Теплопроводность и сопротивление
Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( январь 2015 г. ) |
Теплопроводность | |
---|---|
Общие символы | Г |
единица СИ | ватты на кельвин (Вт/К) |
В базовых единицах СИ | kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅K -1 |
Измерение |
Термическое сопротивление | |
---|---|
Общие символы | Р |
единица СИ | кельвин на ватт (К/Вт) |
В базовых единицах СИ | кг -1 ⋅m -2 ⋅s 3 ⋅K |
Измерение |
В теплопередаче , теплотехнике и термодинамике теплопроводность и термическое сопротивление являются фундаментальными понятиями, которые описывают способность материалов или систем проводить тепло и сопротивление, которое они оказывают тепловому потоку . Возможность манипулировать этими свойствами позволяет инженерам контролировать температурный градиент , предотвращать тепловой удар и максимизировать эффективность тепловых систем . Более того, эти принципы находят применение во многих областях, включая материаловедение , машиностроение , электронику и управление энергопотреблением . Знание этих принципов имеет решающее значение в различных научных, инженерных и повседневных приложениях: от разработки эффективного контроля температуры , теплоизоляции и управления температурным режимом в промышленных процессах до оптимизации производительности электронных устройств .
Теплопроводность ( G ) измеряет способность материала или системы проводить тепло. Он дает представление о легкости, с которой тепло может проходить через конкретную систему. Измеряется в единицах ватт на кельвин (Вт/К). Это важно при проектировании теплообменников , термически эффективных материалов и различных инженерных систем, где жизненно важно контролируемое движение тепла.
И наоборот, термическое сопротивление ( R ) измеряет сопротивление тепловому потоку в материале или системе. Он измеряется в кельвинах на ватт (К/Вт) и указывает, какая разница температур (в кельвинах) необходима для передачи единицы теплового тока (в ваттах) через материал или объект. Крайне важно оптимизировать изоляцию зданий , оценить эффективность электронных устройств и повысить производительность радиаторов в различных приложениях.
Объекты, изготовленные из изоляторов, таких как резина, имеют тенденцию иметь очень высокое сопротивление и низкую проводимость, в то время как объекты, изготовленные из проводников, таких как металлы, имеют тенденцию иметь очень низкое сопротивление и высокую проводимость. Эта связь количественно определяется удельным сопротивлением или проводимостью . Однако природа материала не является единственным фактором, поскольку она также зависит от размера и формы объекта, поскольку эти свойства скорее экстенсивны, чем интенсивны . Связь между теплопроводностью и сопротивлением аналогична взаимосвязи между электропроводностью и сопротивлением в области электроники.
Теплоизоляция ( R -значение ) является мерой сопротивления материала тепловому потоку. Он количественно определяет, насколько эффективно материал может противостоять передаче тепла посредством проводимости, конвекции и излучения. Он имеет единицы измерения: квадратный метр -кельвин на ватт (м 2 ⋅К/Вт) в единицах СИ или квадратных футах по Фаренгейту – часы на британскую тепловую единицу (футы 2 ⋅°F⋅ч/БТЕ) в британских единицах . Чем выше теплоизоляция, тем лучше материал изолирует теплопередачу. Он обычно используется в строительстве для оценки изоляционных свойств таких материалов, как стены, крыши и изоляционные изделия.
Практическое применение
[ редактировать ]Теплопроводность и сопротивление имеют несколько практических применений в различных областях:
- Изоляция зданий . Понимание термического сопротивления помогает проектировать энергоэффективные здания с использованием эффективных изоляционных материалов для уменьшения теплопередачи.
- Охлаждение электроники . Термическое сопротивление имеет решающее значение при проектировании радиаторов и систем терморегулирования в электронных устройствах для предотвращения перегрева. Расчет теплопроводности имеет решающее значение для проектирования эффективных радиаторов и систем охлаждения в электронных устройствах.
- Автомобильный дизайн : инженеры-автомобилестроители используют термическое сопротивление для оптимизации системы охлаждения и предотвращения перегрева двигателей и других компонентов автомобиля. Оценка термического сопротивления помогает при проектировании компонентов двигателя и автомобильных систем охлаждения.
- Конструкция посуды . Теплопроводность важна при проектировании посуды, чтобы обеспечить равномерное распределение тепла и эффективность приготовления. Оценка теплопроводности важна при разработке посуды для равномерного распределения тепла.
- Теплообменники . В таких отраслях, как ОВКВ и химическая обработка, теплообменники используют теплопроводность для эффективной передачи тепла между жидкостями.
- Аэрокосмическая промышленность . В космических кораблях и самолетах термическое сопротивление и проводимость имеют решающее значение для управления колебаниями температуры в экстремальных условиях. При проектировании космических кораблей и авиационных систем необходимо учитывать теплопроводность и сопротивление для управления экстремальными температурами.
- Криогеника . Понимание тепловых свойств жизненно важно для проектирования криогенных систем, используемых в сверхпроводниках и в медицине.
- Энергоэффективность. В энергетическом секторе тепловое сопротивление и проводимость играют важную роль при разработке эффективных теплообменников для электростанций и энергоэффективных приборов.
- Медицинские устройства . Управление температурным режимом имеет решающее значение для медицинского оборудования, такого как аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) и лазерные системы, для поддержания точных рабочих температур. Обеспечение надлежащего управления температурным режимом имеет решающее значение для безопасности и производительности медицинских устройств и лазерных систем.
- Пищевая промышленность : Пищевая промышленность использует знания о теплопроводности для оптимизации таких процессов, как пастеризация и приготовление пищи, а также для проектирования оборудования для пищевой промышленности, такого как печи и холодильные установки.
- Материаловедение : исследователи используют данные о теплопроводности для разработки новых материалов для различных применений, включая накопление энергии и современные покрытия.
- Наука об окружающей среде : термическое сопротивление учитывается в исследованиях климата для понимания теплопередачи в атмосфере Земли и океанах. Оценка термического сопротивления полезна при изучении профилей температуры почвы для экологических и сельскохозяйственных исследований.
- Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (HVAC). Понимание термического сопротивления помогает оптимизировать системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для повышения энергоэффективности.
- Термоупаковка. Обеспечение надлежащей теплопроводности и устойчивости имеет решающее значение для защиты чувствительных товаров во время транспортировки.
- Солнечные энергетические системы. Понимание термического сопротивления важно при проектировании солнечных коллекторов и систем хранения тепловой энергии.
- Производственные процессы: контроль теплопроводности важен в таких процессах, как сварка, термообработка и литье металлов.
- Геотермальная энергия . Оценка теплопроводности важна для геотермальных теплообменников и производства энергии.
- Тепловидение . Инфракрасные камеры и тепловизионные устройства используют принципы теплопроводности для обнаружения изменений температуры.
Абсолютное термическое сопротивление
[ редактировать ]Абсолютное термическое сопротивление — это разница температур единица тепловой протекает по всей конструкции, когда через нее в единицу времени энергии . Это обратная величина теплопроводности . Единицей абсолютного теплового сопротивления в системе СИ является кельвин на ватт (К/Вт) или эквивалентный ему градус Цельсия на ватт (°C/Вт). Эти два понятия одинаковы, поскольку интервалы равны: Δ T = 1 K = 1 °C. .
Термическое сопротивление материалов представляет большой интерес для инженеров-электронщиков, поскольку большинство электрических компонентов выделяют тепло и нуждаются в охлаждении. Электронные компоненты выходят из строя или выходят из строя в случае перегрева, и для предотвращения этого на стадии проектирования обычно требуются меры, принимаемые для некоторых деталей.
Аналогии и номенклатура
[ редактировать ]Инженеры-электрики знакомы с законом Ома и часто используют его как аналогию при расчетах теплового сопротивления. Инженеры-механики и строители более знакомы с законом Гука и поэтому часто используют его как аналогию при расчетах теплового сопротивления.
Объяснение с точки зрения электроники
[ редактировать ]Эквивалентные тепловые схемы
[ редактировать ]Тепловой поток можно смоделировать по аналогии с электрической цепью, где тепловой поток представлен током, температуры представлены напряжениями, источники тепла представлены источниками постоянного тока, абсолютные тепловые сопротивления представлены резисторами, а тепловые емкости - конденсаторами.
На схеме изображена эквивалентная тепловая схема полупроводникового прибора с радиатором .
Пример расчета
[ редактировать ]Пример |
---|
Получено из закона Фурье для теплопроводности.
[ редактировать ]Из закона Фурье для теплопроводности можно вывести следующее уравнение, которое справедливо до тех пор, пока все параметры (x и k) постоянны во всем образце.
где:
- — абсолютное термическое сопротивление (К/Вт) по толщине образца.
- — толщина (м) образца (измеренная на пути, параллельном тепловому потоку)
- – теплопроводность (Вт/(К·м)) образца
- – термическое сопротивление (К·м/Вт) образца
- площадь поперечного сечения (м 2 ) перпендикулярно пути теплового потока.
С точки зрения градиента температуры по образцу и теплового потока через образец соотношение следующее:
где:
- — абсолютное термическое сопротивление (К/Вт) по толщине образца,
- — толщина (м) образца (измеренная на пути, параллельном тепловому потоку),
- – тепловой поток через образец ( Вт ·м −2 ),
- – градиент температуры ( K ·m −1 ) по выборке,
- площадь поперечного сечения (м 2 ) перпендикулярно пути теплового потока через образец,
- - разница температур ( K ) по образцу,
- — скорость теплового потока ( Вт ) через образец.
Проблемы с аналогией с электрическим сопротивлением
[ редактировать ]В обзорной статье 2008 года, написанной исследователем Philips Клеменсом Дж. М. Ласансом, отмечается, что: «Хотя существует аналогия между тепловым потоком за счет проводимости (закон Фурье) и потоком электрического тока (закон Ома), соответствующие физические свойства теплопроводности и электропроводности проводимость сговорилась сделать поведение теплового потока совершенно непохожим на поток электричества в нормальных ситуациях [...] К сожалению, хотя электрические и тепловые дифференциальные уравнения аналогичны, ошибочно делать вывод о том, что существует какая-либо практическая аналогия между электрическими и тепловыми. Это происходит потому, что материал, который с точки зрения электричества считается изолятором, примерно на 20 порядков менее проводящий, чем материал, который считается проводником, в то время как с точки зрения тепла разница между «изолятором» и «проводником». «составляет всего около трех порядков. Тогда весь диапазон теплопроводности эквивалентен разнице в электропроводности высоколегированного и низколегированного кремния». [3]
Эталоны измерения
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( январь 2015 г. ) |
Тепловое сопротивление переход-воздух может сильно варьироваться в зависимости от условий окружающей среды. [4] (Более сложный способ выразить тот же факт — сказать, что тепловое сопротивление переход-окружающая среда не зависит от граничных условий (BCI). [3] ) JEDEC имеет стандарт (номер JESD51-2) для измерения теплового сопротивления переход-воздух электронных блоков при естественной конвекции и другой стандарт (номер JESD51-6) для измерения при принудительной конвекции .
Стандарт JEDEC для измерения теплового сопротивления переход-плата (относится к технологии поверхностного монтажа ) опубликован как JESD51-8. [5]
Стандарт JEDEC для измерения теплового сопротивления переход-корпус (JESD51-14) является относительно новым и был опубликован в конце 2010 года; это касается только упаковок, имеющих единый тепловой поток и открытую охлаждающую поверхность. [6] [7] [8]
Сопротивление композитной стены
[ редактировать ]Сопротивления последовательно
[ редактировать ]При последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление представляет собой сумму сопротивлений:
Параллельное термическое сопротивление
[ редактировать ]Как и в случае с электрическими цепями, общее тепловое сопротивление для установившихся условий можно рассчитать следующим образом.
Общее термическое сопротивление
(1) |
Упрощая уравнение, получаем
(2) |
Учитывая тепловое сопротивление проводимости, получаем
(3) |
Сопротивление последовательно и параллельно
[ редактировать ]Часто удобно предполагать одномерные условия, хотя тепловой поток является многомерным. Теперь в этом случае можно использовать две разные схемы. Для случая (а) (показанного на рисунке) мы предполагаем изотермические поверхности, нормальные к направлению x, тогда как для случая (b) мы предполагаем адиабатические поверхности, параллельные направлению x. Мы можем получить разные результаты для полного сопротивления а фактические соответствующие значения теплоотдачи заключены в скобки . Когда многомерные эффекты становятся более значимыми, эти различия увеличиваются с увеличением . [9]
Радиальные системы
[ редактировать ]Сферические и цилиндрические системы можно рассматривать как одномерные из-за температурных градиентов в радиальном направлении. Стандартный метод можно использовать для анализа радиальных систем в установившихся условиях, начиная с соответствующей формы уравнения теплопроводности, или альтернативный метод, начиная с соответствующей формы закона Фурье . Для полого цилиндра в стационарных условиях без выделения тепла подходящая форма уравнения теплопроводности имеет вид [9]
(4) |
Где рассматривается как переменная. Учитывая соответствующую форму закона Фурье, физический смысл рассмотрения поскольку переменная становится очевидной, когда скорость, с которой энергия передается через цилиндрическую поверхность, это представляется как
(5) |
Где Это область, нормальная к направлению, в котором происходит теплопередача. Из уравнения 1 следует, что величина не зависит от радиуса , из уравнения 5 следует, что скорость теплопередачи, является постоянной в радиальном направлении.
Чтобы определить распределение температуры в цилиндре, уравнение 4 можно решить, применяя соответствующие граничные условия . С предположением, что постоянен
(6) |
Используя следующие граничные условия, константы и можно вычислить
- и
Общее решение дает нам
- и
Решение для и и подставив в общее решение, получим
(7) |
Логарифмическое распределение температуры показано на вставке миниатюрного рисунка. Предполагая, что распределение температуры (уравнение 7) используется вместе с законом Фурье в уравнении 5, скорость теплопередачи можно выразить в следующей форме:
Наконец, для радиальной проводимости в цилиндрической стенке термическое сопротивление имеет вид
- такой, что
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Тони Эбби. «Использование FEA для термического анализа». Журнал «Настольная инженерия». 2014 июнь. п. 32.
- ^ «Дизайн радиаторов» . Архивировано 5 сентября 2016 г. в Wayback Machine.
- ^ Jump up to: а б Ласанс, CJM (2008). «Десять лет компактного термического моделирования электронных деталей, независимого от граничных условий: обзор» . Техника теплопередачи . 29 (2): 149–168. Бибкод : 2008HTrEn..29..149L . дои : 10.1080/01457630701673188 . S2CID 121803741 .
- ^ Хо-Минг Тонг; И-Шао Лай; КП Вонг (2013). Усовершенствованная упаковка Flip Chip . Springer Science & Business Media. стр. 460–461 . ISBN 978-1-4419-5768-9 .
- ^ Юнес Шабани (2011). Теплопередача: терморегулирование электроники . ЦРК Пресс. стр. 111–113. ISBN 978-1-4398-1468-0 .
- ^ Клеменс Дж. М. Ласанс; Андраш Поппе (2013). Управление температурным режимом в светодиодных приложениях . Springer Science & Business Media. п. 247. ИСБН 978-1-4614-5091-7 .
- ^ «Эксперимент против моделирования, часть 3: JESD51-14» . 22 февраля 2013 г.
- ^ Швейцер, Д.; Пейп, Х.; Чен, Л.; Кучерауэр, Р.; Уолдер, М. (2011). «Измерение переходных процессов с двойным интерфейсом — новый стандарт JEDEC для измерения теплового сопротивления перехода к корпусу». 2011 27-й ежегодный симпозиум IEEE Semiconductor по тепловым измерениям и управлению . п. 222. дои : 10.1109/STHERM.2011.5767204 . ISBN 978-1-61284-740-5 .
- ^ Jump up to: а б Incropera, Девитт, Бергман, Лавин, Фрэнк П., Дэвид П., Теодор Л., Адриенн С. (2013). Принципы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья; 7-е издание, международное издание. ISBN 978-0470646151 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
10. К. Эйналипур, С. Садегзаде , Ф. Молаи. «Разработка межфазного термического сопротивления гетероструктуры полианилин (C3N)-графен», Журнал физической химии, 2020. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c02051
- Михаэль Ленц, Гюнтер Стридль, Ульрих Фрёлер (январь 2000 г.) Термическое сопротивление, теория и практика . Infineon Technologies AG , Мюнхен , Германия .
- Directed Energy, Inc./IXYSRF (31 марта 2003 г.) Техническое примечание по тета-динамике и рассеиваемой мощности . Ixys RF , Форт-Коллинз, Колорадо. Пример расчета теплового сопротивления и рассеиваемой мощности в полупроводниках.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]На эту тему существует большое количество литературы. В целом работы, в которых используется термин «тепловое сопротивление», более ориентированы на инженерные аспекты, тогда как работы, использующие термин « теплопроводность», более ориентированы на [чистую] физику. Следующие книги являются репрезентативными, но их можно легко заменить.
- Терри М. Тритт, изд. (2004). Теплопроводность: теория, свойства и приложения . Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-306-48327-1 .
- Юнес Шабани (2011). Теплопередача: терморегулирование электроники . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4398-1468-0 .
- Синцунь Колин Тонг (2011). Современные материалы для управления температурным режимом электронных корпусов . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4419-7759-5 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Гопин Сюй (2006), Управление температурным режимом для электронных корпусов , Sun Microsystems
- Обновленная информация о тепловых стандартах JEDEC
- Важность термического сопротивления почвы для энергетических компаний