Какое свойство относится к тепловым
Температура — это величина или характеристика системы, характеризующая состояние ее термодинамического равновесия. Различают температуры плавления, кипения, деструкции, воспламенения, стеклования, текучести и т.д.
Теплота — это энергия теплового движения частиц, образующих соответствующую материальную систему.
Теплоемкость — это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Например, удельная теплоемкость (количество энергии, поглощаемой единицей массы вещества на один градус) у металлических сплавов находится в интервале 100—2000 Дж / (кг • К) или в большинстве случаев в интервале 300—400, а у полимерных материалов обычно 1000 и более. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры.
Теплопроводность (X) — это способность вещества или материала к переносу тепловой энергии вследствие разности температур в разных точках тела, его поверхности или объема при макроскопической неподвижности элементов их структуры (Вт/(м К).
Тепловое расширение — это изменение объема или линейных размеров материального тела при повышении температуры при постоянном давлении.
При нагреве плотность материала уменьшается из-за его теплового расширения элементов, его составляющих.
Тепловое расширение — это изменение объема и линейных размеров материального тела при повышении температуры при постоянном давлении. Тепловое расширение основано на эффекте увеличения амплитуды колебаний химических элементов при повышении температуры, приводящего к увеличению расстояния между ними. Для их оценки используют коэффициенты термического расширения (КТР) материалов.
На практике используют средние значения коэффициентов линейного (ос,) и объемного термического расширения (ау):
где Vи I — объем и длина образца соответственно; ДР, А/, — изменения объема и длины при повышении температуры на АТ. Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромолекул в полимерах отражаются на величине значений КТР, которые существенно различаются в направлении преимущественной ориентации, например макромолекул, и в поперечном направлении.
Тепловое расширение полимеров уменьшается при увеличении межмолекулярного взаимодействия, благодаря взаимодействию диполей, наличию водородных и тем более сшивке химическими связями отдельных макромолекул. Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные полимеры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы.
Тепловое расширение стекол по мере повышения содержания щелочных оксидов Ме20 возрастает от а = 0,56 • 10-6 К-1 у кварцевого стекла до а > 6 • 10_6 К-1 у промышленных щелочных стекол.
Сильное различие значений КТР соединяемых материалов является причиной появления термических напряжений. Поэтому необходимо согласование значений ос при соединении стекол или керамики с металлами. У большинства материалов при повышении температуры КТР увеличиваются. Наиболее стойки к термической усталости и разрушению при термических ударах материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью.
Коэффициент линейного термического расширения (а) по сравнению с плотностью максимален (см. табл. 8.4) уже не у металлов, а у преимущественно ковалентных органических полимерных материалов, построенных из индивидуальных макромолекул (типа полиэтилена и т.д.).
Теплопроводность материала зависит прежде всего от состава и типа химической связи между элементами микроструктуры и далее — от его мезо- и макроструктуры и температуры. Считается, что теплота в твердых телах переносится электронами и фононами (квазичастица — квант упругих колебаний среды или «тепловой резервуар»). Природа передачи теплоты в первую очередь определяется типом химической связи элементов в материале. В металлах теплоту вследствие делокализации ОЭ и их подвижности («электронный газ») переносят непосредственно электроны, поэтому она достаточно высока; в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы.
Влияние состава и типа химической связи на теплопроводность также достаточно наглядно (табл. 8.4). У металлов (5-, ^-элементов, связанных преимущественно металлическими связями) X в целом по величине наибольшая, а у линейных полимеров (типа полиэтилена) наименьшая. В целом полимерные материалы плохо проводят тепло, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(м-К). У алмаза же (монокристалл объемносетчатого трехмерного макромолекулярного тела) теплопроводность максимальна. Неорганические стекла имеют низкую теплопроводность, так как по своей природе они (например, на основе оксида кремния, табл. 7.4) вследствие преобладания ковалентной связи родственны органическим полимерам. Например, кварцевое стекло в интервале температур от 0 до 100 °С имеет X = 1,90-^2,08, а у кварца (кристаллического оксида кремния) X равно 12,6, т.е. с повышением кристалличности (и уменьшением ковалентности связи) теплопроводность растет. Графит имеет высокую теплопроводность (100 Вт/(м-К), так как в отличие от линейных одномерных полимеров имеет плоскосетчатую 2-мерную макромолекулярную структуру, построенную из ароматических углеродных циклов, облегчающую передачу тепла вдоль этих слоев за счет подвижных делокализованных тс-электронов.
