Теплопроводность пластика и стекла: Битва «воронок». Пластик VS Керамика — The Welder Catherine

Битва «воронок». Пластик VS Керамика — The Welder Catherine

Какую воронку выбрать – пластиковую или керамическую?

Если вкратце – пластиковые воронки лучше любых других. Они медленнее отбирают тепло у воды, которой мы готовим кофе; они могут поглотить меньше тепла в принципе; а ещё они медленнее передают это тепло окружающей среде.

Разобраться в том, почему дела обстоят именно так, нам поможет физика.

Есть три фактора, которые определяют, сколько тепла потеряет наша экстракция из-за воронки:

– Теплопроводность – мера того, насколько быстро материал воронки поглощает тепло и распределяет его внутри себя;

– Удельная теплоемкость – мера того, сколько тепловой энергии нужно, чтобы изменить температуру воронки на один градус;

– Теплопотеря с поверхности – мера того, насколько быстро воронка отдает тепло окружающей среде.

Теплопроводность.

Возможно, вы запомнили ещё со школьных уроков физики, что пластик – это отличный изолятор, а металл – отличный проводник. Стекло и керамика находятся примерно между пластиком и металлом.

Теплопроводность материалов:

1.   Пластик 0.2 Вт

2.   Стекло 1 Вт

3.   Керамика 4-5 Вт

4.   Нержавеющая сталь 16 Вт

Теплопроводность керамики в 20-25 раз выше, чем у пластика. Это значит, что тепло будет гораздо быстрее уходить из воды, которой мы готовим кофе, в керамическую воронку.

Удельная теплоемкость

Далее рассмотрим, сколько энергии в принципе могут вобрать в себя воронки из разных материалов. Эта величина называется удельной теплоемкостью и измеряется в Дж/(кг·К) – иными словами, сколько джоулей энергии пойдет на то, чтобы изменить температуру одного килограмма материала на один градус.

Удельная теплоемкость материалов:

1. Пластик 1250 Дж

2.Стекло 753 Дж

3.Керамика 1085 Дж

4.Нержавеющая сталь 490 Дж

Итак, чтобы повысить температуру одного килограмма пластика на один градус, потребуется больше энергии, чем для всех остальных материалов. Также учтем тот факт, что обычная керамическая воронка весит примерно в четыре раза больше пластиковой воронки, так что, чтобы повысить её температуру на один градус, потребуется примерно в 3,5 раза больше тепла, чем для пластиковой воронки.

На этом моменте спотыкаются многие бариста: часто можно услышать, что они используют керамические воронки «потому, что они удерживают больше тепла». Но на самом деле в этом нет ничего хорошего – воронка, в которую «влазит» больше тепла, будет забирать больше тепла из воды, которой мы готовим кофе.

По этой же причине керамическая чашка совсем не «удерживает температуру» эспрессо, как часто говорят — если вы хоть раз в жизни пробовали эспрессо из бумажного стаканчика, то возможно заметили, что он намного горячее, чем из чашки. А всё потому, что сколько угодно прогретая керамическая чашка очень быстро забирает из эспрессо большое количество тепла.

Теплопотеря с поверхности

Тепло переходит из воронки в окружающую среду двумя путями – посредством конвекции и излучения.

Скорость конвекции зависит от температуры поверхности, которая отдает тепло – чем выше температура этой поверхности в градусах, тем быстрее она будет терять тепло. Материалы с более высокой теплопроводностью будут быстрее распределять тепло внутри себя, и в результате это тепло быстрее дойдет до поверхности – зоны контакта с воздухом.

Как мы уже знаем, материалы с более низкой удельной теплоемкостью сильнее разогреваются на одну единицу тепла; следовательно, когда тепло доходит до поверхности таких материалов, её температура вырастет на большее количество градусов. В итоге пластик, который обладает более низкой теплопроводностью и более высокой удельной теплоемкостью, потеряет посредством конвекции гораздо меньше тепловой энергии, чем другие материалы.

Скорость теплопотери посредством излучения зависит не только от материала и температуры поверхности, но и от его структуры (включая степень отполированности), так что её сложно рассчитать. При одинаковой температуре стекло, керамика и пластик будут излучать одинаковое количество тепла. Сталь излучает немного меньше тепла, но это перекрывает тот факт, что у стали высокая теплопроводность и низкая удельная теплоемкость – а значит, стальная поверхность разогреется гораздо быстрее. К тому же, максимально посредством излучения может быть потеряно примерно в два раза меньше тепла, чем посредством конвекции.

Что насчет воронок с теплоизоляцией?

Воздух – это гораздо более эффективный изолятор, чем все эти материалы; его теплопроводность составляет примерно 0,02 Вт/(м·K). Существуют воронки, которые пользуются этим преимуществом: воронки с двойными стенками содержат воздух в зазоре между стенок, а открытые металлические каркасные конструкции сводят к минимуму площадь твердого материала, которая контактирует с фильтром, открывая доступ воздуху. До некоторой степени такие воронки помогают сохранить тепло, но их всё равно лучше всего было бы изготавливать из пластика.

В случае стеклянных воронок с двойными стенками, большая масса стекла всё равно впитает много тепла, прежде чем в игру вступит воздушная прослойка. Пластик бы справился с этой задачей гораздо лучше.

В случае металлических каркасных воронок, площадь поверхности металла остается довольно большой, так что он всё равно впитает какое-то количество тепла из воды и рассеет его в окружающей среде. Также к конвекции и излучению добавится теплопотеря посредством испарения, которое происходит на внешней поверхности фильтра (там, где фильтр контактирует с воздухом), а так огромное количество тепла уходит в окружающую среду. Если бы такие воронки делали из чего-то вроде пенополистерола, вышло бы и дешевле, и эффективнее.

Итог

Как видим, пластиковые воронки победили во всех номинациях – они медленнее вбирают тепло из воды, которой мы готовим кофе напиток из жареных и перемолотых зёрен кофейного дерева или кофейного куста. (меньшая теплопроводность), в них «влазит» меньшее количество тепла (высокая удельная теплоемкость), а также они медленнее отдают тепло окружающей среде (низкая теплопотеря). Конечно, какую-то роль играет и дизайн воронки – в особенности её вес и общая площадь поверхности, – но при любых конструктивных решениях самым логичным материалом для изготовления воронок всё равно остается пластик.

Увеличить теплопроводность пластика, изменив его структуру

Химия, физика, исследования материи

8 августа 2017

+7 926 604 54 63

address

Образец пластика в лаборатории университета Мичигана.

Современные пластмассы могли бы повсеместно использоваться в качестве материала для изготовления лёгких, дешёвых и энергоэффективных деталей транспортных средств, светильников и электроники — если бы могли лучше рассеивать тепло.

Новая методика изменения молекулярной структуры пластика и его теплопроводности — многообещающий шаг в нужном направлении.

Разработанный командой специалистов в области материаловедения и машиностроения из Мичиганского университета (University of Michigan) метод дёшев и может быть масштабирован. Подробности доступны в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

В ходе экспериментов удалось придать полимеру теплопроводность стекла — это всё ещё меньше, чем аналогичное свойство металлов или керамики, но полученный материал шесть раз лучше рассеивает тепло, чем исходный полимер без обработки.

«Пластмассы часто заменяют металлы и керамику, но они такие плохие проводники тепла, что никто даже не рассматривает возможность их применения в условиях, требующих эффективного рассеивания тепла, — говорит профессор Цзиньсан Ким (Jinsang Kim). — Мы работаем над тем, чтобы изменить это, используя не испробованный ранее способ».

Предыдущие попытки увеличить теплопроводность пластмасс были основаны на добавлении металлических или керамических наполнителей. Это приносило ограниченный успех. Заметный эффект достигался при использовании большого количества наполнителя — это увеличивает стоимость материала, к тому же может нежелательным образом изменить свойства пластика.

Новая технология основана на процессе, в ходе которого изменяется структура самого материала.

Образец теплопроводящего пластика на испытательном стенде.

Пластмассы состоят из длинных и запутанных молекулярных цепочек. Тепло, проходя через пластмассу, движется по этим цепочкам, это длинный и извилистый путь. Его можно упростить и тем самым увеличить теплопроводность — для этого надо выпрямить молекулярные цепочки.

Технология предполагает растворение полимера в воде. В раствор добавляют электролит, что делает его щелочным.

Отдельные звенья молекулярной цепочки (полимера) — мономеры принимают отрицательный заряд, который заставляет их отталкиваться друг от друга. В результате клубки из молекул распутываются. Далее раствор напыляется на основу, получается пластиковая плёнка, в котором молекулярные цепочки расположены значительно более плотно, чем обычно.

Ограничение технологии — сейчас можно увеличить теплопроводность только тех полимеров, что растворимы в воде. Однако исследователи уже начали работу по подбору органических растворителей, с помощью которых можно было бы добиться результатов, аналогичных показанным.

Химия, физика, исследования материи

Теплопроводность | ТОРЕЛИНА™ | TORAY ПЛАСТИКИ

• ДОМ
• Техническая информация
• Смола TORELINA™ PPS
• Различные свойства
• Тепловые свойства
• Теплопроводность

Явления теплопередачи, которые заставляют объекты, подверженные разности температур, принимать однородную температуру, в основном подразделяются на теплопроводность, конвекцию и излучение, в зависимости от состояния пути потока, по которому проходит тепло, и других факторов. Теплопроводность — это явление, при котором тепло проходит через твердое тело или неподвижный газ (или жидкость). Теплопроводность — это свойство, показывающее легкость, с которой тепло может проходить через твердое тело, такое как формованное изделие. Носители (среды) для переноса тепла включают свободные электроны, колебания решетки и колебания молекул. Эффект теплопередачи свободных электронов очень высок, поэтому такие металлы, как алюминий и медь, обладают высокой теплопроводностью. С другой стороны, пластиковые материалы, такие как TORELINA™, являются изоляционными материалами, которые не имеют свободных электронов, поэтому имеют более низкую теплопроводность, чем металлы, и превосходят их по своим теплоизоляционным свойствам.

Ⅰ. Измерение теплопроводности

Существуют различные методы измерения теплопроводности твердых тел. Их можно разделить на стационарные методы, в которых температура образца находится в стационарном состоянии, а теплопроводность определяется по количеству (тепловому потоку, Вт/м ² ), которое проходит через единицу поперечного сечения площади в единицу времени, и нестационарные методы, в которых теплопроводность определяется по скорости диффузии тепла через образец (температуропроводность, м ² ･S ^-1 ). В последнее время чаще всего используются нестационарные методы, с помощью которых можно быстро получить измерения. Эти методы включают метод лазерной вспышки и метод горячего диска. Теплопроводность можно определить, используя плотность образца и удельную теплоемкость при температуре измерения, в дополнение к коэффициенту температуропроводности, определенному нестационарным методом в соответствии с формулой 6.1. Обычно для измерения теплопроводности используется плоская пластина, поэтому с помощью стационарного метода и метода лазерной вспышки можно определить теплопроводность в направлении толщины, а с помощью метода горячего диска можно определить теплопроводность в плоском направлении. в дополнение к этому в направлении толщины. Существует еще один метод, при котором теплопередача фактического формованного изделия проверяется визуально с помощью термографии, которая анализирует инфракрасные лучи, испускаемые формованным изделием, и затем это выражается на диаграмме распределения температуры.

Ⅱ. Теплопроводность TORELINA™

Теплопроводность TORELINA™ в направлении толщины, определенная стационарным методом, приведена в таблице. 6.3. Армированный ПФС имеет более высокую теплопроводность, чем неармированный ПФС. Арматура из стекловолокна и минерального наполнителя имеет более высокую теплопроводность, чем полимер ПФС, поэтому теплопроводность различается в зависимости от типа и содержания добавляемой арматуры.

Стол. 6.3 Теплопроводность TORELINA™ (стационарный метод, 80℃)　

Ⅲ.

ПФС с высокой теплопроводностью

ПФС с высокой теплопроводностью подходит для продления срока службы электрических и электронных деталей, таких как системы светодиодного освещения, а также для проектирования теплового излучения в таких целях, как снижение потерь энергии в обмотках, используемых в автомобильных двигателях. TORELINA™ предлагает линейку TORELINA™ H501B, электропроводящего типа, у которого значительно улучшена теплопроводность по сравнению с обычным PPS, и H718LB, который сохраняет свои изоляционные свойства. (табл. 6.4)

Таблица. 6.4 ПФС с высокой теплопроводностью (23℃)

Рис. 6.7 Термографический анализ

При термическом анализе методом термографии (рис. 6.7) источник тепла (3,4 Вт) помещают в центр плоской пластины (80 × 80 × 3 мм t), а наблюдение производят с противоположной стороны. На рис. 6.8 сравниваются диаграммы распределения температуры, полученные при нагревании в течение пяти минут обычного ПФС, армированного стекловолокном (A504X90), и ПФС с высокой теплопроводностью (H501B и H718LB). Можно видеть, что для марки ПФС, армированной стекловолокном, которая имеет низкую теплопроводность, теплу трудно диффундировать от источника тепла, образуя горячую точку, в то время как для марок ПФС с высокой теплопроводностью тепло рассеивается в окружающую среду, тем самым ограничивая размер горячей точки.

Рис. 6.8 Температурное распределение марок ПФС с высокой теплопроводностью (термография)

Какой материал для конусов фильтра лучше всего сохраняет тепло в вашем напитке?

25 октября 2018 г. | База знаний | 0 комментариев

Короткий ответ: пластиковые конусы лучше всего. Они медленнее поглощают тепло из воды для заваривания, поглощают меньше тепла в целом и медленнее отдают это тепло воздуху.

Но чтобы действительно понять почему, нам нужно немного углубиться в физику.

На количество тепла, которое вы теряете через конус, влияют три параметра:

• Проводимость — измеряет, насколько быстро тепло проходит в конус и через него
• Удельная теплоемкость — сколько тепловой энергии необходимо изменить температуру конуса
• Потери тепла на поверхности – как быстро конус отдает тепло в атмосферу изолятор, а металл — хороший проводник. Стекло и керамика находятся где-то посередине. Это говорит нам о том, что пластик выигрывает по проводимости, по крайней мере, но насколько?

   

  	Acrylic	Glass	Porcelain	Stainless Steel
  Conductivity (W/mK)	0. 2	1	4-5	16

  (Source : https://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html)

   

  Как видите, фарфор в 20-25 раз более электропроводен, чем акрил (обычный пластик). Это означает, что тепло будет намного быстрее передаваться из вашего напитка в конус.

   

  Удельная теплоемкость

  Далее мы рассмотрим, сколько энергии конус способен поглотить. Это называется удельной теплоемкостью и измеряется в джоулях на кг на градус — другими словами, сколько джоулей энергии требуется, чтобы изменить температуру одного килограмма материала на один градус.

   

   

  Таким образом, пластику требуется больше тепловой энергии на килограмм для увеличения температуры на заданную величину. Однако типичный керамический конус весит в четыре раза больше, чем пластиковый конус, поэтому он будет поглощать примерно в 3,5 раза больше тепла в целом при том же изменении температуры.

   

  Это часто сбивает людей с толку: бариста часто говорят, что предпочитают керамические рожки, «потому что они лучше сохраняют тепло». Однако на самом деле это плохо, так как это означает, что из воды для заваривания уходит больше тепла.

   

  Потери тепла на поверхности

  Наконец, тепло уходит из конуса в атмосферу посредством конвекции или излучения.

   

  Скорость конвекции зависит от температуры поверхности. Более проводящие материалы быстрее передают тепловую энергию на поверхность. Как только тепло достигает поверхности, материалы с более низкой удельной теплоемкостью становятся более горячими при заданном количестве теплопередачи. Таким образом, пластик с его более низкой проводимостью и более высокой удельной теплоемкостью будет терять значительно меньше энергии на конвекцию, чем другие материалы.

   

  Скорость потери тепла излучением зависит не только от материала, но и от его структуры, в том числе от степени полировки, а также от температуры поверхности, поэтому ее трудно оценить расчетным путем. Стекло, фарфор и пластик излучают одинаковое количество тепла при заданной температуре. Сталь будет излучать гораздо меньше, но это компенсируется тем фактом, что высокая проводимость и низкая удельная теплоемкость означают, что температура поверхности будет нагреваться намного быстрее. Кроме того, максимальная потеря тепла за счет излучения примерно вдвое меньше, чем за счет конвекции.

   

  Как насчет изолированных конусов?

  Воздух является лучшим изолятором, чем любой из этих материалов, с проводимостью около 0,02 Вт/мК. Существуют некоторые конструкции конусов, которые используют это преимущество, используя либо двойную стенку для улавливания слоя воздуха, либо открытую структуру сетчатого типа, чтобы минимизировать количество материала, контактирующего с фильтром, оставляя его открытым для воздуха. Эти конструкции могут в некоторой степени удерживать тепло, однако даже в этих случаях лучшим материалом для их изготовления по-прежнему остается пластик.

   

  В стеклянных конусах с двойными стенками стеклянная масса по-прежнему будет поглощать много тепла до того, как в дело вступит слой воздуха.