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.
Источник
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.
Источник
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.
Источник
Теплофизические свойства материалов и изделий характеризуют отношение к действию на них тепловой энергии. Они включают в себя способность проводить (теплопроводность, температуропроводность), поглощать тепло (теплоемкость), сохранять или изменять свойства при изменении температур (тепло-, термо-, и морозостойкость, огнестойкость).
Показатели этих свойств используются для характеристики различных материалов и изделий, а также для определения их назначения.
Теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для повышения температуры материала на 1 °С в определенном интервале температур от до С2. Вычисляют теплоемкость (С, Дж/°С) по формуле
где Q — количество теплоты, Дж;
t2 и tx — соответственно начальная и конечная температура материала, °С.
Если теплоемкость отнести к определенному количеству вещества (г, кг), то получим удельную теплоемкость в Дж /(г · °С). Отношение удельной теплоемкости к единице массы вещества С/ га — это массовая теплоемкость, а к объему вещества — объемная теплоемкость. Удельная теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала.
Теплопроводность характеризует способность материала проводить тепло при разности температур между отдельными участками материала. Она зависит от химического состава, плотности, пористости, температуры и влажности материала.
Наибольшую теплопроводность имеют материалы высокой плотности. С увеличением пористости теплопроводность падает, т. е. материалы с большим количеством пор обладают низкой теплопроводностью. В обычных условиях поры заполнены воздухом, теплопроводность которого очень мала. Но при увеличении размеров пор и если они сообщаются и тем более если становятся сквозными, теплопроводность резко повышается за счет увеличения конвекции.
С повышением влажности теплопроводность пористых материалов возрастает, так как поры заполняются водой, а теплопроводность воды в 24 раза выше, чем воздуха. При увеличении скорости воздушного и теплового потоков и давления теплопроводность повышается.
Теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности А, Вт · м/(м2 · °С), который характеризует интенсивность теплопередачи и показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разности температур верхней и нижней поверхностей материала в 1 °С:
где Ф — тепловой поток, Вт;
? — толщина образца, м;
S — площадь пробы материала, м2;
tl~t2 — разность температур между поверхностями, °С.
Для некоторых материалов, используемых для изготовления одежды и обуви, наиболее важны обратные показатели теплопроводности: тепловое сопротивление, теплозащита. К таким показателям относятся тепловое сопротивление R, м2 · °С/ Вт, или удельное тепловое сопротивление р, м2 · °С/(Вт-м).
Материалы с малым коэффициентом теплопроводности (вата, мех, пенополиуретан) используют в качестве утеплителей при изготовлении зимней одежды, утепленной обуви.
Термическое расширение характеризует способность материала изменять размеры при изменении температуры. Учитывается при оценке качества материалов и изделий, которые эксплуатируются при резких изменениях температуры (режущий инструмент, стеклянная и керамическая посуда). Если материал имеет большое термическое расширение, то при резких колебаниях температуры изделие может разрушиться. Термическое расширение должно учитываться при производстве двухслойных материалов и изделий (глазурованных и эмалированных изделий, стеклоизделий с нацветом). Термическое расширение основного материала и эмали или основной и цветной стекломассы должно быть по возможности одинаковым.
Показателем термического расширения материалов является относительный температурный коэффициент, который зависит от химического состава, степени однородности вещества и наличия примесей. Различают линейный и объемный температурный коэффициенты в определенном интервале температур.
Коэффициент линейного расширения (а · 10’6) вычисляют по формуле
где А1 — изменение длины тела при изменении температуры на 1 °С, мм;
l2 — длина образца при конечной температуре t2, мм;
— длина образца при начальной температуре tv мм.
Коэффициент объемного расширения (?) рассчитывают по формуле
где V2 — объем тела при конечной температуре t2 °С, см3;
V1 — объем тела при начальной температуре ^ °С, см3;
V — изменение объема тела при изменении температуры на 1 °С, см3.
Коэффициент определяют на специальных приборах — дилатометрах. Увеличение коэффициента линейного расширения отрицательно влияет на термическую стойкость материалов. Материалы с высоким коэффициентом термического расширения (стекло и стеклоизделия) при незначительных колебаниях температуры разрушаются.
Теплостойкость характеризует способность материалов и изделий сохранять свойства при повышенных температурах. Теплостойкость (термостойкость) определяет стойкость к термической деструкции. Она оценивается по изменению свойств после нагрева и выдержки в нормальных условиях. Термостойкость имеет значение при оценке качества товаров, которые при эксплуатации подвергаются резкому нагреванию и охлаждению (стеклянная и керамическая посуда, режущий инструмент и др.). Она влияет на режим технологической обработки, условия эксплуатации, долговечность изделий.
Термическая стойкость изделий зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, коэффициента температурного расширения, коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоемкости, от модуля упругости, пористости, толщины, формы изделий, а также от состояния поверхности изделия, наличия тех или иных внутренних и наружных дефектов, острых граней и плавных переходов и от других факторов, т. е. имеет сложную зависимость.
Она тем больше, чем выше теплопроводность, механическая прочность и ниже модуль упругости и температурный коэффициент расширения. В последнем случае при резких колебаниях температуры в материале возникают внутренние напряжения, приводящие к его разрушению. С повышением пористости материала, если при этом не снижается прочность, термическая стойкость возрастает.
По термостойкости материалы и изделия подразделяются на термостойкие и жаростойкие. К термостойким относят материалы, предназначенные для эксплуатации при температуре 250—400 °С. Например, термостойкое текстильное волокно кевлар применяется для изготовления специальной одежды для пожарников, литейщиков. Жаростойкие материалы сохраняют свои эксплуатационные показатели при температуре 2000-2500 °С.
Огнестойкость определяет стойкость материалов и изделий к воздействию пламени огня. Она зависит от природы материала. По степени огнестойкости выделяют негорючие, трудно сгораемые и легкосгораемые материалы.
К негорючим относятся материалы, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются. Это металлические и силикатные материалы и изделия из них, а также некоторые виды пластических масс.
Материалы, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудно сгораемым (шерсть, кожа и др.).
Материалы и изделия, которые быстро воспламеняются и продолжают гореть и тлеть при удалении из пламени, относятся к легкосгораемым (хлопок, древесина, бумага и др.).
Источник