест
Единицы измерения теплопроводности и коэффициент
Единицы измерения теплопроводности
Температура, длина, масса и время — это измерения, выражающие теплопроводность. Единицей СИ рассматриваемой величины является Wm 9.0085 -1 K -1 (ватт на метр-кельвин). Величина также выражается в терминах мощность/(длина*температура), определяемая как скорость теплопроводности через материал единичной толщины для каждой разницы температур по шкале Кельвина.
Коэффициент теплопроводности
«К» — это коэффициент теплопроводности, который является параметром материала и сильно зависит от температуры, физических свойств материала, давления на материал и содержания воды. Коэффициент «К» измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К).
Вещества с большим значением «k» являются хорошими проводниками тепла, тогда как вещества с малым значением являются хорошими теплоизоляторами каждое вещество имеет различную способность проводить тепло. Математическое уравнение для описания теплопроводности материала выглядит следующим образом:
K = (QL)/(A∆T)
В приведенной выше формуле или уравнении теплопроводности
- K : показывает теплопроводность в Вт/м·К
- Q : показывает количество тепла, передаваемого через материал в джоулях/секунду или ваттах
- L : показывает расстояние между двумя изотермическими плоскостями
- A : представляет площадь поверхности в квадратных метрах
- ΔT : демонстрирует разницу температур в Кельвинах
Закон Фурье и формула
Это закон теплопроводности, также называемый законом теплопроводности.
- Заявление
Закон гласит, что теплопередача через материал прямо пропорциональна отрицательному градиенту температуры и площадным тепловым потокам.
- Математическая форма
Математическая форма в соответствии с утверждением закона Фурье:
Q = -K. ∇ T
- ∇T в формуле – градиент температуры,
- q – тепловой/тепловой поток,
- k – коэффициент теплопроводности рассматриваемого материала.
Формула и формула закона Видемана-Франца
Тепловая и электрическая проводимость материалов выражается в терминах закона, известного как закон Видемана-Франца. Закон дает соотношение между теплопроводностью и электропроводностью металлов.
- Заявление
Закон описывает взаимосвязь теплопроводности металлов с электропроводностью и отражает идею о том, что хорошие электрические проводники также являются хорошими теплопроводниками.
- Математическое представление
Закон обосновывается математической формулой, приведенной ниже.
Kσ=LT
В приведенной выше формуле или уравнении теплопроводности
- K : является электрическим компонентом теплопроводности
- σ : представляет собой теплопроводность
- T : демонстрирует абсолютную температуру
- L : показывает LITRENTS
- Химическая фаза вещества
- Электропроводность материала
- Структура материала
- Газы, неметаллические твердые вещества и металлические твердые вещества
- Термическая анизотропия
- Влияние магнитного поля
- Изотопная чистота земной коры
- строительство,
- различные отрасли промышленности,
- инфраструктура,
- инструменты,
- снасти,
- автомобилей,
- кораблей,
- ядерных,
- машин и т. д.
0
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
0
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
0
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
0
00
00
00
00
00
00
00
00
00
0
00
00
00
00
00
00
00
0
00
00
00
00
00
0
00
00
00
0
00
00 приведен ниже:
Где k — постоянная Больцмана, а e — заряд электрона. В течение 150 лет закон считался довольно стабильным, но недавние исследования доказали, что у него есть некоторые ограничения.
Факторы, влияющие на теплопроводность
На теплопроводность влияют различные факторы. Некоторые из них подробно описаны ниже.
Температура
Температура является важным фактором, влияющим на теплопроводность металлов и неметаллов.
Несколько других условий также обсуждаются ниже в соответствующих заголовках.
В металлах
Теплопроводность металлов связана со свободными электронами и согласно закону Видемана-Франца (обсуждаемому выше в блоге) пропорциональна абсолютной температуре и электропроводности.
Повышение температуры приводит к уменьшению электропроводности чистых металлов, что показывает, что их теплопроводность меняется с повышением температуры. Аналогично, когда температура достигает 0 К, наблюдается резкое снижение.
