Теплофизические свойства материалов

В таблице 6 представлены основные теплофизические свойства некоторых конструкционных материалов.

Теплопроводность материала определяется как поток теплоты через единицу площади при градиенте температуры в один градус, вызывающий этот перенос теплоты.

Существуют три основных механизма передачи теплоты в веществе:

1) движение электронов - реализуется в металлах;

2) передача энергии колебаний решетки или энергии фононов - реализуется в диэлектриках;

3) движение молекул - как это осуществляется в газах.

В жидкостях главным механизмом передачи теплоты теплопроводностью является передача энергии колебаний молекул, тогда как в газах теплота передается в основном путем переноса энергии поступательного движения (для одноатомных газов) и переноса энергии поступательного и вращательного движения (для двухатомных газов).

Наибольшая теплопроводность у меди, а минимальная у пенополиуретана (ППУ) – 500 и 0.026 Вт/(мК), соответственно.

Таблица 6

Теплофизические свойства материалов

Теплофизические свойства материалов существенно зависят от температуры.

Теплопроводность конструкционных материалов, в основном, увеличивается с повышением температур. Теплопроводность меди и титановых сплавов сначала увеличивается, а затем уменьшается. На рисунках 27, 28 представлены данные по теплопроводности некоторых материалов.

Рисунок 27 – Зависимость теплопроводности титанового сплава (ВТ-6), алюминиевого сплава (АМГ-6) и нержавеющей стали (12Х18Н10Т) от температуры

Рисунок 28 – Зависимость теплопроводности меди (М3) от температуры

Плотность металлов незначительно зависит от температуры, за исключением композиционных материалов (стекловолокнит - «АГ-4», стеклотекстолит, полиимид и др). Наибольшая плотность у меди, а минимальная у пенополиуретана (ППУ) – 8900 и 60 кг/(м³), соответственно.

Теплоемкость вещества определяется как энергия, необходимая для изменения температуры единицы массы вещества на один градус при неизменном давлении (с_р) или неизменном объеме (с_v).

Для теплофизических расчётов элементов конструкций большое значение имеет объёмная теплоёмкость материала. Она определяет затраты теплоты при изменении температуры материала на один градус единицы объёма - . Именно объёмная теплоёмкость материала определяет скорость изменения температуры материала при его нагреве или охлаждении.

Объёмная теплоёмкость материалов уменьшается с понижением температуры. На рисунке 31 представлены характерные величины объёмной теплоёмкости материалов от температуры. Видно, что объемная теплоёмкость у нержавеющей стали наибольшая до температуры 80 К из рассмотренных материалов, а объемная теплоёмкость у титанового сплава наименьшая.

Рисунок 29 – Зависимость объёмной теплоёмкости материалов от температуры

Коэффициент термического расширения (a) определяется как относительное изменение длины материала при изменении температуры на один градус. В таблице 6 представлены средние коэффициенты линейного расширения материалов в диапазоне изменения температуры от 300 до 80 К. Максимальный коэффициент термического линейного расширения (КТР) материала у фторопласта – 4. Минимальный коэффициент линейного расширения материала у кварцевого стекла. При разработке конструкций необходимо обеспечить термопрочность за счёт согласования КТР.

Изменение с температурой коэффициента теплового расширения может быть объяснено на основе рассмотрения межмолекулярных сил взаимодействия в материале. Когда энергия молекулы увеличивается (или когда увеличивается температура материала), пространство, занимаемое атомом относительно соседних атомов, становится больше, что означает расширение материала. Скорость, с которой увеличивается среднее пространство, занимаемое атомом, повышается с повышением энергии или температуры материала. Поэтому, коэффициент теплового расширения увеличивается с повышением температуры.