Θερμομονωτικά υλικά. Επιλογή θερμομονωτικών υλικών. Μεγάλη εγκυκλοπαίδεια πετρελαίου και φυσικού αερίου

Κάθε αντικείμενο μπορεί να χρησιμεύσει ως «γέφυρα» μέσω της οποίας η θερμότητα θα περάσει από ένα πιο θερμαινόμενο σώμα σε ένα λιγότερο θερμαινόμενο.

Μια τέτοια γέφυρα είναι, για παράδειγμα, ένα κουταλάκι του γλυκού βουτηγμένο σε ένα ποτήρι ζεστό τσάι. Τα μεταλλικά αντικείμενα μεταδίδουν πολύ καλά τη θερμότητα. Η άκρη του κουταλιού στο ποτήρι γίνεται ζεστή σε μόλις ένα δευτερόλεπτο.

Εάν χρειάζεται να αναμίξετε οποιοδήποτε ζεστό μείγμα, τότε η λαβή του μίξερ πρέπει να είναι κατασκευασμένη από ξύλο ή πλαστικό. Αυτά τα στερεά μεταφέρουν τη θερμότητα 1000 φορές χειρότερα από τα μέταλλα. Λέμε "αγώγετε θερμότητα", αλλά μπορείτε επίσης να πείτε "αγώγετε κρύο". Φυσικά, οι ιδιότητες του σώματος δεν αλλάζουν ανάλογα με την κατεύθυνση που περνάει η ροή θερμότητας μέσα από αυτό. Τις παγωμένες μέρες, προσέχουμε να μην αγγίζουμε μέταλλο με γυμνά χέρια, αλλά άφοβα πιάνουμε μια ξύλινη λαβή.

Οι κακοί αγωγοί θερμότητας - ονομάζονται επίσης θερμομονωτές - περιλαμβάνουν το ξύλο, το τούβλο, το γυαλί και τα πλαστικά. Οι τοίχοι των σπιτιών, οι σόμπες και τα ψυγεία είναι κατασκευασμένοι από αυτά τα υλικά.

Όλα τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί. Οι καλύτεροι αγωγοί είναι ο χαλκός και ο άργυρος - μεταφέρουν τη θερμότητα δύο φορές καλύτερα από τον σίδηρο.

Φυσικά, όχι μόνο ένα συμπαγές σώμα μπορεί να χρησιμεύσει ως «γέφυρα» για τη μεταφορά θερμότητας. Τα υγρά μεταφέρουν επίσης τη θερμότητα, αλλά. πολύ χειρότερο από τα μέταλλα. Όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα, τα μέταλλα είναι εκατοντάδες φορές ανώτερα από τα στερεά και υγρά μη μεταλλικά σώματα.

Για να δείξουν την κακή θερμική αγωγιμότητα του νερού, κάνουν ένα τέτοιο πείραμα. Σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα με νερό, ένα κομμάτι πάγου στερεώνεται στο κάτω μέρος και το πάνω μέρος του δοκιμαστικού σωλήνα θερμαίνεται σε καυστήρα αερίου - το νερό αρχίζει να βράζει και ο πάγος εξακολουθεί να μην σκέφτεται να λιώσει. Εάν ο δοκιμαστικός σωλήνας ήταν χωρίς νερό και ήταν κατασκευασμένος από μέταλλο, τότε ένα κομμάτι πάγου θα άρχιζε να λιώνει σχεδόν αμέσως. Το νερό μεταφέρει θερμότητα περίπου διακόσιες φορές χειρότερα από τον χαλκό.

Τα αέρια μεταδίδουν τη θερμότητα δέκα φορές χειρότερα από τα συμπυκνωμένα μη μεταλλικά σώματα. Η θερμική αγωγιμότητα του αέρα είναι 20.000 φορές μικρότερη από αυτή του χαλκού.

Η κακή θερμική αγωγιμότητα των αερίων σας επιτρέπει να πάρετε ένα κομμάτι ξηρού πάγου στο χέρι σας, η θερμοκρασία του οποίου είναι -78 ° C, ακόμη και να κρατήσετε μια σταγόνα υγρού αζώτου στην παλάμη σας, η οποία έχει θερμοκρασία -196 ° C . Αν δεν πιέσετε αυτά τα κρύα σώματα με τα δάχτυλά σας, τότε δεν θα υπάρξει «κάψιμο». Το θέμα είναι ότι με ένα πολύ δυνατό βράσιμο, μια σταγόνα υγρό ή ένα κομμάτι συμπαγές σώμακαλυμμένο με ένα "μανδύα ατμού" και το στρώμα αερίου που προκύπτει χρησιμεύει ως μονωτήρας θερμότητας.