Теплопроводность сплавов металлов увеличивается с повышением температуры, но заметного изменения электропроводности не наблюдается. Значение теплопроводности большинства чистых металлов достигает пика при температуре от 2 до 10 К.
В неметаллах
Теплопроводность неметаллов связана с колебаниями решетки. Теплопроводность неметаллов существенно не меняется при высоких температурах.
Теплопроводность и соответствующая теплоемкость уменьшаются, когда температура падает ниже температуры Дебая.
При фазовом изменении материала наблюдается резкое изменение его теплопроводности; Например, теплопроводность льда изменяется от 2,18 Вт·м -1 К -1 до 0,56 Вт·м -1 К -1 при переходе в жидкую фазу.
Закон Видемана устанавливает взаимосвязь между теплопроводностью и электропроводностью, которая применима только к металлам. В случае неметаллов электропроводность не влияет на теплопроводность.
На теплопроводность также влияет структура материала. В зависимости от направления, в котором распространяется тепло, некоторые материалы имеют разную теплопроводность, называемую анизотропными материалами. Следовательно, расположение конструкции является важным фактором, определяющим, насколько легко тепло будет течь в определенном направлении.
Исходя из тенденций теплопроводности, существуют три основные категории материалов; газы, металлические твердые вещества и неметаллические твердые вещества. Различие в теплопередаче между ними может быть связано с разными структурами.
Из-за свободного движения частиц газ имеет низкие значения теплопроводности; следовательно, они также являются плохими теплопередатчиками. В металлических твердых телах частицы или молекулы удерживаются в решетчатой структуре, и поэтому теплопроводность в значительной степени осуществляется за счет вибрации.
Неметаллические твердые вещества имеют значительные различия, но в двух словах теплопроводность неметаллических твердых тел выше. Напротив, с учетом вариации материалы с большими воздушными карманами будут действовать как хорошие изоляторы, а материалы с плотными пакетами частиц будут иметь высокое значение теплопроводности.
Теплопроводность твердых металлических тел резко отличается от двух других категорий. Металлы обладают самой высокой теплопроводностью, что можно объяснить наличием свободных электронов.
Различия в связи фононов вдоль определенной оси кристалла приводят к различной теплопроводности материалов вдоль разных осей кристалла. Наличие тепловой анизотропии свидетельствует о том, что поток тепла может не совпадать с направлением градиента температуры.
Эффект Магги-Райта-Ледук может объяснить изменение теплопроводности проводника, помещенного в магнитное поле. Когда мы применяем магнитное поле, видно развитие ортогонального температурного градиента.
Изотопная чистота кристалла также влияет на теплопроводность материала. Рассмотрим пример: теплопроводность алмаза типа IIa (98,9% изотопа углерода-12) составляет 10000 Вт·м -1 К -1 , а алмаз с обогащением 99,9% составляет 41 000 Вт·м -1 К -1 .
Следовательно, разницу можно увидеть, сравнив оба значения.
Материалы и теплопроводность воздуха, воды, меди, стали, стекла, кремния, латуни, пластика, эпоксидной смолы
В разных разделах блога обсуждалась идея о том, что теплопроводность варьируется от материала к материалу в зависимости от нескольких факторов.
Каждое вещество относится к разным категориям и, следовательно, имеет уникальное значение теплопроводности. Основные материалы и их теплопроводность относительно их структуры и других свойств обсуждаются ниже.
