Теплопроводность в физике: Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

Теплопередача — урок. Физика, 8 класс.

В природе существует три вида теплопередачи:
1) теплопроводность;
2) конвекция;
3) излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность — переход теплоты с одного тела на другое при их соприкосновении или с более тёплой части тела на холодную.

Различные вещества имеют разную теплопроводность. Большую теплопроводность имеют все металлы. Малую теплопроводность имеют газы, вакуум не имеет теплопроводности (в вакууме нет частиц, которые бы обеспечивали теплопроводность).

Вещества, которые плохо проводят теплоту, называют теплоизоляторами.

Искусственно созданными теплоизоляторами являются каменная вата, пенопласт, поролон, металлокерамика (используется в производстве космических кораблей).

Конвекция

Распространение тепла перемещающимися струями газа или жидкости называется конвекцией.

При конвекции тепло переносит само вещество. Конвекция наблюдается только в жидкостях и газах.

Тепловое излучение

Распространение тепла от тёплого тела при помощи инфракрасных лучей называют тепловым излучением.

Тепловое излучение — единственный вид теплопередачи, который может осуществляться в вакууме. Чем выше температура, тем сильнее тепловое излучение. Тепловое излучение производят, например, люди, животные, Земля, Солнце, печь, костёр. Инфракрасное излучение можно изображать или измерять термографом (термокамерой).
  

Урок 02. теплопроводность. конвекция. излучение — Физика — 8 класс

Конспект объясняющего модуля

Цели урока:

– познакомить с тремя способами теплопередачи, сформировать представление о механизмах и особенностях передачи энергии путём теплопроводности, конвекции и излучения;

– научить наблюдать, описывать и объяснять физические явления на основе представлений об изменении внутренней энергии при теплопередаче.

Планируемые результаты обучения учащегося:

– даёт определения теплопроводности, конвекции и излучения, приводит примеры передачи энергии перечисленными способами;

– демонстрирует знание механизмов и особенностей передачи энергии путём теплопроводности, конвекции и излучения;

– сравнивает значения теплопроводности различных веществ;

– приводит примеры и объясняет физические явления на основе полученных знаний о различных способах теплопередачи.

В окружающем нас мире происходят различные физические явления, некоторые из них связаны с изменением внутренней энергии тел.

Внутреннюю энергию можно изменить за счет совершения механической работы и теплопередачи.

Рассмотрим способ изменения внутренней энергии тела путем теплопередачи. Введем определение. Теплопередача – это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

У теплопередачи есть три разновидности: теплопроводность, конвекция, излучение.
Каждый вид теплопередачи имеет свои особенности, присущие только ему.
Рассмотрим первый вид- теплопроводность.

Теплопроводность – это явление, при котором энергия передаётся от одной части тела к другой посредством движения частиц или при непосредственном контакте двух тел.

Разные тела обладают разной теплопроводностью, так как молекулярное строение и скорость движения молекул в разных веществах разная.

У металлов самая высокая (хорошая) теплопроводность, у жидкостей меньше, а у газов самая маленькая ( плохая) теплопроводность.

Важно отметить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества и если нет частиц, то нет теплопроводности. Следующий вид теплопередачи- конвекция.

Конвекция – это явление переноса энергии слоями жидкостей или газов.

Конвекция , что следует из определения, может быть только при наличии вещества, а конкретно — жидкости или газа, если же вещества нет, то и не имеет смысла говорить о явлении конвекции.
Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. При этом воздух над сушей расширяется, после чего его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате холодный воздух понизу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) -дует ветер. Это и есть дневной (или морской) бриз.

Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Теперь более высокое давление оказывается над сушей, и потому воздух начинает перемещаться от берега к морю. Это ночной (или береговой) бриз.

Различают два вида конвекции: естественная и вынужденная.

Естественная конвекция происходит сама по себе без внешнего воздействия.

В вынужденной перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Рассмотрим еще один вид теплопередачи- излучение, который может осуществляться в вакууме.

Под излучением, понимают перенос энергии в виде электромагнитных волн.

У излучения есть свои особенности- темные тела быстрее поглощают и излучают энергию, у светлых поглощение и испускание энергии происходит гораздо медленнее.

Кроме того, все нагретые тела, по сравнению с температурой окружающего пространства, испускают энергию. Чем сильнее нагрето тело, тем больше энергии оно испускает.

Это можно увидеть с помощью термоскопа.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

В 2021 году казахстанские школьники будут сдавать по-новому Единое национальное тестирование. Помимо того, что главный школьный экзамен будет проходить электронно, выпускникам предоставят возможность испытать свою удачу дважды. Корреспондент zakon.kz побеседовал с вице-министром образования и науки Мирасом Дауленовым и узнал, к чему готовиться будущим абитуриентам.

— О переводе ЕНТ на электронный формат говорилось не раз. И вот, с 2021 года тестирование начнут проводить по-новому. Мирас Мухтарович, расскажите, как это будет?

— По содержанию все остается по-прежнему, но меняется формат. Если раньше школьник садился за парту и ему выдавали бумажный вариант книжки и лист ответа, то теперь тест будут сдавать за компьютером в электронном формате. У каждого выпускника будет свое место, огороженное оргстеклом.

Зарегистрироваться можно будет электронно на сайте Национального центра тестирования. Но, удобство в том, что школьник сам сможет выбрать дату, время и место сдачи тестирования.

Кроме того, в этом году ЕНТ для претендующих на грант будет длиться три месяца, и в течение 100 дней сдать его можно будет два раза.

— Расскажите поподробнее?

— В марте пройдет тестирование для желающих поступить на платной основе, а для претендующих на грант мы ввели новые правила. Школьник, чтобы поступить на грант, по желанию может сдать ЕНТ два раза в апреле, мае или в июне, а наилучший результат отправить на конкурс. Но есть ограничение — два раза в один день сдавать тест нельзя. К примеру, если ты сдал ЕНТ в апреле, то потом повторно можно пересдать его через несколько дней или в мае, июне. Мы рекомендуем все-таки брать небольшой перерыв, чтобы еще лучше подготовиться. Но в любом случае это выбор школьника.

— Система оценивания останется прежней?

— Количество предметов остается прежним — три обязательных предмета и два на выбор. Если в бумажном формате закрашенный вариант ответа уже нельзя было исправить, то в электронном формате школьник сможет вернуться к вопросу и поменять ответ, но до того, как завершил тест.

Самое главное — результаты теста можно будет получить сразу же после нажатия кнопки «завершить тестирование». Раньше уходило очень много времени на проверку ответов, дети и родители переживали, ждали вечера, чтобы узнать результат. Сейчас мы все автоматизировали и набранное количество баллов будет выведено на экран сразу же после завершения тестирования.
Максимальное количество баллов остается прежним — 140.

— А апелляция?

— Если сдающий не будет согласен с какими-то вопросами, посчитает их некорректными, то он сразу же на месте сможет подать заявку на апелляцию. Не нужно будет ждать следующего дня, идти в центр тестирования, вуз или школу, все это будет электронно.

— С учетом того, что школьникам не придется вручную закрашивать листы ответов, будет ли изменено время сдачи тестирования?

— Мы решили оставить прежнее время — 240 минут. Но теперь, как вы отметили, школьникам не нужно будет тратить час на то, чтобы правильно закрасить лист ответов, они спокойно смогут использовать это время на решение задач.

— Не секрет, что в некоторых селах и отдаленных населенных пунктах не хватает компьютеров. Как сельские школьники будут сдавать ЕНТ по новому формату?

— Задача в том, чтобы правильно выбрать время и дату тестирования. Центры тестирования есть во всех регионах, в Нур-Султане, Алматы и Шымкенте их несколько. Школьники, проживающие в отдаленных населенных пунктах, как и раньше смогут приехать в город, где есть эти центры, и сдать тестирование.

— На сколько процентов будет обновлена база вопросов?

— База вопросов ежегодно обновляется как минимум на 30%. В этом году мы добавили контекстные задания, то что школьники всегда просили. Мы уделили большое внимание истории Казахстана и всемирной истории — исключили практически все даты. Для нас главное не зазубривание дат, а понимание значения исторических событий. Но по каждому предмету будут контекстные вопросы.

— По вашему мнению система справится с возможными хакерскими атаками, взломами?

— Информационная безопасность — это первостепенный и приоритетный вопрос. Центральный аппарат всей системы находится в Нур-Султане. Связь с региональными центрами сдачи ЕНТ проводится по закрытому VPN-каналу. Коды правильных ответов только в Национальном центре тестирования.

Кроме того, дополнительно через ГТС КНБ (Государственная техническая служба) все тесты проходят проверку на предмет возможного вмешательства. Здесь все не просто, это специальные защищенные каналы связи.

— А что с санитарными требованиями? Нужно ли будет школьникам сдавать ПЦР-тест перед ЕНТ?

— ПЦР-тест сдавать не нужно будет. Требование по маскам будет. При необходимости Центр национального тестирования будет выдавать маски школьникам во время сдачи ЕНТ. И, конечно же, будем измерять температуру. Социальная дистанция будет соблюдаться в каждой аудитории.

— Сколько человек будет сидеть в одной аудитории?

— Участники ЕНТ не за семь дней будут сдавать тестирование, как это было раньше, а в течение трех месяцев. Поэтому по заполняемости аудитории вопросов не будет.

— Будут ли ужесточены требования по дисциплине, запрещенным предметам?

— Мы уделяем большое внимание академической честности. На входе в центры тестирования, как и в предыдущие годы, будут стоять металлоискатели. Перечень запрещенных предметов остается прежним — телефоны, шпаргалки и прочее. Но, помимо фронтальной камеры, которая будет транслировать происходящее в аудитории, над каждым столом будет установлена еще одна камера. Она же будет использоваться в качестве идентификации школьника — как Face ID. Сел, зарегистрировался и приступил к заданиям. Мы применеям систему прокторинга.

Понятно, что каждое движение абитуриента нам будет видно. Если во время сдачи ЕНТ обнаружим, что сдающий использовал телефон или шпаргалку, то тестирование автоматически будет прекращено, система отключится.

— А наблюдатели будут присутствовать во время сдачи тестирования?

— Когда в бумажном формате проводили ЕНТ, мы привлекали очень много дежурных. В одной аудитории было по 3-4 человека. При электронной сдаче такого не будет, максимум один наблюдатель, потому что все будет видно по камерам.

— По вашим наблюдениям школьники стали меньше использовать запрещенные предметы, к примеру, пользоваться телефонами?

— Практика показывает, что школьники стали ответственнее относиться к ЕНТ. Если в 2019 году на 120 тыс. школьников мы изъяли 120 тыс. запрещенных предметов, по сути у каждого сдающего был телефон. То в прошлом году мы на 120 тыс. школьников обнаружили всего 2,5 тыс. телефонов, и у всех были аннулированы результаты.

Напомню, что в 2020 году мы также начали использовать систему искусственного интеллекта. Это анализ видеозаписей, который проводится после тестирования. Так, в прошлом году 100 абитуриентов лишились грантов за то, что во время сдачи ЕНТ использовали запрещенные предметы.

— Сколько средств выделено на проведение ЕНТ в этом году?

Если раньше на ЕНТ требовалось 1,5 млрд тенге из-за распечатки книжек и листов ответов, то сейчас расходы значительно сокращены за счет перехода на электронный формат. Они будут, но несущественные.

— Все-таки почему именно в 2021 году было принято решение проводить ЕНТ в электронном формате. Это как-то связано с пандемией?

— Это не связано с пандемией. Просто нужно переходить на качественно новый уровень. Мы апробировали данный формат на педагогах школ, вы знаете, что они сдают квалификационный тест, на магистрантах, так почему бы не использовать этот же формат при сдаче ЕНТ. Тем более, что это удобно, и для школьников теперь будет много плюсов.

Урок-интервью. Физика. 8 класс. Теплопередача в природе и технике

 Презентацию подготовил Александр Кавтрев.

Тема урока: «Виды теплопередачи. Теплопередача в природе и технике».

При проведении данного урока используется технология «Перевернутый урок». То есть учитель предлагает ученикам в качестве подготовки к данному уроку самостоятельно познакомиться с темой «способы теплопередачи». Для этого учитель предоставляет учащимся ссылки на соответствующие электронные ресурсы (видео уроки или видео лекции) и/или на соответствующие параграфы учебника. Учитель также может записать и предоставить учащимся свой видеоурок на данную тему.

Полезные ссылки:

В результате самостоятельной домашней работы дети должны узнать, что существуют три вида теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) и понимать, чем они отличаются друг от друга.

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Слайд 1

1. Введение: открытая задача 

Цель данного этапа урока – заинтриговать учеников темой урока, настроить на активную, творческую деятельность. Для этого учитель предлагает учащимся решить открытую задачу. 

Слайд 2

Ответ к открытой задаче. Ни в коем случае нельзя отрывать примерзший язык, так как при этом с его поверхности оторвется участок кожи, что может привести к сильному кровотечению. При возможности нужно поливать место контакта языка с металлом жидкостью (желательно теплой). Можно также попытаться растопить лед дыханием и теплом рук.

Примечание. Важно обсудить с детьми следующий вопрос: «Почему на морозе язык к металлическим предметам прилипает, а к деревянным – нет?». 

Это объясняется тем, что у металлов теплопроводность значительно выше, чем у дерева. При объяснении можно показать учащимся видеофрагмент (слайд 3), который демонстрирует теплопроводность металлов: медь, латунь, железо.

 2. Самостоятельная работа учащихся: составление вопросов к тексту

Примечания:

• На данном этапе урока необходимо раздать детям в распечатанном виде текст про устройство термоса. Этот текст можно напечатать из отдельного файла Устройство термоса.

• Если распечатать текст нет возможности, то можно показать текст на большом экране (слайд 4). А на слайде 5 показано устройство термоса.

• Затем учитель предлагает учащимся составить вопросы к данному тексту. 

Текст для составления вопросов:

Слайд 4

Слайд 5

Задание ученикам (слайд 6):

• На работу по составлению вопросов можно отвести 5-7 минут.

После окончания данной работы учитель выписывает вопросы учащихся на доске или это делают специально назначенные ученики. 

Учащиеся каждой группы озвучивают сформулированные вопросы (по одному вопросу). При этом группы озвучивают вопросы последовательно (по кругу) пока не назовут все составленные вопросы. Если вопросы повторяются, то ни произносить их ни записывать не нужно. 

Некоторые формулировки вопросов, которые даны учащимися, могут быть не корректными. В этом случае учитель помогает детям дать более точные формулировки.

Слайд 6

Примеры возможных вопросов учащихся: уточняющие вопросы.

Слайд 7

Примеры возможных вопросов учащихся: открытые (исследовательские) вопросы.

Слайд 8

Примечания:

• При необходимости учитель может сам добавить в список ряд вопросов, которые ему необходимо обсудить с учащимися в соответствии с планом урока. 

• Среди предложенных учащимися вопросов могут быть вопросы, выходящие за рамки данного урока. В этом случае можно предложить учащимся самостоятельно поискать информацию для ответа на такие вопросы в качестве домашнего задания.

3. Объяснение материала урока и подведение итогов

Используя вопросы из списка учитель обсуждает с учащимися материал урока. При этом он отрабатывает с учащимися формулировки видов теплопередачи, при необходимости устраняет пробелы в их знаниях и вносит коррективы. 

При подведении итогов урока можно использовать слайд 9, на котором показаны все виды теплопередачи.

Слайд 9

4. Завершение урока: повторение пройденного материала.

Задание ученикам

Посмотрите на рисунки и назовите как осуществляются процессы теплопередачи в представленных на слайдах ситуациях:

• Чайник на плите (слайд 10),

• Мороженое в руке (слайд 11),

• Котелок на костре (слайд 12),

• Теплица (слайд 13),

• Сферическое зеркало в горах Непала (слайды 14 – 16).

Примечание. Если учащиеся не могут сказать для чего предназначено зеркало (слайд 14), то можно сыграть с ними в игру «Да-нетку» на эту тему. Слайд 15 содержит подсказку – на нем хорошо видно подставку в центре зеркала, на которую ставится кастрюля или чайник для нагрева солнечным светом. На слайде 16 видно, что на подставке стоит чайник – это фактически ответ на вопрос о назначении зеркала. 

Слайд 10

Слайд 11 

Слайд 12 

Слайд 13 

Слайд 14 

Слайд 15

Слайд 16

5. Д/З. На выбор учеников

1. Многие люди считают, что шуба греет. А как думаете вы?
   Предложите варианты опытов, которые нужно поставить, чтобы доказать или опровергнуть эту точку зрения (слайд 17). 
2. Объясните, почему аксакалы в яркие солнечные дни в жару носят теплые ватные халаты (слайд 18).
3. Проведите исследование: сколько времени содержимое термоса остается горячим? 

Примечание. Предварительно обсудите с учащимися методику эксперимента. Например, можно залить в термос кипяток и через определенные интервалы времени (каждые 30 минут) измерять его температуру.

Данное исследование можно поручить 3-5 ученикам и на следующем уроке сравнить их результаты. Желательно, чтобы они принесли на урок термоса, с которыми проводили эксперименты.

4. Если термос устроен так умно, то почему через какое-то время его содержимое все-таки остывает? Постарайтесь объяснить почему это происходит (слайд 19).

Ответ (для учителя):

• Немного теплоты выходит через пробку и крышку термоса. Если вы потрогаете крышку, то скорее всего почувствуете, что она слегка нагрета.
• Также потери теплоты, пусть и менее ощутимые, происходят через стенки термоса. 
  • Прежде всего это связано с качеством откачки воздуха. Абсолютный вакуум создать невозможно. Поэтому между стенками колбы всегда остается немного воздуха. Чем его больше, тем больше потери теплоты.
  • Происходят также потери теплоты из-за не идеальности отражающей поверхности колбы. Невозможно сделать зеркальную поверхность с коэффициентом отражения 100%. Обычно этот параметр у внутренней поверхности колбы около 90%. Значит термос обязательно излучает теплоту.

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

 6. Дополнительный материал: ураганный ветер «Бора»

Советский писатель Константин Паустовский в рассказе «Небесная азбука морзе» описывает ураганный ветер «Бора» и шторм, который произошел в конце 19 века в Черном море вблизи г. Новороссийска. Учитель может обсудить с учащимися это природное явление и процессы теплопередачи, которые происходили.

«Море клокочет, как бы пытаясь взорваться. Ветер швыряет увесистые камни, сбрасывает под откосы товарные поезда, свертывает в тонкие трубки железные крыши, качает стены домов.

Двое суток мы находились на авральной работе. Мы сбивали лёд ломами, раскалённым железом и обливали его кипятком. Тонкие снасти превращались в ледяные бревна. Когда ураган достиг наивысшего напряжения, мы обрубили реи, утлегарь и весь такелаж на мачтах, но это нисколько не помогло. Хотели выбросить за борт пушки, но они вместе со станками приросли к палубе, составляя сплошные глыбы льда. Волны свободно ходили через корабль.

Эскадра Юрьева погибла от того, что лопнули все железные якорные цепи. Корабли были разбиты о подводные камни. С тех пор некоторые капитаны, застигнутые борой, начали отдавать якоря не на цепях, а на пеньковых веревках. Железные цепи делались слишком хрупкими от жестокого мороза – неизменного спутника Боры – и легко ломались на перегибах около клюзов. Эскадра погибла, разбившись о берега. Только один корабль «Струя» потонул среди залива, не выдержав тяжести наросшего льда. Он стоял закрепив якорную цепь за бочку, и не успел вовремя расклепать цепь, чтобы его выбросило на берег. Тогда часть людей могла бы спастись». 

К. Г. Паустовский. «Родные просторы» Гос. Издательство географической литературы, Москва, 1954 г., с. 310.

Справка: Бора

Бора — сильный холодный порывистый северный ветер. Бора возникает, когда поток холодного воздуха встречает на своём пути возвышенность, например, невысокие горы на морском берегу. Преодолев препятствие, холодный воздух под воздействием силы тяжести сваливается вниз по склону гор. При этом воздушный поток приобретает большую скорость (слайды 20 и 21). 

Слайд 20

Слайд 21

Фотографии последствий Боры в г. Новороссийске приведены на слайдах 22 – 25.

Слайд 22 

Слайд 23

Слайд 24 

Слайд 25. Сковало льдом прибрежный южный город… 

Вы можете скачать презентацию и скачать пояснения к уроку.

Теплопередача: физика процесса и решение задачи методом конечных элементов

Я недавно осознал, что не написал ещё ни одной статьи о теплообмене и тепловых расчётах для своего блога. А ведь это такая увлекательная тема! Если вы ещё не занимались расчётами теплопередачи и даже не думали об этом, вы очень много потеряли!

Вот путь, по которому я предлагаю вам пройти в этой статье:

Сначала я расскажу, что такое температура, и откуда она берётся, затем я опишу три различных типа теплопередачи, которые существуют в природе, и, наконец, я расскажу, как выполняются тепловые расчёты с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

Как вам такой план? 😉

Если он вас заинтересовал, то давайте приступим!

Что представляет собой температура?

Понятие температуры кажется настолько очевидным, что мы обычно даже не задумываемся об её происхождении. Ну что, заинтригованы? 😉

Так какова же природа этого явления?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придётся погрузиться в «Ангстремоскопический» мир (Что? Такого слова не существует? Да – я только что его выдумал).

Давайте внимательно рассмотрим структуру и агрегатные состояния воды.

Как (почти) всем известно, вода состоит из молекул h3O.

Если молекулы упорядочены в кристаллической решётке, они образуют твёрдое тело. В случае воды они образуют лёд.
В зависимости от агрегатного состояния эти молекулы могут приближаться или удаляться друг от друга… А ещё они могут колебаться. Температура как раз и описывает такие колебания. При очень слабых колебаниях молекулы становятся неподвижными, сохраняя малое расстояние между собой. Температура тогда очень низкая.

Вместе с увеличением колебаний появляется и возможность для перемещения молекул, и вода переходит в жидкое состояние.

Когда колебания увеличиваются ещё больше, молекулы начинают удаляться друг от друга, и вода переходит в газообразное состояние.

Температура – это просто название для интенсивности колебаний молекул.

На этом этапе мы уже достаточно близки к тому, чтобы покинуть мир классической ньютоновской механики, описывающей интуитивно понятные и осязаемые законы движения тел в пространстве, и перейти в «ангстремоскопический» мир, где заправляют совсем другие законы, которые с первого взгляда могут быть совершенно не очевидны. Да-да, речь идёт о квантовой механике 😉 , но давайте всё же попробуем обойтись простыми понятиями, не залезая в дебри.

Что же приводит к повышению температуры?

Конечно же, энергия! Когда молекулы получают энергию, они начинают колебаться сильнее, и температура повышается.

Тут можно провести такую аналогию: во время еды клетки вашего тела получают энергию, поэтому оно начинает вырабатывать тепло и нагревается. А когда вы голодны, температура вашего тела снижается.

Теперь вы понимаете, что такое температура!

Как распространяется тепло?

На концептуальном уровне теплопередача – это просто название для процесса передачи колебаний между молекулами.

Когда неподвижные «холодные» молекулы входят в контакт с колеблющимися «горячими» молекулами, между ними происходит передача энергии.

Проще говоря, неподвижная молекула начнёт испытывать небольшие колебания, а колеблющиеся молекулы начнут замедляться.

Но если любую теплопередачу можно описать таким образом, откуда берутся все эти разные способы передачи тепла? Хороший вопрос ;-).

Всё дело в том, что способ теплопередачи зависит от агрегатного состояния среды, которой принадлежат эти молекулы. Некоторые молекулы образуют жидкость, в то время как другие являются частью твёрдого тела или газа.