Η σφαιροειδής κατάσταση του υγρού - η λεγόμενη κατάσταση στην οποία οι σταγόνες τυλίγονται με ατμό - σχηματίζεται αν πέσει νερό σε ένα πολύ ζεστό τηγάνι. Μια σταγόνα βραστό νερό που πέφτει στην παλάμη καίει σοβαρά το χέρι, αν και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του βραστού νερού και του ανθρώπινο σώμαμικρότερη από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του χεριού και του υγρού αέρα. Το χέρι είναι πιο κρύο από μια σταγόνα βραστό νερό, η θερμότητα διαφεύγει από τη σταγόνα, ο βρασμός σταματά και δεν σχηματίζεται χιτώνας ατμού.

Είναι εύκολο να καταλάβουμε ότι ο καλύτερος μονωτήρας θερμότητας είναι το κενό - κενό. Δεν υπάρχουν φορείς θερμότητας στο κενό και η θερμική αγωγιμότητα θα είναι η χαμηλότερη.

Έτσι, εάν θέλουμε να δημιουργήσουμε θερμική προστασία? κρύψτε ζεστό από κρύο ή κρύο από ζεστό, είναι καλύτερο να φτιάξετε ένα κέλυφος με διπλό τοίχωμακαι αντλήστε αέρα από το χώρο μεταξύ των τοίχων. Σε αυτή την περίπτωση, βρισκόμαστε αντιμέτωποι με την εξής περίεργη περίσταση. Εάν, καθώς το αέριο αραιώνεται, ακολουθήσουμε τη μεταβολή της θερμικής του αγωγιμότητας, τότε θα διαπιστώσουμε ότι μέχρι τη στιγμή που η πίεση φτάσει αρκετά χιλιοστά υδραργύρου, η θερμική αγωγιμότητα πρακτικά δεν αλλάζει και μόνο όταν μετακινείται σε υψηλότερη κενό οι προσδοκίες μας είναι δικαιολογημένες - η θερμική αγωγιμότητα πέφτει απότομα.

Τι συμβαίνει?

Για να κατανοήσει κανείς αυτό το φαινόμενο, πρέπει να προσπαθήσει να οπτικοποιήσει σε τι συνίσταται το φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας σε ένα αέριο.

Η μεταφορά θερμότητας από ένα ζεστό μέρος σε ένα κρύο μέρος γίνεται με τη μεταφορά ενέργειας από το ένα μόριο στο επόμενο. Είναι σαφές ότι οι συγκρούσεις γρήγορων μορίων με αργά συνήθως οδηγούν σε επιτάχυνση αργών μορίων και επιβράδυνση γρήγορων. Και αυτό σημαίνει ότι ένα ζεστό μέρος θα γίνει πιο κρύο και ένα κρύο θα ζεσταθεί.

Πώς η μείωση της πίεσης επηρεάζει τη μεταφορά θερμότητας; Εφόσον η μείωση της πίεσης μειώνει την πυκνότητα, θα μειωθεί και ο αριθμός των συναντήσεων των ταχέων μορίων με τα αργά, στις οποίες μεταφέρεται ενέργεια, κάτι που θα μείωνε τη θερμική αγωγιμότητα. Ωστόσο, από την άλλη πλευρά, η μείωση της πίεσης οδηγεί σε αύξηση της μέσης ελεύθερης διαδρομής των μορίων, μεταφορά θερμότητας σε μεγάλες αποστάσεις και αυτό συμβάλλει στην αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας. Ο υπολογισμός δείχνει ότι και τα δύο αποτελέσματα είναι ισορροπημένα και η ικανότητα μεταφοράς θερμότητας δεν αλλάζει για κάποιο χρονικό διάστημα όταν αντλείται αέρας έξω.

Αυτό θα ισχύει έως ότου το κενό γίνει τόσο σημαντικό ώστε το μήκος της διαδρομής να είναι ίσο με την απόσταση μεταξύ των τοιχωμάτων του σκάφους. Τώρα, μια περαιτέρω μείωση της πίεσης δεν μπορεί πλέον να αλλάξει το μήκος διαδρομής των μορίων που «κρέμονται» μεταξύ των τοιχωμάτων, η πτώση της πυκνότητας δεν είναι «ισορροπημένη» και η θερμική αγωγιμότητα πέφτει γρήγορα ανάλογα με την πίεση, φτάνοντας σε αμελητέες τιμές όταν επιτυγχάνεται υψηλό κενό. Η συσκευή των θερμοσωμάτων βασίζεται στη χρήση κενού. Τα θερμοσώματα είναι πολύ κοινά, χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την αποθήκευση ζεστών και κρύων τροφίμων, αλλά και στην επιστήμη και την τεχνολογία. Σε αυτή την περίπτωση, ονομάζονται, από το όνομα του εφευρέτη, αγγεία Dewar. Σε τέτοια δοχεία (μερικές φορές ονομάζονται απλά dewars), μεταφέρεται υγρός αέρας, άζωτο και οξυγόνο. Αργότερα θα εξηγήσουμε πώς λαμβάνονται αυτά τα αέρια σε υγρή κατάσταση * .

* (Όποιος έχει δει μπουκάλια θερμός έχει παρατηρήσει ότι έχουν πάντα επάργυρες πλευρές. Και γιατί? Το γεγονός είναι ότι η θερμική αγωγιμότητα για την οποία μιλήσαμε δεν είναι ο μόνος τρόποςμεταφορά θερμότητας. Υπάρχει μια άλλη μέθοδος μετάδοσης, την οποία θα συζητήσουμε σε άλλο βιβλίο - τη λεγόμενη ακτινοβολία. Υπό κανονικές συνθήκες, είναι πολύ πιο αδύναμη από τη θερμική αγωγιμότητα, αλλά εξακολουθεί να είναι αρκετά αισθητή. Για να μετριαστεί η ακτινοβολία, τα τοιχώματα του θερμού είναι επαργυρωμένα.)

 

Ο καυστήρας με φλόγα πρέπει να διατηρείται συνεχώς σε κίνηση για ομοιόμορφη θέρμανση. Ο βαθμός θέρμανσης του προϊόντος κρίνεται καλύτερα από την αρχή της τήξης της συγκόλλησης. είναι απαραίτητο να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τον βαθμό θέρμανσης από το χρώμα των θερμαινόμενων μερών με μεγάλη προσοχή, καθώς η οπτική αντίληψη αυτών των χρωμάτων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες φωτισμού του χώρου εργασίας. Όταν θερμαίνουμε ανόμοια μέταλλα ή κράματα, η φλόγα πρέπει να κατευθύνεται σε ένα από αυτά, που είναι ο καλύτερος αγωγός της θερμότητας.

Χαρακτηριστικό γνώρισμα των μετάλλων είναι η ιδιαίτερη μεταλλική λάμψη, λόγω της ικανότητάς τους να αντανακλούν καλά το φως. Υπάρχει ένας ορισμένος παραλληλισμός μεταξύ της ανακλαστικότητας ενός μετάλλου, της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας και της θερμικής αγωγιμότητας: όσο ισχυρότερο το μέταλλο ανακλά το φως, τόσο καλύτερος είναι ο αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού. Έτσι, ο χαλκός, το ασήμι και ο χρυσός είναι οι πιο ανακλαστικοί, και είναι επίσης οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού.

Εξωτερικά, τα μέταλλα χαρακτηρίζονται κυρίως από μια ιδιαίτερη, όπως λένε, μεταλλική λάμψη. Ο λόγος για αυτή τη λάμψη είναι ότι η επιφάνεια του μετάλλου αντανακλά έντονα τις ακτίνες του φωτός. Μια άλλη χαρακτηριστική ιδιότητα των μετάλλων είναι η ικανότητά τους να δοκιμάζουν καλά τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό και, κατά κανόνα, όσο πιο ισχυρό το μέταλλο αντανακλά τις ακτίνες του φωτός, τόσο καλύτερα είναι αγωγός θερμότητας και ηλεκτρισμού. Το ασήμι, ο χαλκός και ο χρυσός αντανακλούν πιο έντονα τις ακτίνες φωτός. Ταυτόχρονα, έχουν την υψηλότερη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Η θερμική αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα των μετάλλων να μεταφέρουν τη θερμότητα όταν θερμαίνονται. Όσο καλύτερα το μέταλλο μεταφέρει τη θερμότητα, τόσο πιο γρήγορα και ομοιόμορφα θερμαίνεται. Η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων έχει μεγάλη πρακτική σημασία.Αν το μέταλλο έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, τότε για πλήρη θέρμανση χρειάζεται παρατεταμένη θέρμανση. κατά την ταχεία ψύξη, ωστόσο, σχηματίζονται ρωγμές σε αυτό. Οι καλύτεροι αγωγοί θερμότητας είναι τα καθαρά μέταλλα - ασήμι, χαλκός, αλουμίνιο. Ο χάλυβας έχει πολύ χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα.

Τα άτομα μετάλλου σχηματίζουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα, στους κόμβους του οποίου, εκτός από τα ουδέτερα άτομα, υπάρχουν και θετικά φορτισμένα ιόντα που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της απώλειας ηλεκτρονίων σθένους από ορισμένα άτομα. Τα ηλεκτρόνια που αποσπώνται από τα άτομα κινούνται σε όλο τον όγκο του μετάλλου και δεν ανήκουν σε κάποιο συγκεκριμένο άτομο. Λόγω της παρουσίας ηλεκτρονίων που κινούνται εύκολα, τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού είναι ο άργυρος, ο χαλκός και το αλουμίνιο.

Η θερμική αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα των μετάλλων να μεταφέρουν τη θερμότητα όταν θερμαίνονται. Όσο καλύτερα το μέταλλο μεταφέρει τη θερμότητα, τόσο πιο γρήγορα και ομοιόμορφα θερμαίνεται. Η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων έχει μεγάλη πρακτική σημασία. Εάν το μέταλλο έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, τότε για πλήρη θέρμανση χρειάζεται παρατεταμένη θέρμανση. με ταχεία ψύξη, σχηματίζονται ρωγμές σε αυτό, γεγονός που οδηγεί σε ανεπανόρθωτο πάντρεμα προϊόντων. Οι καλύτεροι αγωγοί θερμότητας είναι τα καθαρά μέταλλα - ασήμι, χαλκός, αλουμίνιο. Χάλυβας λόγω πολυπλοκότητας χημική σύνθεσηέχει πολύ χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα.

Όλα τα μέταλλα έχουν μεταλλική λάμψη, η οποία οφείλεται στην ικανότητά τους να αντανακλούν έντονα τις ακτίνες του φωτός. Τα περισσότερα διατηρούν τη λάμψη τους μόνο όταν βρίσκονται σε συνεχή μάζα. Όταν χωρίζονται λεπτά, τα περισσότερα μέταλλα είναι μαύρα ή γκρίζα, εκτός από το μαγνήσιο και το αλουμίνιο. Τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας και του ηλεκτρισμού και οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας είναι επίσης οι καλύτεροι αγωγοί. ηλεκτρικό ρεύμα. Ο άργυρος και ο χαλκός μεταφέρουν τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό καλύτερα και ο μόλυβδος και ο υδράργυρος λιγότερο.

Όταν η θερμοκρασία πέφτει πέρα ​​από το σημείο μετάβασης, το υγρό ήλιο αρχίζει ξαφνικά να μεταφέρει τη θερμότητα με έναν εντελώς υπερφυσικό τρόπο για ένα υγρό, είπε ο Landau σε μια από τις δημοφιλείς διαλέξεις του. Πιθανότατα έχετε ακούσει ότι τα υγρά γενικά μεταδίδουν τη θερμότητα πολύ άσχημα, ιδιαίτερα το συνηθισμένο νερό δεν μεταφέρει καλά τη θερμότητα. Άλλα υγρά δεν έχουν την καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, με εξαίρεση τον υδράργυρο, ο οποίος, όπως όλα τα μέταλλα, είναι καλός μαέστροςθερμότητα. Ανεπαρκώς άγει τη θερμότητα και το ήλιο Ι, συνηθισμένο υγρό ήλιο. Και όταν η θερμοκρασία πέσει στο σημείο μετάβασης του υγρού ηλίου από το ήλιο Ι στο ήλιο II, αρχίζει να μεταφέρει τη θερμότητα καλύτερα από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας - χαλκό και ασήμι, και η αλλαγή συμβαίνει ξαφνικά. Η ιδιότητα της τεράστιας μεταφοράς θερμότητας, φυσικά, τράβηξε αμέσως την προσοχή και έδειξε ότι πολύ πιο εκπληκτικό κρύβεται σε αυτό το ακατανόητο υγρό.

Όταν η θερμοκρασία πέφτει πέρα ​​από το σημείο μετάβασης, το υγρό ήλιο αρχίζει ξαφνικά να μεταφέρει τη θερμότητα με έναν εντελώς υπερφυσικό τρόπο για ένα υγρό, είπε ο Landau σε μια από τις δημοφιλείς διαλέξεις του. Πιθανότατα έχετε ακούσει ότι τα υγρά γενικά είναι πολύ κακοί αγωγοί της θερμότητας, συγκεκριμένα, το συνηθισμένο νερό είναι επίσης κακός αγωγός της θερμότητας. Άλλα υγρά δεν έχουν την καλύτερη θερμική αγωγιμότητα, με εξαίρεση τον υδράργυρο, ο οποίος, όπως όλα τα μέταλλα, είναι καλός αγωγός της θερμότητας. Ανεπαρκώς άγει τη θερμότητα και το ήλιο Ι, συνηθισμένο υγρό ήλιο. Και όταν η θερμοκρασία πέσει στο σημείο μετάβασης του υγρού ηλίου από το ήλιο Ι στο ήλιο II, αρχίζει να μεταφέρει τη θερμότητα καλύτερα από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας - χαλκό και ασήμι, και η αλλαγή συμβαίνει ξαφνικά. Η ιδιότητα της τεράστιας μεταφοράς θερμότητας, φυσικά, τράβηξε αμέσως την προσοχή και έδειξε ότι πολλά ακόμα εκπληκτικά πράγματα κρύβονταν σε αυτό το ακατανόητο υγρό.

Η θέση των μετάλλων σε διαφορετικά σημεία του περιοδικού συστήματος των χημικών στοιχείων δείχνει ότι πολλές από τις ιδιότητές τους πρέπει να ποικίλλουν πολύ. Μαζί με αυτό, ωστόσο, υπάρχουν κάποιες ιδιότητες που είναι εγγενείς σε όλα τα μέταλλα. Τα μέταλλα, με εξαίρεση τον υδράργυρο, είναι στερεές ουσίες. Όλα τα μέταλλα έχουν μια χαρακτηριστική μεταλλική λάμψη, η οποία οφείλεται στην ικανότητά τους να αντανακλούν έντονα τις ακτίνες του φωτός. Τα περισσότερα διατηρούν τη λάμψη τους μόνο όταν βρίσκονται σε συνεχή μάζα. Σε λεπτά διαιρεμένη μορφή, τα περισσότερα μέταλλα είναι μαύρα ή γκρι. Τα μέταλλα μεταφέρουν καλά τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό και οι καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας είναι επίσης οι καλύτεροι αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος. Ο άργυρος και ο χαλκός μεταφέρουν τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό καλύτερα και ο μόλυβδος και ο υδράργυρος λιγότερο.

Οι μηχανικοί αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της παροχής και της αφαίρεσης θερμότητας σε κάθε στροφή. Λειτουργεί ένας πυρηνικός σταθμός, που σημαίνει ότι σε πυρηνικός αντιδραστήραςαπελευθερώνεται μια τεράστια ποσότητα θερμικής ενέργειας, η οποία πρέπει να βγει το συντομότερο δυνατό για να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένας ηλεκτροκινητήρας περιστρέφεται, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης φουσκώνει, ένας λαμπτήρας ραδιοφώνου καίει, ένας πύραυλος πέφτει στην ατμόσφαιρα - εδώ έχουμε ήδη να κάνουμε με επιβλαβή θέρμανση, όταν η θερμότητα πρέπει να απορριφθεί γρήγορα. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι μηχανικοί θερμότητας ταράζουν το μυαλό τους για πολλές δεκαετίες, προσπαθώντας να επιταχύνουν την κίνηση των αργών ροών θερμότητας. Για να περάσει μόνο 10 κιλοβάτ θερμικής ενέργειας μέσα από μια χάλκινη ράβδο με διάμετρο 2 - 3 εκατοστά και μήκος λιγότερο από μισό μέτρο, χρειάζεται μια τεράστια θερμική κεφαλή. Το ένα άκρο της ράβδου θα έπρεπε να θερμανθεί τρεις φορές πιο ζεστό από την επιφάνεια του Ήλιου, στην πραγματικότητα να μετατραπεί σε ατμό, ενώ το άλλο θα έπρεπε να κρατήσει θερμοκρασία δωματίου. Αλλά ο χαλκός θεωρείται ένα από τα τους καλύτερους οδηγούςθερμότητα. Όσο για τον σωλήνα θερμότητας, με τις ίδιες διαστάσεις, θα περάσει τέτοια ενέργεια σχεδόν χωρίς αντίσταση και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των άκρων του δύσκολα μπορεί καν να μετρηθεί. Μόνο ένα χάλκινο μπλοκ με διάμετρο τριών μέτρων και βάρος 40 τόνων θα μπορούσε να έχει παρόμοια θερμική αγωγιμότητα.