Теплопроводность различных материалов значительно зависит от температуры и давления. Тем не менее, значения теплопроводности некоторых основных материалов при определенных температурах ниже на основании некоторых тестов. В таблице приведены значения для каждого материала.
| Materials | Thermal Conductivity W/m K | ||
| Air | 0. 024 at 0 degrees celsius | ||
| Water | At 20 degrees celsius | ||
| Вода дистиллированная | 0,598 | ||
| Вода пресная водопроводная | 0,599 | ||
| Вода водопроводная отстоянная | 0,5401 36 | Sugar solution 5 mass % | 0.598 |
| Salt solution 5 mass % | 0.580 | ||
| Water vapors | 0.016 | ||
| ice | 2.18 | ||
| Copper | 386 при 20 градусах Цельсия | ||
| Сталь | При 20 градусах Цельсия | ||
| Нержавеющая сталь 5 | |||
| Steel mild | 50 | ||
| Glass | 1.05 at 20 degrees celsius | ||
| Silicon | At 100 degrees celsius | ||
| Pure material | 145 | ||
| Легированный материал | 98 | ||
| Латунь (60/40) | 96 при 20 градусах Цельсия | At 20 degrees celsius | |
| Acrylic (perspex) | 0. 20 | ||
| Nylon 6 | 0.25 | ||
| Polyethylene (low density) | 0.33 | ||
| Polyethylene(high density) | 0.50 | ||
| Epoxy | At 20 degrees celsius | ||
| Epoxy | 0.17 | ||
| Epoxy glass fiber | 0,23 |
Различные материалы и теплопроводность
Теплопроводность воздуха
Воздух представляет собой смесь газов и состоит из азота (78,08 об. %) и кислорода (20,95 об.%). Кроме того, воздух содержит 0,94 об. % инертных газов и 0,03 об. % углекислого газа.
Воздух такого состава сухой, а его молекулярная масса М = 28,96 г/моль. Теплопроводность воздуха при нуле градусов Цельсия равна 0,024 Вт·м -1 К -1 . Поведение теплопроводности воздуха такое же, как и вязкости.
В жидкой фазе теплопроводность уменьшается с повышением температуры, тогда как в газовой фазе она увеличивается.
При низком давлении и высокой температуре теплопроводность резко возрастает за счет диссоциации.
Теплопроводность воды
Вода состоит из водорода и кислорода и существует в виде жидкости, газа и твердого тела. Он не имеет вкуса и запаха при комнатной температуре, а вода является важным компонентом, поддерживающим жизнь.
Вода известна как «Универсальный растворитель» и имеет стабильную теплопроводность при 20 градусах Цельсия. Различные типы воды и значения их теплопроводности в Вт/м·К приведены в таблице выше. Большинство тестов проводится при температуре 20 градусов по Цельсию.
Пресная вода имеет значение теплопроводности 0,599 Wm -1 K -1 при 20 градусах Цельсия, в то время как остальные формы воды и теплопроводности указаны в таблице выше. Вода является хорошим проводником тепла и электрического тока.
Теплопроводность меди
Красноватый химический элемент и чрезвычайно пластичный металл, принадлежащий к 11 группе периодической таблицы Менделеева, — медь.
Металл встречается в природе в свободном металлическом состоянии и является проводником тепла и электричества. При 20 градусах Цельсия медь имеет теплопроводность 386 Wm -1 K -1.
Теплопроводность стали
Сталь представляет собой сплав железа с добавлением нескольких других материалов, а нержавеющая сталь содержит дополнительно 11% хрома.
Высокая прочность на разрыв и низкая стоимость делают сталь идеальным и незаменимым элементом в наиболее распространенных секторах, таких как
16 бытовая техника,
Сталь универсальна и может сочетаться с различными элементами, в результате чего получается 3500 различных марок металлов. Значение теплопроводности стали довольно низкое по сравнению со всеми металлами, поэтому они известны как плохие теплопроводники.
Они идеально подходят для использования в качестве изоляторов, поскольку очень медленно переносят тепло. Теплопроводность нержавеющей стали и низкоуглеродистой стали составляет 25 Вт·м -1 К -1 и 50 Вт·м -1 К -1 соответственно. Их лучше всего использовать в высокотемпературных средах, таких как двигатели самолетов или автомобилей.
Теплопроводность стекла
Стекло представляет собой некристаллическое и аморфное твердое вещество, прозрачное и широко используется для различных целей, поскольку оно является аморфным твердым телом.
