Теплопроводность формула


Коэффициент теплопроводности материалов таблица, формулы

Термин «теплопроводность» применяется к свойствам материалов пропускать тепловую энергию от горячих участков к холодным. Теплопроводность основана на движении частиц внутри веществ и материалов. Способность передавать энергию тепла в количественном измерении – это коэффициент теплопроводности. Круговорот тепловой энергопередачи, или тепловой обмен, может проходить в любых веществах с неравнозначным размещением разных температурных участков, но коэффициент теплопроводности зависим от давления и температуры в самом материале, а также от его состояния – газообразного, жидкого или твердого. Эквивалентная теплопроводимость строительных материалов и утеплителей

 

Физически теплопроводность материалов равняется количеству тепла, которое перетекает через однородный предмет установленных габаритов и площади за определенный временной отрезок при установленной температурной разнице (1 К). В системе СИ единичный показатель, который имеет коэффициент теплопроводности, принято измерять в Вт/(м•К).

Как рассчитать теплопроводность по закону Фурье

В заданном тепловом режиме плотность потока при передаче тепла прямо пропорциональна вектору максимального увеличения температуры, параметры которой изменяются от одного участка к другим, и по модулю с одинаковой скоростью увеличения температуры по направлению вектора:

q = − ϰ х grad х (T), где:

  • q – направление плотности предмета, передающего тепло, или объем теплового потока, который протекает по участку за заданную временную единицу через определенную площадь, перпендикулярный всем осям;
  • ϰ – удельный коэффициент теплопроводности материала;
  • T – температура материала.
Перенос тепла в неравновесной термодинамической системе

 

Знак «-» в формуле перед «ϰ» указывает, что тепло движется в противоположном направлении от вектора grad х (T)/ – в направлении уменьшения температуры предмета. Эта формула отражает закон Фурье. В интегральном выражении коэффициент теплопередачи согласно закону Фурье будет выглядеть как формула:

  • P = − ϰ х S х ΔT / l, выражается в (Вт/(м•К) х (м2•К) / м = Вт/(м•К) х (м•К) = Вт), где:
  • P ­– общая мощность потерь теплоотдачи;
  • S – сечение предмета;
  • ΔT – разница температуры по стыкам сторон предмета;
  • l – расстояние между стыками сторон предмета – длина фигуры.
Связь коэффициента теплопроводимости с электропроводностью материалов

 

Электропроводность и коэффициент теплопередачи

Собственно, коэффициент теплопроводности металлов «ϰ» связан с их удельной электропроводимостью «σ» согласно закону Видемана-Франца, в соответствии с которым коэффициент теплопроводности металлов зависит от удельной электропроводимости прямо пропорционально температуре:

Κ / σ = π2 / 3 х (К / e)2 х T, где:

  • К – постоянный коэффициент Больцмана, устанавливающий закономерность между тепловой энергией тела и его температурой;
  • e – заряд электрона;
  • T – термодинамическая температура предмета.

Коэффициент теплопроводности газовой среды

В газовой среде коэффициент теплопроводности воздуха может рассчитываться по приблизительной формуле:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х Λλ х v, где:

  • pv – плотность газовой среды;
  • cv – удельная емкость тепловой энергии при одном и том же объеме тела;
  • Λλ – расстояние свободного перемещения молекул в газовой среде;
  • v – скорость передачи тепла.
Что такое теплопроводимость

 

Или:

ϰ = I x К / 3 x π3/3 x d2 √ RT / μ, где:

  • i – результат суммирования уровней свободы прямого движения и вращения молекул в газовой среде (для 2-атомных газов i=5, для 1-атомных i=3;
  • К – коэффициент Больцмана;
  • μ – отношение массы газа к количеству молей газа;
  • T – термодинамическая температура;
  • d – ⌀ молекул газа;
  • R – универсальный коэффициент для газовой среды.

Согласно формуле минимальная теплопроводность материалов существует у тяжелых инертных газов, максимально эффективная теплопроводность строительных материалов – у легких.

Теплопроводимость в газовой разреженной среде

Газовая среда и теплопроводность

 

Результат по выкладкам выше, по которым делают расчет теплопроводности для газовой среды, от давления не зависит. Но в очень разреженной газовой среде расстояние свободного перемещения молекул зависит не от столкновений частиц, а от препятствий в виде стен резервуара. При этом ограничение перемещения молекул в соответствующих единицах измерения называют высоковакуумной средой, при которой степень теплообмена уменьшается в зависимости от плотности материала и прямо пропорциональна значению давления в резервуаре:

ϰ ~ 1/3 х p х cv х l х v, где:

i – объем резервуара;

Р – уровень давления в резервуаре.

Согласно этой формуле теплопроводность в вакуумной среде стремится к нулевой отметке при глубоком вакууме. Это объясняется тем, что в вакууме частицы, которые передают тепловую энергию, имеют низкую плотность на единицу площади. Но тепловая энергия в вакуумной среде перетекает посредством излучения. В качестве примера можно привести обычный термос, в котором для уменьшения потерь тепловой энергии стенки должны быть двойными и посеребренными, без воздуха между ними. Что такое тепловое излучение

 

При применении закона Фурье не принимают во внимание инерционность перетекания тепловой энергии, а это значит, что имеется в виду мгновенная передача тепла из любой точки на любое расстояние. Поэтому формулу нельзя использовать для расчетов передачи тепла при протекании процессов, имеющих высокую частоту повторения. Это ультразвуковое излучение, передача тепловой энергии волнами ударного или импульсного типа и т.д. Существует решение по закону Фурье с релаксационным членом:

τ х ∂q / ∂t = − (q + ϰ х ∇T) .

Если ре­лак­са­ция τ мгновенная, то формула превращается в закон Фурье.

Ориентировочная таблица теплопроводности материалов:

Основа Значение теплопроводности, Вт/(м•К)
Жесткий графен 4840 +/ 440 – 5300 +/ 480
Алмаз 1001-2600
Графит 278,4-2435
Бора арсенид 200-2000
SiC 490
Ag 430
Cu 401
BeO 370
Au 320
Al 202-236
AlN 200
BN 180
Si 150
Cu3Zn2 97-111
Cr 107
Fe 92
Pt 70
Sn 67
ZnO 54
 Черная сталь 47-58
Pb 35,3
Нержавейка Теплопроводность стали – 15
SiO2 8
Высококачественные термостойкие пасты 5-12
Гранит

(состоит из SiO2 68-73 %; Al2O3 12,0-15,5 %; Na2O 3,0-6,0 %; CaO 1,5-4,0 %; FeO 0,5-3,0 %; Fe2O3 0,5-2,5 %; К2О 0,5-3,0 %; MgO 0,1-1,5 %; TiO2 0,1-0,6 %)

2,4
Бетонный раствор без заполнителей 1,75
Бетонный раствор со щебнем или с гравием 1,51
Базальт

(состоит из SiO2 – 47-52%, TiO2 – 1-2,5%, Al2O3 – 14-18%, Fe2O3 – 2-5%, FeO – 6-10%, MnO – 0,1-0,2%, MgO – 5-7%, CaO – 6-12%, Na2O – 1,5-3%, K2O – 0,1-1,5%, P2O5 – 0,2-0,5 %)

1,3
Стекло

(состоит из SiO2, B2O3, P2O5, TeO2, GeO2, AlF3 и т.д.)

1-1,15
Термостойкая паста КПТ-8 0,7
Бетонный раствор с наполнителем из песка, без щебня или гравия 0,7
Вода чистая 0,6
Силикатный

или красный кирпич

0,2-0,7
Масла

на основе силикона

0,16
Пенобетон 0,05-0,3
Газобетон 0,1-0,3
Дерево Теплопроводность дерева – 0,15
Масла

на основе нефти

0,125
Снег 0,10-0,15
ПП с группой горючести Г1 0,039-0,051
ЭППУ с группой горючести Г3, Г4 0,03-0,033
Стеклянная вата 0,032-0,041
Вата каменная 0,035-0,04
Воздушная атмосфера (300 К, 100 кПа) 0,022
Гель

на основе воздуха

0,017
Аргон (Ar) 0,017
Вакуумная среда 0

Приведенная таблица теплопроводности учитывает теплопередачу посредством теплового излучения и теплообмена частиц. Так как вакуум не передает тепло, то оно перетекает при помощи солнечного излучения или другого типа генерации тепла.  В газовой или жидкой среде слои с разной температурой смешиваются искусственно или естественным способом.

Таблица теплопроводимости стройматериалов

 

Проводя расчет теплопроводности стены, необходимо принимать во внимание, что теплопередача сквозь стеновые поверхности меняется от того, что температура в здании и на улице всегда разная, и зависит от площади всех поверхностей дома и от теплопроводности стройматериалов.

Чтобы количественно оценить теплопроводность, ввели такое значение, как коэффициент теплопроводности материалов. Он показывает, как тот или иной материал способен передавать тепло. Чем выше это значение, например, коэффициент теплопроводности стали, тем эффективнее сталь будет проводить тепло.

  • При утеплении дома из древесины рекомендуется выбирать стройматериалы с низким коэффициентом.
  • Если стена кирпичная, то при значении коэффициента 0,67 Вт/(м2•К) и толщине стены 1 м при ее площади 1 м2 при разнице наружной и внутридомовой температуры 10С кирпич будет пропускать 0,67 Вт энергии. При разнице температур 100С кирпич будет пропускать 6,7 Вт и т.д.

Стандартное значение коэффициента теплопроводимости теплоизоляции и других строительных материалов верно для толщины стены 1 м. Чтобы провести расчет теплопроводности поверхности другой толщины, следует коэффициент поделить на выбранное значение толщины стены (метры). Ориентировочные показатели коэффициентов теплопроводимости

 

В СНиП и при проведении расчетов фигурирует термин «тепловое сопротивление материала», он означает обратную теплопроводность. То есть при теплопроводности листа пенопласта 10 см и его теплопроводности 0,35 Вт/(м2•К) тепловое сопротивление листа – 1 / 0,35 Вт/(м2•К) = 2,85 (м2•К)/Вт.

Ниже – таблица теплопроводности для востребованных строительных материалов и теплоизоляторов:

