Сообщение о теплопроводности: сообщение о теплопроводности — Школьные Знания.com

Доклад по теме:»Теплопередача. Виды теплопередачи»

2. Теплопередача. Виды теплопередачи

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей. Без совершения работы тела могут нагреваться и остывать. Без совершения работы могут перемешиваться теплые и холодные слои жидкостей и газов. Без совершения работы может изменяться внутренняя энергия тела путем излучения, в том числе и через пустоту — вакуум. Рассмотрим виды теплопередачи.

Теплопроводность – явление передачи энергии от более нагретой части тела к менее нагретой в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Можно провести опыт, сконструировав установку: на треноге помещается кольцо из тонкой оцинкованной жести. В кольцо под углом 120 градусов вставляются (прикрепляются) три проволоки (медь, алюминий и сталь) в виде спиц, предварительно нужно окунуть их в расплавленный воск от старых свечей. Пока воск на них застывает, нужно прикрепить хотя бы через сантиметр сапожные гвоздики шляпками к стержню. Три начала спиц близко расположены в середине кольца. Зажжем спиртовку (или таблетку сухого спирта), поместим на подставке так, чтобы три начала спиц одинаково нагревались. И наблюдаем: через некоторое время начинает таять воск и первыми начинают отпадать гвоздики на медной спице, чуть позже – на алюминиевой и ещё позже – на железной.

Металлы обладают хорошей теплопроводностью, плохой теплопроводностью обладают пластмасса, резина, стекло, дерево, плексиглас, большинство изоляторов.

Второй вид теплопередачи – конвекция.

Конвекция – процесс теплообмена, осуществляемый путём переноса энергии потоками жидкости или газа. Проведём опыт: в колбу налить подкрашенную воду: капнуть раствора медного купороса или кристаллик марганцовки и снизу на спиртовке (или таблетка сухого спирта , или свеча) нагревать колбу. Через некоторое время можно заметить перемещение слоёв воды снизу вверх (а потом и по кругу).

Воздух – плохой проводник тепла, но он в комнате нагревается сам и, перемешивая тёплые и холодные слои, нагревает всю комнату. Под окнами находятся батареи центрального отопления. Здесь прикоснувшиеся к чугунной батарее, слои теплого воздуха по закону Архимеда, вытесняются холодными и поднимаются вверх. На освободившееся место подходят холодные слои, прикасаясь к поверхности батареи, нагреваются, и опять идут вверх и т.д. Слои теплого и холодного воздуха перемешиваются и нагревают всю комнату.

Третий вид теплопередачи — излучение. Излучение – перенос энергии от одного тела к другому, обусловленный процессами испускания, распространения, рассеяния и поглощения электромагнитного излучения. Можно показать распространение солнечного света и тепла, проговорив, что излучение передаётся и через вакуум. Светлая поверхность отражает излучение, а темная поглощает. Поэтому летом нужно использовать светлую одежду, а зимой – темную. Поэтому самолеты и ракеты красят светлой краской, цистерны с перевозимым топливом – то же красят в светлые тона.

Трубы больших котельных строят высокими для того, чтобы «тяга» была лучше: столб теплого воздуха в трубе быстрее поднимается вверх, на его место снизу в топку быстрее поступает воздух с новой порцией кислорода и топливо горит лучше, нагрев воды быстрее, снабжение горячей водой квартир в системе центрального отопления – более уверенное. В термосе учитываются все три вида теплопередачи, чтобы горячий чай дольше не остывал: колба устанавливается на пластмассе, пробка – из пробкового дерева, т.к. у него теплопроводность минимальная, из двустенной колбы выкачан воздух, чтобы исключить конвекцию; и внутренняя поверхность колбы посеребрена, чтобы отражать внутрь тепловое излучение.

Теплопроводность в жизни человека

Теплопроводность в жизни человека

Петрова Д. С. 1

1МАОУ «СОШ-63»

Котяшева Т.И. 1

1МАОУ «СОШ-63»

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

С давних времен и до сегодняшнего дня люди задаются вопросом, как сохранить тепло. Проблемы поддержания температурного режима в доме, проблемы, связанные с теплой одеждой и посудой, наиболее часто становились причиной различных болезней, плохого питания и неспособности противостоять природным условиям. Решение этих проблем напрямую связано с теплопроводностью. Человеку важно знать, из какого материала состоит тот или иной предмет, понимать, от чего зависит его теплопроводность и быть готовым к его реакции в разных температурных условиях. В данной работе мы постараемся разобраться в этом, а также ответить на вопрос, почему некоторые предметы имеют хорошую теплопроводность, а некоторые совсем не проводят тепло?

Объектом исследования является явление теплопроводности.

Предметом исследования являются кухонная посуда, строительные материалы, ткани, снег.

Цель работы заключается в экспериментальном изучении теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов и снега.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Изучить информацию о теплопроводности;

Исследовать теплопроводность различных веществ и материалов;

Объяснить наблюдаемые явления, основываясь на физических законах;

Представить свои примеры теплопроводности;

Описать роль теплопроводности в повседневной жизни и в строительстве.

Основными методами исследования являются:

Изучение литературы по теплопроводности материалов;

Проведение экспериментов по изучению теплопроводности;

Анализ полученных результатов.

Актуальность данной работы заключается в том, что она может стать полезным источником для изучения теории на уроках физики, а также пробудить в учениках интерес и любовь к физике. Кроме того, данная работа представляет собой первые шаги на пути к серьезным открытиям в сфере теплопроводности, способным изменить нашу жизнь в лучшую сторону.

Глава 1. Из истории открытия теплопроводности Явление теплопередачи

В современной жизни материальный комфорт в каждом доме связан с тепловыми явлениями. Без теплоты в доме, без посуды, удерживающей тепло, без теплой одежды зимой и без многого другого сейчас невозможно представить жизнь. В древности люди тоже не могли обойтись без теплой одежды и предметов быта. Поэтому многие ученые и философы начали интересоваться тепловыми явлениями еще в древние времена.

Явление теплопередачи изучалось несколько веков. Но, ни в древности, ни в средние века оно не было изучено до конца. Были лишь простые и единые описания теплопередачи. Ученые утверждали, что если температура вещества повышается, то оно получает теплоту, а если температура понижается, то вещество выделяет теплоту в окружающую среду.

На протяжении многих веков ученые изучали тепловые явления, однако их деятельность получила развитие только в XVIII веке благодаря изобретенному Галилеем термометру. Первые исследования с помощью термометра были посвящены калориметрии — методу измерения количества теплоты, изучению теплового расширения тел, явлений теплопроводности. Поэтому, можно считать, что основные понятия о теплоте появились именно в XVIII веке.

В сочинении «Мемуары о теплоте» ученые Антуан Лавуазье (1743-1794) и Пьер Лаплас (1749-1827) рассказали о развитии учения о теплоте, понятии температуры, количестве теплоты и о теплоемкости. Благодаря французским ученым явление передачи тепла начало активно изучаться, и появилось множество работ, посвященных изучению теплоты.

Одна из значимых работ появилась в 1701 году и была посвящена вопросам теплоты. В работе Ньютон сформулировал закон охлаждения тел. В законе говорилось о том, что температура тела уменьшается пропорционально по мере охлаждения, приближаясь к температуре окружающей среды. Выяснилось, что скорость охлаждения зависит от параметра k=αAC (коэффициента теплопроводности). Ньютон доказал, что с увеличением коэффициента k, тело будет охлаждаться быстрее (Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»).

Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что процесс охлаждения осуществляется различными способами, которые имеют разную физическую силу. Так возникли излучение теплопроводности и тепловое излучение. Эти два самостоятельных направления отличаются друг от друга тем, что тепловое излучение может осуществляться даже в полном вакууме, а излучение теплопроводности нет, также первое не требует прямого контакта при теплопередаче, а для второго оно необходимо. При теоретическом анализе, основанного на законе охлаждения Ньютона, произошли некоторые трудности, но Фурье сформулировал, что поток тепла пропорционален разности градиенту температуры, таким образом, он сформулировал закон теплопроводности. Закон Фурье показывает, что количество теплоты Q, проходящее через площадку S, за время T, вдоль направления X определяется по формуле:

где dT/dx — изменение температуры на единицу длины, k — коэффициент теплопроводности.

Рис.1 – «Изменение коэффициента теплопроводности»

В 1744 — 1745 годах появилось утверждение о том, что тепловые явления обусловлены движением молекул тела. Данное утверждение высказал М.В. Ломоносов в своих «Размышлениях о причине теплоты и холода». Однако предположения Ломоносова расходились с действующими в то время теориями о теплоте. Поэтому, чтобы отличие взглядов Ломоносова и теорий теплоты стало очевидным, обратимся к XVIII столетию и представлениям о теплоте того времени. Теплоту представляли в виде невесомой и невидимой жидкости, которая впитывает поры тела. Жидкость, которая является невидимой и невесомой одновременно назвали теплородом.

В конце XVIII века английский физик Румфорд доказал правильность идеи Ломоносова. К такому выводу Румфорд пришел, когда наблюдал за изготовлением пушек. Он обратил внимание на то, что при сверлении ствола пушки сверло сильно нагревается. Это означало, что при трении тела нагреваются. Данное явление было известно еще в начале истории человечества. Древние люди с помощью трения добывали огонь, но они не смогли увидеть за этим явлением закон природы. Румофорд стал первым исследователем, кому это оказалось посильным. При наблюдении за сверлением ствола пушки у физика появился вопрос: отчего происходит нагревание тела? Не происходит ли нагревание оттого, что металлические опилки, полученные при сверлении, обладают меньшей теплоемкостью, чем сам ствол пушки? Ответ заключается в том, что количество теплоты металла при переходе в опилки может уместиться в них, только если будет повышение температуры.

Когда появилось предположение о том, что теплоемкость сплошного металла и теплоемкость опилок одинаковы, то оказалось, что объяснения Румфорда о нагревании металла неверно. Тогда Румфорд предположил, что теплота входит в изделие из воздуха. В доказательство физик залил водой рассверливаемый ствол пушки. Получилось так, что вода нагрелась и даже закипела. Значит и первое, и второе объяснения являются верными. Узнав свою правоту Румфорд заявил: «для того чтобы получить теплоту в неограниченном количестве, достаточно продолжить сверлить, при этом теплоту нельзя считать теплородом». Поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.

Глава 2. Теплопроводность 2.1. Определение теплопроводности

Различают три вида теплопередачи: конвенция, излучение и теплопроводность. Конвенция — процесс передачи тепла движущими массами жидкости и газа. Тепловое излучение — перенос тепла в газообразной середе или вакууме в виде электромагнитных волн. Теплопроводность — способность материалов передавать через свою толщину тепловой поток. Тепловой поток возникает из-за разности температур на противоположных поверхностях.

Мы остановимся на третьем виде теплопередачи и узнаем о теплопроводности немного больше. Теплопроводность больше проявляется в сплошных твердых телах, а также теплопроводность находится и в капельках жидкостях и газах. В твердых материалах основным видом теплообмена является теплопроводность. Теплопроводность материалов зависит от средней плотности и химико-минерального состава, влажности, структуры и средней температуры материала. Известно, что чем меньше средняя плотность материала, тeм ниже его теплопроводность. Тeплопроводность увеличивается тогда, кoгда увеличивается влажность материала. Рaзличные материалы имеют разную теплопроводность, одни медленно проводят теплоту, другие — быстрeе. Поэтому и количественный показатель теплопроводности — коэффициент теплопроводности (λ (лямбда)) — бyдeт y всех материалов свой. С увеличением плотности, влажности и температуры материала повышается λ. Коэффициент теплопроводностизaвисит oт плотности, влaжности, тeмпературы и cтруктуры материала.

2.2. Суть теплопроводности

Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности стремиться сделать температуру всего тела одинаковой. Теплопроводность — это свойство тел проводить тепло, основанное на теплообмене, которое происходит между атомами и молекулами тела. Однако, при теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. Все потому, что у жидкостей теплопроводность небольшая. Газы тоже имеют маленькую теплопроводность.

Теплопроводность жидкости намного меньше теплопроводности твердого тела. Это зависит от молекул, которые наводятся в том или ином теле и от плотности. Жидкости имеют маленькую теплопроводность из-за того, что молекулы в ней расположены далеко друг от друга, в отличие от молекул твердого тела. Плотность газа меньше плотности жидкости, следовательно, молекулы газа находятся на большом расстоянии друг от друга, а это значит, что газы имеют теплопроводность меньше, чем любые жидкости.

Плохой теплопроводностью обладают не только газы и жидкости, но и волосы, шерсть, перья и бумага. Известно, что между волокнами этих веществ расположен воздух, а это преграда для передачи тепла. Поэтому шерсть обладает плохой теплопроводностью, а значит, что она не пропускает холод и способна удерживать тепло, поэтому в мороз смело можно надевать шерстяную кофту и не волноваться о том, что можно замерзнуть. Теперь нам известно, что благодаря плотно соединенным шерстяным волоскам кофта обладает плохой теплопроводность и не пропускает холод.

Глава 3. Экспериментальные работы по изучению и созданию теплопроводности различных материалов

В России в зимнее время года, температура на улице становится все ниже. Известно, что самые холодные зимы именно в нашей стране. Однако низкие температуры не останавливают отважных ребят, которые, несмотря на мороз, выходят слепить снеговиков и покататься на санках. В некоторых случаях через определенное время дети жалуются на озябшие руки и ноги. В то же время другие ребята продолжают играть и веселиться, несмотря на холод. Нам стало интересно, почему некоторые дети в одинаковой по внешнему виду одежде замерзают, а некоторые продолжают гулять, не обращая внимания на мороз. Мы попробовали разобраться в этом и изучить свойства различных тканей с точки зрения физики. Чтобы решить проблему с теплой одеждой, нам необходимо исследовать некоторые виды тканей на теплопроводность.

Опыт №1 Изучение теплопроводности тканей

Необходимые приборы и материалы:

Лед 2х4х2 см.

Полиэтиленовые пакетики 7х5 см.

Термометр

Флисовая ткань10х10 см.

Синтетическая ткань 10х10 см.

Фланелевая ткань 10х10 см.

а

б

Хлопковая ткань 10х10 см.

Рис.2 – «Изучение теплопроводности тканей»

Болоньевая ткань 10х10 см.

Трикотажная ткань 10х10 см.

Ход работы:

Подготовить лед и кусочки ткани одинакового размера.

Положить лед в полиэтиленовые пакетики и обернуть различными кусочками ткани (Рис.2а;б– «Изучение теплопроводности тканей»).

Завязать ткани со льдом так, чтобы воздух не попадал внутрь ткани.

Через 1 час измерить температуру льда во всех пакетиках с тканью.

Табл.1 – «Теплопроводность тканей»

Спустя 1 час лед во всех тканях растаял. Только в пакетике с флисовой тканью (№2) остался лед. Это означает, что флисовая ткань не пропускает тепло и обладает плохой теплопроводностью, а значит, во флисовой одежде зимой замерзнешь намного позже, чем, например, в болоньевой. Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.

Из приведенной таблицы (Табл. 1 – «Теплопроводность тканей») видно, что наименьшая температура воды (+9,4^°С) сохранилась у флисовой ткани. Затем, по мере повышения температуры воды в ткани идет хлопковая ткань (+11,2 ^°С), болоньевая (+12,3^°С), синтетическая (+13,5^°С). Высокой теплопроводностью обладают трикотажная (+14,7^°С) и фланелевая (+15,4^°С) ткани.

Рис.3 – «Изменение температуры льда»

Любая ткань в своем составе имеет волокна с воздухом, которые способные удерживать тепло. Если волокна с воздухом далеко расположены друг от друга, то ткань будет пропускать тепло. Если же волокна расположены близко, ткань наоборот будет удерживать тепло.

Теплопроводность тканей можно выразить графически. Для этого начертим график зависимости (Рис.3 – «Изменение температуры льда») температуры (t,^°С) от времени (Т, мин.).

Опыт № 2 Изучение теплопроводности кухонной посуды

Необходимые приборы и материалы:

Термометр

Кастрюля из нержавеющей стали

Эмалированная кастрюля

Чугунная кастрюля

Вода 54°С

Рис. 4 – «Теплопроводность кухонной посуды»

Ход работы:

Налить воду одинаковой температуры во все кастрюли и закрыть их (Рис.4 – «Теплопроводность кухонной посуды»).

Измерить начальную температуру воды и стенок кастрюль, записать температуры.

Через 5 минут заново измерить температуру стенок и воды.

Измерять температуры на протяжении 1 часа, через каждые 5 минут.

Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»

Мы измеряли температуру стенок кастрюль и записали полученные результаты в таблицу (Табл.2 – «Температура стенок кастрюли»), из которой видно, что температура стенок чугунной кастрюли не изменялась на протяжении 25 минут. Температура стенок эмалированной кастрюли на протяжении 20 минут не изменялась. Температура стенок кастрюли из нержавейки сразу начала снижаться. Это значит, что кастрюля из нержавейки имеет хорошую теплопроводность и не способна хорошо удерживать тепло.

Табл. 3 – «Температура воды»

Также мы измеряли температуру воды в разных кастрюлях на протяжении 2 часов. Результаты опыта мы записали в таблицу (Табл.3 – «Температура воды»), из которой видно, что температура воды в кастрюле из нержавейки снижалась постепенно. Температура воды в чугунной кастрюле начала снижаться сразу.

Проанализировав две таблицы, можно сказать, что температура стенок чугунной кастрюли почти не изменилась, но температура воды сразу начала снижаться. Это говорит о том, что вода, находящаяся в кастрюле, нагревает ее, чтобы не позволить пройти воздуху и остудить воду. Поэтому если температура стенок кастрюли из нержавейки быстро снижаться, а температура воды остается прежней, то нержавеющий материал обладает хорошей теплопроводностью и не способен удержать тепло на долгое время.

Теплопроводность различных материалов, из которых сделаны кастрюли можно выразить графически, построив график зависимости (Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюль») температуры стенок (t,^°С) от времени (Т, мин.).

Рис.5 – «Изменение температуры стенок кастрюли»

Снижение температуры воды в кастрюлях из разных материалов можно выразить графиком зависимости (Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях») температуры воды (t,^°С) от времени (Т, мин.).

Рис.6 – «Изменение температуры воды в кастрюлях»

Опыт № 3 Изучение теплоизоляционных свойств снега

Фермеры часто задаются вопросом о том, как повысить переносимость живыми организмами и растениями низкой температуры в зимний период. Коэффициент теплопроводности снега примерно в 10 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности почв. И в 10 раз больше коэффициента теплопроводности воздуха. Если снег рыхлый, то воздух заполняет промежутки между кристаллами снега и быстрее остужает почву, чем липкий снег. Кроме того, температура почвы под снегом зависит от толщины снежного покрова. Поэтому, чем больше толщина снежного покрова, тем медленнее изменяется температура почвы под снегом.

Необходимые приборы и материалы:

Термометр

Линейка

Рис.7 – «Измерение температуры снега»

Ход работы:

Измерить температуру на поверхности снега (Рис.7 – «Измерение температуры снега»).

Измерить толщину снежного покрова.

Измерить температуру на поверхности почвы под снегом.

Рассчитать разность температур.

Сравнить теплопроводность снега и температуру почвы при разной толщине снежного покрова.

Табл.4 – «Температура снега»

Записать полученные результаты в таблицу.

На протяжении 2-х недель мы измеряли толщину и температуру снега, и температуру почвы под снегом. Полученные результаты мы записали в таблицу (Табл.4 – «Температура снега»), из которой видно, что чем больше толщина снега, тем выше температура почвы под снегом. Это говорит о том, что температура почвы под снегом также зависит от толщины снега.

Опыт №4 Изучение теплопроводности строительных материалов

В строительстве часто используют теплозащитные материалы. Теплозащитными называют строительные материалы и изделия, для тепловой защиты конструкций зданий и cооpyжений. Основной особенностью подобных материалов являются малая или средняя плотность и низкая теплопроводность. Мы решили узнать, какие строительные материалы имеют плохую теплопроводность и способны сохранять тепло в доме.

Необходимые приборы и материалы:

Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1

Пенопласт

Пеноплекс

Бетон

Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплекса»

Дерево

Кирпич

Ход работы:

Подключить МИТ-1 к источнику питания.

Сделать отверстие в материалах диаметром 6мм.

Вставить измерительный зонд МИТ-1 исследуемые материалы (Рис.8 – «Измерение теплопроводности пеноплеска»).

Снять показания.

Записать полученные результаты в таблицу.

Табл.5 – «Теплопроводность строительных материалов»

Из полученной таблицы (Табл. 5 – «Теплопроводность строительных материалов») видно, что наименьшей теплопроводностью обладает пенопласт (0,0446Вт/мК), значит, пенопласт способен долго удерживать тепло. Именно поэтому в строительстве пенопласт часто используют для обшивки домов. Хорошей теплопроводностью обладают бетон (1,055Вт/мК) и кирпич (1,095Вт/мК), это говорит о том, что бетон и кирпич плохо сохраняют тепло. Поэтому материалы, обладающие хорошей теплопроводностью, используют только для строительства домов.

Заключение

Подводя итоги исследования теплопроводности тканей, кухонной посуды, строительных материалов, снега, можно сделать следующие выводы:

Результаты исследования теплопроводности показывают, что чем лучше теплопроводность, тем хуже материал удерживает тепло. Если теплопроводность плохая, значит материал хорошо удерживает тепло и не пропускает холод.

Изучение теплопроводности доказывает, что теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния. У твердых тел теплопроводность будет больше, чем у жидкостей или газов.

Теплопроводность тканей зависит от молекул, которые входят в состав тканей. Ткани, имеющие в своем составе молекулы, расположенные далеко друг от друга, имеют теплопроводность лучше, чем ткани с составом молекул, не имеющих воздуха между собой.

Изучение теплопроводности снега доказывает, что рыхлый снег является плохим носителем тепла, в то время как липкий снег способен хорошо удерживать тепло и согревать землю. Как показали исследования, толщина снежного покрова играет большую роль в изменении температуры почвы.

Изучение истории теплопроводности позволило нам узнать, что явление теплопроводности изучалось на протяжении несколько веков. Теплопроводность является одним из видов теплопередачи, в процессе которого частицы тела взаимодействуют друг с другом, стремясь сделать температуру тела одинаковой.

Теплопроводность различных материалов широко используется в строительстве, быту и часто встречается в повседневной жизни человека. Изучение теплопроводности имеет большое значение для здоровья и комфорта человека, а также играет бoльшую рoль в создании материала, полeзного для человека. Таким образом, создание и открытие веществ, обладающих теплоизоляционными свойствами, является одним из вaжнейших задач человечества.

Библиографический список

Беляевский И. А. Исследование теплопроводности различных веществ// Международный школьный научный вестник. – 2017. — №1. – С.72-76

Буховцев Б. Б., Мякишев Г. Я., Сотский Н. Н. Физика: учеб. для 10 кл. общеобраоват. учреждений: базовый и профил. уровни. – 16-е изд. – М.: Просвещение, 2007. 366с.

Коноплева Н. К. Алюминий, нержавейка… — выбираем домашнюю кастрюлю(посуду). – URL: http://www.liveinternet.ru/users/v0va07/post201139685

Прохоров А. М. Физичес кая энциклопедия в пяти томах. Советская энциклопедия, 1988. – 532с.

Чуянов В. А.Энциклопедический словарь юного физика. Сост. — М.: Педагогика, 1984.— 352 с., ил.

Просмотров работы: 6357

Доклад Виды теплопередачи в быту 7 класс (описание для детей)

Теплопередача – это одна из форм изменения внутренней энергии тела. При этом процессе теплота переходит от предмета с высокой температурой к предмету, температура которого ниже. Основных видов теплопередачи три: теплопроводность (прямая теплопередача), конвекция и излучение. Рассмотрим все три типа передачи тепла по отдельности.

Теплопроводность – это прямая передача тепла от предмета к предмету при их физическом контакте. В повседневной жизни ее можно наблюдать, например, в холодильнике, где заранее охлажденный воздух забирает внутреннюю энергию у стоящей внутри еды и понижает ее температуру.

Впрочем, ее не стоит путать с конвекцией – аналогичном явлением, которое происходит при другом агрегатном состоянии вещества. Для осуществления конвенции нужен газ, жидкость или плазма. В жизни конвекция ответственна за многие явления – от обогрева или проветривания комнаты до образования облаков, движения литосферных плит и пятен на Солнце.

Излучение сильно отличается от других видов теплопередачи. Если в основе теплопроводности лежит взаимодействие молекул, а в основе конвекции – перенос вещества, то излучение строится на физике волн. Из этого исходит другая его особенность – для того, чтобы нагреть тело излучением, не нужно прямого контакта. Самый простой пример излучения в быту – Солнце, нагревающее Землю.

Но нередко в сложных системах переход тепла может осуществляться более сложным способом: одновременно может использоваться несколько видов теплопередачи или она может происходить между более чем двумя предметами. К примеру, возьмем стол, на котором лежит лист бумаги. В ясный день из окна падает свет солнца и нагревает оба предмета за счет излучения. Но из-за разница в массе и материале лист нагревается быстрее. Тогда он начинает отдавать тепло столу, который, в свою очередь, отдает его холодному воздуху под столом, не нагретом солнечным излучением. Таким образом, в системе из четырех предметов происходит два вида теплопередачи – теплообмен и излучение.

Другой хороший пример – костер. Часть воздуха вокруг себя он нагревает излучением, а часть – конвекцией (костер – это плазма).

С теплопередачей связаны еще два физических термина. Во-первых, это тепловой баланс – состояние, в котором все тела внутри замкнутой системы имеют одну температуру и теплообмена не происходит (разумеется, в такой системе не должно быть излучающего тела). Во-вторых, это смена агрегатного состояния. Она происходит когда телу сообщают (или забирают) слишком много энергии.

Картинка к сообщению Виды теплопередачи в быту

Популярные сегодня темы

• Гражданско патриотическое воспитание

  В жизни человека огромное значение имеет гражданско-патриотическое воспитание. Люди должны свое мнение, твердую позицию и четкое понимание своих прав и обязанностей

• Размножение и развитие животных

  Всем известно, что животные нашей планеты делятся на такие виды, как: млекопитающие, насекомые, рыбы и земноводные, а также птицы. Однако в их размножении и развитии есть некие отличия и осо

• Черное море

  Черное море – это море знакомое каждому в России, на побережье которого располагаются красивейшие курорты и санатории.

• Гигиена зрения

  Большую часть информации об окружающем мире человек получает благодаря зрению. Хорошо ориентироваться в пространстве, избегать множества опасностей, читать, наслаждаться природой и произведен

• Свойства воды

  Водородная связь между молекулами воды является причиной двух уникальных свойств воды: сцепления и адгезии. Сплоченность относится к тому, что вода прилипает сама к себе очень легко.

• Уход за зубами

  Самое известное и наиболее изученное заболевание – зубной кариес. Каждый день стоматологи неустанно трудятся над его устранением. Кариес может поражать зуб на всю его глубину

суть и формулы физических процессов

Теплопроводность — переход энергии дельта Q  от более нагретых T1 частей тела к менее нагретым T2.

Закон теплопроводности: теплота дельта Q, переносимая через элемент площади дельта S за время  дельта t, пропорциональна градиенту температуры  dT/dx, площади дельта S и времени  дельта t     

Дельта Q = -X * (dT/dx) * дельта S * дельта t

X — коэффициент теплопроводности.

Суть теплопроводности

Теплопроводность происходит из-за  движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности приводит к тому , чтобы температура всего тела была одинакова.

Как правило энергия, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному градиенту температуры. Такой коэффициент  пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.

Теплопроводность это свойство тел передавать тепло, основанное на теплообмене которое происходит между атомами и молекулами тела.

При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. У жидкостей теплопроводность небольшая, исключение состовляет ртуть и расплавленные металлы.

Все это из-за того что молекулы расположены далеко друг от друга в отличии от твердых тел. У газов теплопроводность еще меньше т.к. его молекулы находятся на еще большем расстоянии, чем у жидкостей.

Плохой теплопроводностью обладает шерсть, волосы, бумага. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ воздух. Теплопроводность у разных веществ различна

Дома строят из кирпича и бревен, потому что они обладают плохой теплопроводностью и могут сохранить прохладу или тепло в помещении. Для сковородок делают пластмассовые ручки для того, чтобы люди не обжигались, потому что они обладают плохой теплопроводностью.

Суть конвекции

Конвекция — еще один вид теплопередачи, при которой энергия переноситься самими струями жидкостей и газа.  

Пример: в отапливаемой комнате из за конвенции теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз.

Тепловой поток Q — колличество теплоты W, ДЖ проходящие за время Т,С через данную поверхность в направлении нормали к ней

Q = W/t

Если колличество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени Т то получим величину:

 q= W/Ft = Q/F

Плотность теплового потока измеряется в Вт/м2

Существует два вида конвекции — естественная и вынужденная.

К естественной конвекции относится нагревание помещения, нагревание тела во время жары (естественным путем).

К вынужденной конвекции относится мешание чая ложкой, использование вентилятора, что бы охладить помещение (неестественным путем)

Конвекция не происходит если нагревать жидкости сверху (правильно снизу), потому что нагретые слои не могут опуститься ниже холодных т.к. они более тяжелее. 

Конвекция в твердых телах происходить не может, потому что частицы в твердых телах колеблются возле определенной точки и удерживаются сильным взаимным притяжением. Энергия в твердых телах может передаваться теплопроводностью.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Способы изменения внутренней энергии
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspИзлучение: сущность, опыт, энергия

Теплопроводность. Просто о сложном. | Isobud

При выборе качественного теплоизоляционного материала потребитель должен принимать во внимание целый ряд параметров, среди которых неизменно присутствует показатель теплопроводности. Высокой или низкой должна быть теплопроводность, что такое «лямбда», на какие показатели теплопроводности ориентироваться – ответы на эти и другие самые распространенные вопросы, возникающие при покупке утеплителя, вы найдете в данной статье.

Слово «теплопроводность» или еще более запутанное «лямбда» знакомо каждому школьнику из курса физики за восьмой класс. Однако со временем информация, которой мы не пользуемся, забывается. Попробуем освежить в памяти эти несложные и очень полезные знания.

Теплопроводность, как уже было сказано выше — одно из ключевых понятий в современном строительстве, особенно когда речь заходит о теплоизоляционных материалах. От теплопроводности зависит толщина вашей стены или кровли, вес всего дома, а следовательно, и прочность (несущая способность) фундамента, долговечность конструкций и многое другое.

Современное определение теплопроводности – понятие комплексное. И состоит из нескольких составных частей, отвечающих за перенос тепла (теплообмен).

На первый взгляд формула кажется пугающей, но на самом деле все просто.

Суммарная или итоговая теплопроводность состоит из теплопроводности за счет конвекции, теплопроводности твердой и газообразной фазы, а также теплопроводности, учитывающей теплообмен за счет излучения.

Запутались еще сильнее? Тогда по порядку.

Разберем каждый элемент этой формулы более подробно.

Теплообмен (или теплопередача) – это способ изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Из курса физики нам известно, что теплообмен включает в себя три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

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

Если вы опустите ложку в стакан с горячим напитком, нагреется не только та часть ложки, которая погружена в жидкость, но и та ее часть, которая находится над водой.

Теплопроводность различных веществ неодинакова, она может быть плохой (низкой) и хорошей (высокой). Хорошая теплопроводность у металлов. Плохая — у шерсти, дерева и пластиков. Самым плохим проводником тепла является вакуум.

Для примера вспомните кухонную посуду: кастрюли и сковородки. Вы вряд ли станете снимать металлическую кастрюлю, полную вкусного супа, с горячей плиты голыми руками, потому что существует реальная опасность обжечь руки. Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.

Именно поэтому «правильные» кастрюли и сковородки снабжены пластмассовыми или деревянными ручками, плохо проводящими тепло. Вспомнить хотя бы старую бабушкину сковородку с деревянной ручкой: сковородка горячая, а за ручку схватиться можно безо всяких прихваток.

Как объясняется это явление? Рассмотрим на примере нагревания металлического стержня (или ложки из примера со стаканом).

В металле, как и во всех твердых телах, молекулы совершают колебательные движения около некоторых положений равновесия. Скорость колебательного движения молекул металла при нагревании увеличивается в той части, которая ближе расположена к пламени или источнику тепла. Эти молекулы, взаимодействуя с соседними молекулами, передают им часть своей энергии. В результате чего повышается температура отрезка стержня. Затем увеличивается скорость колебательного движения молекул в следующих отрезках стержня и так далее, до тех пор, пока не прогреется весь стержень. Именно поэтому вакуум обладает самой плохой теплопроводностью: в нем практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Важно отметить, что сами молекулы, передавая кинетическую энергию, не меняют свое местоположение, то есть само вещество не перемещается.

С первым понятием разобрались, посмотрим, что же дальше.

Следующая составляющая теплопроводности – это конвекция. У многих из вас на слуху такой прибор, как «конвектор». А вот почему он так называется, наверное, знает далеко не каждый. Хотя логично предположить, что название свое он получил за принцип работы – конвекцию.

Из курса физики следует, что конвекция — это перенос энергии струями жидкости или газа. Если в случае с теплопроводностью при теплообмене происходит перенос энергии, то при конвекции происходит перенос именно вещества.

Конвекторы (как и любые другие отопительные приборы) нагревают окружающий воздух, вследствие чего температура в комнате повышается и вам становится тепло. При этом струи теплого воздуха поднимаются вверх, а струи холодного опускаются вниз. Аналогично происходит процесс нагревания воды в чайнике: горячая вода поднимается, а холодная опускается на ее место. Этот же принцип заложен в отопительной системе для обогрева домов.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Нагревание воздуха в комнате солнечными лучами – это пример естественной конвекции. А вот если воздух нагревается тепловым вентилятором, то это уже вынужденная конвекция. Вентилятор заставляет воздух в комнате двигаться, при этом нагревая его до необходимой температуры. В качестве других примеров конвекции можно привести холодные и теплые морские течения, а также образование и движение облаков и ветров.

Переходим к следующей составляющей: излучение (лучистый теплообмен).

Излучение – это способ переноса энергии от одного тела к другому в виде электромагнитных волн. Как правило, это инфракрасное (IR) излучение. Этот принцип заложен еще в одном уникальном приборе – инфракрасном обогревателе.

Принцип его работы построен на том, что любое нагретое тело является источником излучения. Самый впечатляющий пример – Солнце. Пример поменьше – костер, распространяющий тепло на достаточно большое расстояние. В случае с обогревателем окружающие предметы нагреваются за счет электромагнитного излучения и в комнате становится тепло.

Этот вид теплообмена отличается тем, что может происходить и в вакууме. Ведь солнечная энергия как-то доходит до Земли.

Примечательно, что темные тела лучше поглощают и отдают энергию. Если необходимо максимально нагреть материал, его окрашивают в черный цвет. В качестве примера можно привести солнечные коллекторы (водонагреватели), которые устанавливаются на крышах домов. Эти устройства позволяют собирать тепло от солнца и нагревать теплоноситель, который затем передает тепло внутрь дома для обогрева помещений или нагрева воды.

Хуже всего поглощают энергию светлые материалы или материалы с отражающей способностью. Способность светлых тел хорошо отражать лучистую энергию учитывают в самых разных сферах: при строительстве самолетов, при возведении высотных зданий в жарких странах, даже при выборе цвета одежды в теплое время года. На окнах часто применяют металлизированные пленки, которые частично отражают солнечное тепло и спасают помещение от перегрева.

С базовыми принципами разобрались. Пришло время вернуться к нашей формуле.

Итак, вернемся к теплопроводности.

Структурная и газовая теплопроводность – это теплопроводность компонентов, из которых состоит материал, а именно:

• твердой фазы – теплопроводности полимерного каркаса с множеством ячеек с очень тонкими, но прочными стенками;
• газообразной фазы – теплопроводность газа, который находится в ячейках.           

Если сравнивать теплоизоляцию PIR с пеностеклом или пенобетоном, то по структуре эти материалы схожи. Все они ячеистые и наполнены газом. Однако теплопроводности этих материалов будут отличаться.

Стекло и бетон, в отличие от пластиков, проводят тепло интенсивнее, соответственно, пеностекло и пенобетон обладают большей теплопроводностью и их показатели в качестве теплоизоляторов несколько хуже. Даже полимеры отличаются друг от друга теплопроводностью.

Как было сказано ранее, представленные материалы ячеистые и в каждом находятся какие-то газы. В пеностекле и пенобетоне это, как правило, окружающий воздух, в PIR – инертные газы. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно. Намного лучше тепло проводит воздух, поскольку он состоит из смеси разных газов, молекул очень много и все они друг с другом взаимодействуют.

Конвекционную составляющую у мелкоячеистой теплоизоляции обычно не рассматривают, поскольку размер ячеек теплоизоляции PIR ничтожно мал (меньше 1мм) и газ в этих ячейках неподвижен.

Последняя составляющая – излучение. Снизить ее влияние можно за счет применения дополнительных материалов, способных отражать тепловой поток. Для этого можно окрасить материал, скажем, в белый цвет. В случае с теплоизоляционными плитами PIR за отражение тепла отвечает фольга, которая покрывает материал с обеих сторон. Помимо функции отражения тепла фольга также несет защитную функцию с точки зрения утечки вспенивающего газа. По своим свойствам фольга является практически идеальным пароизоляционным материалом, а значит, способна задерживать миграции газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.

В процессе эксплуатации легкие инертные газы замещаются на более тяжелый окружающий воздух с хорошей теплопроводностью. Это происходит у всех пористых материалов за счет диффузных процессов.

Рассмотрим в качестве примера обычный воздушный шарик, наполненный гелием, который можно сравнить с одной ячейкой вспененной теплоизоляции. Новый шарик все время стремится улететь высоко в небо. Если утром он еще висел под потолком, то со временем он постепенно опустится и будет висеть в центре комнаты, а еще через несколько часов лежать на полу. Т.е. все это время газ за счет диффузии медленно выходит из шарика, и тот теряет свою «летучесть».

Так же и с теплоизоляцией. «Шарики» (ячейки), которые ближе всего расположены к границе с окружающим воздухом постепенно изменяют свой газовый состав. Однако те «шарики», которые находятся глубоко в материале, делают это очень медленно или не делают вовсе, поскольку инертному газу очень сложно пройти огромное количество стенок соседних «шариков» и вырваться наружу.

Кроме того, поверхность теплоизоляции покрыта фольгой, препятствующей выходу газа, соответственно, теплопроводность материала (ее газовая составляющая) сохраняется.

Итоговую формулу теплопроводности PIR можно записать в виде:

Подведем итог.

Теплоизоляция – это очень важный показатель. От нее зависит, насколько теплым будет ваш дом. У наиболее эффективной теплоизоляции все ее составляющие () должны быть как можно ниже. У современной изоляции на примере LOGICPIR это достигается за счет применения инертных газов, полимеров и специальных покрытий, отражающих тепловой поток. Уверены, что теперь вы не только сможете безошибочно выбрать теплоизоляционный материал, отвечающий самым высоким требованиям, но и поможете своим детям сдать физику на высший балл.

Источник: http://www.nappan.ru/press/news/Teploprovodnost_Prosto_o_slozhnom/

Физика 8 класс. Теплопередача. Виды теплопередачи. Теплопроводность :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

(или теплообмен)

— один из способов изменения внутренней энергии тела (или системы тел), при этом внутренняя энергия одного тела переходит во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы.

Существует 3 вида теплопередачи:

Теплообмен между двумя средами происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Теплота способна переходить только от тела с более высокой температурой к телу менее нагретому.

Теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.
Это является частным случаем закона сохранения энергии.

ИНТЕРЕСНО

Куропатки, утки и другие птицы зимой не мерзнут потому, что температура лап у них может отличаться от температуры тела более чем на 30 градусов.
Низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу. Таковы защитные силы организма!
|

— перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т.п.), который приводит к выравниванию температуры

тела.
Не сопровождается переносом вещества!

Этот вид передачи внутренней энергии характерен как для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.
Теплопроводность различных веществ разная.

Металлы обладают самой высокой теплопроводностью,

причем у разных металлов теплопроводность отличается.

Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые тела, а газы меньшей, чем жидкости.

При нагревании верхнего конца закрытой пальцем пробирки с воздухом внутри можно не бояться обжечь палец, т.к. теплопроводность газов очень низкая.

Интересно, что можно было бы поднести руку почти вплотную к пламени, например, газовой горелки (температура больше 1000 градусов) и не обжечь ее, если бы …

А что если бы?

Газ, как правило, очень плохой проводник тепла, поэтому достаточно было бы лишь небольшой прослойки воздуха между рукой и пламенем. Но!
Но существует такое явление, как конвекция в газах, поэтому вблизи пламени руку сильно жжет.

Устали? — Отдыхаем!

Что такое теплопроводность бетона? Определение и основные показатели

Содержание статьи:

Основная цель сферы строительства заключается в обеспечении сохранения тепла в пространстве, поэтому при возведении зданий нужно подбирать материалы, обладающие пониженным уровнем теплопроводности. Чем меньше показатель пропускания тепла, тем прохладнее в доме в жару и теплее в холодную пору. Данная характеристика актуальна и для бетонов. Наша компания предлагает бетон в СПб от производителя всех марок с добавлением необходимых упрочнителей и присадок.

Определение теплопроводности

Теплопроводимость представляет собой относительный коэффициент, для определения которого вычисляют показатель теплоты, проходящей через стену с площадью 1 м², толщиной 1 м за 1 час. Условная разница температур снаружи помещения и внутри него составляет 1 градус.

Способность материала к проведению тепла – важный фактор, ведь чем больше пропускная величина, тем, соответственно, выше коэффициент теплосохранения. Соотношение энергии, охлаждающей или нагревающей материал в процессе теплообмена обуславливает уровень пропуска.

Основные показатели теплоотдачи

Коэффициент проводимости тепла вычисляется на основании двух критериев:

• типа использованного заполнителя, который оказывает существенное влияние на плотность стройматериалов;
• климатических условий.

Классификация бетонных смесей осуществляется по плотности. Именно по этой причине фактор разновидности заполнителя столь важен. На величину теплопроводности влияют строительные стандарты.

К примеру, различные составляющие бетона имеют разный коэффициент теплоотдачи:

• монолитные бетоны – 1,75;
• пористые бетоны – 1,4;
• щебень – 1,3;
• песок – 0,7;
• теплозащитные составы – 0,18.

Таким образом, можно подвести итог, что чем тяжелее наполнитель, тем выше коэффициент теплопроводности раствора. Тяжелые бетоны обладают увеличенной плотностью, а значит хуже сохраняют тепло. Как следствие, строения, изготовленные из смеси с добавлением щебня, нуждаются в дополнительном утеплении. В свою очередь, керамзитобетон с низким уровнем теплопроводности (всего 0,41) не нуждаются в теплозащитном материале.

Взаимосвязь влажности и теплопроводности

Влажность оказывает существенное влияние на способность постройки из бетона пропускать тепло. Повышенное содержание влаги в воздухе уменьшает способность бетонных стен удерживать комфортную температуру. Если поры материала заполняются водой, а не воздухом, значительно повышается риск промерзания помещения в зимний период.

К примеру, пористые бетоны способны проводить тепло на коэффициент 0,14 Вт, тогда как аналогичные материалы, пропитанные водой – уже на 1-3 Вт.

При строительстве помещений теплопроводности следует уделять повышенное внимание, ведь от данной характеристики напрямую зависит не только комфортность нахождения в доме, но и экономия на коммунальных услугах

Теплопроводность: определение, единицы, уравнение и пример

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: GAYLE TOWELL

Когда вы идете по ковру в холодный зимний день, вам не кажется холодным. Однако как только вы ступите на кафельный пол в ванной, ваши ноги мгновенно похолодеют. На двух этажах как-то разные температуры?

Вы, конечно, не ожидали бы этого, учитывая то, что вы знаете о тепловом равновесии. Так почему же они такие разные? Причина в теплопроводности.

Теплообмен

Тепло — это энергия, которая передается между двумя материалами из-за разницы температур. Тепло течет от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Способы передачи тепла включают теплопроводность, конвекцию и излучение.

Тепловая проводимость — это режим, который более подробно обсуждается позже в этой статье, но вкратце это теплопередача посредством прямого контакта.По сути, молекулы более теплого объекта передают свою энергию молекулам более холодного объекта посредством столкновений, пока оба объекта не достигнут одинаковой температуры.

В конвекции тепло передается посредством движения. Представьте воздух в вашем доме в холодный зимний день. Вы замечали, что большинство обогревателей обычно располагаются около пола? Когда обогреватели нагревают воздух, этот воздух расширяется. Когда он расширяется, он становится менее плотным и поднимается над более прохладным воздухом. В этом случае более холодный воздух находится рядом с нагревателем, поэтому воздух может нагреваться, расширяться и т. Д.Этот цикл создает конвекционные токи и заставляет тепловую энергию рассеиваться по воздуху в комнате, смешивая воздух по мере его нагрева.

Атомы и молекулы испускают электромагнитное излучение , которое представляет собой форму энергии, которая может перемещаться в космическом вакууме. Вот как тепловая энергия от теплого огня достигает вас, и как тепловая энергия от солнца попадает на Землю.

Определение теплопроводности

Теплопроводность — это мера того, насколько легко тепловая энергия проходит через материал или насколько хорошо этот материал может передавать тепло.Насколько хорошо происходит теплопроводность, зависит от тепловых свойств материала.

Рассмотрим плиточный пол в примере в начале. Это лучший проводник, чем ковер. Вы можете сказать просто наощупь. Когда вы стоите на кафельном полу, тепло уходит намного быстрее, чем на ковре. Это потому, что плитка позволяет теплу от ваших ног проходить через нее гораздо быстрее.

Так же, как удельная теплоемкость и скрытая теплота, проводимость является свойством, специфичным для конкретного материала.Он обозначается греческой буквой κ (каппа) и обычно ищется в таблице. Единицы проводимости в системе СИ — ватт / метр × Кельвин (Вт / мК).

Объекты с высокой теплопроводностью являются хорошими проводниками, а объекты с низкой теплопроводностью — хорошими изоляторами. Здесь представлена ​​таблица значений теплопроводности.

Как видите, предметы, которые часто кажутся «холодными» на ощупь, например, металлы, являются хорошими проводниками. Отметим также, насколько хорош воздух изолятор.Вот почему большие пушистые куртки согревают зимой: они задерживают большой слой воздуха вокруг вас. Пенополистирол также является отличным изолятором, поэтому его используют для сохранения тепла или холода в еде и напитках.

Как тепло распространяется через материал

По мере того, как тепло распространяется через материал, существует температурный градиент в материале от конца, ближайшего к источнику тепла, до конца, самого дальнего от него.

По мере прохождения тепла через материал до достижения равновесия конец, ближайший к источнику тепла, будет самым теплым, а температура будет линейно снижаться до самого низкого уровня на дальнем конце.Однако по мере того, как материал приближается к равновесию, этот градиент выравнивается.

Теплопроводность и тепловое сопротивление

Насколько хорошо тепло может перемещаться через объект, зависит не только от проводимости этого объекта, но также от размера и формы объекта. Представьте себе длинный металлический стержень, проводящий тепло от одного конца к другому. Количество тепловой энергии, которая может пройти за единицу времени, будет зависеть от длины стержня, а также от размера стержня вокруг стержня. Здесь в игру вступает понятие теплопроводности.

Теплопроводность материала, такого как железный стержень, определяется по формуле:

C = \ frac {\ kappa A} {L}

, где A — площадь поперечного сечения материал, L, — длина, а κ — теплопроводность. Единицы проводимости в системе СИ — Вт / К (ватт на Кельвин). Это позволяет интерпретировать κ как теплопроводность единицы площади на единицу толщины.

