Часть I. Теплопроводность (Или пролог к термоинтерфейсу)

6 октября 2011, четверг 01:10
для раздела Блоги
Вводное слово.
Данная тема беспокоила меня давно, ещё со времён первой покупки куллера, но то не было времени то желания. Наконец времени стало ещё меньше но желание взяло верх. В этом цикле статей, я попытаюсь дать ответ, прежде всего себе , насколько далеко именитые фирмы ушли от подвала… Статей будет ~3. Это первая, в которой немного рассказывается о теории теплопроводности, возможно кто-нибудь найдёт для себя новые нотки. Вторая часть будет критическая и выйдет в недалёком будущем. А третья, практическая немного позже, ибо первоначальная теоретическая база для эксперимента после написания и познания теории развалилась, да и материалов для эксперимента пока нет.

Теория.
Для лучшего понимания последующего материала необходимо вооружиться некоторыми физико-химическими определениями.

Изотропная среда – одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направлениях

Анизотропная – соответственно в противоположность, такая среда в которой свойства зависят от направления.

Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами.

Ассоциированная жидкость – жидкость в которой присутствуют водородные связи, у них теплопроводность с увеличением температуры увеличивается в отличии от жидкостей и низкой степенью ассоциации.

Итак, главный вопрос, который сегодня будет поднят, это самый доступный для влияния простого пользователя термоинтерфейс, между подошвой радиатора и теплораспределительной крышкой, либо самим кристаллом.

Что же может служить этим термоинтерфейсом? В широком смысле всё что угодно. Газ, жидкость, твёрдое вещество. Взглянем на это со стороны теории.

Газы.
Согласно кинетической теории перенос теплоты теплопроводностью в газах при обычных давлениях и температурах определяется переносом кинетической энергии молекулярного движения в результате хаотического движения и столкновения отдельных молекул газа. При этом коэффициент теплопроводности определяется соотношением



Теплоёмкость газов возрастает с повышением температуры. Тем самым объясняется тот факт, что коэффициент теплопроводности для газов с повышением температуры возрастает.
Коэффициент теплопроводности газов лежит а пределах от 0,006 до 0,6 Вт/(м*К).


Ткни



Жидкости.
Механизм теплоты в капельных жидкостях можно представить как перенос энергии путём нестройных упругих колебаний.

Так как плотность жидкости с повышением температуры убывает, то из уравнения следует, что для жидкостей с постоянной молекулярной массой (неассоциированные и слабо ассоциированные жидкости) с повышением температуры коэффициент теплопроводности должен уменьшаться. Для жидкостей сильно ассоциированных (вода, спирты и т.д) в формулу нужно ввести коэффициент ассоциации, учитывающий изменение молекулярной массы. Коэффициент ассоциации также зависит от температуры, и по этому он может влиять на коэффициент теплопроводности по разному. Опыты подтверждают что для большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности ассоциации убывает, исключение составляет вода и глицерин (см рис.). Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит примерно в пределах от 0,07 до 0,7Вт/(м*К).
При повышении давления коэффициенты теплопроводности жидкостей возрастают.


Ткни



Твёрдые тела.
Металлы и сплавы.
В металлах основным передатчиком теплоты являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений атомов или в виде упругих звуковых волн не исключается но её доля незначительна по сравнению с переносом энергии электронным газом. Вследствие движения свободных электронов происходит выравнивание температуры во всех точках нагревающегося или охлаждающегося металла. Свободные электроны движутся как из областей, более нагретых в области менее нагретые, так и в обратном направлении. В первом случае они отдают энергию атомам, во втором отбирают. Поскольку в металлах носителем тепловой энергии являются электроны, то коэффициенты тепло- и электропроводности пропорциональны друг другу. При повышении температуры вследствие усиления тепловых неоднородностей рассеивания электронов увеличивается. Это влечёт за собой уменьшение коэффициентов тепло– и электропроводности чистых металлов.
При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко убывает. Последнее можно объяснить увеличением структурных неоднородностей, которые приводят к рассеиванию электронов. Так например для чистой меди L=396 Вт/(м*К), для той же меди со следами мышьяка L= 142Вт/(м*К).
В отличии от чистых металлов коэффициенты теплопроводности сплавов при повышении температуры увеличиваются.


Ткни
**
Ткни


Твёрдые диэлектрики.
В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается. Как правило для материалов с большей объёмной плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение. Он зависит от температуры материала его пористости и влажности.
Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел сильно зависит от плотности.
Например, при возрастании плотности от 400 до 800кг/м^3 коэффициент теплопроводности асбеста увеличивается от 0,105 до 0,248 Вт/(м*К). Такое влияние плотности на коэффициент теплопроводности объясняется тем, что теплопроводность заполняющего поры воздуха значительно ниже, чем твёрдых компонентов пористого материала.
Эффективный коэффициент теплопроводности пористых материалов сильно зависит также от влажности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно больше чем для сухого и воды в отдельности. Например для сухого кирпича L=0.35, для воды L=0.6, а для влажного кирпича L=1.0 Вт/(м*К). Этот эффект может быть объяснен конвективным переносом теплоты, возникающая благодаря капиллярному движению жидкости внутри пористого материала и частично тем, что абсорбционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой.
Увеличение коэффициента теплопроводности зернистых материалов с изменением температуры можно объяснить тем, что с повышением температуры возрастает теплопроводность среды, заполняющей промежутки между зёрнами, а также увеличивается теплопередаче излучением зернистого массива.
Коэффициенты теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов имеют значения, лежащие примерно в пределах от 0,023 до 2,9Вт/(м*К).


Ткни



Фотонная(решетчатая) теплопроводность.
Ну если с электронной теплопроводностью всё более или менее понятно, то на решетчатой стоит остановиться немного подробнее.
Атомы или ионы образующие кристаллическую решетку, связаны между собой упругими силами, благодаря которым тепловые колебания возникающие в какой–то части тела, распространяются по всем направлениям в виде упругих волн. Процесс теплопроводности представляет собой перенос энергии такими упругими волнами в те места, где узлы решетки менее возбуждены.
Приведём общую диаграмму теплопроводности веществ.


Ткни



Ну вот, первая часть подошла к концу, она будет дополняться, изменяться и дорабатываться, если в том возникнет необходимость, продиктованная последующими частями...


Впечатления, предложения, замечания сюда
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают