Графен — материал будущего
Коэффициент теплопроводности материалов является одной из важнейших характеристик, влияющих на сферу их использования в тех или иных отраслях.
Теплопроводностью называют процесс переноса внутренней энергии от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым телам или частям тела.
Коэффициент теплопроводности – это величина, характеризующая теплопроводящие свойства материалов, которая определяется плотностью теплового потока, проходящего за единицу времени через единицу площади материала при разности температур в один градус.
Самый низкий коэффициент теплопроводности у вакуума. У абсолютного вакуума он равен нулю, Но как правило, даже в космосе в межпланетном пространстве имеется некоторое количество материальных частиц, хотя и в очень низкой концентрации. Конечно и в этих условиях, когда теплопроводность близка к нулю, передача тепла также происходит, но только уже за счет излучения. Таким путем передается к земле и другим планетам тепло от солнца. По этой причине, для лучшей теплоизоляции используют материалы, способные хорошо отражать излучение, при утеплении помещений – прокладывают слой алюминиевой фольги, при изготовлении термосов – серебрят стенки колбы и т.д.
Низкий коэффициент теплопроводности также у воздуха – 0,026 Вт/м*К (при Т=300°К, давлении 100 кПа). По этой причине материалы, имеющие высокую пористость, как правило имеют гораздо более низкий коэффициент теплопроводности, чем основной, составляющий их материал. Исключение могут составлять материалы, состоящие из материалов с изначально более низким, чем у воздуха коэффициентом теплопроводности. Это свойство широкое используется при создании различных теплоизоляционных материалов, хорошие теплосберегающие свойства которых как правило связаны с их высокой пористостью (минеральная вата, пенопласт, ячеистый бетон и т.д.).
Более высокий коэффициент теплопроводности воды (в среднем 0,6 Вт/м*К) приводит к тому, что при насыщении водой, при замещении в порах воздуха на воду, коэффициент теплопроводности сразу сильно возрастает. Хорошим примером этому может служить промокшая одежда, согреться в которой трудно.
Самый высокий коэффициент теплопроводности из всех известных материалов (5000 Вт/м*К) имеет графен, недавно созданный перспективный для использования в первую очередь в наноэлектроннике уникальный материал – являющийся двумерной модификацией углерода, образованной слоем атомов углерода толщиной в один атом. Заметно меньший, но тем не менее очень высокий коэффициент теплопроводности у алмаза (1001-2600 Вт/м*К). У их родственника по химическому составу графита коэффициент теплопроводности вообще способен меняться в очень широких пределах: от 278 до 2435 Вт/м*К, в зависимости от марки графита, слоистости (коэффициент теплопроводности по направлению слоистости значительно выше, чем перпендикулярно ей) и температуры.
Высокие значения теплопроводности у металлов. У серебра коэффициент теплопроводности 430 Вт/*м*К, у меди – 382-390, у золота – 320, у алюминия – 202-236, у хрома – 93,7, у железа – 92, у олова – 67 Вт/м*К. Причем у сплавов как правило теплопроводность ниже, чем у чистых металлов. Широко меняется теплопроводность у различных видов сталей (сплав железа с углеродом, часто также и с многочисленными другими добавками) в зависимости от содержания углерода и количества и состава прочих присадок.
Использование тех или иных материалов достаточно сильно связано с их теплопроводностью. Например, в системах отопления или при производстве сварочных работ необходима высокая теплопроводность материалов, чтобы быстро и без больших потерь передавать тепло от источника нагрева. При строительстве же дома желательно, чтобы теплопроводность внешних ограждений: крыша, стены, окна и т.д., была низкой. Тогда в холодную погоду дом будет лучше сберегать тепло, а в жаркую сохранять прохладу.