И наоборот, тепловое сопротивление определяется по формуле:

R = \ frac {L} {\ kappa A}

Это просто величина, обратная проводимости.Сопротивление — это мера сопротивления проходящей через него тепловой энергии. Термическое сопротивление также определяется как 1 / κ.

Скорость, с которой тепловая энергия Q перемещается по длине L материала, когда разница температур между концами составляет ΔT , определяется по формуле:

\ frac {Q } {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}

Это также можно записать как:

\ frac {Q} {t} = C \ Delta T = \ frac {\ Delta T} {R}

Обратите внимание, что это прямо аналогично тому, что происходит с током при электрической проводимости. В электрической проводимости ток равен напряжению, деленному на электрическое сопротивление. Электропроводность и электрический ток аналогичны теплопроводности и току, напряжение аналогично разнице температур, а электрическое сопротивление аналогично тепловому сопротивлению. Применяется все та же математика.

Области применения и примеры

Пример: Полусферическое иглу из льда имеет внутренний радиус 3 м и толщину 0,4 м. Тепло уходит из иглу со скоростью, которая зависит от теплопроводности льда, κ = 1.6 Вт / мК. С какой скоростью должна непрерывно генерироваться тепловая энергия внутри иглу, чтобы поддерживать температуру в 5 градусов Цельсия внутри иглу, когда на улице -30 C?

Решение: Правильное уравнение для использования в этой ситуации — это уравнение из предыдущего:

\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L}

Вы учитывая κ, ΔT — это просто разница в температурном диапазоне между внутренней и внешней сторонами, а L — толщина льда. 2

Подставив все в уравнение, мы получим:

\ frac {Q} {t} = \ frac {\ kappa A \ Delta T} {L} = \ frac {1,6 \ times 64,34 \ times 35} {0,4} = 9,000 \ text {Watts}

Приложение: Радиатор — это устройство, передающее тепло от объектов при высоких температурах воздуху или жидкости, которая затем уносит излишнюю тепловую энергию. У большинства компьютеров к процессору прикреплен радиатор.

Радиатор сделан из металла, который отводит тепло от процессора, а затем небольшой вентилятор циркулирует воздух вокруг радиатора, заставляя тепловую энергию рассеиваться.Если все сделано правильно, радиатор позволяет процессору работать в стабильном состоянии. Насколько хорошо работает радиатор, зависит от проводимости металла, площади поверхности, толщины и поддерживаемого температурного градиента.

Горячий диск | Точность измерения и теплопроводность воды

В литературе имеется множество опубликованных значений свойств теплопереноса для многих материалов, некоторые из которых относятся к 19 ^-м годам. Все эти данные основаны на измерениях, так как исходный материал для теплопроводности отсутствует.В лучшем случае опубликованные результаты составлены из множества измерений с использованием различных методов в контролируемых условиях, так называемых циклических тестов. Если это так, среднее значение всех измерений, вероятно, является справедливой оценкой истинного значения, но тем не менее будет содержать ошибки и отклонения, а также неизвестные величины.

а) Плохая точность и точность. б) Плохая точность, но хорошая точность. в) Хорошая точность (средняя близка к мишени), но плохая точность. г) Хорошая точность и аккуратность.

Связь удельной теплоемкости и теплопроводности

Единственное исключение из вышеперечисленного связано с теплоемкостью воды. Одна калория — это по определению количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия при 20 ° C. Таким образом, в единицах СИ C _p воды составляет 4,18 Дж / г · К при 20 ° C. Поскольку это определение удельной теплоемкости, оно является точным и правильным. Зная, что удельная теплоемкость на единицу объема (плотность, умноженная на C _p ) равна теплопроводности, деленной на теплопроводность, у нас есть хорошие шансы проверить точность путем одновременного измерения проводимости и диффузии воды.При 20 ° C плотность чистой воды составляет 1,00 г / см ³ и, следовательно, удельная теплоемкость на единицу объема будет 4,18 МДж / м ³ K.

Тестовая вода

Чтобы измерить воду, необходимо принять некоторые меры предосторожности: вода должна быть дистиллирована, чтобы избавиться от всех ионов. Его также необходимо дегазировать и хранить в герметичном контейнере для удаления растворенных газов и предотвращения повторного поглощения при контакте с воздухом. Образец воды, приготовленный таким образом, был помещен в сосуд с датчиком Hot Disk и протестирован соответствующим образом.

Для анализа использовался прибор TPS 2500 S, соответствующий ISO 22007-2. В этом случае использовался датчик с радиусом 3,2 мм, мощностью нагрева 25 мВт и временем измерения 3 с.

Результаты

Теплопроводность воды при температуре от 0 до 100 ° C, измеренная с помощью Hot Disk TPS 2500 S.

Темп. [° C]	λ [Вт / м / К]	Std.	κ [мм 2 / с]	Std.	ρC p [МДж / м 3 K]	Std.
0	0,5864	0,009	0,133	0,005	4,41	0,11
20	0.6075	0,028	0,147	0,018	4,18	0,33
40	0,6691	0,038	0,173	0,026	3,94	0,47
60	0,7310	0.027	0.200	0,021	3,68	0,27
80	0,7938	0,028	0,239	0,025	3,35	0,22
100	0,8580	0,017	0,268	0,022	3,21	0,17
20	0,6270	0,012	0,158	0,008	3. 97	0,13

Вода была первоначально измерена при 20 ° C, и затем результаты показали C _p , равное 4,186 МДж / м ³ K. Затем испытания проводили при 0 ° C и с шагом 20 ° C до 100 ° C. , а затем снова при 20 ° C. По мере того, как образец начинает растворять газы из окружающего воздуха, значение C _p постепенно уменьшается, как видно из значений, полученных при 20 ° C.

Пять измерений были выполнены при каждой температуре и стандартное отклонение, рассчитанное для каждой температуры, чтобы оценить точность теста.Стандартное отклонение также используется для расчета уровней достоверности, поэтому небольшие вариации могут быть оценены как реальные или случайные. В этих экспериментах все стандартные отклонения были подтверждены в пределах уровня 2σ.

Заключение

При использовании метода горячего диска одновременно измеряются и проводимость, и коэффициент диффузии. По этим измеренным значениям рассчитывается удельная теплоемкость на единицу объема. Калибровка или сравнение со стандартами не используются и не требуются. Метод Hot Disk является абсолютным.Согласие с ожидаемой удельной теплоемкостью превосходное, и в результате можно сделать вывод, что проводимость и коэффициент диффузии являются точными с очень высокой степенью уверенности. Риск того, что электропроводность и коэффициент диффузии будут неверными, так что расчет удельной теплоемкости, тем не менее, дает теоретическое значение, ничтожно мал.

Автор: Д-р Ларс Хельдал

Отредактировал: Даниэль Седеркранц

Теплопроводность | Фторхимикаты | Daikin Global

Полимерные смолы являются универсальными материалами благодаря таким свойствам, как технологичность и относительная прочность.Однако их относительно низкая теплопроводность может представлять проблему для инженеров при использовании рядом с источником тепла или при замене металла.

Требуемые электрические свойства смол меняются в зависимости от области применения. Daikin предлагает как электроизоляционные, так и электропроводящие решения.

• — Производительность и охлаждение полупроводников / надежная электроника

Стремление упаковать увеличивающееся количество вычислительной мощности во все меньшие размеры полупроводниковых корпусов приводит к возрастающей инженерной задаче по отводу рассеянного тепла от электронных компонентов.

С развитием 5G и высокочастотных сигналов возникла необходимость в улучшении теплопроводности материалов подложки при сохранении низких диэлектрических свойств для целостности сигнала.

• — Электрификация автомобилей

Компоненты электронной трансмиссии, такие как двигатели, инверторы и аккумуляторные батареи, выделяют меньше тепла, чем двигатели внутреннего сгорания; однако их характеристики и безопасность также более чувствительны к повышению температуры.

При проектировании этих компонентов необходимо учитывать тепловые свойства каждого слоя, чтобы обеспечить достаточный тепловой поток от источника к поглотителю.

Пластмассы являются хорошей альтернативой металлам из-за более низкой стоимости инструментов и универсальности конструкции. В некоторых случаях замены металла стандартными пластиками снижается теплопроводность. Требуются пластмассы с высокой теплопроводностью.

Повышенная теплопроводность за счет поверхностных фонон-поляритонов

Abstract

Улучшение рассеивания тепла во все более миниатюрных микроэлектронных устройствах является серьезной проблемой, поскольку теплопроводность в наноструктурах заметно снижается из-за все более частого рассеивания фононов на поверхности.Однако поверхность может стать дополнительным каналом рассеивания тепла, если фононы соединяются с фотонами, образуя гибридные поверхностные квазичастицы, называемые поверхностными фонон-поляритонами (SPhP). Здесь мы экспериментально демонстрируем образование СФП на поверхности наномембран SiN и последующее увеличение теплопроводности. Наши измерения показывают, что плоская теплопроводность мембран тоньше 50 нм увеличивается вдвое при повышении температуры от 300 до 800 кельвинов, в то время как более толстые мембраны показывают монотонное уменьшение.Наш теоретический анализ показывает, что эти зависимости толщины и температуры являются отпечатками вклада СФП в теплопроводность. Продемонстрированный перенос тепла с помощью SPhP может быть полезен в качестве ранее неизвестного канала рассеивания тепла в различных областях, включая микроэлектронику и кремниевую фотонику.

ВВЕДЕНИЕ

Фононы являются квазичастицами колебаний решетки и представляют собой первичные теплоносители в объемных диэлектрических материалах. На основании их дисперсионного соотношения фононы называют акустическими или оптическими.Традиционно считается, что вклад оптических фононов в теплопроводность незначителен из-за их низкой групповой скорости по сравнению с таковой акустических фононов ( 1 ). Таким образом, теплопроводность диэлектрических мембран обычно определяется акустическими фононами и, как правило, уменьшается с толщиной мембраны из-за увеличения частоты событий поверхностного рассеяния ( 2 ). В свете постоянно увеличивающейся миниатюризации устройств с повышенной скоростью работы это снижение теплопроводности вызывает перегрев, низкую надежность и сокращение срока службы электронных компонентов ( 3 — 6 ).Тем не менее, хотя перенос тепла через акустические фононы может быть на пределе, рассеяние тепла может быть усилено за счет оптических фононов, связанных с поверхностными электромагнитными волнами.

В течение последнего десятилетия значительные исследовательские усилия были посвящены изучению этих поверхностных волн, поскольку поверхностные эффекты преобладают над объемными в наноструктурах с высоким отношением поверхности к объему ( 7 ). Некоторые типы поверхностных электромагнитных волн могут даже переносить тепло ( 8 — 11 ) и, таким образом, улучшать тепловые характеристики и стабильность наноразмерных устройств ( 12 — 14 ). Одним из типов таких поверхностных волн являются поверхностные фонон-поляритоны (СФФ), которые представляют собой гибрид оптических фононов и поверхностных электромагнитных волн. СФП представляют собой затухающие волны, которые распространяются по поверхности полярных диэлектрических мембран ( 15 — 18 ). SPhP в нитридах, особенно ультратонких нитридах, таких как нитрид бора, использовались для направления инфракрасного света для оптической модуляции и фотодетектирования ( 19 — 22 ). Длина распространения SPhP измеряется в диапазоне сотен микрометров ( 23 ), что на порядки больше типичной длины свободного пробега акустических фононов.Теоретические модели предсказывают, что такая большая длина распространения позволяет SPhP проводить в несколько раз больше тепловой энергии, чем фононы, когда толщина мембраны уменьшается ниже 100 нм ( 15 , 16 ). В то время как недавние эксперименты с мембранами SiO ₂ предоставили некоторые ключи к разгадке вклада SPhP в перенос тепла в ограниченном диапазоне температур ( 24 ), представленные результаты не являются полностью окончательными, поскольку зависимости толщины и температуры практически не отличаются от соответствующих в объемном SiO ₂ , особенно из-за наличия больших полос погрешностей. По этой причине здесь мы используем другой подход и сосредотачиваемся на эволюции температуры в широком диапазоне температур, а не на зависимостях от толщины. Таким образом, суть наших экспериментов состоит из измерений на одном и том же образце при разных температурах. Это позволило получить неопровержимые доказательства повышенной теплопроводности СФП.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изготовление и измерения

Мы измеряем плоскостную теплопроводность подвешенных SiN мембран посредством синхронизации эксперимента по обнаружению возбуждения с установкой микротермоотражения во временной области (μTDTR), показанной на рис.1. Наши эксперименты показывают, что мембраны тоньше 50 нм становятся более проводящими при более высоких температурах, как и ожидалось для вклада СФП, в то время как теплопроводность мембраны толщиной 200 нм уменьшается, что согласуется с фононным аналогом.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки и SiN мембрана с алюминиевыми прокладками.