Учёные вывели определённые законы на основании наблюдений за процессом теплообмена между твёрдыми телами, жидкостями и газом.

Как выполнить количественную оценку теплопередачи?

Теперь, когда у нас есть определение температуры, мы знаем, как количественно определить колебания молекул в определённой точке.

Кстати, температура, при которой колебания молекул полностью отсутствуют, называется абсолютным нулём температуры по шкале Кельвина.

T = 0 K

Для преобразования температуры в Кельвинах в градусы Цельсия используется следующая формула: T(K) = T (°C) + 273,15K

Но для оценки теплопередачи важна не абсолютная величина температуры, а различие в температурах между телами или точками одного тела. Какая же величина позволяет нам количественно характеризовать это различие?

Что ж, для этого нам просто нужно рассмотреть две точки в пространстве (1 и 2) и найти в них температуру. Температурный градиент, как видно из названия, представляет собой разницу между значениями температуры в этих двух точках, делённую на расстояние между ними. Если это расстояние бесконечно мало, то мы имеем дело с производной.

Как же применить все эти знания в инженерных расчётах, чтобы предсказать скорость теплопередачи в различных материалах и средах?

Давайте теперь рассмотрим 3 основных способа теплопередачи.

Передача тепла в твёрдых телах – теплопроводность

Изучая тепловые потоки в различных материалах, французский учёный Ж.Б. Фурье заметил нечто странное… У разных типов металлов наблюдается похожий механизм передачи тепла. Разница заключается лишь в скорости теплопередачи, которая у одних металлов выше, чем у других.

Затем он открыл очень важный и фундаментальный закон теплопередачи, который получил название «закон Фурье» – как неожиданно! 😉

Этот закон гласит, что плотность теплового потока в твёрдых телах пропорциональна температурному градиенту. Коэффициент пропорциональности K называется коэффициентом теплопроводности, и чем он выше, тем быстрее распространяется тепло. Именно поэтому металлы с высоким коэффициентом теплопроводности очень быстро теряют тепло, в то время как изолирующие материалы с очень низким значением K не очень охотно пропускают его через себя.

Этот закон является фундаментальной основой первого способа теплопередачи, который называется «теплопроводность».

Таким образом, чтобы описать процесс теплопередачи внутри твёрдого тела, достаточно взять значение коэффициента K для рассматриваемого материала из справочных таблиц.

Теплообмен между твёрдым телом и жидкой или газообразной средой – конвекция

Чтобы понять, как выполнить расчёт такого процесса, рассмотрим следующую задачу.

Во-первых, предположим, что у нас есть стена с температурой Tw, которая контактирует с воздухом при температуре Ta. Очевидно, что если температура воздуха неравномерна, задача существенно усложняется. Поэтому для упрощения расчёта мы предполагаем, что температура воздуха равномерна и равна Ta. Эту температуру принято называть «температурой окружающей среды».

На этот раз выдающийся британский физик Ньютон – да-да, тот самый всем известный Исаак Ньютон 😉 – открыл закон, который получил название «закон охлаждения Ньютона» (он же – «закон Ньютона-Рихмана»):

Ньютон установил, что скорость охлаждения тела пропорциональна разнице температур между этим телом и окружающей средой.

Это, по сути, означает, что если стена более горячая, чем воздух, она будет охлаждаться до тех пор, пока не достигнет температуры окружающей среды. Тогда разница в температуре станет нулевой, и потери тепла больше не будет.

Ньютон установил также и коэффициент пропорциональности h, который зависит от характеристик окружающей среды.

Этот вид теплообмена называется «естественной конвекцией», а коэффициент h – коэффициентом теплоотдачи.

Как видите, скорость охлаждения тела зависит также от площади поверхности A стены. Поэтому при выполнении расчёта теплопередачи в МКЭ-программе необходимо задать площадь поверхности тела, через которую передаётся тепло.

В чём разница между естественной и вынужденной конвекцией?

В зависимости от порождающих причин, конвекция бывает естественной и вынужденной. Конвекция называется естественной, когда она возникает самопроизвольно без ускорения охлаждения при помощи специального устройства, такого как вентилятор. В противном случае конвекция является вынужденной.

Основное различие заключается в том, что коэффициент теплоотдачи h принимает значительно более высокие значения при вынужденной конвекции.

Теплопередача посредством электромагнитных волн – тепловое излучение

Ну что ж, давайте теперь рассмотрим третий вид теплопередачи – тепловое излучение.

Как вы знаете, для описания физических процессов и явлений в природе используется два понятия – «частицы» и «волны». Кстати, убеждение о принципиальном различии и полном разделении этих двух понятий вызвало немало дискуссий и споров в своё время. Ведь фотоны, например, могут проявлять как свойства волн, так и свойства частиц… Но это я что-то сильно отклоняюсь от основной темы 🙂 (однако и эта тема столь увлекательна, что надо бы как-то, пожалуй, взяться за отдельную книгу).

Итак, энергия, которая исходит от далёкого источника, такого как Солнце, и распространяется фотонами света, передаётся посредством электромагнитных волн.

Электромагнитные волны – это распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля, которое представляет собой совокупность электрического и магнитного полей. Связь между ними описывается элегантными уравнениями Максвелла (я большой поклонник этих уравнений, поэтому, думаю, я напишу как-нибудь статью и о них).

Для нас пока важен только тот факт, что электрическое и магнитное поля способны накапливать и передавать энергию.

Когда электромагнитная волна находится в вакууме, потери энергии не происходит. Когда же она попадает в такую среду, как воздух или вода, происходит потеря энергии и передача этой энергии в форме тепла.

Именно поэтому электромагнитные волны, которые преодолевают расстояние в 149 миллиардов 597 миллионов 870 тысяч 700 метров, всё ещё могут согревать нас на протяжении всего дня.

Такой способ теплопередачи называется «тепловым излучением».

Тут я не буду сильно углубляться в детали, поскольку этот процесс значительно более сложный, чем теплопроводность и конвекция.

Закон Стефана-Больцмана для теплового излучения

Следует отметить ещё один важный закон – закон Стефана-Больцмана, который определяет зависимость плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.

Математически этот закон выражается в следующей форме:

где j* – общая энергия теплового излучения на единицу площади излучающей поверхности абсолютно чёрного тела за единицу времени. Больше информации на эту тему вы можете найти в статье Википедии.

Обратите внимание, что температура в этом уравнении возведена в четвёртую степень. Таким образом, МКЭ-задача теплопередачи, которая рассматривает тепловое излучение, является нелинейной.

Пример выполнения расчёта теплопередачи методом конечных элементов

Ну наконец-то мы перешли к практике. Я же обещал в начале статьи, что в этот раз приведу пример решения задачи. Пример этот будет очень простым. Я вычислю распространение температуры (теплопроводность) в простой пластине, представленной на рисунке ниже:

В данном случае мы рассмотрим стационарную теплопередачу, нестационарную мы пока изучать не будем. Если вы не знаете, в чём заключается разница между ними, прочтите мою старую статью (на английском языке).

Для выполнения этого простого расчёта я буду впервые в этом блоге использовать программное обспечение Ansys, поскольку только что обнаружил, что студенты могут бесплатно скачать его на соответствующей странице сайта Ansys: Ansys Free Student Software Downloads.

Процесс выполнения расчёта представлен на этом видео:

Ну что ж, на сегодня это всё.

//////////////////////////////////////////////////////////////////

Я очень хочу помочь инженерам (и студентам), которые только начинают решать задачи методом конечных элементов, лучше и быстрее разобраться в его основах.

Я не скрываю, что написание этих статей занимает немало времени и усилий, так что…

Если вам понравилась эта статья, вот как вы мне можете помочь:

1. Поделитесь этой статьёй на Linkedin, facebook, twitter или на своём форуме, чтобы ещё больше людей разобрались в основах процесса теплопередачи.
2. Напишите в комментариях к исходной статье, что вы узнали из неё, что ещё хотели бы узнать, и какие вопросы у вас остались. Это даст мне идеи для написания новых статей.
3. Подпишитесь на email рассылку, чтобы первыми получать мои новые статьи (и не только)!
   Благодарю за внимание!