Теплопроводность и электропроводность кристаллических материалов выше, чем аморфных, так как структура первых более совершенна и, обладая строгой периодичностью и минимумом дефектов, облегчает передачу тепловой и электрической энергии.
Среди ковалентных монокристаллов самым теплопроводным (1350 Вт/(м К) является монокристалл алмаза (см. табл. 8.4), так как благодаря высокой локализации ОЭ и направленности химической связи в нем передача тепловой (но не электрической) энергии облегчена. Чем совершеннее кристаллы и меньше дефектов в кристаллической решетке, тем выше их теплопроводность. В свою очередь, монокристаллы обладают лучшей теплопроводностью, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты поликристалли- ческой структуры рассеивают фононы и увеличивают сопротивление передаче тепла. В полупроводниках ввиду весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами.
Легирование металла вносит искажение в его кристаллическую решетку и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом. Чем больше примесей содержит металл и сплав на его основе, тем больше искажена кристаллическая решетка и мельче зерна (а следовательно, и больше их поверхность) и тем меньше его теплопроводность. А далее на основе твердых растворов следующие структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (перлит и т.д.), дополнительно снижают теплопроводность. При нагреве сталей разных классов их теплопроводности сближаются.
При переходе от микро- к мезо- и макроструктурам размеры элементов структуры (фаз) материала растут с одновременным ростом поверхностей раздела, приводя на макроуровне (см. табл. 4.1) к образованию объемных дефектов (трещин, пор и т.д.). Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы плохо проводят тепло.
Теплопроводность пористых материалов независимо от типа химической связи элементов можно оценить по формуле
где X — теплопроводность сплошного материала без пор, Вт/(м • К); р — доля пор в объеме пористого материала.
При нагреве вещества или материала до критических температур происходят качественные изменения структуры и свойств веществ и материалов, включая изменение агрегатного состояния (переход из конденсированной фазы в газообразную) вплоть до разрушения и превращения в другие химические вещества.
Самый простой вариант — это переход жидкого низкомолекулярного вещества (типа Н20) в газообразное состояние (или пара над поверхностью жидкости) без изменения его химической структуры, который называется испарением. Этот процесс протекает при температуре кипения (7″кип), т.е. температуре равновесного перехода жидкости в пар при постоянном давлении.
Твердые конденсированные вещества при нагреве либо плавятся, либо возгоняются в газообразное состояние без стадии плавления. Испарение твердой фазы называется сублимацией или возгонкой.
Температура плавления — это температура равновесного фазового перехода вещества из твердого в жидкое состояние при постоянном давлении.
Для кристаллического вещества эта температура при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) называется точкой плавления, а температура обратного перехода вещества из жидкого в твердое кристаллическое состояние — температурой затвердевания.
Для аморфных или стеклообразных веществ (типа органических или неорганических полимеров и стекол) переход из твердого в жидкое состояние происходит не в одной точке (при соответствующей температуре), а в соответствующем интервале температур АТ. При этом самая низкая температура в этом интервале называется температурой размягчения Тр. У полимеров с малой гибкостью цепей макромолекул эта температура свидетельствует о непосредственном его переходе из стеклообразного в вязкотекучее состояние. Температура стеклования — это средняя температура, при которой некристалли- зующееся (или не успевающее закристаллизоваться) вещество становится твердым, переходя в стеклообразное состояние.
Для полимерных материалов на основе макромолекул разной структурной сложности при повышении температуры можно обнаружить высокоэластическое и вязкотекучее состояния. Поэтому в отличие от низкомолекулярных веществ у ВМС температуры текучести и стеклования не совпадают. Высокоэластическое состояние наступает у линейных аморфных полимеров при температурах выше температуры стеклования и характеризуется большими обратимыми деформациями, связанными прежде всего с развертыванием клубков макромолекул. Вязкотекучее состояние характеризуется истинным течением полимера, когда при повышении температуры выше температуры текучести настолько повышается подвижность отдельных макромолекул и облегчается возможность преодоления относительно слабых межмолекулярных сил, что они получают возможность перемещаться относительно друг друга. Эти два состояния более подробно рассмотрены в п. 8.5.
Высокомолекулярные соединения и полимеры на их основе не способны существовать в газообразном состоянии, реактопласты как предельно сшитые макромолекулярные структуры не способны переходить обратно из твердого в жидкое (расплав) состояние после их отверждения. Поэтому последние полимеры при высоких критических температурах подвергаются разложению или деструкции с образованием низкомолекулярных продуктов.
Температура деструкции — это температура, при которой структура вещества или полимерного материала начинает разлагаться на исходные мономеры или продукты их взаимодействия с окружающей газовой средой. При этом термопластичные полимеры (типа полиэтилена) в начале нагрева плавятся и размягчаются и лишь потом деструктируют, а термореактивные (типа отвержденных или сшитых эпоксидных, фенолоформальдегидных и других смол) деструктируют, минуя стадию плавления.
Температура воспламенения — это минимальная температура окружающей среды, при которой возможно воспламенение веществ при внесении источника пламени.
Температура возгорания — это минимальная температура окружающей среды, при которой происходит самовозгорание вещества и материала.
Все процессы переработки нефти и газа связаны с нагреванием или охлаждением материальных потоков, а их расчет базируется на знании тепловых свойств.
К тепловым свойствам относятся теплоемкость, теплота парообразования, энтальпия, теплопроводность, теплота плавления и сублимации, теплота сгорания и др.
Теплоемкость – это количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус. Различают массовую (Дж/кг*К), мольную (Дж/кмоль*К) и объемную (Дж/м3*К) теплоемкости. Теплоемкость НП парафинового основания при одной и той же температуре приблизительно на 15% выше теплоемкости НП нафтенового и ароматизированного состояния, имеющего ту же плотность.
Для химически чистых веществ теплота парообразования (испарения) представляет собой энергию, необходимую для испарения единицы массы вещества при постоянном давлении и температуре. Так как нефтяные фракции являются смесями УВ, то они выкипают в некотором интервале температур и в этом случае тепло затрачивается не только испарение, но и на повышение температуры смеси.
Под энтальпией жидких НП понимают то количество тепла, которое необходимо затратить на нагрев единицы массы жидкости от 0 °С до определенной температуры.
Величина НП в паровой фазе складывается из количества тепла, расходуемого на нагрев жидкого НП от 0 °С до температуры кипения, на его испарение и на перегрев паров от температуры кипения до заданной температуры.
Теплопроводность – это процесс распространения тепла в газообразных, жидких и твердых телах, проходящий без перемещения вещества этих тел, без конвекции и лучистого теплообмена. Теплопроводность НП зависит от их химического состава, фазового состояния, температуры и давления. Наименьшей теплопроводностью обладают газы и пары, наибольшей – твердые НП, промежуточное положение занимают жидкости.
Количество тепла, затрачиваемое при переходе вещества из твердого состояния в жидкое, называется теплотой плавления. Некоторые вещества могут переходить из твердого состояния в парообразное, минуя жидкое состояние. Теплота сублимации при этом равна сумме теплот плавления и испарения.
Теплота сгорания – количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг жидкого (твердого) или 1 м3 газообразного топлива при нормальных условиях. При этом исходное топливо и продукты сгорания должны находиться при одинаковых давлении и температуре.
Различают высшую и низшую теплотворные способности.
Высшая теплотворная способность представляет собой количество тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода, входящего в состав топлива.
Низшая теплотворная способность представляет собой количество тепла, выделяемого при полном сгорании топлива и охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива без конденсации водяного пара, т.е. она равна высшей теплотворной способности за вычетом теплоты испарения влаги топлива и воды, образовавшейся при сгорании водорода.
Экспериментально высшую и низшую теплоты сгорания топлив (бензин, реактивное, дизельное или котельное топливо) определяют с помощью различных калориметров.
2. Тепловые характеристики
Тепловые характеристики позволяют оценить поведение электроизоляционных материалов при нагревании. Это имеет важное значение, так как большинство электроизоляционных материалов работает в электрических машинах и аппаратах при повышенных температурах.
Температура плавления определяют для материалов, имеющих кристаллическую структуру (металлов, полупроводников, диэлектриков), которые переходят из твердого состояния в жидкое при определенной температуре.
Температура размягчения определяют у материалов с аморфной структурой (смолы, битумы и др.), переход которых из твердого состояния в жидкое происходит не при строго определенной температуре, а в интервале температур.
При температурах, близких к температуре размягчения, материал применять нельзя, так как он, размягчаясь, течет.
Теплостойкость позволяет оценить стойкость диэлектриков к кратковременному нагреву.
Холодостойкость − это способность материалов выдерживать низкие температуры. При низких температурах ухудшаются механические свойства (гибкость, эластичность). Поэтому испытание материалов и изделий из них на холодостойкость проводят при одновременном воздействии вибрации. Холодостойкость жидких диэлектриков определяется температурой застывания, при которой они превращаются в твёрдое тело.
Температура вспышки паров жидких диэлектриков (масел) температура, при которой пары и газы, образующиеся при нагревании определенного объема жидкого диэлектрика, при соприкосновении с открытым пламенем вспыхивают.
Нагревостойкость − способность материала выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, равного сроку нормальной эксплуатации, без ухудшения его свойств.
Видео о тепловых характеристиках материалов
В зависимости от значения максимальной температуры диэлектрики подразделяются на классы по нагревостойкости − их семь .Y — 90; А — 105; Е — 120; В — 130; F — 155; Н — 180; С > 180.
К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка, если они не пропитаны и не погружены в жидкий диэлектрик, а также резина, нефтяные масла, полистирол.
К классу А относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка, если они пропитаны лаком или погружены в жидкий диэлектрик.
Класс Е гетинакс, текстолит, пресспорошки с древесной мукой, полиэтилен, полиуретановые смолы, компаунды, лаки.
Класс В материалы на основе слюды, стекловолокно, стеклоткань, стеклотекстолит.
К классу F относятся микаленты.
К классу Н принадлежат материалы на основе кремнийорганических смол высокой нагревостойкости.
Класс С слюда, стекло, стекловолокнистые материалы, кварц, фторопласт и материалы на основе полиамидов (пленки, волокна).
Теплопроводность характеризует процесс переноса тепла от более нагретых частей к менее нагретым и численно определяется коэффициентом теплопроводности. Чем он выше, тем лучше условия охлаждения и меньше вероятность теплового пробоя.
Тепловое расширение. Диэлектрики, как и другие материалы, при нагревании изменяют свои линейные размеры. Это свойство оценивается коэффициентом линейного расширения, численно равным относительному увеличению линейного размера при изменении температуры на 1 °С.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 апреля 2019;
проверки требуют 9 правок.
Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Излучается телами, имеющими температуру больше 0 К, то есть разными нагретыми телами, поэтому и называется тепловым. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра[1].
Тепловое излучение испускают, например, нагретый металл, земная атмосфера и белый карлик[1][2].
Причиной того, что вещество излучает электромагнитные волны, является устройство атомов и молекул из заряженных частиц, из-за чего вещество пронизано электромагнитными полями. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их ударное возбуждение с последующим высвечиванием. Характерной чертой является то, что при усреднении коэффициента излучения по максвелловскому распределению, начиная с энергий hν ∼ kT, в спектре начинается экспоненциальный завал.[3]
В случае если излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, то такое излучение называется равновесным. Спектр такого излучения эквивалентен спектру абсолютно чёрного тела и описывается законом Планка. Однако в общем случае тепловое излучение не находится в термодинамическом равновесии с веществом, таким образом более горячее тело остывает, а более холодное наоборот нагревается. Спектр такого излучения определяется законом Кирхгофа.
Основные понятия и свойства теплового излучения[править | править код]
Энергетическая светимость тела[править | править код]
Энергетическая светимость тела — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.
; Дж/(с·м²) = Вт/м²
Спектральная плотность энергетической светимости[править | править код]
Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).
Аналогичную функцию можно написать и через длину волны
Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:
Поглощающая способность тела[править | править код]
Поглощающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот вблизи
где — поток энергии, поглощающейся телом.
— поток энергии, падающий на тело в области вблизи
Отражающая способность тела[править | править код]
Отражающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот вблизи
где — поток энергии, отражающейся от тела.
— поток энергии, падающий на тело в области вблизи .
Абсолютно чёрное тело[править | править код]
Абсолютно чёрное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение
— для абсолютно чёрного тела.
Серое тело[править | править код]
Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры
— для серого тела.
Объёмная плотность энергии излучения[править | править код]
Объёмная плотность энергии излучения — — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единице объёма по всему спектру частот.
Спектральная плотность энергии[править | править код]
Спектральная плотность энергии — — функция частоты и температуры, связанная с объёмной плотностью излучения формулой:
Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:
— для абсолютно чёрного тела.
Основные законы теплового излучения[править | править код]
- Закон Стефана — Больцмана
- Закон излучения Кирхгофа
- Закон смещения Вина
Литература[править | править код]
- Ташлыкова-Бушкевич И. И. Физика. Уч. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Минск, 2008
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Тепловое излучение — статья из Большой советской энциклопедии.