( A ) Луч непрерывного зондирующего лазера и луч импульсного лазера накачки фокусируются на алюминиевой подушке с помощью объектива микроскопа (× 50).Фото: Роман Ануфриев, Институт промышленных наук Токийского университета. ( B ) Изображение подвешенной мембраны из SiN, поддерживаемой рамкой из Si, которая помещена в вакуумную камеру с регулируемой температурой. ( C ) Луч лазера накачки периодически нагревает круглую алюминиевую площадку, в то время как коэффициент отражения площадки непрерывно контролируется по интенсивности отраженного зондирующего лазерного луча, падающего на фотодетектор. ( D ) Изображение SiN-мембраны, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), показывающее, что шероховатость ее поверхности меньше 1 нм.

Для исследования теплопроводности в диэлектрических мембранах мы выбрали мембраны из аморфного SiN, которые имеются в продаже и отличаются превосходным качеством, высокими нагрузками и различной толщиной. После нанесения алюминиевых преобразователей на эти подвешенные мембраны толщиной 30, 50, 100 и 200 нм их теплопроводность в плоскости измеряли в диапазоне температур от 300 до 800 K с помощью метода μTDTR (методы). Затем из сигнала μTDTR извлекается плоская теплопроводность, сравнивая ее с аналитической моделью, разработанной в разделе «Модель диффузии тепла» в дополнительных материалах.

SPhPs увеличивают теплопроводность в мембранах SiN

На рис. 2A показаны результаты измерений теплопроводности в плоскости аморфных мембран SiN толщиной 30, 50, 100 и 200 нм в диапазоне температур от 300 до 800 K. Значения теплопроводности при комнатной температуре хорошо согласуются с предыдущими исследованиями ( 25 — 27 ). Теплопроводность мембраны толщиной 200 нм при 300 K составляет 4,36 Вт · м 90 · 104 −1 90 · 105 K 90 · 104 −1 90 · 105 и остается практически независимой от температуры вплоть до 500 К.Выше 500 К теплопроводность уменьшается по степенному закону T ⁻² . Это понижение температуры выше комнатной, как известно, вызвано процессами внутреннего рассеяния фононов, что указывает на то, что теплопроводность в этой относительно толстой мембране определяется в основном фононами. Напротив, теплопроводность мембраны толщиной 100 нм практически не зависит от температуры, со средними значениями 1,25 и 0,99 Вт м ^-1 K ^-1 при 300 и 800 K соответственно.Мы предполагаем, что такое поведение теплопроводности может быть связано с тем, что возрастающий вклад SPhP компенсирует снижение фононной теплопроводности при повышении температуры.

Рис. 2 Температурная зависимость плоской теплопроводности мембран SiN.

Варианты сплошных символов ( A ) представляют собой абсолютные значения измеренной теплопроводности в плоскости наших четырех образцов SiN, а сплошные линии обозначают их теплопроводности SPhP, предсказываемые уравнением.1. ( B ) Нормированные значения плоской теплопроводности SiN-мембран четырех толщин. Пунктирная линия — ориентир для глаза. Повышение теплопроводности наблюдается для мембран толщиной 30 и 50 нм при высокой температуре.

Что касается двух более тонких мембран ( d ≤ 50 нм), увеличение теплопроводности с температурой становится заметным, так что ее значение возрастает с 0,34 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ при 300 K до 0.68 Вт м ⁻¹ K ⁻¹ при 800 K для мембраны толщиной 50 нм.Теплопроводность мембраны толщиной 30 нм демонстрирует аналогичное увеличение со значениями 0,15 и 0,27 Вт · м ^-1 K ^-1 при 300 и 800 K соответственно.

Тенденции теплопроводности для четырех мембран становятся еще более очевидными, когда значения нормируются на соответствующие значения при комнатной температуре, как показано на рис. 2B. Две более тонкие SiN-мембраны становятся вдвое более проводящими при повышении их температуры от 300 до 800 K. Мы также построили графики измеренных значений теплопроводности SiN-мембран толщиной 30, 50 и 100 нм, нормированных на соответствующие значения Мембрана толщиной 200 нм (см. Рис.S6).

ОБСУЖДЕНИЕ

Чтобы лучше понять поведение измеренной теплопроводности, мы анализируем вклад SPhP в перенос тепла вдоль поверхности мембран SiN. Согласно уравнению переноса Больцмана в приближении времени релаксации вклад СФП (κ _СФП ) в плоскостную теплопроводность мембраны толщиной d определяется выражением ( 15 ) κSPhP = 14πd∫ωLωHℏωΛβR ∂f0∂Tdω (1) где ℏ — приведенная постоянная Планка, Λ = (2 Im (β)) ⁻¹ относится к собственной длине распространения SPhP, распространяющихся вдоль поверхности мембраны с комплексным волновым вектором β, β _R = Re (β), f ₀ представляет функцию распределения Бозе-Эйнштейна; T обозначает среднюю температуру мембраны, а ω _H и ω _L обозначают самую высокую и самую низкую частоты, поддерживающие распространение SPhP, соответственно.Эффективное распространение SPhP должно учитывать два типа поглощения: (i) собственное поглощение мембраной с потерями (обсуждается в разделе «Мембрана с потерями» в дополнительных материалах) и (ii) поглощение или дифракция на рамке реального образца. . Собственная длина Λ поляритонов, распространяющихся вдоль SiN-мембраны, может достигать 1 м (см. Рис. 3B), а его поперечный размер a (0,5 мм для мембраны толщиной 30 нм и 1 мм для более толстой мембраны). ед.) намного меньше.Следовательно, теплопроводность SPhP в уравнении. 1 определяется с использованием эффективной длины распространения Λ _e , заданной правилом Маттиссена Λe − 1 = Λ − 1 + a − 1. Это соотношение устанавливает, что Λ _e ≤ a и, следовательно, позволяет ограничить расстояние распространения поляритонов реальным поперечным размером наших образцов, что и должно быть.

Рис. 3 Теоретическая оценка теплопроводности СФП в мембранах SiN.

( A ) Действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости SiN-мембраны толщиной 50 нм, измеренные с помощью инфракрасной спектроскопии при 300 K (методы).( B ) Длина распространения SPhP, движущихся вдоль SiN-мембран разной толщины без (сплошные линии) и с (пунктирные линии) ограниченным поперечным размером. ( C ) Прогнозируемая теплопроводность СФП без (сплошные линии) и с (пунктирные линии) ограниченным поперечным размером SiN-мембран при различных температурах.

Уравнение 1 устанавливает, что значения κ _SPhP определяются дисперсионным соотношением β (ω) SPhP и частотным диапазоном интегрирования, который для идеальных мембран без потерь, подвешенных в вакууме (ε ₁ = 1), определяется как ( 7 ) Re (ε ₂ (ω)) <- 1, где ε ₂ — диэлектрическая функция мембраны.Однако, принимая во внимание, что материалы без потерь не поглощают энергию и что тепло, выделяемое SPhP внутри материала, пропорционально мнимой части Im (ε ₂ (ω)) его диэлектрической функции ( 11 ), SPhP распространение вдоль мембраны без потерь не вносит вклад в теплопроводность в формуле. 1. Для материала с потерями, как в случае SiN, дисперсионное соотношение SPhP вместе с условием их поверхностного удержания устанавливает, что они распространяются и вносят вклад в перенос тепла в частотном диапазоне, намного более широком, чем тот, который поддерживает их распространение вдоль материал без потерь, как было недавно продемонстрировано экспериментально ( 23 ) и теоретически подробно описано в разделе «Моделирование теплопроводности SPhP» в дополнительных материалах. Чтобы подчеркнуть преимущество использования подвешенной мембраны для демонстрации вклада SPhP ( 28 ), мы анализируем мембрану SiN поверх нанослоя Au (раздел «Теплопроводность SPhP мембраны SiN поверх нанослоя Au» в Дополнительные материалы) ( 29 ).

Учитывая, что дисперсионное соотношение СФП, необходимое для расчета значений κ _СФП , определяется диэлектрической проницаемостью мембраны ε ₂ , которая обычно зависит от температуры ( 30 ), мы измерили диэлектрическую функцию нашей SiN-мембраны при различных температурах от 300 до 800 К с помощью инфракрасной спектроскопии (рис.S2) и хорошо согласуется с литературой ( 31 ). Диэлектрическая функция SiN существенно не меняется с температурой, как показано на рис. S3; следовательно, изменение температуры κ _SPhP в основном определяется производной по температуре распределения Бозе-Эйнштейна f ₀ . На рисунке 3А показаны действительная (ε _R ) и мнимая (ε _I ) части диэлектрической проницаемости ε ₂ = ε _R + i ε _I измеренные для мембраны толщиной 100 нм при 300 К. Основные резонансные пики ε _I возникают при примерно 156 Trad s ^-1 , что указывает на то, что мембрана SiN поглощает заметное количество энергии электромагнитного поля на этой частоте. С другой стороны, падение реальной части ε _R на 175 Trad s ⁻¹ связано с максимальным прилеганием SPhP к поверхности мембраны (рис. S4) и, следовательно, обеспечивает основной вклад в Теплопроводность SPhP в уравнении.1. При повышении температуры до 800 K характерный диапазон длин волн, который способствует проводимости SPhP, остается от 125 до 225 Trad s ^-1 , что согласуется с диапазоном при комнатной температуре. Зависимость спектральной теплопроводности от частоты показана на рис. S5.

На рис. 3В показано, что длина распространения SPhP увеличивается с уменьшением толщины мембраны, поэтому ее значения могут достигать 1 м для мембраны толщиной 50 нм. По этой причине мы ожидаем более высокой теплопроводности для более тонких мембран, как установлено уравнением. 1. Минимум длины распространения не находится на резонансных частотах ни действительной, ни мнимой частей диэлектрической функции (см. Рис. 2A), поскольку его значения в значительной степени определяются обоими этими параметрами, как подробно показано на рис. S4. Ширина полосы частот от 234 до 252 Trad s ^-1 представляет собой диапазон частот, для которого дисперсионное соотношение не имеет решения для волнового вектора SPhP β, и поэтому длина распространения не определена.

С другой стороны, теплопроводность SPhP увеличивается для более тонких и / или более горячих мембран, как показано на рис. 3C. Такое поведение противоположно тому, которое демонстрирует фононная теплопроводность типичных диэлектриков, и, таким образом, представляет собой отпечаток вклада SPhP в перенос тепла вдоль мембран. С помощью аналитической модели, аналогичной той, которую мы использовали выше, некоторые исследования предсказывают увеличение теплопроводности из-за SPhP в более тонких мембранах SiO ₂ и SiC ( 15 , 16 ).