Следовательно, стекло имеет низкую теплопроводность, которая составляет 1,05 Вт·м -1 К -1 при 20 градусах Цельсия. Песок и некоторые другие минералы плавятся, образуя стекло.
Материал широко применяется в декоративных и технологических целях, а также для обшивки окон.
Теплопроводность кремния
Слово происходит от латинского silex, означающего «кремень или твердый камень».
Кремний — неметаллический элемент, относящийся к углероду, является важным компонентом в полупроводниковой промышленности и составляет около 27,7 % земной коры.
Уступая кислороду, этот элемент является вторым по распространенности элементом в земной коре.
Этот компонент необходим при моделировании электротермических устройств или при интерпретации методов быстрых переходных процессов для измерения теплового импеданса, поскольку в этой области требуется теплопроводность кремния.
Чистый кремний и легированный материал имеют значения теплопроводности 145 и 98 Wm -1 K -1 . Это хороший проводник тепла, а также полупроводник.
Теплопроводность латуни
Латунь представляет собой сплав меди и цинка, и коэффициенты теплопроводности различаются для разных видов латуни.
Сплав имеет очень привлекательный и эстетичный вид, обладает большей ковкостью, устойчив к коррозии и имеет низкую температуру плавления.
Поскольку материал не является ферромагнитным, его можно легко отделить от других металлов для переработки.
Латунь (60/40) имеет теплопроводность 96 Вт·м -1 К -1 . Это хороший проводник тепла, а акустические свойства этого металла делают его идеальным и обязательным для использования в музыкальных инструментах.
Теплопроводность пластмассы
Пластмасса представляет собой полимер, такой же, как и синтетические волокна, и при размягчении ему можно придавать любую форму и размер, а при затвердевании из него можно производить прочные изделия.
Это широкий термин, который относится к большому классу полусинтетических и синтетических органических полимеров. Некоторые из них: акрил (плексиглас), нейлон 6, полиэтилен (низкой плотности), полиэтилен (высокой плотности), имеющие значения теплопроводности 0,20, 0,25, 0,33, 0,50 Вт·м -1 K -1 соответственно.
Пластик происходит от греческого слова «пластикос», что означает «лепить». Пластмассы имеют низкую теплопроводность и поэтому подходят для изоляции.
Механическая прочность полиэтилена ниже, чем у других пластиков, и он является хорошим изолятором электричества.
Теплопроводность эпоксидной смолы
Эпоксидная смола является основным компонентом семейства эпоксидных смол и широко используется в коммерческих целях и в различных промышленных продуктах.
Они известны как эпоксидные смолы, эпоксиды или эпоксиды и представляют собой широкую группу реакционноспособных соединений, характеризующихся наличием эпоксидного кольца.
Эпоксидная смола универсальна и может сочетаться с различными отвердителями для достижения свойств, необходимых для конкретного применения.
Эпоксидные смолы обладают очень низкой теплопроводностью и в основном используются в качестве изоляционного материала. Значения теплопроводности эпоксидной смолы и эпоксидного стекловолокна составляют 0,17 и 0,23 Вт·м 9 .0085 -1 К -1, соответственно.
Высший курс
Основы теплопередачи Часть 1
Основы теплопередачи Часть 2
Усовершенствованный теплообмен: теплообменники
Усовершенствованный теплообмен: тепловое излучение
Теплообменники: принципы, работа и конструкция
Заключение
Теплопроводность – это теплофизическое свойство веществ, характеризующееся способностью вещества проводить тепло.
Единицей рассматриваемой величины в системе СИ является Wm -1 K -1 (ватт на метр-кельвин). Для расчета теплопроводности материала используется несколько методов, но наиболее распространенными являются переходные и стационарные методы.
Некоторые методы классифицируются по этим двум широким категориям. Наиболее важными факторами, влияющими на теплопроводность, подробно обсуждаемыми в блоге, являются температура, тепловая анизотропия, магнитное поле, изотопная чистота кристалла, электропроводность, структура, фаза материала и т. д.
Два известных закона, такие как закон Фурье и закон Видмана, обсуждаются в блоге и их соответствующие формулы. Различные значения теплопроводности сделают одни материалы лучшими теплоизоляторами, а другие — лучшими проводниками тепла.
Наши приложения
Проверьте наши «Mechstudies — The Learning App» в IOS и Android
Викторина
Наша 100% решающая тест
Проверьте наши просмотр Artcles, 9%
Различные вещества имеют разные значения теплопроводности в зависимости от температуры, давления, структуры и класса материала. Есть еще несколько факторов, влияющих на недвижимость и ее стоимость.
.0003
Что такое термодинамика
Интенсивные и обширные свойства
Что является давлением
Теорема Бернулли
Вентури Метр
Основы насоса
Globe Clean
Siphon
5. нанопроволоки содержали наножидкости с низкой вязкостью
Получение и механизм роста медных нанопроволок
На сегодняшний день были синтезированы различные по морфологии и структуре частицы CuO, такие как материалы на основе меди нанопроволоки, наносферические, наноцветки, и они широко исследованы во всем мире. Наноструктурные материалы CuO обычно использовались в качестве аддитивных наполнителей для улучшения тепловых свойств наножидкостей с различной базовой жидкостью.
Нанопроволоки CuO были успешно синтезированы на подложке Cu путем нагрева фольги Cu на воздухе.
Рисунок 1
Типичные СЭМ-изображения нанопроволок CuO при различном увеличении.
Изображение полного размера
Рис. 2
Статистические данные о длине и диаметре нанопроволок оксида меди.
Изображение в полный размер
Как сообщалось в нашей предыдущей статье 19 , свежесинтезированные структуры CuO представляют собой микросферы диаметром около 1 мкм.
Рисунок 3
Механизм роста нанопроволок CuO 62 .
Увеличить
На самом деле все больше и больше молекул CuO генерируется и образует моноклинное критическое ядро CuO с продолжением реакции окисления 24,25,26 . Теория кристаллов показывает, что форма ядра моноклинного кристалла обычно представляет собой заостренную стержнеобразную структуру, поэтому большая часть ионов меди транспортируется к острию, лишь небольшая часть радиального роста, следовательно, будет образовывать одно- размерная линейная структура 27,28 .
Чтобы проанализировать внутренние материалы окисленной медной фольги, оксид на медной фольге был тщательно счищен щеткой для рентгеноструктурного анализа. Основные характеристические дифракционные пики двух образцов совпадают (рис. 4), и соответствующие 2θ также совпадают, что указывает на то, что два образца имеют одинаковую фазу. В соответствии с пиками стандарта оксида меди PDF#48-1548, пик 32,6° CuO 110; пик CuO 002 35,7°; пик 38,9° CuO 111; пик 49,0° CuO-202; 53,6° CuO 020 пик; 61,7°, пик CuO -113; 66,2°, пик CuO -311; 68,4 CuO 220 пик; Было определено, что пики CuO представляют собой чистый оксид меди, а дифракционные пики образцов были острыми, что указывает на то, что CuO является моноклинным.
Рисунок 4
Рентгенограммы нанопроволок CuO и наносфер CuO.
Увеличить
Структуру нанопроволок исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). На рис. 5 показана одиночная нанопроволока, которая показывает многогранность и края четкие, нанопроволоки CuO не пустые внутри, а сплошные. Это согласуется с результатом SEM, как показано на рис. 1. Рисунок SAED указывает на то, что нанопроволоки представляют собой CuO с моноклинной структурой. Изображение ПЭМ высокого разрешения (HRTEM) ясно показывает, что нанопроволока представляет собой монокристаллический CuO. D-пространство нанопроволоки, рассчитанное по соответствующему рисунку SAED, составляет 0,248 нм, что соответствует его плоскости (111). Картина SAED указывает на то, что нанопроволока является монокристаллической с моноклинной структурой.
.
