Materiale termoizolante. Alegerea materialelor termoizolante. Marea enciclopedie a petrolului și gazelor

Fiecare obiect poate servi drept „punte” prin care căldura va trece de la un corp mai încălzit la unul mai puțin încălzit.

Un astfel de pod este, de exemplu, o linguriță înmuiată într-un pahar de ceai fierbinte. Obiectele metalice conduc foarte bine căldura. Capătul lingurii din pahar se încălzește în doar o secundă.

Dacă trebuie să amestecați orice amestec fierbinte, atunci mânerul mixerului trebuie să fie din lemn sau plastic. Aceste solide conduc căldura de 1000 de ori mai rău decât metalele. Spunem „conduiți căldura”, dar ați putea spune la fel de bine „conduceți frigul”. Desigur, proprietățile corpului nu se schimbă în funcție de direcția în care trece fluxul de căldură prin el. În zilele geroase, avem grijă să nu atingem metalul cu mâinile goale, dar fără teamă luăm un mâner de lemn.

Conductorii săraci de căldură - sunt numiți și izolatori termici - includ lemn, cărămidă, sticlă și materiale plastice. Din aceste materiale sunt realizate pereții caselor, aragazelor și frigiderelor.

Toate metalele sunt bune conductoare. Cei mai buni conductori sunt cuprul și argintul - conduc căldura de două ori la fel de bine ca fierul.

Desigur, nu numai un corp solid poate servi drept „punte” pentru transferul de căldură. Lichidele conduc de asemenea căldura, dar. mult mai rău decât metalele. În ceea ce privește conductivitatea termică, metalele sunt de sute de ori superioare corpurilor nemetalice solide și lichide.

Pentru a arăta conductivitatea termică slabă a apei, ei fac un astfel de experiment. Într-o eprubetă cu apă, o bucată de gheață este fixată în partea de jos, iar partea de sus a eprubetei este încălzită pe un arzător cu gaz - apa începe să fiarbă, iar gheața încă nu se gândește să se topească. Dacă eprubeta ar fi fără apă și făcută din metal, atunci o bucată de gheață ar începe să se topească aproape imediat. Apa conduce căldura de aproximativ două sute de ori mai rău decât cuprul.

Gazele conduc căldura de zece ori mai rău decât corpurile nemetalice condensate. Conductivitatea termică a aerului este de 20.000 de ori mai mică decât cea a cuprului.

Conductivitatea termică slabă a gazelor vă permite să luați o bucată de gheață carbonică în mână, a cărei temperatură este de -78 ° C și chiar să țineți o picătură de azot lichid în palmă, care are o temperatură de -196 ° C . Dacă nu strângeți aceste corpuri reci cu degetele, atunci nu va exista „arsură”. Ideea este că cu un clocot foarte viguros, o picătură de lichid sau o bucată corp solid acoperit cu o „jachetă de abur”, iar stratul de gaz rezultat servește ca izolator termic.

Starea sferoidă a lichidului - așa-numita stare în care picăturile sunt învăluite în abur - se formează dacă apa cade pe o tigaie foarte fierbinte. O picătură de apă clocotită care cade pe palmă arde grav mâna, deși diferența de temperatură dintre apa clocotită și corpul uman mai mică decât diferența de temperatură dintre mână și aerul lichid. Mâna este mai rece decât o picătură de apă clocotită, căldura scapă din picătură, fierberea se oprește și nu se formează cămașă de abur.

Este ușor să ne dăm seama că cel mai bun izolator termic este vidul - golul. Nu există purtători de căldură în gol, iar conductivitatea termică va fi cea mai scăzută.

Deci, dacă vrem să creăm protecție termică; ascunde cald de frig sau rece de cald, cel mai bine este să construiți o coajă cu cu pereți dubliși pompați aer din spațiul dintre pereți. În acest caz, ne confruntăm cu următoarea circumstanță curioasă. Dacă, pe măsură ce gazul este rarefiat, urmărim modificarea conductibilității sale termice, atunci vom constata că până în momentul în care presiunea ajunge la câțiva milimetri de mercur, conductivitatea termică practic nu se modifică și numai la trecerea la un nivel superior. vid așteptările noastre sunt justificate - conductivitatea termică scade brusc.

Ce s-a întâmplat?

Pentru a înțelege acest fenomen, trebuie să încercăm să vizualizați în ce constă fenomenul de transfer de căldură într-un gaz.

Transferul de căldură dintr-un loc cald într-un loc rece are loc prin transferul de energie de la o moleculă la alta. Este clar că ciocnirile dintre moleculele rapide cu cele lente duc de obicei la accelerarea moleculelor lente și la decelerația celor rapide. Și asta înseamnă că un loc fierbinte va deveni mai rece, iar unul rece se va încălzi.

