Теплофизические свойства твердых и сыпучих материалов

Элементарные  процессы  распространения  теплоты (теплопроводность,  конвекция  и  тепловое  излучение) в технологических процессах и окружающей среде,  достаточно  часто  происходят совместно.

Важнейшими характеристиками материалов является теплоёмкость, теплопроводность и температуропроводность в связи с тем, что данные характеристики входят в качестве коэффициентов во все уравнения аналитической теории теплопроводности. Только при том условии, когда известны конкретные значения данных характеристик, возможно проводить количественные расчёты тепловых и температурных полей реальных тел.

При помощи температуры, давления и особенности термодинамического процесса, возможно, определить зависимость теплофизических свойств тел. Однако опыт даёт ясно понять, что характеристики твердых материалов могут считаться в первом приближении однопараметрическими функциями температуры. На данный момент физика не располагает универсальными теоретическими моделями, которые позволяли бы рассчитывать теплофизические свойства реальных веществ и материалов. Основным источником информации о них являются специально организуемые теплофизические эксперименты.

Теплоемкость. Теплоемкостью системы называют физическую величину, определяемую через отношение поглощаемого системой элементарного количества теплоты к соответствующему приращению ее температуры [1].

В каждом конкретном термодинамическом процессе теплоемкость оказывается теплофизической характеристикой вещества, однозначно зависящей от температуры и давления. Чаще всего представляют интерес изохорная и изобарная удельные теплоемкости, которые совпадают соответственно с частными производными от удельной внутренней  энергии   и удельной энтальпии  по температуре.

Опытные исследования показывают, что у твердых и жидких (вдали от критического состояния) веществ теплоемкость весьма слабо зависит от давления и в первом в приближении может считаться однозначной функцией температуры.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что у материалов с одинаковой молекулярной структурой объемные теплоемкости вне зон фазовых переходов оказываются близкими (в полном соответствии с предсказаниями молекулярной физики). Вблизи фазовых переходов обнаруживается аномальное увеличение теплоемкости [1 − 3].

Чаще всего необходимость отхода от классической схемы возникает при создании динамических методов комплексного (одновременного) экспериментального определения теплоемкости и теплопроводности исследуемого вещества.

Разнообразие существующих методов измерения теплоемкости обусловлено различиями в способах возбуждения и регистрации вводимой в образец теплоты, использованием различных способов регистрации температуры образца, а также различием вариантов тепловой защиты (адиабатизации) поверхности образца от нежелательных потерь теплоты в окружающую среду.

Теплопроводность ─ представляет  собой  процесс  распространения  тепловой  энергии  при  непосредственном  соприкосновении  отдельных  частиц  тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность определяется количеством тепла, проходящим за 1 час через материал толщиной в один метр и площадью поверхностей в один квадратный метр при разности температур на противоположных поверхностях в один градус.

Большей теплопроводностью обладают материалы с меньшей плотностью. В крупных порах материала наблюдается движение воздуха, сопровождающееся переносом тепла, поэтому большей теплопроводностью обладают крупнопористые материалы или материалы с сообщающимися порами. Влажные материалы имеют большую теплопроводность по сравнению с сухими, это объясняется теплопроводностью воды, которая в 25 раз выше, чем у воздуха.

Таким образом, изучение теплофизических свойств различных материалов на данный момент является актуальным.