Увеличить
Сравнение повышенной теплопроводности наножидкостей
Теплопроводность наножидкостей измеряли с помощью анализатора теплопроводности при температуре 25 °C.
Рисунок 6
Теплопроводность ( a ) и повышенная теплопроводность наножидкостей ( b ) с различными частицами CuO в зависимости от объемной доли.
Изображение полного размера
Из сравнения можно сделать вывод, что теплопроводность нанопроволок CuO, содержащих наножидкости, значительно выше, чем теплопроводность наносфер CuO, содержащих наножидкости, при тех же условиях в нашем эксперименте. По сравнению с другими работами, это интригующе высокий прирост теплопроводности при низкой нагрузке с использованием нанопроволок CuO в качестве термической добавки. Ли и др. . исследовали свойство суспензии 4,0 об.% частиц CuO размером 35 нм в этиленгликоле и наблюдали 20% увеличение теплопроводности 29 .
Предыдущее исследование показало, что теплопроводность наножидкостей определяется многими факторами 5 , включая тип наночастиц, основные жидкости и температуру. Эффекты частиц включают: концентрацию, агломерацию, размер, форму и поверхностный заряд. Эффекты базовых жидкостей включают теплопроводность базовых жидкостей и вязкость. Для объяснения причин увеличения теплопроводности в наножидкостях многие ученые предлагали механизмы теплопередачи в наножидкостях.
Впервые он был разработан Кеблински и др. . что теплопроводность наножидкостей может быть повышена за счет кластеризации/агрегации наночастиц 37 . Из-за силы притяжения Ван-дер-Ваальса мелкие частицы имеют тенденцию образовывать агрегаты в базовой жидкости. Имеются кластеры наночастиц, которые являются небольшими, но диспергируемыми и стабильными в суспензии.
Хотя предложено так много механизмов, не существует общих механизмов, управляющих странным поведением наножидкостей, включая сильно улучшенную эффективную теплопроводность.
Как все мы знаем, оксиды металлов оказывают важное влияние на теплопроводность наножидкостей. Мы полагаем, что существует очень существенная связь между структурой оксида меди и теплопроводностью наножидкостей. По сути, исходные внутренние свойства металлических наноструктур определяются их размерами, структурой и взаимодействием между наночастицами 38 . Наносферы CuO представляют собой нульмерные (0-D) наноматериалы, а нанопроволоки CuO представляют собой одномерные (1-D) наноматериалы. Некоторые ученые доказали преимущество одномерного материала в передаче тепла. По сравнению с наночастицами нанопроволоки 1-D CuO имеют структуру меньшего размера и высокое соотношение сторон, что позволяет эффективно транспортировать теплоносители в одном контролируемом направлении 39,40,41 .
Кроме того, поверхностный фонон также является одной из причин теплопроводности.
$$\lambda =\frac{1}{3}Cvl$$
(1)
где λ — теплопроводность, ν — фононная частота, C — объемная теплоемкость на единицу фононной частоты, l — средний свободный пробег фононов. Нанопроволоки CuO также имеют большую длину свободного пробега фононов по сравнению с наночастицами, что способствует более высокой теплопроводности. При добавлении оксида меди, стабильно диспергированного в диметиконе, теплопроводность двух фаз сильно различается, тогда тепло в основном переносится фазой, имеющей высокую теплопроводность. Это также объясняет, что суспензии с наностержнями и нанопроволоками CuO всегда демонстрировали более высокую теплопроводность, чем суспензии с наносферами CuO. Таким образом, делается вывод, что фактор формы оказывает существенное влияние на теплопроводность наножидкостей 42 .
Теоретические модели теплопроводности
Было предложено множество уравнений для транспортных свойств, таких как электрическая и теплопроводность двухфазных систем. Эффективная теоретическая модель может предсказать и направить экспериментальные результаты. Теплопроводность наножидкостей CuO различной морфологии была дополнительно рассчитана путем сравнения наших экспериментальных результатов с существующими теоретическими моделями. Экспериментальные данные сравнивались с Maxwell 43 , Брюггемана 44 и модели Гамильтона-кроссера 45 также обсуждался механизм влияния.