Источник: feaforall.com
Автор: Cyprien Rusu

Компания Софт Инжиниринг Групп, официальный дистрибьютор Ansys Inc. в Украине, рекомендует активно поддерживать обратную связь – это поможет нам лучше подготавливать материалы в будущем. Оставляйте свои комментарии, вопросы и предложения под статьей посредством E-mail: [email protected], социальной сети Facebook https://www.facebook.com/softenukraine Регистрируйтесь на вебинары https://www.webinar.soften.com.ua, которые наша команда инженеров проводит на постоянной и бесплатной основе. Также информируем, что у вас есть возможность посмотреть ранее проводимые вебинары. Для этого необходимо зайти по ссылке на наш YouTube канал и выбрать плейлист (Ansys Вебинары/Обзоры).

ВОЗМОЖНО ЭТО ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ:

Технология AirLoom, разработанная при помощи компьютерного моделирования, претендует на замещение традиционных ветряков

Проект AirLoom Energy, который призван стать альтернативой традиционным ветрякам, наглядно показывает, что революционные

Теплопроводность

На предыдущем уроке, мы
узнали, что существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и
излучение. Сегодня мы поговорим о теплопроводности. Вспомним опыты из
предыдущего урока: тела нагревались и охлаждались друг от друга, находясь в
непосредственном контакте. Например, летом около фонтана всегда прохладнее,
потому что вода холоднее воздуха. Это и называется теплопроводностью —
передача внутренней энергии от одного тела к другому при их непосредственном
контакте.

Тело обладает плохой или
хорошей теплопроводностью в зависимости от того, насколько быстро через это
тело проходит тепло. Например, если поджечь деревянную палку с одного конца, то
можно легко держать её за другой, не рискуя обжечься. Значит, дерево обладает
плохой теплопроводностью. Также, если мы положим кирпич одним концом в огонь,
то температура на разных концах будет сильно отличаться и чтобы нагреться
потребуется достаточно длительное время. Поэтому кирпич тоже имеет плохую
теплопроводность.

Если поставить на плиту
кастрюлю, то она очень скоро нагреется, потому что она металлическая. Значит, металлы
обладают хорошей теплопроводностью.

Следует помнить, что
процесс нагревания происходит постепенно. Когда мы хотим закипятить воду, мы
наливаем её в кастрюлю, а кастрюлю ставим на плиту. Сначала нагревается дно
кастрюли, т.к. оно непосредственно контактирует с плитой. Частицы дна кастрюли
получают дополнительную энергию. Эти частицы, в свою очередь, начинают
взаимодействовать с соседними частицами, также передавая им дополнительную
энергию. Так происходит, пока все тело не нагреется. Здесь мы плавно переходим
к теплопроводности жидкостей. Как мы знаем из бытового опыта, несмотря на то,
что кастрюля нагревается почти сразу, нужно немного подождать, пока вода
закипит. Из этого можно сделать вывод, что у жидкостей не очень хорошая
теплопроводность (за исключением жидких металлов, конечно). Этого можно
было ожидать, т.к. теплопроводность происходит из-за взаимодействия частиц, а
частицы в жидкостях находятся на большем расстоянии, чем в твердых телах.
Логично предположить, что у газов теплопроводность ещё хуже, потому что в
них молекулы расположены ещё дальше друг от друга. Сделаем несколько
наблюдений.

Фен выдувает горячий
воздух за счет электрической энергии, которую он потребляет из сети.

Однако, если встать
чуть-чуть в стороне от потока воздуха, то тепло едва ли можно будет ощутить.
Кроме того, мы знаем, что двойные окна значительно лучше сохраняют тепло, чем
одинарные. Это происходит за счет небольшого слоя воздуха между ними. Значит,
воздух обладает плохой теплопроводностью.

Итак, из этих примеров
можно сделать вывод, что теплопроводность — это свойство тела и у каждого
тела она разная. Шерсть, перья, волосы имеют плохую теплопроводность, что
вполне логично, т.к. их основной функцией является защита от холода. Теперь, мы
понимаем, что защитой от холода является препятствование передачи внутренней
энергии тела окружающей среде. Плохая теплопроводность этих веществ объясняется
тем, что их волокна содержат частички воздуха, как и волокна дерева.

Самой низкой
теплопроводностью обладает вакуум (т.е. свободное
пространство). И это неудивительно, ведь явление теплопроводности возникает при
взаимодействии частиц, которых попросту нет в вакууме. Этим и объясняется тот
факт, что в открытом космосе самая низкая температура в природе (мы не можем
утверждать, что в космосе абсолютный вакуум, но открытый космос — это почти
полностью освобожденное пространство). Возникает вопрос: как же тогда нам
передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством излучения, о котором мы
поговорим чуть позже.

Мы сталкиваемся с
явлением теплопроводности в повседневной жизни. Теперь мы знаем, что если надо
предохранить тело от охлаждения или нагревания, то к нему нужно применить
материал с плохой теплопроводностью. И наоборот, если требуется нагреть или
остудить тело, то используются материалы с хорошей теплопроводностью. Наглядный
пример — это сковорода, которая сделана из металла, чтобы на ней можно было
готовить.

Однако, ручка сковороды
сделана из пластмассы, чтобы она не нагревалась.

Теперь мы можем
объяснить, почему одежда нас «греет». На самом деле, она не греет, а сохраняет
тепло. Зимние куртки наполняют материалом с плохой теплопроводностью. Таким
образом, тепло нашего тела меньше передаётся окружающему нас холодному воздуху.
Одежда предохраняет нас от непосредственного контакта с окружающей средой, а это
играет решающую роль в теплопроводности. В результате, человек теряет гораздо
меньше тепла.

Измерение теплопроводности твердых тел с учётом теплопотерь на излучение Текст научной статьи по специальности «Физика»

взвешенный параметр /п принимает отрицательные значения.

При температурах выше 320 К быстро возрастает, что обусловлено ростом вклада мод с положительными значениями.

Таким образом, разбив все колебания на два типа -вдоль и перпендикулярно слоям, удалось вычислить усредненные модовые параметры Грюнайзена, по которым легко найти средневзвешенные компоненты тензора Грюнайзена, а также получить выражения для коэффициентов теплового расширения. Полученные аналитические зависимости можно использовать для решения других задач — расчета теплопроводности, поглощения звука и т. п.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Barron Т. Н. К. The temperature dependence of Gruneisen constant //J. Appl. Phys., 1970, 41, N 13, — p. 5044.

2. Новикова С. И. Тепловое расширение твердых тел. — М.: 1975. — 416 с.

3. Беленький Г. П., Сулейманов Р. А., Абдуллаев Н. А., Штей-ншрабер В.Я. Тепловое расширение слоистых кристаллов. Модель Лифшица // ФТТ,- 1984,- 26,- в. 12,- С. 3560.

A.C. Парахин, В.И. Бочегов

Курганский государственный университет

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С УЧЁТОМ ТЕПЛОПОТЕРЬ НА ИЗЛУЧЕНИЕ

Аннотация: Дан теоретический анализ влияния боковых потоков тепла, возникающих за счет излучения, при прямом измерении теплопроводности твердотельных образцов на точность этого измерения при наличии бокового фонового экрана.

Ключевые слова: теплопроводность твердых тел, боковые потоки тепла

Рассмотренный в работе [1,2] метод учёта теплопотерь пригоден лишь для низких температур, когда интенсивность теплового излучения мала. При повышении температуры плотность потока тепла, обусловленная излучением, быстро возрастает и может стать больше плотности потока тепла, обусловленного теплопроводностью. В этом случае, кроме теплопотерь, связанных с окружающей образец атмосферой, существенными будут и потери на излучение. Не учитывать их при расчёте теплопроводности уже нельзя.