Отметим, что для самой тонкой пленки ( d = 30 нм) значения измеренной теплопроводности κ _exp = κ _SPhP + κ _phonon хорошо согласуются с их аналогами SPhP (κ _SPhP ), для температур выше 500 K, где ожидается, что вклад фононов (κ _phonon ) будет относительно небольшим. С другой стороны, для более низких температур последний вклад имеет значение и, следовательно, κ _exp > κ _SPhP .Кроме того, прогнозируемая теплопроводность SPhP κ _SPhP для мембраны толщиной 30 нм ниже, чем для мембраны толщиной 50 нм, из-за ее относительно небольшого поперечного размера и, следовательно, эффективной длины распространения, как показано на рис. 3Б. Три более толстые мембраны ( d, = 50, 100 и 200 нм) имеют одинаковый поперечный размер a = 1 мм, и, следовательно, их поляритонная теплопроводность уменьшается с увеличением их толщины. С другой стороны, учитывая, что фононная теплопроводность SiN-мембраны увеличивается с увеличением ее толщины, ожидается, что измеренная теплопроводность κ _exp трех более толстых мембран будет определяться в основном вкладом фононов, что объясняет заметную разницу между κ _exp и κ _SPhP для этих последних мембран.

В аморфном материале фононы каталогизируются как пропагоны, диффузоны и локоны на основе колебательных мод ( 32 ). Пропагоны и диффузоны несут большую часть тепла в объемных аморфных материалах, тогда как вклад локонов в поток остается незначительным. От температурной зависимости пропагонов можно отказаться из-за преобладания поверхностного рассеяния. Хотя диффузионная теплопроводность также увеличивается с температурой ( 33 ), ее вклад увеличивается только примерно на 6% от 300 до 800 K, как подробно описано в «Диффузная теплопроводность в аморфном SiN.»В дополнительных материалах. Таким образом, это слабое усиление незначительно по сравнению со 100% -ным увеличением измеренной теплопроводности 30-нм тонкой пленки, что подтверждает, что это последнее значительное увеличение может быть отнесено только на счет SPhP, как предсказано теорией. Таким образом, мы объясняем рост теплопроводности преимущественно вкладом СФП.

В заключение, мы экспериментально измерили плоскую теплопроводность аморфных SiN мембран при различных температурах. Заметное увеличение теплопроводности с температурой в диапазоне 300-800 К наблюдалось для мембран толщиной менее 100 нм. Мы связываем это усиление с распространением SPhP вдоль границ раздела мембран. Наши результаты показывают, что снижение фононной теплопроводности наноматериалов может быть компенсировано увеличением ее аналога, вызванного распространением SPhPs, и даже удвоением переноса тепловой энергии. Таким образом, эта работа раскрывает новый канал переноса тепла вдоль полярных диэлектриков и закладывает основы для улучшения рассеивания тепла в микроэлектронике и эффективности в кремниевой фотонике.

МЕТОДЫ

Пробоподготовка

Образцы аморфных мембран SiN толщиной 30, 50, 100 и 200 нм подвешены в прямоугольных окнах из Si размером 1,0 × 1,0 мм. ² . Эти промышленные мембраны с высокими напряжениями (≈250 МПа) были плоскими (радиус кривизны 4 м) и не имели складок. Круглая алюминиевая прокладка диаметром 5 мкм и высотой 70 нм была нанесена поверх каждой мембраны с помощью электронно-лучевой литографии и физического осаждения с помощью электронного луча (Ulvac EX-300). Расстояние между этими металлическими площадками было выбрано достаточно большим (> 200 мкм), чтобы минимизировать их вклад в общие термические свойства SiN-мембран. Пространственное распределение алюминиевых прокладок показано на изображении оптической микроскопии (рис. S1). Кроме того, на основе изображений мембран SiN с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) шероховатость их поверхности была оценена как менее 1 нм (рис. 1D). Эта шероховатость незначительна по сравнению с длиной волны SPhP (2π / β _R ), и, следовательно, она не должна ослаблять распространение SPhP вдоль границ раздела SiN мембраны.

Экспериментальная установка

Чтобы исследовать перенос тепла в наших SiN-мембранах при различных температурах, мы поместили их в вакуумную камеру со столиком с регулируемой температурой для проведения измерений при температуре выше комнатной (от 300 до 800 K). Эффекты конвекции были нейтрализованы при давлении в камере ниже 10 90 · 104 −3 90 · 105 Па.

Теплопроводность мембран была измерена с помощью метода μTDTR, показанного на рис. 1. Принцип работы этого полностью оптического насоса: Методика зондирования заключается в фокусировке непрерывного «зондирующего» лазерного луча (785 нм) и импульсного «накачивающего» (642 нм) луча на алюминиевую площадку с помощью объектива микроскопа (× 50).Луч накачки используется для периодического нагрева алюминиевой прокладки, что изменяет ее коэффициент отражения, который непрерывно измеряется путем отслеживания интенсивности отраженного зондирующего луча через фотодетектор, подключенный к цифровому осциллографу. Поскольку коэффициент отражения материала пропорционален его температуре через коэффициент термоотражения, каждый импульс луча накачки вызывает скачок сигнала отраженного зондирующего луча. По мере того, как тепло постепенно распространяется от алюминиевой подушки через нижележащую мембрану, температура и, следовательно, коэффициент отражения подушки возвращаются к исходным значениям. Зондирующий луч регистрирует этот процесс как постепенное восстановление интенсивности отраженного лазера. В течение одной итерации система μTDTR интегрирует данные от детектора синхронизации для 10 ⁴ импульсов накачки. Для дальнейшего снижения шума мы накапливаем сигнал за 1 мин, что составляет 10 ³ таких итераций. Более подробную информацию о нашей экспериментальной установке можно найти в литературе ( 34 ). Наконец, измеренные временные изменения температуры объединены с аналитической моделью (раздел «Модель диффузии тепла» в дополнительных материалах) для определения теплопроводности в плоскости наших SiN-мембран.

Благодарности: Мы благодарим Y. Liao и J. Shiomi за обсуждение диффузонной теплопроводности в аморфном SiN. Финансирование: Эта работа была поддержана грантами CREST JST с номерами JPMJCR19Q3 и JPMJCR19I1 и грантами KAKENHI с номерами 15H05869 и 17H02729. Вклад авторов: Y.W. , M.N. и S.V. разработал эксперимент. С.Г. и Р.А. изготовили образцы. Р.А. выполнил определение характеристик АСМ. Ю.В. выполнил измерения μTDTR и написал статью.J.O.-M. разработаны теоретические и аналитические модели. J.O.-M. и Р.А. способствовал написанию статьи. D.D.S.M. и L.D.C. выполнили измерения инфракрасной спектроскопии. С.В. и М. способствовал интерпретации результатов и руководил работой в целом. Все авторы внесли свой вклад в анализ и обсуждение результатов. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в статье и / или дополнительных материалах.Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у соответствующих авторов.

• Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; обладатель исключительной лицензии Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или уточнить у системного администратора.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Что такое теплопроводность? — Matmatch

Теплопроводность — это мера способности определенного материала передавать или проводить тепло.Проводимость возникает, когда в материале присутствует температурный градиент. Его единицы равны (Вт / мК) и обозначаются λ или k.

Второй закон термодинамики определяет, что тепло всегда будет течь от более высокой температуры к более низкой температуре.

Уравнение теплопроводности рассчитывается по следующей формуле:

представляет собой тепловую энергию, передаваемую материалом в единицу времени. Это выражается в джоулях в секунду или в ваттах.

• k — постоянная теплопроводности.
• A — площадь поверхности, через которую проходит тепловая энергия, измеряется в м2.
• ∆T — разница температур в градусах Кельвина.
• L означает толщину материала, через который передается тепло, и измеряется в м.
• Для расчета постоянной теплопроводности можно использовать следующее уравнение:

Теплопроводность конкретного материала зависит от его плотности, влажности, структуры, температуры и давления.

Как это измеряется?

Некоторые распространенные методы измерения теплопроводности:

Метод охраняемой горячей плиты:

Метод защищенной горячей пластины — широко используемый метод установившегося состояния для измерения теплопроводности. Материал, который необходимо испытать, помещают между горячей и холодной пластинами. Параметры, используемые для расчета теплопроводности, — это установившаяся температура, тепло, используемое для более теплой пластины, и толщина материала. Его можно использовать для температурных диапазонов 80-1500 К и для таких материалов, как пластик, стекло и образцы изоляции. Это очень точно, но на проведение теста уходит много времени.

Метод горячей проволоки:

Метод горячей проволоки — это переходный метод, который может использоваться для определения теплопроводности жидкостей, твердых тел и газов. Стандартный метод горячей проволоки, используемый для жидкостей, включает нагретую проволоку, помещаемую в образец. Теплопроводность определяется путем сравнения графика температуры проволоки с логарифмом времени, когда указаны плотность и емкость.

В случае твердых тел требуется небольшая модификация этого метода, при которой горячая проволока опирается на основу, так что твердое тело не проникает. Он работает в диапазоне температур 298 — 1800 K и является быстрым и точным методом, но имеет ключевое ограничение в том, что он работает только с материалами с низкой проводимостью.

Сравнительный метод резки:

Сравнительный метод отрезного стержня — это метод устойчивого состояния, который может использоваться для испытания металлов, керамики и пластмасс. Тепловой поток проходит через образцы, теплопроводность которых известна и неизвестна, следовательно, можно провести сравнение температурных градиентов. Он работает в диапазоне температур 293 — 1573 К, но измерения относительно неточны.

Метод лазерной вспышки:

Метод лазерной вспышки — это переходный метод, при котором лазерный импульс подает короткий тепловой импульс к переднему концу образца, а изменение температуры измеряется на заднем конце образца.Он работает в диапазоне температур 373 — 3273 К и может использоваться как для твердых, так и для жидкостей. Он имеет преимущество в скорости и высокой точности, но стоит довольно дорого.

Метод теплового расходомера:

Метод измерителя теплового потока является методом стационарного режима и аналогичен методу с защищенной горячей пластиной, за исключением того, что для измерения теплового потока через образец используются датчики теплового потока, а не основной нагреватель. Тепловой поток определяется на основе падения температуры внутри терморезистора. Измерители теплового потока используются для диапазона температур 373–573 K и могут использоваться для пластмасс, керамики, изоляционных материалов и стекла. Основное преимущество расходомеров тепла состоит в том, что они относительно просты в настройке, однако измерения не особенно точны.

Какие материалы имеют самую высокую / самую низкую теплопроводность?

Как и ожидалось, материалы, которые хорошо проводят тепло, такие как металлы, имеют более высокую константу теплопроводности, чем материалы, которые не проводят тепло так эффективно, как полимеры и дерево.

В группе металлов серебро имеет самую высокую константу теплопроводности, а висмут — самую низкую.

Теплопроводность неметаллических жидкостей намного ниже теплопроводности металлов, а самая низкая теплопроводность наблюдается у газов. Среди газов водород и гелий обладают относительно высокой теплопроводностью.

Для каких приложений требуется высокая / низкая теплопроводность?

Материалы с фазовым переходом, используемые для аккумуляторов тепловой энергии, таких как системы отопления и охлаждения, должны иметь высокую теплопроводность для достижения максимальной эффективности, тогда как материалы с низкой теплопроводностью обычно используются для теплоизоляции.

Анизотропная теплопроводность в диоксиде урана

МД-моделирование

МД-моделирование прямым методом ^6,7 использовалось для расчета теплопроводности UO ₂ . Все расчеты были выполнены с помощью масштабируемого параллельного кода ближнего действия ³² и в точности следуют исследованию Ватанабе и др. . ⁸ В прямоугольной кубовидной ячейке моделирования был наложен постоянный тепловой поток за счет передачи тепловой энергии от горячей пластины к холодной пластине, разделенной половиной длины ячейки моделирования.Толщина горячей и холодной пластин составляла 5,463 Å, то есть одна элементарная ячейка UO ₂ . Тепловой поток был установлен на 0,05 k _B T / A ( k _B — постоянная Больцмана, а T — температура) на временной шаг, где A — крест площадь сечения ячейки моделирования. К ячейке моделирования применялись периодические граничные условия. Размер временного шага во всех расчетах составлял 1.0 фс. Чтобы уравновесить тепловые и деформационные свойства системы, каждое моделирование запускалось путем моделирования постоянной температуры и давления для 12.5 шт. Время уравновешивания после настройки теплового потока составляло 500 пс, и 500–1000 пс использовались в качестве времени сбора данных. Температурный градиент, возникающий в результате теплового потока, отслеживался и усреднялся за время сбора данных, чтобы получить теплопроводность по закону Фурье, где Дж _z — наложенный тепловой поток, z представляет кристаллографическое направление потока тепла. градиент температуры и κ _z — эффективная проводимость в этом направлении.