Модель Максвелла известна предсказанием теплопроводности разбавленной суспензии с крупными и сферическими частицами. Его можно представить следующим образом:
$${k}_{C,Maxwell}={k}_{b}[\frac{{k}_{p}+2{k}_{b}+2V ({k}_{p}-{k}_{b})}{{k}_{p}+2{k}_{b}-V({k}_{p}-{k}_ {b})}]$$
(2)
Брюггеман предложил модель для анализа взаимодействий между случайно распределенными частицами.
(4)
Модели Максвелла и Брюггемана не учитывают влияние размера частиц, морфологии и других факторов . На самом деле размер и форма частиц наполнителей обычно влияют на коэффициент теоретических моделей. На основе модели Максвелла Гамильтон и Кроссер учитывают форму частиц. Модель Гамильтона-кроссера можно представить следующим образом:
$${k}_{C}={k}_{b}[\frac{{k}_{p}+({\rm{n }}-1){k}_{b}+(n-1)V({k}_{p}-{k}_{b})}{{k}_{p}+(n-1 ){k}_{b}-V({k}_{p}-{k}_{b})}]$$
(5)
В этих теоретических моделях k c , k b и k p представляют теплопроводность системы, базовой жидкости и наполнителя. V – объемная доля наполнителей. n = 3/Ф, Ф – сферичность частицы наполнителя, n – эмпирический коэффициент формы. Для сферической частицы сферичность (Ф) равна 1, n = 3, поэтому модель Гамильтона-кроссера равна модели Максвелла.
$${k}_{C}={k}_{b}[\frac{{k}_{p}+K{k}_{b}+KV({k }_{p}-{k}_{b})}{{k}_{p}+K{k}_{b}-V({k}_{p}-{k}_{b} )}]$$
(6)
где K – коэффициент формы, K = 2Ф 0,2 (l p /l d ), l p и l d — длина и диаметр частицы соответственно. K эквивалентно (n − 1). Легко подсчитать, что l p /l d = 71,32, n = 75,78.
Согласно прогнозной модели, для наносфер CuO сферичность (Ф) равна 1, и значения модели Максвелла в основном согласуются с экспериментальными результатами для наносфер CuO. Кроме того, значение теплопроводности теоретического предсказания модели Брюггемана намного выше, чем значения, определенные экспериментально.
Рисунок 7
Анализ прогнозной модели и экспериментальных данных.
Изображение полного размера
Вязкость наножидкостей
За последние два десятилетия было выполнено много исследований эффективной вязкости. Другие физические свойства жидкостей могут измениться при добавлении наночастиц в базовую жидкость. В приложениях теплопередачи для наножидкостей вязкость так же важна, как теплопроводность 48 , и она будет влиять на характеристики потока и теплопередачи.
На рис. 8(a) показана зависимость напряжения сдвига от деформации сдвига для нанопроволок CuO, содержащих наножидкости. Для различной объемной концентрации наножидкостей CuO существует линейная зависимость между напряжением сдвига и скоростью сдвига, демонстрирующая, что нанопроволоки CuO, содержащие наножидкости, ведут себя как ньютоновская жидкость в испытанных условиях. Для простоты расчета коэффициент вязкости определяется как отношение вязкости наножидкости к вязкости базовой жидкости. Отношение вязкости наножидкостей в зависимости от скорости деформации сдвига показано на рис. 8(b). Напряжение сдвига не зависит от скорости сдвига, что также указывает на ньютоновское поведение, и наблюдается, что коэффициент вязкости увеличивается с увеличением объемной доли нанопроволок CuO.
Рисунок 8
( a ) Соотношения напряжения сдвига и деформации сдвига для различных объемных концентраций наножидкости CuO; ( b ) Отношение вязкости к скорости сдвига для различных объемных концентраций наножидкостей CuO.
