В обычных ситуациях площадь контактных площадок (истинный контакт) оказывается много меньше общей площади контактирующих тел ("геометрической площади" контакта). Тепловое сопротивление, то есть перепад температуры на контакте при фиксированном потоке тепла, определяется именно этими маленькими площадками, через которые протискивается тепло. Совершенно аналогично тому, как электрическое сопротивление определяется этими же контактными пятнами. Зависимость теплового сопротивления контакта экспериментально исследовалась неоднократно, для разных материалов и в разных условиях, нет также недостатка в попытках расчета теплового поля в окрестности контакта и тем самым теплового сопротивления. Но пока нет теории или эмпирических формул, позволяющих надежно определить эту величину без эксперимента. Обычно считается, что теплопередача излучением отсутствует и воздух тепла не проводит. Окисные пленки, которые могут существенно повлиять на электрическое сопротивление, достаточно тонки, чтобы не влиять на передачу тепла. Тогда получается, что тепловое сопротивление определяется только площадью отдельных контактов, но она зависит от шероховатости поверхностей, причем сложным образом, поэтому в частности и не существует теории, дающей надежные результаты. Эмпирические и полуэмпирические формулы при правильном выборе подгоночных параметров дают ответы, расходящиеся с экспериментом лишь на 30 %-50 %, но для новых материалов никто не рискнет ими пользоваться без сравнения с экспериментом. А если эксперимент уже сделан, то ценность формул снижается (хотя и не становится равной нулю).
Итак, мы ограничиваемся рассмотрением контакта между двумя твердыми телами. И прежде всего, как и при рассмотрении электрического контакта, обратим внимание на шероховатость и на истинную геометрию контакта. Всякий знает, что стол, имеющий четыре ножки... вот-вот. Действительно, два абсолютно жестких тела, приведенные в контакт, соприкоснутся в трех точках. Реально это оказываются не точки, потому что тела не абсолютно жестки - они деформируются, и точки превращаются в контактные области. Количество которых зависит от размеров конкретных тел, характеристик шероховатости и свойств контактирующих тел. Понятно, что чем шероховатость меньше, тела больше и жесткость меньше, тем контактных областей будет больше, причем предсказать их количество трудно. Но общая их площадь определяется относительно легко - она равна нагрузке, деленной на упругость, точнее - на модуль Юнга (или предел пластичности, если материал потек).
Две особые области, о которых мы не будем говорить в этой заметке, но о которых для полноты картины надо упомянуть, это композиционные материалы и границы между твердым телом и не твердым, то есть жидким или газообразным. Это тоже границы и они есть во всех системах охлаждения, ибо в итоге тепло сбрасывается в окружающую среду, а именно - в атмосферу или в проточную воду. Потому что систем с охлаждением путем отвода тепла в почву кажется нет. Хотя они вполне могли бы и быть, но эффективность не будет велика - у почв низкая теплопроводность. Что же до композиционных материалов, то в них полно контактов между твердым и твердым, но проблема осложняется необходимостью учета геометрии фаз (матрицы, включений). Например, хорошо проводящие тепло нити могут сделать материал радикально анизотропным.
Ключевое слово здесь - передавать тепло. Если речь идет об однородной среде, то вопрос решается относительно просто: любой нормальный инженер знает, у какого металла наивысшая теплопроводность при обычных температурах. А заглянув в справочники, он сориентируется и в криогенной ситуации, и с диэлектриками. Если же имеется в виду неоднородная среда, то все становится очень и очень сложно. Как только у нас появляются хотя бы два контактирующих тела, немедленно возникает вопрос - а что происходит на контакте? Все мы из обычного бытового опыта знаем, что с электрическими контактами проблемы возникают на каждом шагу и поэтому должны настороженно отнестись к контактам тепловым. А обойтись без них нельзя - в любом компьютере есть процессор и кулер, и это нынче знают не только инженеры прошлого века, но и даже студенты экономических специальностей "университетов".
... чтобы тепловой контакт был получше. А зачем? По отношению к теплу процессы в технике можно разделить на три группы. Первая - превращение химической или атомной энергии в тепловую. Собственно, это ядро почти всей энергетики. Вторая группа - применение тепла и нагрева, и процессы, идущие при нагреве. Это почти вся металлургия, значительная часть машиностроения и химии. Третья группа - это процессы не собственно тепловые, но связанные с выделением тепла, а это все механические и процессы переработки информации, например, вся компьютерная сфера. Причем во всех ситуациях тепло надо передавать из одного места в другое. В первых двух - из одного определенного места в другое, а в третьем - из одного, где оно выделяется, в любое другое - лишь бы ничего не сгорело и не поплавилось.
Прижмись ко мне покрепче...
(leonid2047@gmail.com)
Lib.ru/Современная литература: Ашкинази Леонид Александрович. Прижмись ко мне покрепче...
Комментариев нет:
Отправить комментарий