Согласно исследованию Basak и др. , межатомные взаимодействия между атомами урана и кислорода описывались короткодействующим потенциалом. ³¹ , а дальнодействующие электростатические взаимодействия рассчитывались методом суммирования Вольфа ³³ . Длина ячеек моделирования составляла от 16 до 60 нм для моделирования вдоль кристаллографических направлений <100> <110> и <111>. Эти относительно короткие ячейки страдают от значительного рассеяния фононов от горячих и холодных пластин, особенно при низкой температуре.Это артефакт установки моделирования, но маленькие ячейки, тем не менее, полезны для установления физических трендов, и результаты для бесконечной длины ячейки могут быть получены экстраполяцией к (ссылки 7, 8), где c — константа, связанная с рассеяние горячей и холодной пластинами, L _z — длина ячейки моделирования, а κ _∞ — теплопроводность для ячейки моделирования бесконечной длины. Из-за нелинейных эффектов в направлении <100>, возникающих из-за эллипсоидального характера проецируемой кислородной траектории, показанной на рис.1b, следующее квадратичное соотношение () также использовалось для экстраполяции, где c ₁ и c ₂ — константы. Что касается линейной модели, c ₁ захватывает рассеяние от горячих и холодных пластин, а c ₂ связано со свойствами решетки UO ₂ , которое включает эллипсоидальное поведение траектории кислорода в Рис. 1б. В направлениях, перпендикулярных тепловому току, ячейки моделирования имеют длину от 3.От 7 до 4,0 нм. Зависимость расчетной теплопроводности от площади поперечного сечения оказалась слабой ³⁴ . Однако для UO ₂ размеры ячейки моделирования влияют на эллипсоидальный характер проецируемой кислородной траектории, показанной на рис. 1b. Если моделирование на рис. 1b выполняется в кубической ячейке, форма соответствующей траектории будет сферической, что ожидается для идеально кубических или изотропных материалов. Это означает, что кубовидная имитационная ячейка слегка, но значительно нарушает свойства решетки UO ₂ , что, вероятно, связано с мягкой упругой постоянной C ₄₄ ²⁸ . В конечном итоге это возмущение приводит к анизотропной теплопроводности. Баллистический перенос фононов, который происходит, если рассеяние фононов в ячейке моделирования минимально, является еще одним возможным объяснением анизотропии. Это связано с тем, что в баллистических условиях теплопроводность является тензором четвертого ранга, связанным с тензором упругой жесткости, и в кубических материалах может возникнуть анизотропная теплопроводность ^2,3 . В моделировании МД баллистический перенос переплетается с зависимостью теплопроводности от длины ячейки моделирования и рассеянием на горячих и холодных пластинах.Схема экстраполяции должна исключить баллистический вклад, однако его нельзя окончательно исключить на основе настоящего моделирования. Результаты, полученные с помощью масштабируемого параллельного MD-кода ближнего действия в этом исследовании, также были подтверждены с использованием MD-кода LAMMPS ³⁵ .

Измерения теплопроводности

Монокристаллы обедненного UO ₂ , используемые для измерений теплопроводности, были получены Лос-Аламосской научной лабораторией (LASL, ныне Лос-Аламосская национальная лаборатория — LANL) из Северо-западной лаборатории Баттелле в 1969 году. Образцы были приготовлены путем плавления обедненного порошка UO ₂ марки PWR в дуговой печи, и крупные кристаллы были получены из основной массы ³⁶ . Перед отправкой в ​​LASL кристаллы отжигались во влажном водороде для удаления включений и обеспечения стехиометрии. Мы провели термогравиметрический анализ исследованных образцов, и результаты подтвердили первоначальное утверждение о стехиометрии как <2,001 (исходное кулонометрическое титрование в 1969 г. дало стехиометрию 2,0006). Что касается химической чистоты, анализ, проведенный во время первоначального синтеза, подтвердил образцы высокой чистоты (> 99.9688%). По данным эмиссионного спектрографического анализа содержание Ag, B, Fe, Sn и т.д. было ниже 200 ppm, C ниже 50 ppm, Cl менее 10 ppm и F менее 2 ppm. Было обнаружено, что общее содержание азота составляет 50 частей на миллион, как определено анализом Кьельдаля. Изотопная чистота образцов составила ²³⁸ U> 99,78% (остаток ²³⁵ U). Оптическая микроскопия показала, что образцы не имеют макроскопических дефектов (трещин и т. Д.). Ориентированные прямоугольные кубоиды были приготовлены из большого монокристалла, см. Дополнительный рис.1 для примера кристаллических стержней, и ориентация была проверена стандартной рентгеновской техникой обратного отражения Лауэ. В качестве примера на дополнительном рис. 2 показана типичная дифракционная картина Лауэ для образцов <111>. Характер рисунка подчеркивает высокое качество кристалла. Несоосность оценивается как <0,5 градуса для всех образцов. Кроме того, мы подготовили образец <110>, который был отклонен на 8 градусов. Теплопроводность второго кристалла <110> была практически идентична первому образцу.Тесное соответствие между двумя кристаллами <110> также подтверждает, что исходный монокристалл был однородным, и, таким образом, наши результаты по анизотропной теплопроводности не могут быть объяснены вариациями свойств кристаллов UO ₂ между ориентированными образцами. Об этом также свидетельствует тот факт, что разница в теплопроводности между образцами <110> <111> и <100> приближается к нулю при температуре Нееля. На всех монокристаллических образцах также была проведена дифракция рентгеновских лучей, которая подтвердила структуру и параметры решетки флюорита в соответствии с литературными данными.

Измерения теплопроводности UO ₂ были выполнены в системе измерения физических свойств-9 от Quantum Design, оснащенной сверхпроводящим магнитом 9 Тл и с использованием образцов с типичными размерами ~ 1 × 1 × 7 мм. Для измерения теплопроводности использовались как четырехконтактная, так и двухконтактная конфигурации выводов зонда. Эпоксидная смола h30E с серебряным наполнением использовалась для соединения образца с выводами, которые покрыты медью с золотым покрытием. Использовался непрерывный режим (0,1 Кмин ⁻¹ ) в интервале температур 4–300 К.Для усиления вниз по мосту важно использовать 40 мВ в качестве верхнего предела мощности, поскольку удельное сопротивление образца находится в режиме кОм (при комнатной температуре). Согласно справочнику Quantum Design, типичная точность измерения теплопроводности с учетом радиационных потерь с использованием опции TTO составляет ± 5%. Однако, поскольку наши измерения проводятся на одном материале, относительная точность между ориентированными образцами намного выше. Чтобы установка образца, например выводы, прикрепленные к концам образцов UO ₂ , не искажала результаты, мы демонтировали образцы <100> и <110>, отожгли их в сухом Ar-6%. H ₂ при температуре 850 ° C в течение 18 часов для проверки стехиометрии образца, повторно установил образец и повторил измерения теплопроводности, которые воспроизвели исходные результаты.Вариация находилась в пределах диапазона неопределенности методологии, что подтверждает достоверность анизотропной теплопроводности. Во второй серии измерений использовались две вместо четырех проводных клемм. Результаты <110> и <111> согласуются с более ранними измерениями на монокристалле ² и, таким образом, считаются точными. Мы повторяем, что любые дефекты, различающие образцы <110> <111> и <100>, приведут к постоянному сдвигу теплопроводности, который не наблюдается в наших измерениях, см. Рис.2. Последний аргумент против дефектов образца или опасений по поводу установки образца получается путем сравнения анизотропии, например, на максимуме низкотемпературного пика теплопроводности с анизотропией для той же величины проводимости на втором пике. Анизотропия не та же самая, что должно быть в том случае, если дефекты или неточная установка образца были причиной измеренной анизотропии. Из этого можно сделать вывод, что анизотропная теплопроводность не может быть объяснена простыми дефектами или погрешностями измерения.

Модель Каллавея

Выше T _N измеренные значения теплопроводности были проанализированы в рамках модели Каллавея ²¹ , которая предполагает спектр фононов Дебая и выражает теплопроводность как:

, где ν — средняя скорость звука, τ _p — время релаксации фононов, x = ħω / k _B T , ω — частота фононов, а ħ , Θ _D и k _B — это приведенная постоянная Планка, температура Дебая и постоянная Больцмана соответственно. Средняя скорость звука была принята как ν = 3171 м с ⁻¹ для UO ₂ , которая была рассчитана из ( Θ _D = 395 K ³⁷ ), где n — число атомов в единице объема. Время релаксации можно учесть, рассматривая возможные механизмы рассеяния для переноса тепла. Это обычно включает рассеяние на точечных дефектах ( D ), граничное рассеяние ( B ), процессы переброса ( U ) и спиновое рассеяние ( S ), где конкретные времена обратной релаксации задаются следующими выражениями ( D , B и U — константы, соответствующие данным теплопроводности):

Член спинового рассеяния ²² является расширением стандартной модели Каллавея, которая требуется для парамагнитного UO ₂ .В выражении для, ω _{S , i} — резонансная частота, C _i — константа фононно-спиновой связи и F _i ( T ) содержит информацию о двухуровневой системе. Мы включили в нашу модель два уровня ( i = 1,2). И резонансные частоты, и константы связи рассматривались как свободные параметры. Параметр b в выражении Umklapp здесь рассматривается как подгоночный параметр, но он также может быть установлен на константу ( b = 2).

Чтобы иметь реалистичную отправную точку для свободных параметров в модели UO ₂ , мы использовали параметры модели Каллавея, полученные для ThO ₂ из данных, представленных в исх. 14. Средняя скорость звука для ThO ₂ была рассчитана и составила 2,129 м с ^-1 для Θ _D = 259 K ³⁸ . Результаты ThO ₂ перечислены в дополнительной таблице 1 и сравнены с экспериментальными данными на дополнительном рисунке 3. Для UO ₂ мы сначала подгоняем данные <110> с помощью модели Каллавея, которая не включает спин фононов. вклад рассеяния (UO ₂ <110> B в дополнительной таблице 1 и дополнительном рис. 3). Результаты несколько необычны при первоначальном осмотре; в частности, длина свободного пробега для граничного рассеяния чрезвычайно мала (7,3 нм). Граничный член на много порядков меньше размеров образца. Это можно объяснить рассеянием спина фононов, которое явно не включается в стандартную модель Каллавея, а скорее фиксируется граничным членом. Обратите внимание, что член граничного рассеяния для ThO ₂ дает длину свободного пробега 8,0 мкм, что более чем на три порядка больше, чем для UO ₂ (7.3 нм), что объясняется отсутствием фононно-спинового рассеяния в ThO ₂ . Тот факт, что члены рассеяния на дефектах аналогичны между UO ₂ и ThO ₂ , см. Дополнительную таблицу 1, указывает на то, что изотопическое рассеяние не отвечает за различие в теплопроводности. Хотя образцы UO ₂ не являются полностью изотопически чистыми (99,78%), а образцы ThO ₂ — чистыми, высокая масса атомов U означает, что изотопное рассеяние мало по сравнению с рассеянием спинов фононов. Несмотря на то, что качество подгонок UO ₂ , полученное на основе стандартной модели Каллауэя, хорошее, физическое понимание, которое можно получить из этих результатов, ограничено.

На следующем этапе мы добавили члены спинового рассеяния к модели Каллауэя, которую мы назвали расширенной моделью Каллауэя, и подогнали данные теплопроводности UO ₂ <110>, см. Дополнительную таблицу 1 и рис. из параметров ThO ₂ . Пониженная теплопроводность UO ₂ по сравнению с ThO ₂ улавливается членами спинового рассеяния и уменьшением длины рассеяния на дефекте.Граничный член рассеяния остается аналогичным случаю ThO ₂ . Две резонансные частоты по существу перекрываются для соответствия <110>. Данные по теплопроводности для <111> и <100> UO ₂ были затем подогнаны, позволяя изменять только члены спинового рассеяния, сохраняя все остальные параметры фиксированными на значениях <110>, см. Дополнительную таблицу 1 и рис.