Изображение полного размера
Результаты увеличения средней вязкости с объемными концентрациями наножидкости CuO показаны на рис. 9(a), и обнаружено, что измеренная нами вязкость наножидкости на основе CuO максимально увеличивается почти на 6,41% при объеме фракция 0,75%. Увеличение вязкости за счет добавления большего количества наночастиц обусловлено увеличением фракции и сопротивления течению наножидкостей 51 . Когда наножидкости текут, чтобы преодолеть сопротивление внутреннего трения, ей необходимо потреблять определенное количество энергии. Чем больше частиц в наножидкостях, тем больше потребление энергии, поэтому чем больше объемная доля наночастиц, тем выше вязкость наножидкостей.
Муршед и др. . экспериментально изучили вязкость наножидкостей 52 и пришли к выводу, что измеренная вязкость Al 2 O 3 9Было обнаружено, что 0772 /наножидкости на водной основе увеличиваются почти на 82% при максимальной объемной загрузке наночастиц 5%. Чиам и др. . исследовали теплопроводность и вязкость наножидкостей Al 2 O 3 для различного базового соотношения воды и смеси этиленгликоля 53 и показали, что средняя динамическая вязкость увеличивается до 50% при концентрациях от 0,2 до 1,0% для смесь вода:ЭГ в соотношении 60:40. Экспериментально исследовано влияние температуры и объемной доли наночастиц на вязкость наножидкостей оксид меди-этиленгликоль.0839 и др. ., которые установили, что максимальное увеличение относительной вязкости составляет 82,46%, что происходит при объемной доле 1,5% и температуре 50 °С 51,54 .
По сравнению с вышеуказанной работой увеличение вязкости нанопроволок CuO, содержащих наножидкости, ниже, чем у другого раствора при той же концентрации.
На сегодняшний день несколько исследований исследовали и доказали влияние формы наночастиц на вязкость наножидкостей, но единого вывода нет. Для суспензий ZnO/вода, Ferrouillat и др. . обнаружили, что вязкость наножидкостей с стержнеобразными наночастицами несколько меньше, чем с многоугольными частицами 57 .
Как показано на рис. 9(c), мы изучали влияние температуры на вязкость. Экспериментальные данные показывают, что вязкость наножидкостей с содержанием CuO 0,75% снижается с повышением температуры. При температуре 65 °C вязкость нанопроволок CuO, содержащих наножидкости, снижается на 40%. Многие ученые интерпретировали причины. С повышением температуры броуновское движение наночастиц CuO будет увеличиваться в базовой жидкости.
Рисунок 9
( a ) Среднее отношение вязкости и увеличено для различных объемных концентраций наножидкостей CuO. ( b ) Вязкость наножидкостей с различными частицами CuO в зависимости от объемной доли, ( c ) Вязкость наножидкостей, содержащих 0,75% нанопроволок CuO, при различной температуре, ( d ) Сравнение с предсказаниями по различным классическим и эмпирическим вязкостям модели.
Изображение в натуральную величину
Теоретические модели вязкости
Эйнштейн предложил корреляцию вязкости с точки зрения концентрации наночастиц в базовой жидкости. Было заявлено, что эта модель действительна для твердых тел, когда объемная доля наночастиц ниже 2%. В сочетании с моделью Эйнштейна до сих пор многие ученые предлагали разные модели прогнозирования (таблица 1).
Таблица 1 Типичные модели прогнозирования вязкости наножидкости.
Полноразмерная таблица
Мы попытались использовать прогностические модели для проверки имеющихся экспериментальных данных. В сочетании с экспериментальными данными в существующие модели вязкости вносятся поправки, чтобы получить новую формулу расчета вязкости, удовлетворяющую следующему уравнению: 9{3})$$
(7)
В этом теоретическом режиме µ с = вязкость суспензии, µ bf = вязкость базовой жидкости, a , 9 c ,
9 4 c φ – объемная концентрация частиц в базовой жидкости.