Wärmeleitfähigkeit von Glas
Glas ist ein nichtkristalliner amorpher Feststoff, der häufig transparent ist und beispielsweise in Fensterscheiben eine weit verbreitete praktische, technologische und dekorative Verwendung findet. Glas besteht aus Sand und anderen Mineralien, die bei sehr hohen Temperaturen zu einem Material zusammengeschmolzen werden, das sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet. Da es sich um einen amorphen Feststoff handelt, weist es keine hohe Wärmeleitfähigkeit auf . Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt ca. k = 1 W / mK
Beispiel – Wärmestrom durch ein Fenster
Wärmeverlust durch Fenster
Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind die Fenster. Berechnen Sie die Wärmestromrate durch ein Glasfenster mit einer Fläche von 1,5 mx 1,0 m und einer Dicke von 3,0 mm, wenn die Temperaturen an der Innen- und der Außenfläche 14,0 ° C bzw. 13,0 ° C betragen. Berechnen Sie den Wärmestrom durch dieses Fenster.
Lösung:
Zu diesem Zeitpunkt kennen wir die Temperaturen an den Oberflächen des Materials. Diese Temperaturen sind auch durch die Bedingungen innerhalb und außerhalb des Hauses gegeben. In diesem Fall fließt Wärme durch Wärmeleitung durch das Glas von der höheren Innentemperatur zur niedrigeren Außentemperatur. Wir verwenden die Wärmeleitungsgleichung:
Wir nehmen an, dass die Wärmeleitfähigkeit eines gewöhnlichen Glases k = 0,96 W / mK beträgt
Der Wärmefluss beträgt dann:
q = 0,96 [W / mK] × 1 [K] / 3,0 × 10 –3 [m] = 320 W / m 2
Der Gesamtwärmeverlust durch dieses Fenster beträgt:
q Verlust = q. A = 320 x 1,5 x 1,0 = 480 W.
Wärmeleitfähigkeit von Nichtmetallen
Für nichtmetallische Festkörper wird k hauptsächlich durch k ph bestimmt , das mit abnehmender Häufigkeit von Wechselwirkungen zwischen den Atomen und dem Gitter zunimmt. Tatsächlich ist die Gitterwärmeleitung der dominierende Wärmeleitungsmechanismus in Nichtmetallen, wenn nicht der einzige. In Festkörpern schwingen Atome um ihre Gleichgewichtspositionen (Kristallgitter). Die Schwingungen der Atome sind nicht unabhängig voneinander, sondern stark an benachbarte Atome gekoppelt. Die Regelmäßigkeit der Gitteranordnung hat einen wichtigen Einfluss auf k ph bei kristallinen (gut geordneten) Materialien wie Quarzmit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als amorphe Materialien wie Glas. Bei ausreichend hohen Temperaturen k ph ∝ 1 / T.
Die Quanten des Kristallschwingungsfeldes werden als ” Phononen” bezeichnet . Ein Phonon ist eine kollektive Anregung in einer periodischen, elastischen Anordnung von Atomen oder Molekülen in kondensierter Materie wie Festkörpern und einigen Flüssigkeiten. Phononen spielen eine wichtige Rolle bei vielen physikalischen Eigenschaften von kondensierter Materie wie Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Tatsächlich kann für kristalline, nichtmetallische Feststoffe wie Diamant k ph ziemlich groß sein und die Werte von k überschreiten, die mit guten Leitern wie Aluminium verbunden sind. Insbesondere hat Diamant die höchste Härte und Wärmeleitfähigkeit (k = 1000 W / mK) aller Schüttgüter.
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