Cum afectează reducerea presiunii transferul de căldură? Deoarece o scădere a presiunii reduce densitatea, va scădea și numărul de întâlniri ale moleculelor rapide cu cele lente, la care se transferă energie, ceea ce ar reduce conductivitatea termică, dar, pe de altă parte, o scădere a presiunii duce la o creșterea căii libere medii a moleculelor, transferul de căldură pe distanțe lungi, iar acest lucru contribuie la creșterea conductibilității termice. Calculul arată că ambele efecte sunt echilibrate, iar capacitatea de a transfera căldură nu se schimbă de ceva timp atunci când aerul este pompat. afară.

Acesta va fi cazul până când vidul devine atât de semnificativ încât lungimea cursei este egală cu distanța dintre pereții vasului. Acum, o scădere suplimentară a presiunii nu mai poate modifica lungimea traseului moleculelor „atârnând” între pereți, scăderea densității nu este „echilibrată”, iar conductivitatea termică scade rapid proporțional cu presiunea, atingând valori neglijabile atunci când se atinge un vid înalt. Dispozitivul de termos se bazează pe utilizarea vidului. Termosele sunt foarte comune, sunt folosite nu numai pentru depozitarea alimentelor calde și reci, ci și în știință și tehnologie. În acest caz, se numesc, după numele inventatorului, vase Dewar. În astfel de vase (uneori sunt numite pur și simplu dewars), aerul lichid, azotul și oxigenul sunt transportate. Mai târziu vom explica cum se obțin aceste gaze în stare lichidă * .

* (Oricine a văzut sticle termos a observat că au întotdeauna părțile laterale placate cu argint. Și de ce? Faptul este că conductivitatea termică, despre care am vorbit, nu este singura modalitate de a transfera căldură. Există o altă metodă de transmitere, despre care vom discuta într-o altă carte - așa-numita radiație. În condiții normale, este mult mai slabă decât conductibilitatea termică, dar totuși destul de vizibilă. Pentru a atenua radiația, pereții termosului sunt placați cu argint.)

 

Arzătorul cu flacără trebuie ținut în mișcare în permanență pentru o încălzire uniformă. Gradul de încălzire al produsului este cel mai bine apreciat după începutul topirii lipitului; este necesar să se tragă concluzii cu privire la gradul de încălzire din culoarea părților încălzite cu mare grijă, deoarece percepția vizuală a acestor culori depinde în mare măsură de condițiile de iluminare ale locului de muncă. Când încălziți metale sau aliaje diferite, flacăra trebuie direcționată către unul dintre ele, care este cel mai bun conductor de căldură.

O trăsătură caracteristică a metalelor este un luciu metalic special, datorită capacității lor de a reflecta bine lumina. Există un anumit paralelism între reflectivitatea unui metal, conductivitatea lui electrică și conductibilitatea termică: cu cât metalul reflectă mai puternic lumina, cu atât este mai bun conductor de căldură și electricitate. Deci, cuprul, argintul și aurul sunt cele mai reflectorizante și sunt, de asemenea, cei mai buni conductori de căldură și electricitate.

Din exterior, metalele se caracterizează în primul rând printr-un luciu metalic special, după cum se spune. Motivul pentru această strălucire este că suprafața metalului reflectă puternic razele de lumină. O altă proprietate caracteristică a metalelor este capacitatea lor de a testa bine căldura și electricitatea și, de regulă, cu cât metalul reflectă mai puternic razele de lumină, cu atât este mai bine conductor de căldură și electricitate. Argintul, cuprul și aurul reflectă cel mai puternic razele de lumină; în același timp, au cea mai mare conductivitate termică și electrică.

Conductivitatea termică este proprietatea metalelor de a conduce căldura atunci când sunt încălzite. Cu cât metalul conduce mai bine căldura, cu atât se încălzește mai rapid și mai uniform. Conductivitatea termică a metalelor este de mare importanță practică.Dacă metalul are o conductivitate termică scăzută, atunci pentru încălzire completă, oi are nevoie de încălzire prelungită; la răcirea rapidă se formează totuși crăpături în el. Cei mai buni conductori de căldură sunt metalele pure - argint, cupru, aluminiu. Oțelul are o conductivitate termică mult mai scăzută.

Atomii metalici formează o rețea cristalină, în nodurile căreia, pe lângă atomii neutri, mai sunt și ioni încărcați pozitiv formați ca urmare a pierderii electronilor de valență de către unii dintre atomi. Electronii smulși din atomi se mișcă în întregul volum al metalului și nu aparțin niciunui atom anume. Datorită prezenței electronilor care se mișcă ușor, metalele sunt bune conductoare de electricitate și căldură. Cei mai buni conductori de căldură și electricitate sunt argintul, cuprul și aluminiul.

Conductivitatea termică este proprietatea metalelor de a conduce căldura atunci când sunt încălzite. Cu cât metalul conduce mai bine căldura, cu atât se încălzește mai rapid și mai uniform. Conductivitatea termică a metalelor este de mare importanță practică. Dacă metalul are o conductivitate termică scăzută, atunci pentru încălzire completă are nevoie de încălzire prelungită; cu răcire rapidă, se formează fisuri în ea, ceea ce duce la o căsătorie ireparabilă a produselor. Cei mai buni conductori de căldură sunt metalele pure - argint, cupru, aluminiu. Oțel datorită complexității compoziție chimică are o conductivitate termică mult mai mică.

Toate metalele au un luciu metalic, care se datorează capacității lor de a reflecta puternic razele de lumină. Majoritatea își păstrează strălucirea doar atunci când se află într-o masă continuă. Când sunt împărțite fin, majoritatea metalelor sunt negre sau gri, cu excepția magneziului și aluminiului. Metalele sunt bune conductoare de căldură și electricitate, iar cei mai buni conductori de căldură sunt și cei mai buni conductori. curent electric. Argintul și cuprul conduc cel mai bine căldura și electricitatea, iar plumbul și mercurul cel mai puțin.

Când temperatura scade dincolo de punctul de tranziție, heliul lichid începe brusc să conducă căldura într-un mod complet supranatural pentru un lichid, a spus Landau într-una dintre prelegerile sale populare. Probabil ați auzit că lichidele în general conduc foarte slab căldura, în special apa obișnuită nu conduce bine căldura. Alte lichide nu au cea mai bună conductivitate termică, cu excepția mercurului, care, ca toate metalele, este un bun dirijor căldură. Conduce prost căldura și heliul I, heliu lichid obișnuit. Și când temperatura scade la punctul de tranziție al heliului lichid de la heliu I la heliu II, începe să conducă căldura mai bine decât cei mai buni conductori de căldură - cupru și argint, iar schimbarea are loc brusc. Proprietatea unui transfer enorm de căldură, desigur, a atras imediat atenția și a arătat că mult mai surprinzător este ascuns în acest lichid de neînțeles.

Când temperatura scade dincolo de punctul de tranziție, heliul lichid începe brusc să conducă căldura într-un mod complet supranatural pentru un lichid, a spus Landau într-una dintre prelegerile sale populare. Probabil ați auzit că lichidele în general sunt foarte slabe conductoare de căldură, în special, apa obișnuită este, de asemenea, un slab conductor de căldură. Alte lichide nu au cea mai bună conductivitate termică, cu excepția mercurului, care, ca toate metalele, este un bun conductor de căldură. Conduce prost căldura și heliul I, heliu lichid obișnuit. Și când temperatura scade până la punctul de tranziție a heliului lichid de la heliu I la heliu II, acesta începe să conducă căldura mai bine decât cei mai buni conductori de căldură - cupru și argint, iar schimbarea are loc brusc. Proprietatea unui transfer enorm de căldură, desigur, a atras imediat atenția și a arătat că multe alte lucruri uimitoare erau ascunse în acest lichid de neînțeles.

Amplasarea metalelor în diferite locuri ale sistemului periodic de elemente chimice arată că multe dintre proprietățile lor ar trebui să varieze foarte mult. Odată cu aceasta, totuși, există unele proprietăți care sunt inerente tuturor metalelor. Metalele, cu excepția mercurului, sunt substanțe solide. Toate metalele au un luciu metalic caracteristic, care se datorează capacității lor de a reflecta puternic razele de lumină. Majoritatea își păstrează strălucirea doar atunci când se află într-o masă continuă. În formă fin divizată, majoritatea metalelor sunt negre sau gri. Metalele conduc bine căldura și electricitatea, iar cei mai buni conductori de căldură sunt, de asemenea, cei mai buni conductori de curent electric. Argintul și cuprul conduc cel mai bine căldura și electricitatea, iar plumbul și mercurul cel mai puțin.

Inginerii se confruntă cu problema furnizării și scoaterii căldurii la fiecare pas. Funcționează o centrală nucleară, ceea ce înseamnă că în reactor nuclear se eliberează o cantitate imensă de energie termică, care trebuie scoasă cât mai repede posibil pentru a fi transformată în energie electrică. Un motor electric se rotește, un motor cu ardere internă pufă, o lampă radio arde, o rachetă se prăbușește în atmosferă - aici avem deja de-a face cu încălzirea dăunătoare, când căldura trebuie eliminată rapid. Nu este surprinzător faptul că inginerii termici și-au bătut mintea de multe decenii, încercând să accelereze mișcarea fluxurilor lente de căldură. Pentru a trece doar 10 kilowați de energie termică printr-o tijă de cupru cu un diametru de 2 - 3 centimetri și o lungime mai mică de jumătate de metru, este nevoie de un cap termic uriaș. Un capăt al tijei ar trebui să fie încălzit de trei ori mai fierbinte decât suprafața Soarelui, de fapt transformat în abur, în timp ce celălalt ar trebui să păstreze temperatura camerei. Dar cuprul este considerat unul dintre cei mai buni ghizi căldură. În ceea ce privește conducta termică, cu aceleași dimensiuni, va trece o astfel de energie aproape fără rezistență, iar diferența de temperatură dintre capete cu greu poate fi măsurată. Doar un bloc de cupru cu un diametru de trei metri și o greutate de 40 de tone ar putea avea o conductivitate termică similară.