Šilumos laidumas (kondukcija): apibrėžimas, pavyzdžiai ir izoliacija

Sužinokite, kas yra šilumos laidumas (kondukcija), realūs pavyzdžiai ir efektyvios izoliacijos priemonės — aiškiai ir praktiškai pritaikoma informacija.

Šilumos laidumas (tai šilumos judėjimas iš vieno objekto į kitą per kontaktą, kai jų temperatūra skiriasi). Pavyzdžiui, kai šaltos rankos prisiliečia prie karšto vandens butelio, šiluma teka iš karštesnio objekto (butelio) į šaltesnį (ranką). Žmonės gamina skirtingo šilumos laidumo daiktus — vieni skirti greitai perduoti šilumą (pvz., metaliniai indai), kiti — ją sulaikyti (pvz., termoindai).

Kaip tai veikia

Šilumos laidumas vyksta per medžiagos dalelių tarpusavio sąveiką: šiltesni dalelės perduoda energiją šaltesnėms per kietąją medžiagą arba skystį. Fizikoje tai apibūdinama Fourier’io dėsniu: šilumos srautas proporcingas temperatūros gradientui. Praktikoje svarbūs parametrai yra medžiagos šilumos laidumo koeficientas (k), sluoksnio storis, paviršiaus plotas ir temperatūrų skirtumas.

Matematika ir vienetai

Fourier’io dėsnio supaprastinta forma viena dimensija: q = -k A (dT/dx), kur q — šilumos galia (W), k — šilumos laidumo koeficientas (W·m⁻¹·K⁻¹), A — skerspjūvio sritis (m²), dT/dx — temperatūros kitimas per atstumą (K/m). Dažnai naudinga naudoti ir šiluminę varžą R = L/(kA) (K/W), kuri rodo, kaip gerai sluoksnis priešinasi šilumos tėkmei.

Medžiagos: laidininkai ir izoliatoriai

• Geri laidininkai: metalai (varis, aliuminis) — turi didelį k ir greitai perduoda šilumą.
• Prasti laidininkai (izoliatoriai): oras, putos, stiklo vata, poliuretanas — mažas k, lėtina šilumos perdavimą.
• Kompozitai ir sluoksniuotos konstrukcijos: kombinuojant sluoksnius galima valdyti šilumos srautus; svarbu ir kontaktinė varža tarp sluoksnių.

Pavyzdžiai ir taikymai

Kasdienėje patirtyje šilumos laidumas matomas daugelyje situacijų: kepant maistą šiluma iš kaitvietės per kepimo indą pasiekia maistą; metalinis stiklas greičiau įšyla nei medinis. Termosai naudoja vakuumą ir atspindžius, kad sumažintų tiek laidumą, tiek šiluminį spinduliavimą — todėl karštas skystis ilgai išlieka karštas. Pastatuose stengiamasi sumažinti šilumos nuostolius izoliacinėmis medžiagomis ir išvengti šilumos tiltų (vietų, kur medžiaga turi didesnį šilumos laidumą).

Šilumos perdavimo būdai kartu

Be laidumo, šiluma gali būti perduodama ir per šiluminį spinduliavimą, ir per konvekciją. Dažnai visi trys mechanizmai veikia kartu — pavyzdžiui, langas praleidžia šilumą per stiklą (laidumas), per orą tarp stiklų (konvekcija) ir per infraraudoną spinduliavimą. Todėl projektavime ir izoliacijoje reikia atsižvelgti į visus tris.

Kaip sumažinti šilumos nuostolius

• Naudoti medžiagas su mažų k vertėmis (poliuretano putos, stiklo vata, polistirenas).
• Sumažinti kontaktinę plotą arba didinti sluoksnio storį (padidinti R reikšmę).
• Naudoti vakuuminius tarpelius (termosai, vakuuminės panelės) — vakuumas eliminuoja laidumą ir konvekciją.
• Naudoti atspindinčius paviršius siekiant sumažinti spinduliavimą.
• Sumažinti šilumos tiltus projektuojant konstrukcijas ir jungtis.

Papildomi pastebėjimai

Šilumos laidumas gali priklausyti nuo temperatūros ir medžiagos mikrostruktūros; kai kurios medžiagos yra anizotropinės (laidumas skiriasi kryptimis). Be to, skirtingose srityse (inžinerija, statyba, elektronika) svarbios yra tiek medžiagos k, tiek šiluminė difuzija α = k/(ρc), kuri lemia, kaip greitai temperatūra medžiagoje pasikeičia laike.

Apibendrinant: šilumos laidumas yra vienas iš pagrindinių šilumos perdavimo mechanizmų. Supratimas apie medžiagų laidumą ir konstrukcijų sprendimus leidžia efektyviau valdyti šilumą — šildant, vėsinant ar izoliuojant.

Šilumos laidumo dėsnis

Šilumos laidumo dėsnis, dar vadinamas Furjė dėsniu, reiškia, kad šilumos perdavimo per medžiagą greitis laike yra proporcingas neigiamam temperatūros gradientui ir plotui, per kurį teka šiluma, stačiu kampu šiam gradientui:

∂ Q ∂ t = - k ∮ S ∇ T ⋅ d S {\displaystyle {\frac {\dalinis Q}{\dalinis t}}=-k\oint _{S}{\nabla T\cdot \,dS}}

kur:

Q yra perduotos šilumos kiekis, o

t - laikas, per kurį užtrunka, ir

k - medžiagos šilumos laidumas' ir

S - plotas, per kurį teka šiluma, ir

T yra temperatūra.

Šilumos laidumas paprastai kinta priklausomai nuo temperatūros, tačiau kai kurių įprastų medžiagų atveju šis pokytis gali būti nedidelis, o kai kurių medžiagų temperatūrų diapazonas gali būti labai įvairus.

Linijinis šilumos srautas

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra šilumos laidumas?

K: Ar šilumos laidumas gali vykti tarp tos pačios temperatūros objektų?

K: Koks yra šilumos laidumo pavyzdys?

K: Kokios medžiagos skiriasi šilumos laidumu?

K: Ar yra kitų šilumos perdavimo būdų, išskyrus laidumą?

K: Ar visi šilumos perdavimo procesai vyksta atskirai?

K: Ar gali šilumos perdavimas vykti vakuume?

Paieška pagal raidę