мини|Цвет на парче аергел над Бунзен горилник Топлинската спроводливост на материјал ― мерење на неговата способност да спроведува топлина. Поимот најчесто се означува со , , или .

Топлинскиот пренос се случува со помала стапка кај материјалите со ниска топлинска спроводливост отколку кај оние материјали со висока топлинска спроводливост. На пример, металите вообичаено имаат висока топлинска спроводливост и се многу ефикасни во спроведувањето на топлината, додека обратното важи за изолационите материјали како што е стиропорот. Соодветно, материјалите кои имаат висока топлинска спроводливост се широко користени во примените за ладилници, а материјалите со ниска топлинска спроводливост се користат како топлинска изолација. Реципроцитетот на топлинската спроводливост се нарекува топлинска отпорност.

Описната равенка за топлинска спроводливост е , каде е топлинскиот проток, е топлинската спроводливост и е температурниот градиент. Ова е познато како Фурјеов закон за спроводливост на топлина. Иако најчесто се изразува како скалар, најопштиот облик на топлинска спроводливост е тензор од втор ред. Меѓутоа, тензорскиот опис станува неопходен само кај материјали кои се анизотропни.

Дефиниција

Едноставна дефиниција Размислете за цврст материјал поставен помеѓу две средини кои имаат различни температури. Нека биде температурата за и биде температурата за , и предпоставете дека . Една можно остварување на ова сценарио е една градба во студен зимски ден: во овој случај ѕидот на градбата би бил цврстиот материјал, кој би ја одвоил студената надворешна средина од топлата внатрешна средина.

Според Вториот закон за термодинамика, топлината ќе тече од топлата средина во студената бидејќи температурната разлика се изедначува преку распространување. Ова е квантифицирано во однос на топлински проток , што ја дава брзината, по единица површина, при која топлината тече во дадена насока (во овој случај во минус x-насоката). Кај многу материјали, се забележува како директно сразмерен на температурната разлика и обратно сразмерен на растојанието на одвојување :

Постојаната на сразмерност е топлинската спроводливост; таа е физичко својство на материјалот. Во прикажаното сценарио, бидејќи топлината тече во минус х-насоката и е негативен, што пак значи дека . Претежно, секогаш се проопишува како позитивна. Истата дефиниција за може да важи и за течности и гасови, под услов да се отстранат или да се земат предвид другите начини на пренос на енергија, како што се конвекција и зрачење.

Во претходната изведба се претпоставува дека не се менува значително додека температурата варира од до . Случаи во кои температурната варијација на е незанемарлива мора да се наведат со користење на поопштата дефиниција на која е дискутирана подолу.

Општа дефиниција Топлинската спроводливост е опишана како пренос на енергија предизвикана од случајно молекуларно движење низ температурен градиент. Се разликува од преносот на енергија со конвекција и молекуларна работа во тоа што не вклучува ни внатрешни напрегања за извршување работа, ни макроскопски текови.

Енергетскиот проток поради топлинска спроводност е класифициран како топлина и се мери со векторот , што му дава положба и време на топлинскиот проток. Според вториот закон за термодинамика, топлината тече од висока кон ниска температура. Последователно, разумно е да се претпоставува дека е сразмерен на градиентот на температурното поле , т.е.

каде што постојаната на сразмерност, , е топлинската спроводливост. Ова е наречено Фурјеов закон за спроводливост на топлина. И покрај името, не станува збор за закон, туку за определба за топлинска спроводливост во однос на независните физички големини и . Како таква, нејзината корисност зависи од способноста за одредување на за даден материјал во дадени услови. Постојаната самата обично зависи од а со тоа имплицитно од просторот и времето. Може да се појави и експлицитна зависност од просторот и времето ако материјалот е нехомоген или е променувачки со тек на време.

Топлинската спроводливост е анизотропна кај некои цврсти материи, т.е. топлинскиот проток не е секогаш паралелен со температурниот градиент. За да се објасни таквото однесување, мора да се користи тензорична форма на Фурјеовиот закон:

каде што е симетричен тензор од втор ред со име тензор за топлинска спроводливост.

Имплицитна претпоставка во горниот опис е присуството на месна термодинамичка рамнотежа, која овозможува да се опишува температурно поле . Оваа претпоставка може да биде прекршена во системи кои не се во можност да постигнат месна рамнотежа, како што може да се случи во присуство на силно неурамнотежено движење или долги заемодејствија.

Други количини Во инженерската практика често се работи во однос на количини кои се деривати на топлинската спроводливост и имплицитно ги земаат предвид одликите специфични за дизајнот, како што се димензиите на компонентите.

На пример, топлинската спроводност се опишува како количина на топлина што поминува во единица време низ плоча со одредена површина и дебелина кога нејзините спротивни страни се разликуваат во температурите за еден келвин. Кај плоча со топлинска спроводливост , област и дебелина , спроводноста е , мерено во W⋅K −1.Bejan, p. 34 Односот помеѓу топлинската спроводливост и спроводност е аналоген на односот помеѓу електричната спроводливост и електричната спроводност.

Топлински отпор е инверзијата на топлинска спроводност.Bejan, p. 34 Тоа е погодна мерка за употреба во повеќекомпонентен дизајн бидејќи топлинските отпори се дополнителни кога се појавуваат во серија.

Исто така, постои мерка позната како коефициент на пренос на топлина: количината на топлина што поминува по единица време низ единица површина на плоча со одредена дебелина кога нејзините спротивни страни се разликуваат во температурата за еден келвин. Во АСТМ Ц168-15, оваа количина независна од областа се нарекува „топлинска спроводност“.ASTM C168 − 15a Standard Terminology Relating to Thermal Insulation. Реципроцитетот на коефициентот на пренос на топлина е топлинска изолација. Накратко, за плоча со топлинска спроводливост , област и дебелина ,

топлинска спроводност = , мерено во W⋅K −1. топлинска отпорност = , мерено во K⋅W −1. коефициент на пренос на топлина = , мерено во W⋅K −1 ⋅m −2. топлинска изолација = , мерено во K⋅m 2 ⋅W −1.

Коефициентот на пренос на топлина е познат и како топлински прием во смисла дека материјалот може да биде сметан дека дозволува проток на топлина.

Еден дополнителен поим, топлинска пропустливост, ја квантифицира топлинската спроводност на структурата заедно со пренос на топлина поради конвекција и зрачење. Се мери во истите единици како топлинската спроводност и понекогаш е познат како композитна топлинска спроводливост. Се користи и поимот У-вредност.

На крај, топлинското распространување комбинира топлинска спроводливост со густина и специфична топлина:

.

Како таква, таа ја квантификува топлинската инерција на материјалот, т.е. релативната тешкотија во загревањето на материјалот до дадена температура користејќи извори на топлина што се применуваат на границата.

Единици Во Меѓународниот систем на единици (SI), топлинската спроводливост се мери во вати на метар-келвин (W/(m⋅K)). Некои трудови известуваат во вати по цантиметар-келвин (W/(cm⋅K)).

Во царските единици, топлинската спроводливост се мери во BTU /(h⋅ft⋅°F).

Димензијата на топлинската спроводливост е M1L1T−3Θ−1, изразена во однос на димензиите маса (M), должина (L), време (T) и температура (Θ).

Други единици кои се тесно поврзани со топлинската спроводливост се во вообичаена употреба во градежната и текстилната индустрија. Градежната индустрија користи мерки како што се Р-вредност (отпор) и У-вредност (пропустливост или спроводност). Иако се поврзани со топлинската спроводливост на материјалот што се користи во изолациониот производ или како склопен, Р- и У-вредностите се мерени по единица површина и зависат од одредената дебелина на производот или склопот.

Слично на тоа, текстилната индустрија има неколку единици, вклучувајќи ги и тог и кло, кои изразуваат топлинска отпорност на материјалот на начин аналоген на Р-вредностите што се користат во градежната индустрија.

Мерење Постојат неколку начини за мерење на топлинската спроводливост од кои секој е погоден за ограничен опсег на материјали. Општо земено, постојат две категории на мерни техники: техника на стабилна состојба и минлива техника. Техниките на стабилна состојба го добиваат заклучокот за топлинската спроводливост од мерењата на состојбата на материјалот откако ќе биде достигнат температурен профил во стабилна состојба, додека минливите техники работат на моменталната состојба на системот за време на приближувањето до стабилна состојба. Немајќи експлицитна временска компонента, техниките на стабилна состојба не бараат сложена обработка на сигналот (стабилната состојба подразбира постојани сигнали). Недостаток е што обично е потребно добро дизајнирана опитна поставеност, а времето потребно за да се постигне стабилна состојба го оневозможува брзото мерење.

Во споредба со цврстите материјали, топлинските својства на течностите потешко се проучуваат опитно. Тоа е затоа што покрај топлинската спроводност, обично се присутни конвективен и озрачувачки пренос на енергија, освен ако не се преземат мерки за ограничување на овие постапки. Образувањето на изолационен граничен слој, исто така, може да резултира со очигледно намалување на топлинската спроводливост.

Опитни вредности врска=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1e/Thermal conductivity.svg/550px-Thermal conductivity.svg.png|мини| Опитни вредности на топлинска спроводливост. Топлинската спроводливост на обичните материи опфаќа најмалку четири реда на големина. Гасовите обично имаат топлинска спроводливост, а чистите метали имаат висока топлинска спроводливост. На пример, во стандардни услови топлинската спроводливост на бакарот е над пати поголема од онаа на воздухот.

Од сите материјали, алотропите на јаглеродот, како што се графитот и дијамантот, обично се заслужни за највисока топлинска спроводливост на собна температура.An unlikely competitor for diamond as the best thermal conductor, Phys.org news (July 8, 2013). Топлинската спроводливост на природниот дијамант на собна температура е неколку пати повисока од онаа на високопроводниот метал како бакарот (иако прецизната вредност варира во зависност од видот на дијамантот)."Thermal Conductivity in W cm−1 K−1 of Metals and Semiconductors as a Function of Temperature", in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 99th Edition (Internet Version 2018), John R. Rumble, ed., CRC Press/Taylor & Francis, Boca Raton, FL.

Топлинските спроводливости на избрани супстанции се дадени во табела подолу; може да се најде проширен список во списокот на топлински спроводливости. Овие вредности се само илустративни проценки, бидејќи не ги земаат предвид мерните несигурности или варијабилноста во дефинициите на материјалите. Супстанција Топлинска спроводливост (W·m −1 ·K −1 ) Температура (°C) Воздух 0,026 25 Стиропор 0,033 25 Вода 0,6089 26,85 Бетон 0,92 - Бакар 384,1 18.05 Природен дијамант 895–1350 26,85

Влијателни фактори

Температура