физические свойства металла связанные с нагревом. теплопроводность. Векторы теплового потока и градиента температуры разнонаправлены, поскольку теплота передается в направлении спада температуры

Введение
Металловедение – наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, устанавливающая взаимосвязи между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства. Центральным звеном этих взаимосвязей является внутреннее строение, структура металлов. Внутреннее строение определяется в первую очередь составом металла или сплава. При данном составе строение изменяется в зависимости от обработки. В свою очередь внутреннее строение определяет свойства металлов и сплавов [1, 2].
Все основные свойства металлов удобно разделить на механические, физические и химические. Во многом, все они обусловлены одними и теми же структурными особенностями вещества: электронным строением, кристаллической или аморфной структурой, химическим и фазовым составом. И если для описания механических свойств применяются модели классической физики, то для описания механизмов проявления других свойств, в частности, теплопроводности, необходимо привлекать модели квантовой физики, потому что они обусловлены особенностями взаимодействия большого числа микрочастиц, из которых состоит материал.
Теплопроводность, наряду с теплоемкостью и термическим расширением, относится к группе теплофизических свойств, определяющих поведение металлов при нагревании. Теплопроводность является одним из наиболее характерных признаков металлов по сравнению с газами, жидкостями и твердыми телами со всеми остальными типами связи, кроме металлической.
В данной работе предметом рассмотрения являются физические модели теплопроводности, взаимосвязь теплопроводности с другими фундаментальными свойствами и составом металлов и сплавов, а также практические методы измерения теплопроводности.
 
1. Теплопроводность. Основные определения и зависимости
1.1. Коэффициент теплопроводности и уравнение Фурье
В наиболее общем виде теплопроводность можно определить, как процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым частям, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела [3]. Величина теплопроводности характеризует способность тела передавать тепловую энергию от одной точки к другой, если между ними возникает разница температур.
Передача тепла теплопроводностью наиболее характерно осуществляется в гомогенных твердых непрозрачных телах. В газах и жидкостях, как правило, одновременно действует теплопередача конвекцией и излучением. В прозрачных телах – наряду с теплопроводностью наблюдается излучение.
Физический смысл теплопроводности выражается следующим образом. В твердом теле выделяют две параллельные плоскости на расстоянии l и берут на них два сечения площадью S. Если в одном из сечений поддерживается температура t1, а в другом t2, так что t1 > t2, то поток тепла перемещается по направлению, указанному стрелкой (рисунок 1).


Рисунок 1 – Схема теплового потока [4].

В течение промежутка времени τ через образец пройдет тем большее количество теплоты Q, чем меньше l, чем больше площадь S, разность t1 – t2 и больше τ:

Q=(λ·S·τ(t_1-t_2 ))/l (1)

Коэффициент λ является константой, зависящей от природы материала. Приравняв размеры тела, разность температур и количество времени к единице, можно увидеть, что λ измеряется количеством теплоты, проходящим в теле сечением 1 см2, длиной 1 см, при разности температур в 1 °C в течение 1 с. Коэффициент λ (Вт/м·град) называется коэффициентом теплопроводности материала (удельной или внутренней теплопроводности).
Поскольку величина теплопроводности зависит от температуры, то определенный λ относится к средней величине в интервале t1 – t2 = Δt. Истинная теплопроводность при данной температуре λt рассчитывается при Δt → 0 и бесконечной малой длине dl.
Основное уравнение передачи тепла теплопроводностью в дифференциальном виде было выведено Фурье в 1807 г.: