Теплофизические свойства
Теплофизические свойства материалов и изделий характеризуют отношение к действию на них тепловой энергии. Они включают в себя способность проводить (теплопроводность, температуропроводность), поглощать тепло (теплоемкость), сохранять или изменять свойства при изменении температур (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 °С в определенном интервале температур от С1 до С2.
Вычисляют теплоемкость (С, Дж/°С) по формуле
С = Q / (t2 – t1),
где Q — количество теплоты, Дж;
t2 и t1 — соответственно начальная и конечная температура материала, °С.
Если теплоемкость отнести к определенному количеству вещества (г, кг), то получим удельную теплоемкость в Дж /(г • °С). Отношение удельной теплоемкости к единице массы вещества С/ m — это массовая теплоемкость, а к объему вещества — объемная теплоемкость. Удельная теплоемкость характеризует тепловую инерцию материала.
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 и если они сообщаются и тем более если становятся сквозными, теплопроводность резко повышается за счет увеличения конвекции.
С повышением влажности 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 λ, Вт • м/(м2 • °С), который характеризует интенсивность теплопередачи и показывает, какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разности температур верхней и нижней поверхностей материала в 1 °С:
λ = Фδ / [(t1 – t2) S], где Ф — тепловой поток, Вт;
δ — толщина образца, м;
S — площадь пробы материала, м2;
t1 – t2 — разность температур между поверхностями, °С. Для некоторых материалов, используемых для изготовления одежды и обуви, наиболее важны обратные показатели теплопроводности: тепловое сопротивление, теплозащита. К таким показателям относятся тепловое сопротивление R, м2 • °С/ Вт, или удельное тепловое сопротивление ρ, м2 • °С/(Вт•м).
R = (t1 – t2) S/Ф = 1/α, ρ = R/δ = (t1 – t2) S/ (δФ) = 1/λ.
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.
Показателем термического расширения материалов является относительный температурный коэффициент, который зависит от химического состава, степени однородности вещества и наличия примесей. Различают линейный и объемный температурный коэффициенты в определенном интервале температур.
Коэффициент линейного расширения (α • 10-6) вычисляют по формуле
α = ∆l / (l1∆t) = l2 – l1 / [l1 (t2 – t1)],
где ∆l — изменение длины тела при изменении температуры на 1 °С, мм;
l2 — длина образца при конечной температуре t2, мм;
l1 — длина образца при начальной температуре t1, мм.
Коэффициент объемного расширения (β) рассчитывают по формуле
β = ∆V / (V∆t) = V2 – V1 / [V1 (t2 – t1)],
где V2 — объем тела при конечной температуре t2 °С, см3;
V1 — объем тела при начальной температуре t1 °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 характеризует способность материалов и изделий сохранять свойства при повышенных температурах. Теплостойкость (термостойкость) определяет стойкость к термической деструкции. Она оценивается по изменению свойств после нагрева 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.
Термическая стойкость изделий зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, коэффициента температурного расширения, коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоемкости, от модуля упругости, пористости, толщины, формы изделий, а также от состояния поверхности изделия, наличия тех или иных внутренних и наружных дефектов, острых граней и плавных переходов и от других факторов, т. е. имеет сложную зависимость.
Она 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 подразделяются 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. Она зависит от природы материала. По степени огнестойкости выделяют негорючие, трудно сгораемые и легкосгораемые материалы. К негорючим относятся материалы, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются. Это металлические и силикатные материалы и изделия из них, а также некоторые виды пластических масс.
Материалы, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудно сгораемым (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.).
