Подробнее о термическом сопротивлении

Термическое или тепловое сопротивление — это свойство материи противостоять изменениям температуры. Когда вещества с высоким термическим сопротивлением используют для изоляции, они хуже проводят тепло. По сравнению с веществами с низким термическим сопротивлением, такие материалы лучше держат температуру. Материалы с высоким термическим сопротивлением используют, когда необходимо поддерживать постоянную температуру внутри камеры или помещения, так как они замедляют утечку тепла в более холодную окружающую среду, или, наоборот, поступление тепла в камеру из более теплой среды.

Пример использования материалов с высоким тепловым сопротивлением — термоизоляция вокруг камеры холодильника, для того, чтобы не пропускать тепло внутрь. Такие материалы используют, также, в скафандрах, чтобы не выпускать наружу тепло тела космонавтов.

Материалы с низким термическим сопротивлением, наоборот, хорошо проводят тепло, поэтому их используют, когда необходимо охладить предмет. С их помощью тепло передается от охлаждаемого предмета в окружающую среду. Этот метод часто используется в радиоэлектронике, для охлаждения различных элементов электронного оборудования. Выделяемое ими тепло нагревает окружающий воздух.

Чтобы лучше понять тепловое сопротивление, рассмотрим три возможных способа передачи тепла: конвекцию, кондуктивный теплообмен или теплопроводность, и тепловое излучение. Конвекция — движение большой группы молекул из теплой среды в холодную. Здесь нагревание среды происходит в основном не потому, что молекулы сообщают свою энергию соседним молекулам, а потому, что они перемещаются, и с ними передвигается и сама среда. Обычно это движение происходит снизу вверх, то есть горячие молекулы движутся вверх, вытесняя холодные молекулы вниз. Например, теплая вода движется от нагревателя в аквариуме (помещенного желательно на дне аквариума) по направлению к холодной воде и к рыбкам. То есть тут вода в аквариуме перемешивается. Переносные обогреватели работают по тому же принципу. Теплый воздух вокруг них уходит в комнату, а на его место приходит холодный.

Кондуктивный теплообмен или теплопроводность, наоборот, происходит на молекулярном уровне. Он вызван беспорядочным колебанием нагретых молекул вещества: во время движения они сталкиваются с другими молекулами и передают им свою энергию. Обычно кондуктивный обмен происходит внутри среды, или между двумя телами, находящимися вблизи друг от друга. Скорее такой теплообмен произойдет в твердых телах, так как молекулы в них расположены достаточно близко друг от друга. Хороший пример такого теплообмена — нагревание стен дома снаружи вовнутрь, в теплую погоду, и наоборот потеря тепла — в холодную. Если дом плохо изолирован, то зимой тепло постепенно передвигается по стенам из комнаты на улицу, и комната охлаждается, что вынуждает расходовать больше энергии на работу обогревателя.

Тепловое излучение передает тепло на гораздо большие расстояния, чем конвекция. Для такого теплообмена не нужна среда, так как тепло передается в форме электромагнитного излучения. Солнечное излучение, нагревающее Землю — пример теплового излучения, также как и инфракрасный свет, который излучается горячими предметами и который можно увидеть с помощью прибора ночного видения или измерить инфракрасным термометром.

Термическое сопротивление измеряют как увеличение температуры на единицу мощности. Обычно его измеряют в градусах Цельсия на ватт, или °C/Вт. Увеличение температуры, которое происходит при увеличении мощности, легко измерить. Зная разницу температуры и мощности, вычисляют термическое сопротивление.

Термоизоляция помещений

Для термоизоляции помещений строители используют материалы с высоким тепловым сопротивлением. Зимой изолированные здания не выпускают тепло на улицу, а летом не пропускают жару в комнаты. Регулировать температуру в помещении необходимо не только для комфорта людей и животных, но и для выживания, особенно в экстремальных условиях. Все используемые для термоизоляции материалы характеризуется термическим сопротивлением. Когда в зданиях используют сразу несколько таких материалов, их общее тепловое сопротивление вычисляют как сумму отдельного теплового сопротивления каждого из них.

Термическое сопротивление несущих элементов строительных конструкций, например кирпича и бетона, обычно низкое, поэтому в большинстве случаев в домах используют дополнительную изоляцию из материалов с высоким термическим сопротивлением. Такие материалы называются теплоизоляторами. Примеры таких материалов — стекловата, которая не очень эффективна, и более эффективные вспененные полимеры и изоляция из целлюлозы. Во многих из них термоизоляция достигается за счет находящегося внутри воздуха, имеющего высокое термическое сопротивление. Обычно такие материалы делают пористыми, а иногда из них делают две герметичные панели, между которыми находится воздух или вакуум.

Эксплуатация используемых для термоизоляции материалов осуществляется в соответствии с инструкциями изготовителя. Это особенно касается содержащих воздух пористых теплоизоляционных материалов. Когда они мнутся, складываются, гнутся или ломаются, воздух из них выходит и их эффективность ухудшается. Термическое сопротивление уменьшают также влага, насекомые, плесень, и повреждения. В случае подобных проблем изоляцию необходимо просушить, очистить от плесени и насекомых, а в некоторых случаях — и заменить.

Часто материалы, используемые для термоизоляции, обладают дополнительными свойствами. Некоторые из них хорошо отталкивают влагу (пробка), и обеспечивают звукоизоляцию (пенька). Некоторые — не представляют интереса для насекомых либо благодаря природным свойствам (пробка, бумажная целлюлоза), либо потому, что обработаны специальным составом (изоляция из хлопка). Иногда термоизоляцию делают из полностью или частично переработанных материалов. Термоизоляция из хлопка, бумажной целлюлозы и минеральной ваты делается именно так. В дополнение к этим свойствам, существуют материалы, которые впитывают влагу во влажном климате, и выделяют ее, если в помещении слишком сухо (пенька).

Существует ряд теплоизоляционных материалов, предназначенных для использования в полостях стен. Вспененные материалы туда впрыскивают, а шарики или стружку (полистироловые или перлитовые шарики, опилки, и другие сыпучие материалы) — засыпают. Часть изоляционных материалов легко переработать. Их извлекают из подготовленных к сносу зданий и формируют из них новые изоляционные панели, или устанавливают как есть, без переработки. Так можно использовать, например, полистирол. В некоторых случаях изоляционные материалы небезопасны при неправильном использовании. Так, например, если полистирол загорится, его дым опасен для здоровья.

Некоторые люди предпочитают самостоятельно теплоизолировать свой дом. Материалы с высоким термическим сопротивлением можно приобрести в специализированных или интернет-магазинах. В некоторых странах правительство предоставляет льготы людям, которые используют экологически безвредные материалы, поэтому перед покупкой стоит узнать об этом подробнее. Устанавливая изоляцию вручную, необходимо соблюдать правила безопасности, особенно при обращении с опасными материалами. Например, работа со стекловатой должна производиться только в респираторе и в перчатках.

В электронике

В радиоэлектронике часто используют вещества с низким тепловым сопротивлением для охлаждения различных электронных компонентов или устройств, которые работают в температурных условиях, близких к максимально допустимым. Если температура превышает норму, то компоненты быстрее изнашиваются, или выходят из строя. Для охлаждения часто используют пассивный теплообменный аппарат, то есть, радиатор. Его корпус, выполненный из материалов с низким термическим сопротивлением, позволяет отводить тепло от электронных компонентов в окружающую среду. Прикрепить радиатор к устройству без зазоров не всегда возможно, поэтому вещества, которыми заполняют зазоры (термоинтерфейс), обязательно должны иметь низкое термическое сопротивление.

Устройства и электронные компоненты, нуждающиеся в охлаждении, обычно имеют малую площадь. В радиаторе, наоборот, возможно максимально увеличить площадь поверхности, чтобы как можно большая его часть соприкасалась с воздухом или жидкостью, в которые радиатор отдает тепло. Обычно их делают в форме панелей или стержней, расположенных вертикально. Иногда панели направляют в стороны; такие радиаторы напоминают открытую книгу (на иллюстрации). Между панелями или стержнями должно быть достаточно места, чтобы через них свободно проходил воздух.

Передача тепла через радиатор происходит методом конвекции, теплопроводности и излучения. Большая часть радиаторов сделана из металла, особенно из меди и из алюминиевых сплавов. Иногда используют искусственные алмазы, теплопроводность которых в пять раз выше, чем у меди.

Радиаторы прикрепляют к электронным компонентам с помощью двухсторонней липкой ленты, эпоксидной смолы, и различных прижимов и крепежных планок. Все виды крепления сделаны из материалов с низким термическим сопротивлением. Эпоксидная смола хорошо и надежно закрепляет радиатор и лучше передает тепло, чем липкая лента, но она дороже и с ней труднее работать. Крепежные планки и прижимы обеспечивают теплопередачу лучше, чем эпоксидная смола, но такие конструкции — самые дорогостоящие из всех крепежных конструкций на данный момент.

В ядерной энергетике

Охлаждение очень важно в ядерной энергетике, так как реакторы вырабатывают тепло и после отключения. Для отвода тепла на атомных электростанциях иногда используют охладительные бассейны, которые также необходимы на случай аварий. Вода в таких бассейнах обычно теплая. Показанный на карте охладительный бассейн Нововоронежской атомной электростанции в России — теплый даже в самые сильные морозы, и его облюбовали рыбаки. Вода в нем чистая,несмотря на то, что используется для охлаждения реактора. В 2011 в этом бассейне прошел кубок России по рыбной ловле. Воду на атомных электростанциях используют и для повседневного охлаждения. Для этого ее подают в специальные бассейны или градирни. Кроме воды используют воздух, но воду используют чаще, так как у нее более низкое термическое сопротивление и с ней удобнее работать.