В том случае, когда исследуемый образец обменивается теплом с окружающей средой и посредством теплопроводности, и посредством излучения, уравнение теплового баланса принимает вид

^ = ^(Т-Тс) + ор(аГ-аХ’). (1)

ах Xs

Здесь J7 — абсолютная температура данной точки образца с координатой X, X, (%> X’ Р> & -соответственно коэффициент теплоотдачи образца, его удельная теплопроводность, площадь и периметр поперечного сечения и коэффициент поглощения, Тс,ас -температура и коэффициент поглощения фонового экрана, как показано на рис. 1. На этом рисунке цифрами обозначены следующие детали установки: 1 — общий нагреватель установки, задающий среднюю температуру образца;

2 — исследуемый образец; 3 — градиентный нагреватель; 4 — фоновый нагреватель; 5 — фоновый экран.

Рис. 1. Схема измерительной установки

Граничными условиями для данного уравнения являются значения температуры образца на нижнем и верхнем его конце

Т(0) = Т0, (2)

Т(1) = Т1. (3)

Аналитическое решение такой краевой задачи, по-видимому, не существует. Поэтому в работе это уравнение решалось численно, методом разностных схем с использованием итерационного метода.

Возможны четыре варианта экспериментальной схемы относительно температуры фонового экрана: фоновый экран приведён в тепловой контакт с общим нагревателем и имеет температуру Тд; фоновый экран приведён в контакт с фоновым нагревателем и имеет температуру 7] ; верхняя половина фонового экрана соединена с фоновым нагревателем, а нижняя — с общим, половины нагревателя не имеют между собой непосредственного теплового контакта и имеют температуры верхнего и нижнего нагревателя соответственно; наконец, последний вариант — фоновый экран имеет тепловой контакт и с нижним, и с верхним нагревателем, так что температура в нём линейно меняется от температуры горячего нагревателя до температуры холодного (если теплопроводность фонового экрана и мощность фонового нагревателя достаточно велики). вычислялась исходя из градиента температуры на верхнем конце образца

dT

W = xs— dx

(5)

x=l

Ошибкой считалась разность между вычисленным значением теплопроводности X и заложенным в программу X. Градиент температуры рассчитывался также численно.

Параметры тепловых потоков выбирались следующими: теплопроводность материала

X = 10 Вт/(м • К) (примерное значение теплопроводности висмута [3]), коэффициент теплоотдачи

а = 0.4 Вт/(м2 • К) (для давления воздуха примерно 10-3 мм Ы§ ), коэффициент поглощения — единица. Температура градиентного нагревателя -90 К, температура общего нагревателя -100 К .

В первом варианте рассчитанная теплопроводность оказалась равной 10.032, что соответствует абсолютной погрешности 0.032 . Во втором варианте теплопроводность равна 9.983 с погрешностью — 0.017. Таким образом, в первом варианте теплопроводность определяется с избытком, во втором варианте — с недостатком. Это обусловлено тем, что график температурного поля в первом случае вогнут, во втором случае — выпуклый. Для уточнения результата можно взять среднее арифметическое этих значений. Тогда теплопроводность будет равна

10.0075 с погрешностью 0.0075, что намного меньше погрешностей обоих прежних результатов. В третьем варианте теплопроводность оказывается равной 9.995, погрешность — 0.005, что меньше даже средней погрешности двух предыдущих результатов. В четвёртом варианте теплопроводность равна 10.000002 с погрешностью 2.0 • 10, что значительно меньше погрешности всех остальных результатов.

Несмотря на оценочность приведённых результатов, достоверно можно заключить, что погрешность вариантов определения теплопроводности уменьшается с номером варианта, и самый точный из трёх первых есть последний вариант, а из всех четырёх — четвёртый. Трудность реализации последнего варианта состоит в том, что для создания линейного температурного поля вдоль фонового экрана необходима достаточно высокая интегральная теплопроводность его стенок, что приводит к большим тепловым потокам для задания нужного перепада температур. Это в свою очередь требует достаточно мощного компенсационного нагревателя.

Интересно также отметить, что ошибки, вносимые в определение теплопроводности излучением и теплопри-токами из атмосферы, по-разному зависят от температуры. Так, при температуре Т0 = 300 К абсолютная погрешность, вносимая теплопритоками из атмосферы, примерно равна 1.5 • 10~2 , а погрешность, вносимая

излучением, равна 2. 7 • 10_1, т.е. почти в 20 раз больше. При температуре Т0 = 90 К эти погрешности со-

ответственно равны 8.1 • 10 3 и 8.8 • 10 3, т.е. практически сравнялись. При низких температурах

Т0 = 10 К погрешности уменьшаются по-разному: погрешность из-за притоков из атмосферы становится равной 3 2 • 10~3, погрешность из-за излучения — равной

7.2 • 10~5, т.е. уже намного меньше погрешности из-за

притоков из окружающего воздуха. Из этих рассуждений видно, что при комнатной температуре теплопритоки излучением превалируют над теплопритоками за счёт теплопроводности. При азотных температурах эти теплопритоки примерно сравниваются. При температурах, близких к гелиевым, излучением можно пренебречь.

Для количественного определения реальных параметров материала и тепловых потоков рассчитывался тепловой поток на верхнем конце образца с выбранными произвольно определяемыми параметрами и сравнивался с измеренным экспериментально. Для этого проводилось два эксперимента с разными давлениями воздуха внутри измерительной камеры, чтобы определить коэффициент теплоотдачи, обусловленный наличием атмосферы. Оба эксперимента проводились с двумя возможными значениями температуры фонового экрана. Это позволило определить коэффициент поглощения материала экрана. После этого проводился эксперимент с другой температурой общего нагревателя, что позволило определить и коэффициент поглощения материала образца. По этим экспериментам неизвестные параметры — теплопроводность материала, коэффициент теплоотдачи и коэффициенты поглощения образца и фонового экрана -подбирались так, чтобы расчётные данные удовлетворяли всем экспериментам. Подбор осуществлялся автоматически методом наименьших квадратов.

Таким образом, компьютерное моделирование тепловых потоков в исследуемом образце при наличии притоков из атмосферы за счёт теплопроводности и излучения позволяет не только выявить погрешность того или иного метода, выбрать наиболее подходящий по точности, но и учесть теплопотери при измерении теплопроводности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бочегов В.И. Методика прямого измерения теплопровод-

ности термоэлектрических материалов. Термоэлектрики и их применение. -СПб., 2004. -С.315-317.

2. Драббл Дж., Голдсмит Г. Теплопроводность полупровод-

ников. -М, 1963.

3. Физические величины: Справочник /Под ред. И.С. Гоигорь-

ева, Е.З. Мейлихова.- М.: Энергоиздат, 1991.

А.С. Парахин

Курганский государственный университет

ИЗЛОЖЕНИЕ ТЕМЫ «ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ И ОПЕРАТОРЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ»

Аннотация: В работе рассмотрены некоторые методические особенности изложения трудных вопросов атомной физики с использованием аналогии атомной физики с электродинамикой, например, корпускулярно-волновой дуализм, присущий световым явлениям, используется для интерпретации одного из самых трудных для изучения понятий в атомной фи-

СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 2

43

Учебник по физике

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Три основных метода теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице. Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками.Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери. Мы прилагаем все усилия, чтобы уменьшить потери тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, конопатая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери. В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива .Метод предполагает выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электроэнергии . Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимально возможными потерями. Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости , проводимости . После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При теплопроводности тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой.Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается. Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола с водой низкой температуры. Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.

На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды. Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный. Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью.Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю. Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах. Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.

Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой.Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70 ° C, а холодная вода имеет температуру 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. Когда горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается. По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю.В заключение отметим, что на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями влияет разница температур между двумя местоположениями.

Материал

Первая переменная, которая, как мы определили, влияет на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя точками. Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В предыдущем описанном сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой.Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло было передано от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой. Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал. Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами.В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.

Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, тепло обычно передается за счет теплопроводности со значительно более высокой скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает в себя подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, которые разбросаны между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности.Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, материал, используемый в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаки как сыпучий утеплитель из целлюлозы . Он также применяется в качестве стекловолоконной ваты (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло.Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Через большую крышу дома будет потеряно больше тепла, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, которая влияет на скорость теплопередачи, является расстояние, на которое тепло должно проводиться. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Нам говорят, что перед выходом на улицу нужно одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разность температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T ₁ наружу дома с температурой T ₂ . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно

.

Ставка = k • A • (T ₁ — T ₂ ) / d

Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Он применяется к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.

Пример задачи

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте вычислим скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1.2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома 21 ° C, а температура снаружи -4 ° C.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.

Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м ² .

Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.

Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м ² ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла.Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна представляют собой двух- и трехкамерные окна со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы выйти из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике был посвящен значению температуры и тепла. Акцент был сделан на разработке модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к уроку 2. По мере того, как мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею, глава станет немного более математической? Урок 2 будет относиться к калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.

а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).

г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость передачи тепла составляет ________________ в _________ раз.

ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.

3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина увеличится до 16 см.Определите скорость теплопередачи через эту площадь 2,16 м ² .

Теплопроводность — Энергия и нагрев — AQA — GCSE Physics (Single Science) Revision — AQA

Сравнение проводимостей

Проводимость материалов можно сравнить, исследуя время, необходимое для передачи энергии через них. Вентилятор из стержней из разных материалов может быть нагрет с одного конца одним и тем же пламенем.Какой стержень на другом конце нагревается первым, является лучшим проводником. Считается, что материал, который нагревается быстрее всего, обладает высокой теплопроводностью.

Теплопроводность — это показатель того, насколько хорошо материал проводит энергию при нагревании.

Вот некоторые типичные значения электропроводности:

Это означает, что 385 джоулей (Дж) энергии будет протекать в секунду через кубический блок из меди (1 м × 1 м × 1 м) при разнице температур между его сторонами 1 ° C.

Изоляция домов

При попытке сохранить тепло в доме, выбор делается между материалами с плохой проводимостью, такими как кирпич, дерево, пластик и стекло.Дом, построенный из проводящих материалов, таких как медь, будет очень холодным для жизни, поскольку энергия может легко покидать дом.

Вопрос

Ссылаясь на приведенную выше таблицу проводимости, почему лучше иметь окно из двух слоев стекла со слоем воздуха, заключенного между ними?

Показать ответ

И стекло, и воздух являются изоляторами, поскольку обладают низкой теплопроводностью. Слой воздуха имеет самую низкую теплопроводность и снижает общую проводимость оконного блока.Поскольку воздух и стекло прозрачны, люди все еще могут видеть через окно.

Определение проводимости в физике

Под проводимостью понимается передача энергии за счет движения частиц, находящихся в контакте друг с другом. В физике слово «проводимость» используется для описания трех различных типов поведения, которые определяются типом передаваемой энергии:

• Теплопроводность (или теплопроводность) — это передача энергии от более теплого вещества к более холодному посредством прямого контакта, например, при прикосновении к ручке раскаленной металлической сковороды.
• Электропроводность — это передача электрически заряженных частиц через среду, например электричество, проходящее по линиям электропередач в вашем доме.
• Звуковая проводимость (или акустическая проводимость) — это передача звуковых волн через среду, таких как вибрации от громкой музыки, проходящей через стену.

Материал, который обеспечивает хорошую проводимость, называется проводником , а материал, который обеспечивает плохую проводимость, называется изолятором .

Теплопроводность

На атомном уровне теплопроводность можно понимать как частицы, физически передающие тепловую энергию, когда они вступают в физический контакт с соседними частицами. Это похоже на объяснение тепла в кинетической теории газов, хотя перенос тепла в газе или жидкости обычно называют конвекцией. Скорость теплопередачи с течением времени называется тепловым током и определяется теплопроводностью материала, величиной, которая указывает на легкость, с которой тепло передается внутри материала.

Например, если железный стержень нагревается с одного конца, как показано на изображении выше, физически тепло понимается как вибрация отдельных атомов железа внутри стержней. Атомы на более холодной стороне стержня колеблются с меньшей энергией. Когда энергичные частицы вибрируют, они вступают в контакт с соседними атомами железа и передают часть своей энергии этим другим атомам железа. Со временем горячий конец стержня теряет энергию, а холодный конец стержня получает энергию, пока весь стержень не достигнет одинаковой температуры.Это состояние известно как тепловое равновесие.

Однако при рассмотрении теплопередачи в приведенном выше примере упускается один важный момент: железный стержень не является изолированной системой. Другими словами, не вся энергия нагретого атома железа передается посредством проводимости соседним атомам железа. Если железный стержень не удерживается подвешенным за изолятор в вакуумной камере, он также находится в физическом контакте со столом, наковальней или другим предметом, а также с воздухом вокруг него.Когда частицы воздуха соприкасаются со стержнем, они также получают энергию и уносят ее от стержня (хотя и медленно, потому что теплопроводность неподвижного воздуха очень мала). Бар также настолько горячий, что светится, что означает, что он излучает часть своей тепловой энергии в виде света. Это еще один способ потери энергии колеблющимися атомами. Если оставить его в покое, пруток со временем остынет и достигнет теплового равновесия с окружающим воздухом.

Электропроводность

Электропроводность возникает, когда материал позволяет электрическому току проходить через него.Возможно ли это, зависит от физической структуры того, как электроны связаны внутри материала и насколько легко атомы могут отдать один или несколько своих внешних электронов соседним атомам. Степень, в которой материал препятствует прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением материала.

Некоторые материалы при охлаждении почти до абсолютного нуля теряют все электрическое сопротивление и пропускают через них электрический ток без потери энергии.Эти материалы называются сверхпроводниками.

Звуковая проводимость

Звук физически создается вибрациями, поэтому это, пожалуй, самый очевидный пример проводимости. Звук заставляет атомы в материале, жидкости или газе вибрировать и передавать или проводить звук через материал. Звуковой изолятор — это материал, отдельные атомы которого не могут легко вибрировать, что делает его идеальным для использования в звукоизоляции.

Теплопроводность — Saint Mary’s Physics Demos

Тепло передается с разной скоростью по стержням из разных металлов.Вы можете показать это воском и паяльной лампой!

СМОТРЕТЬ ВИДЕО

Темы для обучения:

• термодинамика
• теплопередача
• Тепловые свойства материалов

Теория

Молекулы в твердом теле колеблются. Если твердое тело нагревается, молекулы в нем обладают большей энергией, поэтому они вибрируют более энергично.

Если твердый стержень нагревается с одного конца, молекулы на этом конце колеблются сильнее, чем молекулы на другом конце.Сильно колеблющиеся молекулы также заставляют соседние молекулы вибрировать сильнее. Таким образом, тепло, добавленное к одному концу стержня, передается другому концу. Это называется теплопроводностью.

Лучшими проводниками тепла являются металлы. Кроме того, некоторые металлы проводят тепло лучше, чем другие. Это можно показать с помощью кондуктометра. Кондуктометр представляет собой пять стержней одинаковой длины, прикрепленных к ручке. На свободном конце каждого стержня находится небольшой кусок воска, поддерживающий небольшой флажок. Каждый стержень сделан из разного металла — стали (флаг №1), латуни (№2), алюминия (№3), нержавеющей стали (№4) или меди (№5).

Когда ручка нагревается, тепло проходит по каждому стержню. Это тепло в конечном итоге расплавит воск и заставит флажки упасть. Поскольку одни металлы проводят тепло лучше, чем другие, флажки упадут один за другим, начиная с флажка на стержне, который лучше всего проводит тепло (алюминий), и заканчивая флажком на стержне с наименьшей проводимостью (нержавеющая сталь). Стержень с самой плохой проводимостью оказывается настолько плохим проводником, что алюминиевый стержень плавится до того, как флаг упадет со стержня из нержавеющей стали.

