Теплофизические свойства

Теплофизические свойства материалов и изделий характеризуют их реакцию на действие тепловой энергии. Они включают в себя способность проводить (теплопроводность, температуропроводность), поглощать тепло (теплоемкость), способность сохранять или изменять свойства при изменении температуры (тепло-, термо- и морозостойкость, огнестойкость).

Показатели этих свойств используются для характеристики различных материалов и изделий, а также для определения их назначения.

Теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для повышения температуры материала на 1 К. Теплоемкость (Дж/К) вычисляют по формуле

C = Q /(T -T ) (5.9)

где Q - количество теплоты, Дж; Т₂ и T — начальная и конечная температуры материала, К.

Если теплоемкость отнести к определенному количеству вещества, то получим удельную теплоемкость [Дж/(г-К)]. Удельная теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала. Так, удельная теплоемкость латуни составляет 0,39 Дж/(г-К), а полиэтилена — 2,30 Дж/(г-К).

Теплопроводность характеризует способность материала проводить тепло при разности температур между отдельными участками материала. Она зависит от химического состава, плотности, пористости, температуры и влажности материала.

Наибольшую теплопроводность имеют материалы высокой плотности. С увеличением пористости теплопроводность падает, т. е. материалы с большим количеством пор обладают низкой теплопроводностью.

В обычных условиях поры заполнены воздухом, теплопроводность которого очень мала. Но при увеличении размеров пор, их соединении и если они становятся сквозными, теплопроводность резко повышается из-за увеличения конвекции.

С повышением влажности материала теплопроводность пористых материалов возрастает, так как поры заполняются водой, а теплопроводность воды в 24 раза выше, чем воздуха. При увеличении скорости воздушного и теплового потоков и давления теплопроводность повышается.

Теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности [Вт/(м²-K)], который характеризует интенсивность теплопередачи и показывает, какое количество теплоты проходит за 1 ч через 1 м² материала толщиной 1 м при разности температур верхней и нижней поверхностей материала 1 К:

(5.10)

где Ф — тепловой поток, Вт; — толщина образца, м; S — площадь пробы материала, м²; T -Т₂ — разность температур между поверхностями, К.

Для некоторых материалов, используемых для изготовления одежды и обуви, наиболее важны обратные показатели теплопроводности: тепловое сопротивление, теплозащита. Тепловое сопротивление R (м²-°С/Вт) и удельное тепловое сопротивление р(м²-°С/Вт), соответственно,

R=(t -t )S / Ф=1/ ; =R/ =(t -t )S /( Ф)=1/ (5.11)

Материалы с малым коэффициентом теплопроводности (вата, мех, пенополиуретан) используют в качестве утеплителей при изготовлении зимней одежды, утепленной обуви.

Термическое расширение характеризует способность материала изменять размеры при изменении температуры. Учитывается при оценке качества материалов и изделий, которые эксплуатируются при

резких изменениях температуры (режущий инструмент, стеклянная и керамическая посуда). Если материал имеет большое термическое расширение, то при резких колебаниях температуры изделие может разрушиться. Термическое расширение должно учитываться при производстве двухслойных материалов и изделий (глазурованных и эмалированных изделий, стеклоизделий с нацветом). Термическое расширение основного материала и эмали или основной и цветной стекломассы должно быть по возможности одинаковым.

Различают коэффициенты линейного и объемного расширения в определенном интервале температур.

Коэффициент линейного расширения

(5.12)

где — изменение длины тела при изменении температуры на 1 °С, мм; l — длина образца при начальной температуре t мм; /₂ — длина образца при конечной температуре t₂, мм. Коэффициент объемного расширения

(5.13)

где V₂ — объем тела при конечной температуре t₂°C, см³; V₁ — объем тела при начальной температуре t , °С, см³; V— изменение объема тела при изменении температуры на 1 °С, см³.

Коэффициент определяют на специальных приборах — дилатометрах. Увеличение коэффициента линейного расширения отрицательно влияет на термическую стойкость материалов. Материалы с высоким коэффициентом термического расширения (стекло и стеклоизделия) при незначительных колебаниях температуры разрушаются.

Теплостойкость (термостойкость) характеризует способность материалов и изделий сохранять свойства при повышенных температурах. Теплостойкость определяет стойкость материала к термической деструкции. Она оценивается по изменению свойств после нагревания и выдержки в нормальных условиях. Термостойкость имеет значение при оценке качества товаров, которые при эксплуатации подвергаются резкому нагреванию и охлаждению (стеклянная и керамическая посуда, режущий инструмент и др.). Она влияет на режим технологической обработки, условия эксплуатации, долговечность изделий.

Термостойкость изделий зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, коэффициента температурного расширения, коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоемкости, модуля упругости, пористости, толщины, формы изделий, а также состояния поверхности изделия, наличия внутренних и наружных

дефектов, острых граней и плавных переходов и других факторов, т. е. имеет сложную зависимость.

Термостойкость тем больше, чем выше теплопроводность, механическая прочность и ниже модуль упругости и температурный коэффициент расширения. В последнем случае при резких колебаниях температуры в материале возникают внутренние напряжения, приводящие к его разрушению. С повышением пористости материала, если при этом не снижается прочность, термическая стойкость возрастает.

По термостойкости материалы и изделия разделяются на термостойкие и жаростойкие. К термостойким относят материалы, предназначенные для эксплуатации при температуре 250...400°С. Например, термостойкое текстильное волокно кевлар применяется для изготовления специальной одежды для пожарников, литейщиков. Жаростойкие материалы сохраняют свои эксплуатационные показатели при температуре 2000...2500°С.

Огнестойкость определяет стойкость материалов и изделий к воздействию пламени огня, зависит от природы материала. По степени огнестойкости все материалы делят на негорючие, трудносгораемые и легкосгораемые.

К негорючим относятся материалы, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются: металлические и силикатные материалы и изделия из них и некоторые виды пластических масс. Материалы, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудносгораемым (шерсть, кожа и др.). Материалы и изделия, которые быстро воспламеняются и продолжают гореть и тлеть при удалении из пламени, относятся к легкосгораемым (хлопок, древесина, бумага и др.).