Стройматериалы Коэффициент теплопроводимости, Вт/(м2•К)
Плиты из алебастра 0,47
Al 230
Шифер асбоцементный 0,35
Асбест (волокно, ткань) 0,15
Асбоцемент 1,76
Асбоцементные изделия 0,35
Асфальт 0,73
Асфальт для напольного покрытия 0,84
Бакелит 0,24
Бетон с заполнителем щебнем 1,3
Бетон с заполнителем песком 0,7
Пористый бетон – пено- и газобетон 1,4
Сплошной бетон 1,75
Термоизоляционный бетон 0,18
Битумная масса 0,47
Бумажные материалы 0,14
Рыхлая минвата 0,046
Тяжелая минвата 0,05
Вата – теплоизолятор на основе хлопка 0,05
Вермикулит в плитах или листах 0,1
Войлок 0,046
Гипс 0,35
Глиноземы 2,33
Гравийный заполнитель 0,93
Гранитный или базальтовый заполнитель 3,5
Влажный грунт, 10% 1,75
Влажный грунт, 20% 2,1
Песчаники 1,16
Сухая почва 0,4
Уплотненный грунт 1,05
Гудроновая масса 0,3
Доска строительная 0,15
Фанерные листы 0,15
Твердые породы дерева 0,2
ДСП 0,2
Дюралюминиевые изделия 160
Железобетонные изделия 1,72
Зола 0,15
Известняковые блоки 1,71
Раствор на песке и извести 0,87
Смола вспененная 0,037
Природный камень 1,4
Картонные листы из нескольких слоев 0,14
Каучук пористый 0,035
Каучук 0,042
Каучук с фтором 0,053
Керамзитобетонные блоки 0,22
Красный кирпич 0,13
Пустотелый кирпич 0,44
Полнотелый кирпич 0,81
Сплошной кирпич 0,67
Шлакокирпич 0,58
Плиты на основе кремнезема 0,07
Латунные изделия 110
Лед при температуре 00С 2,21
Лед при температуре -200С 2,44
Лиственное дерево при влажности 15% 0,15
Медные изделия 380
Мипора 0,086
Опилки для засыпки 0,096
Сухие опилки 0,064
ПВХ 0,19
Пенобетон 0,3
Пенопласт марки ПС-1 0,036
Пенопласт марки ПС-4 0,04
Пенопласт марки ПХВ-1 0,05
Пенопласт марки ФРП 0,044
ППУ марки ПС-Б 0,04
ППУ марки ПС-БС 0,04
Лист из пенополиуретана 0,034
Панель из пенополиуретана 0,024
Облегченное пеностекло 0,06
Тяжелое вспененное стекло 0,08
Пергаминовые изделия 0,16
Перлитовые изделия 0,051
Плиты на цементе и перлите 0,085
Влажный песок 0% 0,33
Влажный песок 0% 0,97
Влажный песок 20% 1,33
Обожженный камень 1,52
Керамическая плитка 1,03
Плитка марки ПМТБ-2 0,035
Полистирол 0,081
Поролон 0,04
Раствор на основе цемента без песка 0,47
Плита из натуральной пробки 0,042
Легкие листы из натуральной пробки 0,034
Тяжелые листы из натуральной пробки 0,05
Резиновые изделия 0,15
Рубероид 0,17
Сланец 2,100
Снег 1,5
Хвойная древесина влажностью 15% 0,15
Хвойная смолистая древесина влажностью 15% 0,23
Стальные изделия 52
Стеклянные изделия 1,15
Утеплитель стекловата 0,05
Стекловолоконные утеплители 0,034
Стеклотекстолитовые изделия 0,31
Стружка 0,13
Тефлоновое покрытие 0,26
Толь 0,24
Плита на основе цементного раствора 1,93
Цементно-песчаный раствор 1,24
Чугунные изделия 57
Шлак в гранулах 0,14
Шлак зольный 0,3
Шлакобетонные блоки 0,65
Сухие штукатурные смеси 0,22
Штукатурный раствор на основе цемента 0,95
Эбонитовые изделия 0,15
Влажность и теплопроводимость – зависимость

 

Кроме того, необходимо учитывать теплопроводность утеплителей из-за их струйных тепловых потоков. В плотной среде возможно «переливание» квазичастиц из одного нагретого стройматериала в другой, более холодный или более теплый, через поры субмикронных размеров, что помогает распространять звук и тепло, даже если в этих порах  будет абсолютный вакуум.

Коэффициент теплопроводности, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплопроводности

Коэффициентом теплопроводности является физическая величина, которая характеризует способность вещества проводить тепло.

Обозначают коэффициент теплопроводности по-разному. Встречаются обозначения: K, и некоторые другие.

Коэффициент теплопроводности газа

В соответствии с кинетической теорией для газа коэффициент теплопроводности равен:

   

где — средняя скорость теплового движения молекул, — средняя длин свободного пробега молекулы, — плотность газа, — удельная теплоемкость газа в изохорном процессе.

Коэффициент теплопроводности металлов

Металлы являются хорошими проводниками тепла. Теплопроводность в металлах реализуется при помощи (в основном) посредством того, что энергию переносят свободные электроны. Коэффициент электронной теплопроводности металлов вычисляют при помощи формулы:

   

где — постоянная Больцмана, — концентрация электронов в металле, — длина свободного пробега, которая соответствует границе энергии Ферми () для распределения электронов по температурам при T=0K, — масса электрона, — средняя скорость свободного пробега для тех же условий, что и .

Для идеального электронного газа выражение (2) преобразуется к виду:

   

где — средняя длина свободного пробега, — средняя скорость теплового движения электронов.

Надо отметить, что теплопроводность, которая осуществляется кристаллической решеткой металлов существенно меньше, чем электронная. Ее можно рассчитать для кристаллов, рассматривая перемещение фотонов по кристаллу, при помощи формулы:

   

где с — теплоемкость единицы объема, — скорость звука, — длина свободного пробега фотона

Коэффициент теплопроводности и уравнение Фурье

Коэффициент теплопроводности входит в основное уравнение, которое описывает явление переноса тепла или уравнение Фурье. Явление теплопроводности появляется , если имеется градиент температуры. В одномерном стационарном случае уравнение Фурье можно записать как:

   

где помимо коэффициента теплопроводности () имеются: — количество теплоты, которое переносится через площадку в направлении, которое совпадает с направлением нормали к , в направлении уменьшения температуры, — градиент температуры. В нашем случае

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплопроводности в системе СИ является:

=Вт/м•К

Примеры решения задач

§ 4. Теплопроводность; уравнение диффузии . Том 2. Электромагнетизм и материя

Чтобы привыкнуть к теореме, разберем на примере, как ее применяют. Обратимся опять к распространению тепла, скажем в металле. Рассмотрим совсем простой случай: все тепло было подведено к телу заранее, а теперь тело остывает. Источников тепла нет, так что количество тепла сохраняется. Сколько же тогда тепла должно оказаться внутри некоего определенного объема в какой-то момент времени? Оно должно уменьшаться как раз на то количество, которое уходит с поверхности объема. Если этот объем — маленький кубик, то, следуя формуле (3.17), можно написать

(3.19)

Но это должно быть равно скорости потери тепла внутренностью куба. Если q — количество тепла в единице объема, то весь запас тепла в кубе q?V, а скорость потерь равна

(3.20)

Сравнивая (3.19) с (3.20), мы видим, что

(3.21)

Внимательно вглядитесь в форму этого уравнения; эта форма часто встречается в физике. Она выражает закон сохранения, в данном случае закон сохранения тепла. В уравнении (3.13) тот же физический факт был выражен иначе. Там была интегральная форма уравнения сохранения, а здесь у нас — дифференциальная форма.

Уравнение (3.21) мы получили, применив формулу (3.13) к бесконечно малому кубу. Можно пойти и по другому пути. Для большого объема V, ограниченного поверхностью S, закон Гаусса утверждает, что

(3.22)

Интеграл в правой части можно, используя (3.21), преобразовать как раз к виду -dQ/dt, и тогда получится формула (3.13).

Теперь рассмотрим другой случай. Представим, что в блоке вещества имеется маленькая дырочка, а в ней идет химическая реакция, генерирующая тепло. Можно еще представить себе, что к маленькому сопротивлению внутри блока подведены проволочки, нагревающие его электрическим током. Предположим, что тепло создается практически в одной точке, а W представляет собой энергию, возникающую в этой точке за секунду. В остальной же части объема пусть тепло сохраняется и, кроме того, пусть генерация тепла началась так давно, что сейчас температура уже нигде больше не изменяется. Вопрос состоит в следующем: как выглядит вектор потока тепла h в разных точках металла? Сколько тепла перетекает через каждую точку?

Мы знаем, что если мы будем интегрировать нормальную составляющую h по замкнутой поверхности, окружающей источник, то всегда получится W. Все тепло, которое генерируется в точечном источнике, должно протечь через поверхность, ибо предполагается, что поток постоянен. Перед нами трудная задача отыскания такого векторного поля, которое после интегрирования по произвольной поверхности всегда давало бы W. Но мы сравнительно легко можем найти это поле, выбрав поверхность специального вида. Возьмем сферу радиусом R с центром в источнике и предположим, что поток тепла радиален (фиг. 3.6).

Фиг. 3.6. В области близ точечного источника поток тепла направлен по радиусу наружу.

Интуиция нам подсказывает, что h должен быть направлен по радиусу, если блок вещества велик и мы не приближаемся слишком близко к его границам; кроме того, величина h во всех точках сферы должна быть одинакова. Вы видите, что для получения ответа к нашим выкладкам мы вынуждены добавить известное количество домыслов (обычно это именуют «физической интуицией»).

Когда h радиально и сферически симметрично, интеграл от нормальной компоненты h по площади поверхности вычисляется очень просто, потому что нормальная компонента в точности равна h и постоянна. Площадь, по которой интегрируется, равна 4?R2. Тогда мы получаем

(3.23)

где h — абсолютная величина h. Этот интеграл должен быть равен W — скорости, с которой источник генерирует тепло. Получается

или

(3.24)

где, как всегда, er обозначает единичный вектор в радиальном направлении. Этот результат говорит нам, что h пропорционален W и меняется обратно квадрату расстояния от источника.

Только что полученный результат применим к потоку тепла вблизи точечного источника тепла. Теперь попытаемся найти уравнения, которые справедливы для теплового потока самого общего вида (придерживаясь единственного условия, что количество тепла должно сохраняться). Нас будет интересовать только то, что происходит в местах вне каких-либо источников или поглотителей тепла.

Дифференциальное уравнение распространения тепла было получено в гл. 2. В соответствии с уравнением (2.44),

(3.25)

(Помните, что это соотношение приближенное, но для некоторых веществ вроде металлов выдерживается неплохо.) Применимо оно, конечно, только в тех частях тела, где нет ни выделения, ни поглощения тепла. Выше мы вывели другое соотношение (3.21), которое выполняется тогда, когда количество тепла сохраняется. Если мы это уравнение скомбинируем с (3.25), то получим

или

(3.26)

если ? — величина постоянная. Напоминаю, что q — это количество тепла в единичном объеме, а ?·?=?2 — лапласиан, т. е. оператор

Если мы теперь сделаем еще одно допущение, сразу возникнет одно очень интересное уравнение. Допустим, что температура материала пропорциональна содержанию тепла в единице объема, т. е. что у материала есть определенная удельная теплоемкость. Когда это допущение верно (а так бывает часто), мы можем писать

или

(3.27)

Скорость изменения количества тепла пропорциональна скорости изменения температуры. Коэффициент пропорциональности cv здесь — удельная теплоемкость на единицу объема материала. Подставляя (3.27) в (3.26), получаем

(3.28)

Мы обнаружили, что быстрота изменения со временем температуры Т в каждой точке пропорциональна лапласиану от Т, т. е. вторым производным от пространственного распределения температур. Мы имеем дифференциальное уравнение — в переменных х, у, z и t — для температуры Т.

Дифференциальное уравнение (3.28) называется уравнением диффузии тепла, или уравнением теплопроводности. Часто его пишут в виде

(3.29)

где D — постоянная. Она равна ?/cv.

Уравнение диффузии появляется во многих физических задачах: о диффузии газов, диффузии нейтронов и других. Мы уже обсуждали физику некоторых таких явлений в вып. 4, гл. 43. Теперь перед вами полное уравнение, описывающее диффузию в самом общем виде. Немного позже мы займемся решением уравнения диффузии, чтобы посмотреть, как распределяется температура в некоторых случаях. А сейчас вернемся к рассмотрению других теорем о векторных полях.

таблицы при различных температурах и давлениях

Теплопроводность воздуха в зависимости от температуры при атмосферном давлении

В таблице приведены значения теплопроводности воздуха λ в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.

Величина коэффициента теплопроводности воздуха необходима при расчетах теплообмена и входит в состав чисел подобия, например таких, как число Прандтля, Нуссельта, Био.

Теплопроводность выражена в размерности Вт/(м·град) и дана для газообразного воздуха в интервале температуры от -183 до 1200°С. Например, при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении теплопроводность воздуха равна 0,0259 Вт/(м·град).

При низких отрицательных температурах охлажденный воздух имеет малую теплопроводность, например при температуре минус 183°С, она составляет всего 0,0084 Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность воздуха увеличивается. Так, при увеличении температуры с 20 до 1200°С, величина теплопроводности воздуха возрастает с 0,0259 до 0,0915 Вт/(м·град), то есть более чем в 3,5 раза.

Теплопроводность воздуха в зависимости от температуры — таблица
t, °С λ, Вт/(м·град) t, °С λ, Вт/(м·град) t, °С λ, Вт/(м·град) t, °С λ, Вт/(м·град)
-183 0,0084 -30 0,022 110 0,0328 450 0,0548
-173 0,0093 -20 0,0228 120 0,0334 500 0,0574
-163 0,0102 -10 0,0236 130 0,0342 550 0,0598
-153 0,0111 0 0,0244 140 0,0349 600 0,0622
-143 0,012 10 0,0251 150 0,0357 650 0,0647
-133 0,0129 20 0,0259 160 0,0364 700 0,0671
-123 0,0138 30 0,0267 170 0,0371 750 0,0695
-113 0,0147 40 0,0276 180 0,0378 800 0,0718
-103 0,0155 50 0,0283 190 0,0386 850 0,0741
-93 0,0164 60 0,029 200 0,0393 900 0,0763
-83 0,0172 70 0,0296 250 0,0427 950 0,0785
-73 0,018 80 0,0305 300 0,046 1000 0,0807
-50 0,0204 90 0,0313 350 0,0491 1100 0,085
-40 0,0212 100 0,0321 400 0,0521 1200 0,0915

Теплопроводность воздуха в жидком и газообразном состояниях при низких температурах и давлении до 1000 бар

В таблице приведены значения теплопроводности воздуха при низких температурах и давлении до 1000 бар.
Теплопроводность выражена в Вт/(м·град), интервал температуры от 75 до 300К (от -198 до 27°С).

Величина теплопроводности воздуха в газообразном состоянии увеличивается с ростом давления и температуры.
Воздух в жидком состоянии с ростом температуры имеет тенденцию к снижению коэффициента теплопроводности.

Черта под значениями в таблице означает переход жидкого воздуха в газ — цифры под чертой относятся к газу, а выше ее — к жидкости.
Смена агрегатного состояния воздуха существенно сказывается на значении коэффициента теплопроводности — теплопроводность жидкого воздуха значительно выше.

Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность газообразного воздуха при температуре от 300 до 800К и различном давлении

В таблице приведены значения теплопроводности воздуха при различных температурах в зависимости от давления от 1 до 1000 бар.
Теплопроводность выражена в Вт/(м·град), интервал температуры от 300 до 800К (от 27 до 527°С).

По данным таблицы видно, что с ростом температуры и давления теплопроводность воздуха увеличивается.
Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность воздуха при высоких температурах и давлении от 0,001 до 100 бар

В таблице приведены значения теплопроводности воздуха при высоких температурах и давлении от 0,001 до 1000 бар.
Теплопроводность выражена в Вт/(м·град), интервал температуры от 1500 до 6000К (от 1227 до 5727°С).

С ростом температуры молекулы воздуха диссоциирует и максимальное значение его теплопроводности достигается при давлении (разряжении) 0,001 атм. и температуре 5000К.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000!

Источники:

  1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.
  2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.

Сопротивление теплопередаче стеклопакета таблица, гост, формула

Насколько эффективно окна будут выполнять теплозащитную функцию, профессионалы устанавливают при помощи специальных расчетов. Качество теплоизолирующих свойств стеклопакета, в соответствии с ГОСТ 26602.1-99, 24866-99 определяет такой показатель, как сопротивление теплопередаче [R0].

Как проводится измерение показателя (сопротивления теплопередаче коэффициента R0)

Потери тепла иногда количественно определяются с точки зрения теплосопротивления стеклопакета или коэффициента сопротивления теплопередаче R0. Это значение, обратное коэффициенту теплопередачи U. R = 1/U (при переводе Европейских коэффициентов U в Российские R0 не следует забывать, что наружные температуры, используемые для расчетов, сильно отличаются).

В свою очередь, коэффициент теплопередачи U, характеризует способность конструкции передавать тепло. Физический смысл ясен из его размерности. U = 1 Вт/м2С – поток тепла в 1 Ватт, проходящий через кв. метр остекление при разнице температуры (снаружи и внутри) в 1 градус по Цельсию (В Европейских странах коэффициент теплопроводности остекления рассчитывается согласно EN 673). Чем меньше получаемое в результате число, тем лучше теплоизоляционная функция светопрозрачной конструкции.

Надежные компании-производители светопрозрачных конструкций ставят коэффициент сопротивления теплопередаче стеклопакета в зависимость не только от качества самой конструкции, но и от применения особых технологических операций в процессе изготовления продукции, например, нанесения специального магнетронного, солнцезащитного и энергосберегающего покрытия на поверхность стекла, специальных технологий герметизации, заполнения междустекольного пространства инертными газами и т.п.

В результате этот показатель характеризует не только конкретную функцию теплозащиты, но и качество всего производственного процесса, и качество готового продукта. Эту величину рекомендуется держать под контролем и измерять регулярно - и на различных этапах изготовления, и, с особой тщательностью, на готовых образцах продукции.

Как показатель влияет на выбор стеклопакета?

В каждом регионе, а также в крупных городах нашей страны действуют определенные строительные нормы, в которых указаны требуемые показатели R0тр для стеклопакета строительного назначения. В первую очередь, на них должны ориентироваться застройщики. Но практика показывает, что эти правила соблюдаются далеко не всегда. Поэтому для удобства выбора оконных конструкций STiS мы подготовили специальную таблицу с указанием сопротивления стеклопакетов теплопередаче. Ознакомившись с ней, вы можете убедиться, насколько высоко качество нашей продукции по этому показателю, а также определиться с подходящей конструкцией для остекления своего помещения.

Формула стеклопакета 1 Приведенное сопротивление теплопередаче, м2×°С/Вт
4М1-12-4М1 0,30
4М1-Аг12-4М1 0,32
4M1-16-И4 0,59
4M1-Ar16-И4 0,66
4M1-10-4M1-10-4M1 0,47
4M1-12-4M1-12-4M1 0,49
4M1-Ar10-4M1-Ar10-4M1 0,49
4M1-Ar12-4M1-Ar12-4M1 0,52
4M1-12-4M1-12-И4 0,68
4M1-16-4M1-16-И4 0,72
4M1-Ar6-4M1-Ar6-И4 0,64
4M1-Ar10-4M1-Ar10-И4 0,71
4M1-Ar12-4M1-Ar12-И4 0,75
4М1-Аr16-4М1-Аr16-И4 0,80
4SPGU-14S-4M1-14S-4M1 Теплопакет® 2.0 0,82
4SPGU-16S-4M1 Теплопакет® 2.0 0,57

Приведенное сопротивление теплопередаче для стеклопакетов указано с учетом всех технологических и производственных особенностей наших продуктов – использования мультифункциональных и низкоэмиссионных стекол, заполнения междустекольного пространства аргоном - газом с низкой теплопроводностью, применения в конструкциях фирменной теплой дистанционной рамки, специальных герметизирующих материалов, солнцезащитного, энергосберегающего покрытий и иных прогрессивных элементов и комплектующих.

  1. Расшифровку обозначений формул стеклопакета можно посмотреть здесь.

Коэффициенты теплопроводности изоляции

1

Асбестовый матрац, заполненный совелитом

0,087+0,00012* tт

2

Асбестовый матрац, заполненный стекловолокном

0,058+0,00023* tт

3

Асботкань в несколько слоев

0,13+0,00026* tт

4

Асбестовый шнур

0,12+0,00031* tт

5

Асбестовый шнур (ШАОН)

0,13+0,00026* tт

6

Асбопухшнур (ШАП)

0,093+0,0002* tт

7

Асбовермикулитовые изделия марки 250

0,081+0,00023* tт

8

Асбовермикулитовые изделия марки 300

0,087+0,00023* tт

9

Битумоперлит

0,12+0,00023* tт

10

Битумокерамзит

0,13+0,00023* tт

11

Битумовермикулит

0,13+0,00023* tт

12

Вулканитовые плиты марки 300

0,074+0,00015* tт

13

Диатомовые изделия марки 500

0,116+0,00023* tт

14

Диатомовые изделия марки 600

0,14+0,00023* tт

15

Известково-кремнеземистые изделия марки 200

0,069+0,00015* tт

16

Маты минераловатные прошивные марки 100

0,045+0,0002* tт

17

Маты минераловатные прошивные марки 125

0,049+0,0002* tт

18

Маты и плиты из минеральной ваты марки 75

0,043+0,00022* tт

19

Маты и полосы из непрерывного стекловолокна

0,04+0,00026* tт

20

Маты и плиты стекловатные марки 50

0,042+0,00028* tт

21

Пенобетонные изделия

0,11+0,0003* tт

22

Пенопласт ФРП-1 и резопен группы 100

0,043+0,00019* tт

23

Пенополимербетон

0,07

24

Пенополиуретан

0,05

25

Перлитоцементные изделия марки 300

0,076+0,000185* tт

26

Перлитоцементные изделия марки 350

0,081+0,000185* tт

27

Плиты минераловатные полужесткие марки 100

0,044+0,00021* tт

28

Плиты минераловатные полужесткие марки 125

0,047+0,000185* tт

29

Плиты и цилиндры минераловатные марки 250

0,056+0,000185* tт

30

Плиты стекловатные полужесткие марки 75

0,044+0,00023* tт

31

Полуцилиндры и цилиндры минераловатные марки 150

0,049+0,0002* tт

32

Полуцилиндры и цилиндры минераловатные марки 200

0,052+0,000185* tт

33

Совелитовые изделия марки 350

0,076+0,000185* tт

34

Совелитовые изделия марки 400

0,078+0,000185* tт

35

Скорлупы минераловатные оштукатуренные

0,069+0,00019* tт

36

Фенольный поропласт ФЛ монолит

0,05

37

Шнур минераловатный марки 200

0,056+0,000185* tт

38

Шнур минераловатный марки 250

0,058+0,000185* tт

39

Шнур минераловатный марки 300

0,061+0,000185* tт

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

http://secretary.rid.go.th/ http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/ https://esperanza.eastern.edu/ https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/ https://www.osgoode.yorku.ca bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

Теплопроводность - Medianauka.pl


© blueringmedia — stock.adobe.com

Теплопроводность - явление самопроизвольного выравнивания температуры во всем объеме физического тела без макроскопического движения вещества. Здесь мы имеем дело с потоком энергии в виде тепла.

Различные вещества по-разному проводят тепло. Медленнее всего этот процесс протекает в газах, намного быстрее в жидкостях и быстрее всего (за исключением избытка гелия) в металлах.Мерой скорости теплового потока является так называемый коэффициент теплопроводности.

Методы теплопередачи

Ниже перечислены методы передачи тепла:

  • конвекция,
  • теплопроводность,
  • излучение.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности или теплопроводность — константа пропорциональности, найденная в Фурье , характерная для данного вещества и являющаяся мерой скорости теплового потока за счет теплопроводности.

Единица измерения коэффициента электропроводности: Дж / (К·м · с) = Вт / (К·м).

Чем больше значение этого коэффициента для данного вещества, тем лучше оно проводит тепло.

Закон Фурье

Плотность проводимого теплового потока q , т. е. количество энергии, протекающей в виде тепла в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению потока энергии, прямо пропорционально градиенту температуры:

где:

  • q - плотность теплового потока,
  • λ - коэффициент теплопроводности,
  • T - Температура в Кельвинах,
  • - производная температуры в направлении, перпендикулярном изотермической поверхности.

Еще другие подобные величины используются в физике и технике. Это, среди прочего, коэффициент теплопроводности , равный отношению коэффициента теплопроводности к удельной теплоемкости.

Массивы

К сожалению, теплопроводность зависит от многих факторов и не только от типа вещества. Это зависит от термодинамических условий и строения вещества. В таблицах обычно приводятся средние значения коэффициента для данной температуры.

Следующие коэффициенты теплопроводности при 25°С.

Вещество Коэффициент теплопроводности λ [Вт/(К·м)]
хлор 0,008
двуокись углерода 0,017
воздух 0,026
гелий 0,155
водород 0,185
керосин 0,15
этанол 0,167
глицерин 0,285
вода 0,606 (0,5562 при 0°С и 0,673 при 100°С)
ртуть 8.514
тканевый жир 0,17
кожа 0,33-1,5 (зависит от кровоснабжения)
пенополиуретан 0,03
полистирол 0,03-0,05
крышка 0,04-0,06
солома 0,06
сосна 0,11 (поперек волокон)
кирпич рядовой красный 0,4-0,6
оконное стекло 0,9-1,1
лед 2,34 (при 0°С)
мрамор 2-4
кремний 148
графит примерно 200
алмаз 2320-3500
титан 21,9
свинец 34,9
банка 66,7
платина 71,6
железо (сталь) 30-80
латунь 110
золото 317
медь 401
серебро 429

Как видно из таблицы выше, газы и некоторые твердые тела обладают низкой теплопроводностью.Это так называемые теплоизоляторы . Вещества, обладающие высоким коэффициентом теплопроводности, являются проводниками тепла , .

© medianauka.pl, 23.05.2021, ART-4057


.

Коэффициент теплопередачи. Расчет, норматив, технические условия - Nice House

Энергоэффективность дома в значительной степени зависит от теплоизоляции его внешних перегородок, т.е. фундамента, наружных стен, кровли. Коэффициент теплопередачи используется для определения характеристик изоляции. Что это такое и как его рассчитать?

Коэффициент теплопередачи технические условия

В настоящее время большое значение придается энергоэффективности в строительстве, в том числе индивидуальных жилых домов.Принимая решение о строительстве дома, мы заботимся о том, чтобы дом после постройки генерировал самые низкие эксплуатационные расходы. Уже не секрет, что из-за потери тепла домом больше всего энергии уходит на отопление зимой и кондиционирование воздуха. Сколько тепла мы теряем? Многое может убежать. Следовательно, потребление энергии может быть снижено за счет уменьшения утечки тепла через пол на землю, наружные стены, окна, двери и крышу. Небольшие потери тепла приводят к снижению счетов за тепловую энергию.В этом отношении одним из наиболее важных параметров является коэффициент теплопередачи.

współczynnik przenikania ciepła U współczynnik U energooszczędność w budownictwie materiały budowlane Коэффициент теплопередачи U - фундамент Фото. Legallet

Вт Коэффициент теплопередачи - что это такое?

Коэффициент теплопередачи U характеризует теплопроводность перегородок зданий, например стен и крыш. Определяет, сколько энергии (выраженное в ваттах) проходит через 1 квадратный метр перегородки (стены, крыша, окна, двери и т. д.) при разности температур с обеих сторон 1 К (Кельвин).Таким образом, единицей измерения коэффициента теплопередачи является Вт/(м²·К). Чем ниже значение U, тем лучше барьер и тем ниже потери тепла.

Проще говоря, коэффициент теплопередачи покажет нам, к каким потерям тепла мы должны быть готовы и будут ли счета за отопление высокими или низкими.

С коэффициентом теплопроводности тесно связан еще один параметр – коэффициент теплопередачи λ. Его значение определяет скорость передачи тепла через различные материалы.Обычно принимается по данным производителя для умеренно влажных условий. Чем менее теплопроводен материал (имеет меньшее значение λ), тем лучше он подходит для теплоизоляции.

współczynnik przenikania ciepła U współczynnik U energooszczędność w budownictwie materiały budowlane Коэффициент теплопередачи U - окна Фото. Окнопласт/Алюхаус

Вт Коэффициент теплопередачи – формула

Для расчета коэффициента теплопередачи U необходимы две величины: коэффициент теплопроводности λ и толщина перегородки или материала. Связь между ними выражается формулой:

U = λ/d

где: λ – теплопроводность, d – толщина перегородки или материала.

Эта формула часто используется для простого сравнения материалов, так как коэффициент теплопередачи указывается в правилах для определения минимальных характеристик изоляции конкретных перегородок. Такое применение этого соотношения (этой формулы) верно, если мы имеем дело с очень простой перегородкой из одного материала. Если, с другой стороны, перегородка имеет сложную конструкцию и состоит из многих материалов, то ее значение U требует сложных расчетов, и использование такого простого преобразователя может привести к ошибкам.

По этой причине тепловое сопротивление, обратное коэффициенту U, используется для определения теплоизоляции перегородки. Сопротивление одиночного слоя можно рассчитать по формуле:

R = d/λ

Чтобы узнать, какая теплоизоляция имеет стена, следует просуммировать тепловое сопротивление каждого ее слоя.

współczynnik przenikania ciepła U współczynnik U energooszczędność w budownictwie materiały budowlane Коэффициент теплопередачи U - наружные стены Termo Organika

Коэффициент теплопередачи - технические условия

Один из важнейших параметров, который необходимо учитывать при проектировании и строительстве дома. Поэтому максимальные значения для каждой из наружных перегородок определяются нормативными актами, а точнее Постановлением Министра инфраструктуры от 12 апреля 2002 г. о технических условиях, которым должны соответствовать здания и их расположение.С 2014 года значения U время от времени ужесточались. Последующие изменения будут применяться с 1 января 2021 года. Их обычно называют стандартом WT 2021.

współczynnik przenikania ciepła U współczynnik U energooszczędność w budownictwie materiały budowlane Коэффициент теплопередачи U - крыша Isover Polska

WW Коэффициент теплопередачи – таблица

Значение коэффициента U для конкретных перегородок отличается. С января 2017 года нормы коэффициента теплопередачи не могут быть выше:

  • 0,30 Вт/(м²К) для пола по грунту,
  • 0,23 Вт/(м²К) для наружных стен,
  • 0,18 Вт/(м²K) для крыш и плоских крыш,
  • 1,1 Вт/(м²K) для окон,
  • 1,3 Вт/(м²K) для мансардных окон,
  • 19,0025 м²K) для наружных дверей.

Коэффициент теплопередачи 2021

С 2021 года нормы, регламентирующие утепление крыш и наружных стен, будут снижены до следующих значений:

  • 0,30 Вт/(м²К) 0, 20 Вт/(м²К) для наружных стен,
  • 0,15 Вт/(м²К) для крыш и плоских крыш,
  • 0,9 Вт/(м²К) для окон,
  • 1,10 Вт/

    м²K) для мансардных окон,
  • 1,3 Вт/(м²K) для наружных дверей.

Какой коэффициент U применим на практике? Значение коэффициента теплопередачи для отдельных перегородок зависит в основном от их толщины и теплоизоляционного слоя. Безусловно, стоит выбирать материалы с наименьшим коэффициентом λ и располагать их более толстым слоем. Инвестиции в такую ​​изоляцию окупятся в виде более низких счетов за отопление.

współczynnik przenikania ciepła U współczynnik U energooszczędność w budownictwie materiały budowlane Коэффициент теплопередачи УВТ 2021.

Как рассчитать утепление стен? | Строим Дом

Как рассчитать теплоизоляционные характеристики однослойной стены?

Теплоизоляция, т. е. теплоизоляция однослойной, т. е. однородной стены, зависит от толщины стены и теплопроводности материала, использованного для ее возведения. Эта характеристика определяется коэффициентом U, который рассчитывается путем деления коэффициента λ материала стены на ее толщину d:

.

U = λ/d

Вот средние значения коэффициента теплопроводности λ материалов для однородных стен:

  • ячеистый бетон - 0,10 Вт/(м•К),
  • пористая керамика - 0,14 Вт/(м•К),
  • пористая керамика с минераловатными вставками - 0,08 Вт/(м•К).

Однослойные стены с экономически обоснованной толщиной 40-50 см едва ли могут обеспечить требуемое действующими нормами значение U до 0,23 Вт/(м2•K). Поэтому для их возведения используются только самые легкие разновидности ячеистого бетона и керамический пустотелый кирпич с улучшающими теплоизоляцию вставками из минеральной ваты.

Вам потребуются соответственно газобетонные блоки толщиной 42 см сорта 400 или шерстяные блоки толщиной 38 см. Не учитываются теплоизоляционные свойства штукатурки и сопротивление теплопередаче, которые хотя и не меняют результат, но могут быть значительными в случае однослойных стен.

Пример: Рассчитаем коэффициент теплоизоляции однородной стены толщиной d = 42 см (0,42 м) из ячеистого бетона с коэффициентом λ = 0,10 Вт/(м•К).

0,10 Вт/(м·К)/0,42 м = 0,238 Вт/(м²·К)

Как рассчитать теплоизоляционные характеристики двух- и трехслойной стены?

Термические сопротивления отдельных слоев должны суммироваться. Термическое сопротивление R является обратной величиной коэффициента проницаемости U. Его рассчитывают путем деления толщины слоев материала на коэффициент λ.

R = 1 / U = (d / λ)

Расчет теплоизоляции многослойной стены с утеплителем поэтому требует знания коэффициентов теплопроводности всех используемых в ней материалов.

Для расчетов чаще всего используются следующие значения λ:

  • утеплитель из полистирола или минеральной ваты - 0,04 Вт/(м•К), хотя некоторые разновидности могут иметь значение λ на 10-15% ниже,
  • строительные материалы:
    - ячеистый бетон высших сортов g - 0,15 Вт/(м•К),
    - поризованная керамика - 0,25 Вт/(м•К),
    - блоки силикатные 0,8 Вт/(м•К) .

Конечно, самым важным является тип и толщина изоляционного материала.

Пример: Рассчитываем коэффициент теплоизоляции двухслойной стены толщиной d = 25 см (0,25 м) из пористой керамики, утепленной пенопластом толщиной 15 см (0,15 м).

Термическое сопротивление будет:

R = d/λ (стены) + d/λ (теплоизоляция)
R = 0,25 м/0,25 Вт/(м•К) + 0,15 м/0,04 Вт/(м•К) = 1 + 3,75 (м²• К) / Вт

Тогда коэффициент теплопередачи U будет:

U = 1 / R
U = 1 / 4,75 (м² • К) / W = 0,210 Вт / (м² • К) (сопротивление теплопередаче и штукатурку не учитывали).

Аналогично выполняются расчеты для трехслойной стены.

Ярослав Анткевич
фото: Silikaty Group

.

Коэффициент теплопередачи U - по нормам, по расчетам

Каждая перегородка здания имеет свои требования к теплоизоляции. Только дом, построенный в соответствии с техническими регламентами, имеет шанс быть энергоэффективным домом, что в настоящее время является очень важным и желательным свойством зданий. Климатическая ситуация не улучшится, загрязнение воздуха и воды не уменьшится, если только строительство не будет становиться все менее энергозатратным.

Коэффициент теплопередачи U определяет, сколько энергии (выраженное в ваттах) проходит через 1 квадратный метр перегородки (стены, крыша, окна, двери) при разности температур с обеих сторон 1 К (Кельвин). Единицей коэффициента теплопередачи является Вт/(м²·К) . Чем ниже коэффициент U перегородки, тем лучше теплоизоляция перегородки. Как коэффициент его значение не зависит от климатической зоны, влажности и температуры.

Зачем нужно знать перегородки строящегося или реконструируемого дома?

Это одно из необходимых требований для того, чтобы дом соответствовал применимым нормам. С января 2021 года действует третий и последний этап внесенных в 2013 году изменений в технические условия, которым должны соответствовать здания и их расположение. Теплоизоляция наружных стен, крыш, плоских крыш, полов, потолков, окон, дверей адаптирована к реалиям современного строительного метода.

Перегородки типа крыш и плоских крыш, наружных стен, полов по грунту выполняются из различных материалов. Поэтому при проектировании здания нужно рассчитывать U-факторы для каждой из этих перегородок с учетом параметров и толщин отдельных строительных материалов, из которых они выполнены.

Подробности и соответствующие значения для расчета коэффициента теплопередачи можно найти в стандартах PN-EN ISO 6946: 2017-10 «Строительные компоненты и строительные элементы.Термическое сопротивление и коэффициент теплопередачи. Метод расчета. «И PN-EN ISO 13370:2017-09 «Тепловые характеристики зданий. Теплопередача через грунт. Методы расчета».

Что касается столярных изделий, то при выборе окон и входных дверей необходимо получить информацию об их коэффициенте теплопередачи от производителя.

.

Коэффициент теплопередачи и коэффициент теплопроводности

При проектировании теплоизоляции важны два фактора. Первый – это коэффициент теплопередачи (U) – определяющий теплоизоляцию здания. Второй — коэффициент теплопроводности (лямбда, λ), связанный со свойствами материала. Это два разных фактора, но они связаны друг с другом.

Коэффициент теплопроводности обозначается символом лямбда (λ) и относится к способности данного вещества или материала проводить тепло.Чем ниже коэффициент теплопроводности, тем лучше теплоизоляционные свойства.

Коэффициент теплопроводности традиционного полистирола колеблется в районе λ ≤ 0,040. Энергосберегающие пассивные полистиролы (серые, получившие свой цвет благодаря добавлению графита, повышающего теплоизоляционные свойства) могут иметь коэффициент теплопроводности даже λ ≤ 0,030.

Значение коэффициента теплопроводности и толщина материала необходимы для расчета теплового сопротивления отдельных слоев перегородки (определяется символом R, вычисляется по формуле: толщина по лямбда) и для определения коэффициента теплопередачи всех перегородок в здании.

Благодаря коэффициенту теплопередачи мы можем рассчитать теплоизоляцию перегородок. Коэффициент теплопередачи стены, крыши или потолка указан в строительных нормах, которые налагают обязательство получать конкретные значения для отдельных перегородок. Дело в том, что здание должно соответствовать нормам, направленным на снижение потерь энергии. Действующие значения коэффициента теплопередачи стены или кровли изменятся с 1 января 2021 года (см. таблицу).Энергоэффективность просто стала необходимостью в современном мире.

Коэффициент теплопередачи - поправка к нормативам

Коэффициент теплопередачи - в настоящее время

Коэффициент теплопередачи - после изменений с 1 января 2021 г.

Наружные стены

0,23 Вт/(м2К)

0,20 Вт/(м2К)

Крыши, потолки, плоские крыши

0,18 Вт/(м2К)

0,15 Вт/(м2К)

Значение коэффициента теплопередачи зависит от:

  • тип перегородки (окна, двери, стены, крыши, крыши и т.д.)
  • типа строительного материала, используемого в данной перегородке
  • толщина перегородки

U-коэффициент – это количество энергии (выраженное в ваттах), которая проникает через перегородку по отношению к площади перегородки и разности температур по обеим сторонам перегородки. Единицей коэффициента теплопередачи является – Вт/(м²·К).

Для расчета коэффициента теплопередачи необходимо знать:

  • коэффициенты теплопроводности материалов (λ [Вт/(м·К)]), из которых изготовлена ​​перегородка (можно заменить стандартными значениями или значениями, предоставленными производителями используемых материалов),
  • толщина отдельных слоев (м).

Если необходимо повысить эффективность теплоизоляции, необходимо увеличить толщину изоляционного слоя или использовать материалы с более низким коэффициентом теплопроводности. Возможно также сочетание обоих этих условий.

.

Теплопроводящие материалы, Инновации в управлении теплом, Semicon

Материалы теплового интерфейса (TIM) используются в электронных схемах для улучшения рассеивания тепла и снижения рабочей температуры устройства. Эти материалы работают за счет улучшения теплопроводности к радиатору, где тепло, наконец, излучается в окружающую среду за счет конвекции. Спрос на лучшее рассеивание тепла в электронных устройствах неуклонно растет, особенно в приложениях, где требуется как миниатюризация, так и высокая эффективность в одном корпусе.Бен Хан из Electrolube China (Сучжоу) разработал новое поколение материалов с фазовым переходом (PCM), представляющих собой практичную и эффективную альтернативу более традиционным решениям по управлению теплом, таким как термопасты или смазочные материалы. Материалы ПКМ предназначены для изменения своего физического состояния при температуре фазового перехода, что означает переход от твердой формы к мягкой, текучей форме. Это, в свою очередь, позволяет ПКМ лучше соответствовать форме поверхности, заполняя все пустоты и небольшие зазоры, как паста во время нанесения, образуя тонкий слой теплопроводного материала на границе раздела материалов. Улучшение теплопередачи Типичные области применения, в которых требуются материалы с повышенной эффективностью теплопередачи, включают в себя небольшие электронные устройства, такие как смартфоны, игровые приставки, планшеты и т. д. Эти небольшие устройства выполняют многозадачные задачи с исключительной скоростью и требуют для этого повышенной мощности. Небольшой размер устройства означает, что тепло, выделяемое при увеличении мощности, отрицательно скажется на производительности и/или сроке службы самого устройства.Еще одной важной областью, которая опирается на оптимальное управление теплом, является силовая электроника, то есть устройства распределения электроэнергии, датчики, электромобили и мощные светодиоды. Выбор правильного TIM для этих приложений имеет решающее значение для долгосрочной надежности ваших устройств. Предварительный выбор подходящих ТИМ на этапе испытаний часто основывается на объемной теплопроводности материала, которая определяет его способность рассеивать тепло. Однако сам по себе коэффициент проводимости может дать ложное представление об ожидаемой эффективности теплопередачи.При проведении испытаний в условиях применения низкое термическое сопротивление устройства указывает на истинную эффективность теплопередачи ТИМ, которую можно описать следующей формулой: Общее тепловое сопротивление устройства = (BLT/K) + Rc BLT = Толщина слоя теплопроводного материала TIM K = коэффициент теплопроводности TIM Rc = общее тепловое сопротивление Эта формула доказывает, что теплопроводность важна, но ее следует анализировать только в сочетании с толщиной используемого ТИМ и однородностью ТИМ на контактных поверхностях.Рисунок также показывает, почему теплопроводные пасты по-прежнему популярны, обеспечивая хорошее смачивание контактной поверхности, обеспечивая низкое тепловое сопротивление, минимальную толщину контактного слоя и устраняя неровности обеих поверхностей. Тем не менее, PCM — материалы, пластичность которых меняется в зависимости от температуры, — были введены для обеспечения характеристик, аналогичных характеристикам теплопроводных паст, при этом устраняя такие проблемы, как эффект проталкивания контактной поверхности и термостабильность с течением времени.График 1: Типичные значения проводимости и сопротивления теплопроводных паст и смазок по сравнению с Electrolube PCM. Материал набивки IGBT-транзисторы широко используются в силовой электронике и представляют собой хороший пример для понимания явления наполнения, возникающего в результате различного теплового расширения материалов. БТИЗ состоят из теплового блока, содержащего материалы с разными коэффициентами теплового расширения (КТР) и коэффициентами теплопроводности, что приводит к колебаниям температуры внутри самого БТИЗ.БТИЗ, как и большинство электронных устройств, подвергаются некоторым тепловым нагрузкам, даже если они просто включают и выключают устройство. В условиях изменения температуры все материалы в устройстве в той или иной степени расширяются или сжимаются в зависимости от температуры, которую достигает устройство при работе, а точнее от температур, которых достигают отдельные его элементы. Коэффициент теплового расширения для различных компонентов системы различен.Приводит к сжатию и расширению с различной интенсивностью, вызывая эффект наполнения ТИМ. При устранении неисправностей набивки из теплопроводных материалов важно понимать условия, при которых происходит этот процесс, и параметры самих материалов. Проблема возникает на границе раздела сопрягаемых поверхностей, которые перемещаются относительно друг друга при изменении температуры. Это приводит к механическому воздействию, своего рода трению, которое может привести к изменению реологии материала и его удалению с контактной поверхности.ПКМ изменяют свое состояние выше и ниже температуры фазового перехода, благодаря чему они способны выдерживать описанные механические воздействия и оставаться более стабильными в течение многих термоциклов, обеспечивая надежный тепловой контакт. Прочие тесты Циклы изменения электрических нагрузок также приводят к изменениям температуры устройства и, следовательно, температур контактных поверхностей. Таким образом, эти устройства имеют свой собственный тепловой цикл во время использования, который может быть дополнительно усугублен внешними условиями окружающей среды.Какой бы ни была причина, термические изменения будут иметь некоторую форму механического толкающего эффекта, и поэтому стабильность выбранного ТИМ в условиях конечного использования имеет решающее значение для его оценки. Поскольку требования к приложениям определяют ожидаемые условия окружающей среды, обычно используются тесты для конкретных приложений, а не стандартный набор тестов. Однако тестовые наборы этого типа обычно проводятся по схожим сценариям, включая проверку термостойкости теплопроводного материала ТИМ к последующим температурным циклам, анализ влияния отжига при высокой температуре и тест HAST, анализирующий влияние резких перепадов температуры.Как видно из приведенных ниже графиков, описанные тесты позволяют лучше понять поведение TIM в долгосрочной перспективе по сравнению со стандартными тестами циклов питания в конкретных условиях использования. Важность стабильности Стабильность ТИМов можно оценить визуально, определив, остались ли они на месте после завершения цикла тепловой нагрузки. Если материал меняет положение во время термического испытания либо в результате выталкивания, связанного с изменением температуры, либо под действием силы тяжести в вертикальной ориентации, теплоотводящие свойства продукта, вероятно, также изменятся.Простые тесты могут включать в себя нанесение продукта между двумя подложками и выявление возможного движения или разделения материала во время испытания на термический удар. Этот простейший тест может подчеркнуть важность выбора материала ТИМ, особенно для термосмазочных материалов. Эти неотверждаемые продукты предназначены для нанесения тонких слоев толщиной около 50-100 микрон, но часто используются при гораздо большей толщине, что может легко привести к расслоению слоя или смещению пасты из-за выброса, что приведет к ухудшению эффективности обмена. .Те же явления по-разному влияют на материалы ПКМ с фазовым переходом, которые проявляют большую физическую стабильность, чем теплопроводные смазки. В более широком контексте выбора теплопроводного материала и его стабильности важно упомянуть, какие альтернативные подходы может рассмотреть проектировщик. Компания Electrolube представила несколько инновационных продуктов, обладающих преимуществами традиционных решений по отводу тепла и обеспечивающих стабильность, необходимую для приложений с большими колебаниями теплового воздействия.Эти материалы, затвердевающие на контактной поверхности, образуют прочное соединение, легко удаляемое при необходимости. Другими традиционными продуктами, которые полностью отверждают высокостабильный контактный слой, являются однокомпонентные силиконы или двухкомпонентные эпоксидные смолы, но системы, содержащие эти типы продуктов, труднее ремонтировать, и вряд ли они смогут достичь низкой термостойкости традиционных термопастов. Однако, как бы ни выглядел теплопроводный материал после испытаний, самый важный вопрос заключается в том, осталось ли тепловое сопротивление в месте соединения низким и постоянным, так как это первичный фактор, который будет влиять на работу устройства.ПКМ чаще всего выбирают из-за их стабильности и способности обеспечивать низкое термическое сопротивление. Но почему именно они работают в суровых условиях намного лучше, чем традиционная термопаста? Материал с фазовым переходом переходит из твердого состояния в более мягкое при температуре выше заданной температуры, обычно в диапазоне около 50°С. Это свойство материала достигается за счет использования полимерного материала в качестве основы ТИМ вместо базового масла. Полимерные цепи обеспечивают повышенную дисперсионную стабильность термонаполнителя как в твердом, так и в размягченном состоянии.Это приводит к повышенной теплопроводности и длительному низкому тепловому сопротивлению, поскольку материал сохраняется в более стабильном состоянии на протяжении всего срока службы в устройстве. С другой стороны, теплопроводные пасты состоят из базовых масел с более короткими молекулярными цепями, которые обеспечивают превосходное смачивание при первом нанесении, но могут привести к проблемам, включая выталкивание из-за различий в тепловом расширении, высыхании и каплеобразовании. Рисунок: Разница между полимерными структурами с длинной и короткой цепью Еще одним важным свойством ПКМ является их способность накапливать и выделять энергию при изменении состояния.Это приводит к некоторому поглощению тепла и защищает устройство от резких изменений температуры, например, из-за резких изменений мощности. При рассмотрении того, какое приложение подходит для PCM, важно знать температуры и температурные профили, которым будет подвергаться устройство во время работы. Например, устройство, которое подвергается термоциклированию или работает в условиях стабильной температуры, потребует другого TIM для достижения наилучшей производительности. В случае ПКМ необходимо учитывать дополнительный фактор температуры фазового перехода.Если постоянная рабочая температура оборудования ниже температуры фазового перехода, продукт не будет работать должным образом. Внедрение новых продуктов Компания Electrolube недавно представила два новых теплопроводных продукта PCM, TPM350 и TPM550. TPM350 имеет теплопроводность 3,5 Вт/м·К и может использоваться при температуре примерно 50 °C. При этой температуре он меняет свое состояние, становясь материалом, который лучше адаптируется к подложке, сводя к минимуму тепловое сопротивление на границе раздела и улучшая теплопередачу.После охлаждения возвращается в исходное состояние. Усовершенствованная формула материала обеспечивает минимальное контактное тепловое сопротивление. TPM550 имеет более высокую теплопроводность 5,5 Вт/мК и температуру размягчения 45˚C. Как и TPM350, благодаря своим тиксотропным свойствам, TPM550 не рассыпается, предотвращая выход материала за пределы требуемой области. Новые блоки PCM не содержат силикона, имеют диапазон рабочих температур от -40 до + 125°C и соответствуют требованиям RoHS. И TPM350, и TPM550 подходят для трафаретной печати, и хотя они содержат небольшое количество растворителя для улучшения смачиваемости во время нанесения, он быстро испаряется, оставляя на подложке стабильный материал. Резюме Материалы PCM при нагревании выше их температуры фазового перехода становятся сильно тиксотропными жидкостями, которые работают так же хорошо, а иногда даже лучше, чем традиционные термопасты. Кроме того, их низкая температура фазового перехода обеспечивает низкое термическое сопротивление в широком диапазоне температур, обеспечивая минимальную толщину шва при улучшенной стабильности и стойкости к истиранию. Большинство PCM можно использовать в существующих производственных процессах с минимальными изменениями или без них, при этом допуская легкую доработку с теми же преимуществами, что и традиционные термопасты.Поскольку PCM обеспечивают большую долгосрочную стабильность по сравнению с термопастами, они лучше подходят для высокотемпературных приложений, где срок службы и надежность продукта могут быть критическими, например, в автомобильной электронике или инверторах ветряных электростанций. Традиционные термопасты и смазки по-прежнему будут популярным выбором, хотя в некоторых случаях, особенно в тех, где требуется более высокая долговременная стабильность, материал с фазовым переходом, вероятно, получит преимущество..

Повышение модуляции теплопроводности в тонком слое диоксида ванадия за счет наноструктурированных нанозазоров - научные отчеты

Предметы

  • Наука и энергетические технологии
  • Материалы для энергетики и катализа
  • Наноматериалы

Аннотация

Эффективное управление температурой в наномасштабе важно для снижения энергопотребления и рассеивания энергии в электронных устройствах, лабораторных платформах и системах сбора/преобразования энергии.Для многих из этих применений желательно иметь полупроводниковую структуру, которая обратимо переключает теплопроводность при высоких соотношениях ВКЛ/ВЫКЛ и на высокой скорости. Здесь мы описываем разработку и реализацию нового полностью полупроводникового термопереключающего устройства посредством наноструктурного фазового превращения, то есть модуляции контактного давления и поверхности между двумя поликремниевыми поверхностями, активируемыми микроструктурным изменением тонкой пленки диоксида ванадия.Наши полупроводниковые устройства демонстрируют значительное и обратимое изменение поперечной теплопроводности в зависимости от температуры, достигая коэффициента проводимости не менее 2, 5. Наш новый подход с использованием наноструктурного фазового превращения открывает новые возможности для приложений, требующих расширенного регулирования температуры и тепла. .

Введение

Управление теплопроводностью через интерфейсы открывает большие возможности в расширенном управлении тепловой энергией, для достижения сверхстабильного контроля температуры, быстрого температурного цикла или работы в импульсном режиме тепловой мощности 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 .В связи с этим значительное внимание привлекают термовыключатели, которые изменяют теплопроводность между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ. В современных технологиях микрообработки тепловые соединители в основном получают путем соединения и разрыва двух поверхностей за счет движения капель жидкости 8, 9, 10 или неподвижных мембран, приводимых в действие электрическим полем 11 , или пьезоэлектрических двигателей 12 . Однако эти немонолитные подходы с движущимися частями часто страдают одним или несколькими из следующих ограничений: нестабильность и токсичность материала, масштабируемость, плохая целостность с другими устройствами, низкое соотношение ON / OFF, низкая скорость и высокое энергопотребление.

Материалы с твердым фазовым переходом, такие как диоксид ванадия (VO 2 ) 13, 14 , тройной сплав теллура, сурьмы, германия (GeSbTe) 15 и титанат свинца-циркония (PZT) 16 , являются одними из наиболее привлекательных кандидатов для высокоэффективные термовыключатели: высокоскоростной фазовый переход 17, 18 , внутренняя разность теплопроводности каждой фазы 13, 15, 16 и обратимые фазовые переходы, активируемые различными внешними воздействиями, такими как электрические 16, 19, 20 , оптические 21, 22, 23 , механические 24, 25 или тепловые 13, 15 .Тем не менее, продемонстрированные характеристики теплового переключения на основе этих материалов сильно ограничены в одном или нескольких аспектах скорости переключения, соотношения ВКЛ/ВЫКЛ и/или энергоэффективности. В связи с этим мы разрабатываем структуру с тепловым переключением (TSS), основанную на открытии/закрытии нанопапа размером 1 ~ 2 нм, активируемом путем трансформации наноструктурированной фазы в тонкий слой VO2. Этот подход основан на недавно разработанном интересном многофункциональном композитном материале, который демонстрирует улучшенные характеристики при срабатывании в микромасштабе.Система состоит из VO 2 , который имеет ферроэластичный фазовый переход, механически связанный со структурированным материалом. Форма и механические, термические, электрические и оптические свойства композита могут резко и обратимо изменяться под влиянием внешних воздействий. При 68 °С VO 2 претерпевает взаимодействие с металлическим диэлектриком и рутил-моноклинный фазовый переход, при котором эффективная постоянная решетки быстро изменяется на 1 ~ 2 % (рис. 1б).Благодаря высокой рабочей плотности фазового перехода ВО 2 эти приводы могут обеспечивать как высокое усилие, так и большой ход срабатывания, в отличие от других приводов, у которых только один высокий. Как показано на рис. 1а, TSS в основном состоит из тонкого слоя VO 2 , нанесенного на слой поликристаллического кремния, с наношапкой, сформированной в слое кремния. Слои осаждаются при температурах выше температуры фазового перехода VO 2 (T PT ), так что при T > T PT граница раздела нанощели в значительной степени конформна.Когда температура снижается за счет фазового перехода до T PT , изменение формы слоя VO 2 оттягивает соседний слой Si от нижнего слоя Si, значительно уменьшая контактное давление и площадь между двумя слоями. . Таким образом, теплопроводность через интерфейс пропорционально снижается. Наш TSS показывает резкое увеличение коэффициента теплового включения / выключения в ~ 6,7 раза по сравнению с пленочным оборудованием VO 2 без встроенного нано-колпачка.

Концепция наноструктурного фазового превращения и свойства пленки VO 2 . ( a ) Схема наноструктурного фазового превращения с нанозазором, показывающая контактное давление и поверхность, модулированную деформацией фазового перехода. ( b ) Иллюстрация изменения структуры сетки ВО 2 при фазовом переходе между изолирующей фазой и металлической фазой. На диаграммах голубой кружок обозначает ванадий, а атомы кислорода опущены для ясности. ( c ) Полулогарифмическая зависимость удельного сопротивления пленки VO 2 от температуры в процессе нагрева и охлаждения.( d ) Спектры КР пленки VO 2 при разных температурах, показывающие фазовый переход между 333 и 353 К.

Полноразмерное изображение

Результаты

Тонкие пленки

VO 2 были выращены методом импульсного лазерного осаждения на поверхность слоя поли-Si, полученного методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении. Электрические характеристики (рис. 1в) пленки ВО -2- показали более трех порядков изменения величины ее удельного сопротивления, а спектроскопия КР (рис.1d) также подтвердил фазовый переход из изолирующей фазы в металлическую фазу при температуре около 341 К, что согласуется с более ранними исследованиями 26 .

В дополнение к слою VO 2 в качестве активационного материала вторым ключевым компонентом устройства является нанопапка, встроенная в слой поликремния, который позволяет открывать/закрывать движение. Он был создан, как схематично показано на рис.2а (см. экспериментальную часть). Жертвенный слой низкотемпературного диоксида кремния (LTO) толщиной примерно 20 нм был помещен в слои поли-Si, которые были выборочно удалены травлением плавиковой кислотой (HF) паром.В частности, пары HF использовались для травления LTO, поступающего через боковое отверстие, в результате чего верхний слой поли-Si накладывался на нижний слой поли-Si с хорошей конформацией. Высокоэффективная просвечивающая электронная микроскопия с коррекцией аберраций поперечного сечения (AC-HRTEM) области интерфейса (рис. 2b) выявила шероховатость поверхности от 1 до 2 нм как у верхнего, так и у нижнего слоев поли-Si, что свидетельствует об успешном формировании с нанощелью 1 ~ 2 нм в структуре. Наличие разработанной наноловушки в составе устройства дополнительно проверяется следующим образом.Во-первых, слой над нанозазором можно было легко снять механическим отслаиванием с помощью липкой ленты. На рис. 2в представлены оптические изображения ТСС сверху до и после механического отшелушивания. Во-вторых, экспонированная область, в отличие от нерасслоившейся области, не показывает сигнала ванадия при анализе рассеяния энергии рентгеновских лучей (EDX) (рис. 2d).

( a ) Иллюстрация процесса изготовления основного интерфейса. Интерфейс создается путем удаления расходуемого слоя LTO между слоями поли-Si с помощью травления паром HF.( b ) AC-HRTEM изображения поперечного сечения области интерфейса. Белые пунктирные линии в красном поле проведены по краю слоя поли-Si. Континуум атомов, заполняющих нанощель, формировался в процессе подготовки образца для ПЭМ. Масштабная линейка: 40 нм (слева) и 8 нм (справа). ( c ) Оптические микроскопические изображения электродов термовыключателя до (слева) и после (справа) отклеивания ленты. Масштабная линейка: 160 мкм (как слева, так и справа). ( d ) Спектры EDX отслоившихся и не отслоившихся областей устройства теплового переключения, показывающие, что отслоение действительно отслаивает слой VO 2 .На вставке показано СЭМ-изображение областей, где были сняты спектры EDX. Ложные цвета добавляются в отслоившиеся и не отслоившиеся области для визуального контроля. Масштабная линейка: 80 мкм.

Полноразмерное изображение

Ожидается, что модуляция площади контакта на нанозазоре TSS изменит межплоскостное переключение теплопроводности структуры, измеренное дифференциальным методом 3ω при различных фоновых температурах 27 . Для ясности TSS обозначаются здесь как «VO 2 + NG», поскольку они содержат как слой VO 2 , так и нанопокрытие.Для извлечения теплопроводности компонента интерфейса ВО 2 в многослойной пакетной структуре мы также подготовили три устройства контроля (рис. S1): одно с той же структурой, что и устройство «ВО 2 + НГ», но без слоя и интерфейса VO 2 , именуемых здесь «только Si». Кроме того, также были приготовлены устройство только с нанозазором ("NG") и устройство, содержащее только VO 2 ("VO 2 ") с идентичной структурой в идентичных условиях выращивания.В соответствии с дифференциальным методом 3ω эти различные структуры устройства на рис. S1 могут быть использованы для изучения модуляции теплопроводности как в нанокрышке, так и в слое VO 2 , обусловленной соседним структурным фазовым переходом, с использованием других структур в качестве устройств управления. .

Поскольку ширина электронагревателя модели 3ω (рис. S9k) намного больше толщины всей трубы, считается, что тепло, выделяемое в верхнем нагревателе, течет только вертикально, что вызывает одномерную задачу теплопередачи. .В результате тепловой отклик устройства, содержащего любой слой, должен быть линейной комбинацией эталонного значения для ΔT и для слоя ΔT. Например, тепловое сопротивление устройства «ВО 2 + НГ» будет равно устройству «Только Si» последовательно со слоем «ВО 2 + НГ», при условии, что междуфазные сопротивления незначительны; Вт как следствие эффективная теплопроводность слоя VO 2 + NG определяется по

90 014 $$ {каппа} _ {V {O} _ {2} + NG} = фрак {{I} _ {omega} ^ {2} cd R {cd} {t} _ {V {O} _ {2 } + NG}} {2bl ({rm {Delta}} {T} _ {V {O} _ {2} + NG} - {rm {Delta}} {T} _ {только Si})} $$

(1)

, где ({t} _ {{{VO}} _ {2} + {NG}}), {{{rm {Delta}} T} _ {{Si} - {only}} {{rm {Delta} } T} _ {{{VO}} _ {2} + {NG}}), 2б и (м) – эффективная толщина ВО 2 и нанощелевого слоя, амплитуда температурных флуктуаций прибора «только Si» , амплитуда колебаний температуры прибора «ВО 2 + НГ», ширина и длина линии алюминиевого радиатора (Ал) (рис.9Ск), 27, 28, 29 соответственно.

На рис. 3а представлена ​​температурная зависимость межплоскостной теплопроводности слоев «ВО 2 + НГ», «НГ» и «ВО 2 », измеренная дифференциальным методом 3ω с использованием прибора «только Si» в качестве эталона. . Для двух устройств «ВО 2 + НГ» были изготовлены две разные толщины верхнего покрывающего слоя Al 2 O 3 , 25 нм (устройство 1) и 60 нм (устройство 2) соответственно, в качестве электроизоляции слой между алюминием и основным утеплителем фильм ВО 2 .Температура фазового перехода пленки ВО 2 в устройстве 2 снижается от естественной температуры (68°С) до температуры, близкой к комнатной, как показано на рис. S2. Возможно, это связано с эффектами геометрического сдерживания верхнего покровного слоя Al2O3 и нижнего слоя поли-Si . Анализируем поведение каждого устройства следующим образом.

a ) Графики зависимости теплопроводности от температуры нанофапа, самой пленки ВО 2 , аппаратов "ВО 2 + НГ" 1 и аппаратов "ВО 2 + НГ" 2.По оценкам, 10% ошибок были связаны с толщиной и погрешностью измерения. Пунктирные линии добавляются в качестве ориентиров для глаз. ( b ) Сравнение характеристик термопереключения пленки ВО 2 , устройства «ВО 2 + НГ» 2 и устройства «ВО 2 + НГ» 1 на базе ( и ).

Полноразмерное изображение

Во-первых, слой VO 2 показывает увеличение теплопроводности на ~ 26%, поскольку VO 2 переключается с изолирующей фазы на металлическую фазу, в результате чего G на / G на ~ 1,26 для VO 2 слой .Подсчитано, что от толщины слоя ВО 2 общая теплопроводность слоя ВО 2 увеличивается на ~ 0,66 Вт·м- 1 К- 1, при переходе его из изолирующей фазы в металлическая фаза. Измерение эффекта Холла показывает, что электропроводность металлической фазы VO 2 составляет ~ 740 Ом- 1 см -1 . Из закона Видемана-Франца со значением Зоммерфельда числа Лоренца оценивается, что электронный вклад в теплопроводность VO 2 составляет ~ 0,67 Вт·м- 1 К -1 (рис.S3), что в значительной степени соответствует увеличению общей теплопроводности слоя VO 2 . Это согласуется с предыдущими исследованиями, показавшими справедливость закона Видемана-Франца в металлическом состоянии тонких поликристаллических слоев VO 2 13 . Во-вторых, если предположить, что эффективная средняя толщина нанозазора составляет ~ 2 нм, что подтверждается анализом AC-HRTEM (рис. 2б), его теплопроводность определена из прибора «НГ» до ~ 0,02 Вт·м- 1 К. - 1 и обычно остается постоянной при изменении температуры, как показано на рис.С3.

Самое главное, изолированные от сигналов 3ω приборы «ВО 2 + НГ» (рис. S4) показывают значительное увеличение тепловых переключений в поперечной плоскости по сравнению с приборами «ВО 2 ». Коэффициент включения/выключения теплопроводности (Г на / Г на ) приборов «ВО 2 », «ВО 2 + НГ» 1 и «ВО 2 + НГ» 2 составляет соответственно 1, 26 , 2, 39 и 2,75, что соответствует приросту ~ 6,7 (прирост теплопроводности с 26 % в приборе «ВО 2 » улучшен до 175 % в приборе «ВО 2 + НГ") после установки нано-колпачка (Lynx.3б). Этот результат указывает на то, что включение нанофака в буферный слой поликремния значительно повышает эффективность теплового переключения за счет использования фазового искажения VO 2 для модуляции контактной поверхности и, следовательно, теплопроводности. Таким образом, механизм переключения теплопроводности приборов «ВО 2 + НГ» отличается от механизма «ВО 2 », в котором состояние ВКЛ более теплопроводно, чем состояние ВЫКЛ только за счет свободных электронов. переходит в металлическую фазу.

Тепловое переключение наномеханических устройств «ВО 2 + НГ» обратимо и стабильно. На рис. 4а показана теплопроводность устройства 1 при повышении и понижении фоновой температуры. Проводимость при нагреве хорошо согласуется с проводимостью при охлаждении с небольшим гистерезисом. Гистерезис уже электропроводности на рис. 1в, возможно, из-за медленного изменения температуры на первом: прибор стабилизировался в течение 45 минут перед измерением теплопроводности в каждой температурной точке.Наноструктурирование и моделирование для изготовления устройств также могут вводить различные дефекты в слой VO 2 , которые могут выступать в качестве дополнительных мест зарождения для перехода, эффективно уменьшая гистерезис. На рис. 4b показаны повторяющиеся циклы переключения устройства2, показывающие изменение теплопроводности между 12-14 МВт·м- 2 K- 1 для фазы изоляции при 273 K и 26-28 МВт·м- 2 K- 1 для фазы металлической ВО 2 при температуре 373 К.Устройство переключается с хорошей выносливостью и стабильностью до 100 циклов без заметного снижения производительности.

a ) График зависимости теплопроводности от температуры устройства «ВО 2 + НГ» 1 при нагреве и охлаждении. ( b ) Переключение теплопроводности прибора «ВО 2 + НГ» 1 из ( и ) при последовательном охлаждении и нагреве между 373 К и 273 К, соответствующее превращению между металлической фазой и изолятор фазный ВО 2 .Скорость повышения температуры составляла 5 К мин- 1 для нагрева и охлаждения.

Полноразмерное изображение

Кроме того, для исследования скорости переключения нашего ТСС фазовые переходы слоя ВО 2 в приборе «ВО 2 + НГ» 1 контролировались в криостате с помощью терморегулируемого рамановского спектроскопа. Стоит отметить, что фазовые переходы слоя ВО 2 отвечают за тепловое переключение устройства «ВО 2 + НГ» 1.Его спектры комбинационного рассеяния, такие как нагрев и охлаждение (рис. S5), показали четкое фазовое переключение VO 2 за <~ 10 с и <~ 30 с при нагреве и охлаждении до 30 К и показали изменение фазы ~ 3 с при нагреве до 10 К. Измеряемая скорость переключения сильно ограничена не внутренними свойствами устройства, а скоростью повышения фоновой температуры при нагреве и охлаждении, а также временем получения спектров комбинационного рассеяния. Для оценки максимальной скорости теплового переключения мы смоделировали фазовое переключение ВО 2 в нашем ТСС как применение ступенчатого подвода тепла за счет джоулева нагрева его вершины (подробности см. в разделе «Методы»).Результаты, показанные на рис. S6, показали, что максимальная скорость переключения может быть достигнута вплоть до ~ 1 мс. Эта скорость переключения значительно ниже внутренней скорости как перехода металл-изолятор (МИТ), так и структурного фазового перехода в ВО -2---17, 18-, так как скорость ограничена тепловыделением и тепловыделением в структуре. Однако эта скорость уже сопоставима или выше, чем у всех зарегистрированных стационарных термовыключателей (см. таблицу S1), и намного выше, чем у жидкостных термовыключателей 8, 9, 10, 12 .

Обсуждение

Различная теплопроводность приборов «ВО 2 » и «ВО 2 + НГ» означает, что вставленный нанозазор играет активную роль в тепловом переключении. Для прямого зондирования мы выполнили РЭМ in situ поперечного сечения прибора «ВО 2 + НГ» в условиях изменения температуры (рис. S7). Нанозазор не решается напрямую из-за ограничения разрешения РЭМ. Однако толщина слоя поли-Si над наноловушкой обратимо изменяется с температурным циклом в фазовом переходе VO 2 (рис.S7б, в). Очевидно, что деформация пленки VO 2 создает нагрузку на соседний верхний слой поли-Si, который отделен нанофапом от нижнего слоя поли-Si, и, таким образом, модулирует размер нанофапа.

Чтобы лучше понять механизм теплового переключения устройства, мы смоделировали теплопроводность и излучение нанозазора с помощью аналитических расчетов. Общий коэффициент теплопередачи, связанный с радиационным и кондуктивным теплообменом через нанокрышку между слоями поли-Si, был сначала рассчитан с использованием модели Полдера и Ван Хова 31, 32 .Расчеты с использованием проницаемости поли-Si 33 показывают коэффициент теплопередачи излучения волнами дальнего поля или затухающими волнами (рис. S8a, b). Неудивительно, что результаты при обеих температурах (где VO 2 находится в двух разных фазах) показывают, что радиационная теплопередача увеличивается экспоненциально по мере уменьшения нанопапа с 10 до менее 0,1 нм. Из-за шероховатости поверхности поли-Si 1 ~ 2 нм (рис. 2б) и, следовательно, неравномерной толщины нанопапа в наномасштабе, мы рассчитали общий коэффициент теплопередачи в упрощенной структуре излома, исходя из результаты на рис.S8a, b: пирамида Si приближается к плоскости Si (вставка на рис. S8c). Принимаем размер начального зазора 2 нм, а теплопроводность при прямом контакте равна величине радиационного теплообмена на расстоянии 1 Å 34 . На рис. S8c, d показаны расчетные коэффициенты лучистой теплопередачи и теплопроводности в конструкции при закрытии зазора по мере приближения пирамиды ко второй плоскости. Результат показывает, что общая теплопередача обусловлена ​​излучением с длиной волны 2 нм при 253 К (состояние теплового выключения), а составляющая проводимости теплопередачи увеличивается по мере уменьшения зазора.Экспериментальный результат G на / G на ~ 2,75 из нашего TSS (красный блок на рис. 3b) можно воспроизвести, если нанозазор уменьшается с 2 нм в выключенном состоянии до ~ 1,5 нм во включенном состоянии. Заметим, что поскольку вклад в общий теплообмен вносят как прямая теплопроводность, так и тепловое излучение ближнего поля, теплопроводность не будет равна нулю даже при полностью открытом нанокрышке. Это ограничивает максимум , чтобы исключить G/G из несоответствия.В идеальном сценарии, предполагающем, что нанозазор может варьироваться от ~ 1 мкм (полностью открытый) до полностью податливого контакта, расчеты показывают, что G на / G на достигает двух порядков. В целом, как визуализация SEM на месте, так и моделирование подтверждают активную роль нанощели в модуляции теплопередачи.

Мы также оценили плотность энергии, необходимую для нашего TSS. Используя известное скрытое тепло 35, 36 MIT в VO 2 , потребляемая плотность энергии составляет ~ 47 пДж мкм- 2 для 200-нм слоя, используемого VO 2 .При одинаковой толщине активного слоя (200 нм для всех устройств) это значение составляет примерно 1/5 от этого значения в термовыключателях на основе системы фазовых переходных материалов GeSbTe 15 , но в 40 раз выше, чем у сегнетоэлектрика PZT . система 16 . Таким образом, по сравнению с устройствами PZT преимуществом нашего устройства является его более высокое отношение ON / OFF, как показано в таблице S1, что снижает энергопотребление.

В заключение мы продемонстрировали тепловое переключение в наномеханической тонкопленочной структуре на твердом теле, основанное на превращении наноструктурированной фазы.Высокое отношение ВКЛ/ВЫКЛ ~2,75 в плоскости теплопроводности достигается в устройстве за счет того, что площадь контакта с нанобумагой модулируется напряжением фазового перехода слоя ВО 2 . Это увеличение на 670% после теплового переключения, основанное на переходе металл-изолятор самого VO 2 . ВО 2 нетоксичен и термически и химически стабилен (микромоторы ВО 2 не деградируют после миллионов операций) 37 , его фазовый переход в ТСС является высокоскоростным (внутренне ~ пикосек приводит к скорости устройства ~ 1кГц ограничено) только за счет отвода тепла) 38 , а температуру перехода можно сдвинуть к другим химически легированным температурам 19 .Тот факт, что фазовый переход может быть термическим 13 , оптическим 21 , электрическим 19 и электростатическим 20, , обеспечивает универсальность и гибкость в работе и эксплуатации термовыключателя в наноэлектромеханических системах. Ожидается, что продемонстрированное термопереключение в твердой фазе откроет новые возможности в приложениях, требующих улучшенного контроля температуры и нагрева.

Методы

Рост тонких пленок VO 2 и характеристика

Все тонкие слои ВО 2 , использованные в данной работе, были выращены на слаболегированной подложке (20-30 Ом·см), подложке монокристаллического (100) кремния или тонких слоях нелегированного поликристаллического кремния методом импульсного лазерного осаждения (PLD). ).Фтор-криптоновый эксимерный лазер (длина волны 248 нм) фокусировался на мишени VO2 (прессованная, чистота 99,9%, порошок) с частотой повторения импульсов 5 Гц и плотностью энергии 350 мДж см- 2 . Осаждение выполняли при 500°C при 10 мТорр с потоком газообразного кислорода 2 см3/мин. После завершения отстаивания образец охлаждали до комнатной температуры со скоростью 10°С мин- 1 при поддержании давления газообразного кислорода. Толщина, ориентация кристаллов, сопротивление и фаза культуральной пленки были охарактеризованы с помощью SEM, XRD, измерения электротранспорта и рамановской спектроскопии соответственно.Для измерения сопротивления два зонда касались противоположных сторон пленки, выращенной на нелегированном слое поли-Si, и регистрировали сопротивление пленки при различных температурах подложки. Результаты используются для расчета удельного сопротивления фольги VO 2 (рис. 1в) с информацией о ее размерах.

Производство приборов и характеристики AC-HRTEM

Высококачественный нелегированный поликремний и низкотемпературный нелегированный оксид кремния (LTO) были нанесены методом химического осаждения из паровой фазы при низком давлении при 615 °C и 450 °C соответственно с использованием реактивных силанов и кислородных газов при 300 мТорр (рис. .С9а). Пленка VO2 толщиной 120 или 200 нм была нанесена с помощью PLD на стопку тонких пленок 120 нм поли-Si / 20 нм LTO / 20 нм поли-Si (рис. S9b), затем 70 нм Al 2 O 3 с использованием атомно-слоевого осаждения (ALD) (вакуум, 200°C, триметилалюминий и деионизированная вода в качестве прекурсоров) и слоя Cr (1 нм)/Au (70 нм) методом электронно-лучевого испарения для защиты нижележащих слоев при последующем процессы травления. (рис. S9c). Интерфейс выполнен из пара ВЧ (uEtch, SPTS Technologies) (рис.S9e), после жидкостного химического травления с BHF и селективным РИЭ (100 Вт, 13 см3/мин SF 6 и 21 см3/мин He) для удаления слоев Al 2 O 3 и поли-Si/VO 2 соответственно ( Рис. S9d), чтобы позволить травителю получить доступ к слою LTO. Защитные слои Cr/Au были протравлены хромом CR-7 и золотым мастером TFA соответственно (рис. S9f). Сразу после травления методом плазменно-химического осаждения из паровой фазы (20 Вт, 0,9 Торр, 200 °C, 30 см3/мин Nh4 и 100 см3/мин 10% SiH 4 в Ar) и ALD соответственно (рис.С9г). В частности, использовался тонкий слой Si 3 N 4 для предотвращения осаждения Al 2 O 3 в локализованных нанозазорах на границе раздела в пост-ALD-процессе, а также дополнительный слой Al 2 О 3 использовали для изоляции между фольгой ВО 2 и электродами. Наконец, рисунок электрода Cr (1 нм) / Al (100 нм) для метода 3ω был металлизирован с помощью стандартной фотолитографии и электронно-лучевого испарения (рис. S9h).Эффективность TSS, показывающая правильную работу термокоммутации, составила 75% (3 из 4 устройств).

образцов поперечного сечения AC-HRTEM (Titan, FEI) были приготовлены с использованием сфокусированного ионного пучка (Helio NanoLab, FEI) и метода экстракции. Все изображения HRTEM (рис. 2b и рис. S9j) были получены при напряжении 300 кВ с поправкой на сферическую аберрацию. Для высокого контраста интерфейса использовались расфокусировка > 40 нм и апертура объектива.

Подготовка проб и экспериментальная установка для метода 3ω

Все устройства смонтированы на 24-контактном чип-носителе с тонкопленочным платиновым терморезистором (RTD) класса А, проводящим серебряным лаком.Стоит отметить, что термометр сопротивления использовался для точного считывания температуры непосредственно на приборах. Соединение алюминиевой проволокой и серебряной проводящей эпоксидной смолой (EPO-TEK® h30E) использовалось для стабильного электрического соединения между держателем чипа и алюминиевым нагревателем в широком диапазоне температур. Чип-носитель с приборами был загружен в криостат (CCS-400H/204, Janis), который был соединен с вакуумным турбонасосом (T-Station 75, Edwards), регулятором температуры (Model 331, Lakeshore) и бытовым BNC-боксом. .Для измерения напряжения устройств 3ω криостат был разряжен до ~ 1 × 10-7 Торр и синхронный усилитель (SR830, Stanford Research Systems), преобразователи напряжения в I, умножитель ЦАП и высокоточные резисторы (100 Ом, ± 0, 005 % допуска сопротивления, ± 0,05 ppm ° C (температурный коэффициент -1 ) были подключены, как показано на рисунке S10. Мы использовали коммерческую подложку из плавленого кварца для сравнения нашей системы 3ω и обнаружили теплопроводность 1,22 Вт · м · -1 K · -1 (рис.S11) очень близко к известному значению. Перед началом регистрации данных глобальная температура была поднята до 423 К и оставалась такой в ​​течение ~ 30 мин для прогрева устройств. Для температурного коэффициента сопротивления (TCR) каждого алюминиевого нагревателя при целевой температуре T0 были собраны ВАХ при пяти различных температурах, T0 -4, T0 -2, T0, T0 +2 и T0 +4 K после стабилизации температуры в течение 30 минут при каждой температуре. Сопротивления нагревателя при пяти температурах были получены путем линейной аппроксимации кривой IV.Следовательно, TCR при T0 определялся линейной аппроксимацией. Сбор данных 3ω ​​при T0 также выполняли после стабилизации температуры в течение 45 минут. Следует отметить, что модуляция нанощели происходит до измерений 3ω, так что контактная поверхность не срабатывает во время измерений, а измерения на рисунках 3 и 4 являются статическими/равновесными, а не динамическими.

Экспериментальная установка и условия спектроскопии комбинационного рассеяния для измерения динамического переключения

Все устройства, характеризуемые рамановской спектроскопией, загружали в криостат (THMS600, Linkam Scientific Instruments).Температура в криостате тщательно контролировалась с помощью встроенного в систему нагревателя и внешнего жидкого азота для нагрева и охлаждения соответственно. Фазовые измерения VO 2 в приборе «VO 2 + NG», показанном на рис. S5, проводились с использованием объектива 50× в системе Renishaw micro-Raman/PL, оснащенной лазером возбуждения (λ ~ 488 нм), который был сфокусирован на области рядом с электродом 3ω (рис. S2a). Мощность лазера 190 мкВт позволяла получать рамановские сигналы от прибора «ВО 2 + НГ» в течение 0,5 с без каких-либо повреждений.Устройство нагревалось и охлаждалось с максимальной линейной скоростью, ограниченной системой криостата.

Моделирование динамического теплового переключения TSS

С учетом нашего прибора «ВО 2 + НГ» были проведены двумерные нестационарные численные расчеты с тонкослойной структурой нагревательного слоя Al длиной 100 нм, слоев Al 2 O 3 длиной 95 нм, активационный слой ВО 2 с длиной волны 200 нм и полимерный слой длиной 20 нм. Слой кремния описан на вставке на рис.С6. Его общая длина составляла 500 мкм с областями постоянной температуры на обоих концах (длина якоря = 20 мкм). Установите 273 К для начальной температуры окружающей среды и всей конструкции, а якоря использовали постоянную температуру 273 К в качестве граничного условия. Зависящий от температуры тепловой поток интерфейса нанозазора получен из результатов расчетов (рис. S8), в то время как тепловой поток других пределов составляет 5 Wm- 2 K- 1 ) для имитации охлаждения окружающего воздуха.Параметры свойств VO 2 , такие как плотность 39 , теплоемкость (включая скрытую теплоту) 40 , модуль Юнга и коэффициент Пуассона 41 , электропроводность и теплопроводность тщательно подобраны с использованием литературных и экспериментальных значений. или аналитический в этой работе. Свойства материалов Al, поли-Si и Al 2 O 3 основаны на параметрах, встроенных в Multiphysics COMSOL. Их тепловым расширением пренебрегают, так как тепловое расширение в экспериментах гораздо слабее, чем трансформационная деформация при фазовом переходе VO 37 .На слой Al подается ступенчатое входное напряжение, которое нагревает всю систему до ~ 343 К. Обратите внимание, что температура VO 2 оценивается в точке геометрического центра слоя VO 2 .

Доступность данных

Наборы данных, сгенерированные во время и/или проанализированные во время текущего опроса, доступны у соответствующего автора по запросу.

Подтверждение

Эта работа была поддержана премией NSF в рамках гранта № DMR-1608899.HSC подтверждает программу Samsung Global Research Outreach, а KD подтверждает, что Китайский стипендиальный совет (CSC, № 201406210211) оказывает финансовую поддержку. SEM и EDX, выполненные в Molecular Foundry, были поддержаны Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-05Ch21231. Авторы благодарят проф. Крису Дэймсу за полезное обсуждение и д-ру Д. Франку Оглетри, д-ру Шаулу Алони и г-ну Эду Вонгу за техническую помощь в экспериментах с СЭМ in situ.

Электронный дополнительный материал

90 522
  • Дополнительная информация

  • Комментарии

    Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и положения сообщества. Если вы обнаружите что-либо оскорбительное или несовместимое с нашими условиями или правилами, отметьте это как неприемлемое.

    .

    Смотрите также