Рисунок 1: Аппарат

Аппарат:

• лабораторный стенд
• паяльная лампа
• зубочистки, воск и пронумерованные флажки
• металлических стержней одинаковой длины и диаметра

Процедура:

• Заполните отверстия в каждом стержне твердым воском.
• Сделав маленькие пронумерованные флажки из бумаги и зубочисток, воткните по одному в каждое заполненное воском отверстие.
• Установите кондуктометр над газовой горелкой.
• Включите газовую горелку на средний уровень и наблюдайте, как каждый флажок падает по очереди.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ:

• При нагревании металлического стержня НЕ нагревайте более 5 минут! Вы можете расплавить стержни с ручки.
• При неправильном использовании паяльная лампа может вызвать серьезные ожоги. Не используйте большое пламя при нагревании металла.

Транзистор

нарушает закон теплопроводности

15 августа 2017 г. & bullet; Physics 10, s89

Одноэлектронный транзистор переносит больше тепла, чем предсказывает закон Видемана-Франца, связывающий теплопроводность и электрическую проводимость.

B. Dutta et al . Phys. Rev. Lett. (2017)

B. Dutta et al ., Phys. Rev. Lett. (2017)

×

Хорошие проводники тепла обычно также являются хорошими проводниками электричества. Это согласно закону Видемана-Франца, который гласит, что при заданной температуре теплопроводность металла пропорциональна его электропроводности. Но исследователи обнаружили, что закон не действует для определенных материалов, таких как металлический диоксид ванадия.Бивас Дутта из Университета Гренобль-Альпы во Франции, Йоонас Пелтонен из Университета Аалто в Финляндии и его коллеги теперь демонстрируют, что одноэлектронные транзисторы также нарушают закон. Эти транзисторы составляют основу электронных схем нанометрового размера, поэтому открытие может быть полезно для управления и сбора тепла, выделяемого в таких схемах.

Одноэлектронный транзистор состоит из наноразмерного «острова» из проводящего материала, соединенного с двумя электродами (истоком и стоком) через туннельные барьеры и с третьим электродом (затвором) через конденсатор.Команда измерила заряд и теплопроводность устройства в зависимости от среднего числа электронов (нг), индуцированных на острове напряжением, приложенным к затвору. Они обнаружили, что отношение проводимости подчиняется закону Видемана-Франца только в состояниях транзистора, соответствующих полуцелым значениям ng. В других штатах, включая состояния с целочисленным значением ng, это соотношение было в 4 раза выше, чем предусмотрено законом. Результаты согласуются с предыдущим исследованием, которое предсказало нарушение закона для не полуцелых состояний этого типа транзистора и связывало его с повышенной эффективностью кулоновской блокады — явления, при котором электрическая проводимость уменьшается из-за кулоновской отталкивание электронов.

Это исследование опубликовано в Physical Review Letters .

–Ана Лопес

Ана Лопес — старший редактор журнала Physics .

Теплопроводность одноэлектронного транзистора

Б. Датта, Дж. Т. Пелтонен, Д. С. Антоненко, М. Мешке, М. А. Скворцов, Б. Кубала, Дж. Кениг, К. Б. Винкельманн, Х. Куртуа и Дж. П. Пекола

Phys. Rev. Lett. 119 , 077701 (2017)

Опубликовано 15 августа 2017 г.

Тематические области

Статьи по теме

Другие статьи

Теплопроводность — Пит Шварц, Cal Poly Physics

Зачем нужно измерять теплопроводность?

Теплопроводность — это показатель того, насколько теплопроводным является образец.2)

Чем выше константа теплопроводности, тем выше теплопроводность образца. Теплопроводность используется в нашем исследовании солнечной кулинарии, чтобы определить лучший композит, который будет термически, но не электропроводным. Ниже показан эксперимент по определению теплопроводности:

Радиатор представляет собой алюминиевый корпус, до краев заполненный заранее изготовленным глыбом льда. Источником тепла также является алюминиевый ящик, наполненный кипящей водой, чтобы поддерживать постоянную температуру 100 градусов C.Идея состоит в том, что тепло из нижней коробки будет проходить через образец в радиатор, растапливая лед. По мере таяния льда он течет по трубке в стакан, где собирается и измеряется после того, как весь лед растает. При проведении эксперимента необходимо собрать следующие данные:

Масса льда

количество времени, необходимое для таяния всего льда

температурный градиент (разница температур между верхом и низом образца)

площадь поперечного сечения образца и толщина

Этот дизайн был вдохновлен двумя статьями, которые можно найти здесь и здесь.

Для получения дополнительной информации о том, как настроить этот дизайн, щелкните здесь.

Первая итерация этого дизайна была наполнена проблемами. Мы использовали образец алюминия, чтобы определить, верны ли константы теплопроводности, полученные в результате эксперимента, так как значение k алюминия известно (180–230 Вт / мК). Первая конструкция дала нам значение теплопроводности 2: выключено примерно в 100 раз.

Мы обнаружили недостатки в нашей экспериментальной конструкции, в основном связанные с тепловым контактом между образцом и двумя алюминиевыми коробками.Основная проблема заключалась в том, что провода термопары мешали способности образца обеспечивать действительно хороший тепловой контакт с нижней стороной радиатора и источником тепла. Чтобы решить эту проблему, мы обработали паз на крышке алюминиевого корпуса источника тепла и на нижней стороне радиатора ;:

Обработанная канавка на радиаторе и источнике тепла

Это позволило вставить термопару в канавку и не нарушить контакт алюминиевого образца.

Эта вторая итерация довела теплопроводность алюминия до 175 Вт / мК. Значения теплопроводности того, что мы обнаружили до сих пор, показаны в таблице ниже:

Примечания: Хотя теплопроводность MgO традиционно составляет около 30-60 Вт / мК, это зависит от механического давления, приложенного к образцу. Теплопроводность порошка MgO теоретически должна увеличиваться по мере того, как он более плотно упакован, поскольку таким образом увеличивается тепловой контакт.Обратитесь к этому исследованию в Журнале прикладной физики, которое именно это доказало.

Мы заметили, что даже несмотря на то, что теплопроводность MgO выше, чем у MgO + цемента, он должен быть невероятно упакован, чтобы достичь более высокой теплопроводности. В промышленности существуют специальные машины, которые сжимают MgO в змеевиках печей, и это оборудование, скорее всего, не будет доступно в наших целевых странах (Восточная Африка). Теплопроводность MgO увеличилась на 1 при добавлении груза.Вес 1 кг. Кроме того, мы, скорее всего, будем использовать соотношение 5: 1 с цементом MgO +, потому что после тестирования мы поняли, что 5: 1 расширяется при высыхании и оставляет меньше пузырьков воздуха при высыхании.

Наши исследования, пожалуйста, познакомьтесь с нашей исследовательской группой.

Теплопроводность ледяных полиморфов: вычислительное исследование

Тепловой перенос во льду имеет необычную реакцию. Помимо научного интереса, понимание механизмов, определяющих теплопроводность льда, может быть актуальным для моделирования климата и планетологии.Точные микроскопические модели могут дать важную молекулярную информацию об этих механизмах. В этой работе мы количественно оцениваем, используя молекулярное моделирование и современные силовые поля, теплопроводность льда Ih, VI, VII и пластической фазы, которая была предложена совсем недавно при давлениях в диапазоне ГПа. Модели TIP4P, использованные в этом исследовании, значительно занижают теплопроводность льда Ih и льда VII, в то время как они показывают хорошее согласие с экспериментальными измерениями льда VI. Наблюдаемые расхождения исследуются путем исследования температурной зависимости теплопроводности.Моделирование показывает, что модели слишком ангармоничны и потенциально имеют более высокий структурный беспорядок, чем экспериментальные системы. Мы предполагаем, что при высоких давлениях смоделированные значения теплопроводности могут быть рационализированы с точки зрения производительности моделей при прогнозировании уравнения состояния льда. Теплопроводность пластической фазы очень похожа на теплопроводность сосуществующего льда VII. Поскольку молекулы воды в пластической фазе обладают ориентационным беспорядком, эти результаты показывают, что сетка водородных связей не играет значительной роли в определении механизмов теплопереноса льда при высоких давлениях.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент.