Самый тепло и электропроводный металл
Обновлено: 13.05.2024
В проводники тепла Это те материалы, структура которых такова, что тепло может проходить через них очень легко. Следует помнить, что вся материя состоит из атомов и молекул, находящихся в постоянном колебательном движении, и что тепло приводит к еще большему возбуждению этих частиц.
Некоторые материалы проводят тепло лучше, чем другие, потому что их внутренняя конфигурация облегчает поток энергии. Например, дерево не является хорошим проводником тепла, потому что для его нагрева требуется много времени. Но с другой стороны, железо, медь и другие металлы есть, а это означает, что их частицы очень быстро приобретают кинетическую энергию.
Вот почему металлы являются фаворитом для изготовления кухонной утвари, такой как кастрюли и сковороды. Они быстро нагреваются и достигают температуры, достаточной для правильного приготовления пищи.
Однако ручки и ручки, контактирующие с руками пользователя, изготовлены из других теплоизоляционных материалов. Таким образом, с кастрюлями легко обращаться, даже если они горячие.
Типы проводников
В зависимости от способа отвода тепла материалы подразделяются на:
–Теплопроводники: алмаз и металлы, среди которых медь, железо, цинк и алюминий. Хорошие проводники электричества обычно также хорошо проводят тепло.
–Теплоизоляция: дерево, резина, стекловолокно, пластик, бумага, шерсть, аниме, пробка, полимеры - хорошие примеры. Газы тоже не являются хорошими проводниками.
Теплопроводность материалов
Свойство, которое по сути характеризует способ, которым каждый из них проводит тепло, называется Теплопроводность. Чем выше теплопроводность вещества, тем лучше оно проводит тепло.
Теплопроводность веществ определяется экспериментально. В Международной системе единиц SI теплопроводность измеряется в ватт / (метр x кельвин) или Вт / (м · К). Это трактуется следующим образом:
1 Вт / (м · К) эквивалентен 1 ватту мощности, передаваемой на длину, равную 1 метру, когда разница температур между двумя крайними значениями составляет 1 кельвин.
Другой единицей теплопроводности, используемой в англосаксонских странах, является BTUH / (ft.ºF), где инициалы BTUH соответствуют Британская тепловая единица в час.
Значения теплопроводности
Ниже приведены значения теплопроводности некоторых элементов и материалов, встречающихся в природе и часто используемых в промышленности.
Однако следует отметить, что есть синтетические соединения, все еще находящиеся на стадии экспериментов, чья теплопроводность намного превышает теплопроводность алмаза, который возглавляет таблицу.
Температура имеет решающее значение для теплопроводности металлов. С повышением температуры увеличивается и теплопроводность (хотя электропроводность уменьшается). Для неметаллов теплопроводность примерно постоянна в широком диапазоне температур.
Значения в таблице указаны при 25ºC и давлении 1 атмосфера.
При выборе материала по его тепловым свойствам необходимо учитывать, что он расширяется при нагревании. Эта емкость определяется Коэффициент температурного расширения.
Основные теплопроводы
Алмаз
Это лучший проводник тепла при комнатной температуре, намного лучше, чем медь и любой другой металл. В алмазе, который является электрическим изолятором, тепло течет не через электроны проводимости, а через распространение колебаний в его высокоорганизованной кристаллической структуре. Эти колебания называются фононами.
Также он имеет низкий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры при нагревании останутся близкими к исходным. Когда требуется хороший проводник тепла, который не проводит электричество, лучшим вариантом будет алмаз.
Из-за этого он широко используется для отвода тепла, выделяемого компьютерными схемами и другими электронными устройствами. Но у него есть серьезный недостаток: это очень дорого. Хотя есть синтетические алмазы, их нелегко сделать, и они также дороги.
Серебряный
Это очень ценный металл для украшения благодаря своей яркости, цвету и пластичности. Он устойчив к окислению и среди всех металлов имеет самую высокую теплопроводность, а также отличную электропроводность.
По этой причине он имеет множество применений в промышленности, как отдельно, так и в сплавах с другими элементами, такими как никель и палладий.
С помощью печатных схем из чистого серебра изготавливаются высокотемпературные сверхпроводящие кабели и покрываются проводники для использования в электронике, а также используются сплавы для создания электрических контактов.
Его недостаток состоит в том, что он относительно редок и поэтому дорог, но уникальное сочетание физических свойств для этих применений делает его отличной альтернативой, поскольку он очень гибкий и с его помощью можно получить проводники хорошей длины.
Медь
Это один из наиболее часто используемых металлов, когда требуется хорошая теплопроводность, потому что он не подвержен коррозии, а его температура плавления довольно высока, что означает, что он не будет плавиться легко при воздействии тепла.
Другими преимуществами, которые он имеет, является его пластичность, а также отсутствие магнитных полей. Медь пригодна для вторичной переработки и намного дешевле серебра. Однако у него высокий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры заметно изменяются при нагревании.
Благодаря хорошим тепловым свойствам он широко используется в кухонной утвари, например, в медных горшках, покрытых сталью. Также для производства теплообменников в резервуарах для горячей воды, в системах центрального отопления, автомобильных радиаторах и для отвода тепла в электронных устройствах.
Золото
Это по преимуществу драгоценный металл, занимающий ведущее место в истории человечества. Помимо этого особого значения, золото является пластичным, прочным и отличным проводником тепла и электричества.
Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для переноса малых токов в твердотельные электронные компоненты. Эти токи настолько малы, что их можно легко прервать при малейшем признаке коррозии, поэтому золото гарантирует надежность электронных компонентов.
Он также используется для изготовления разъемов для наушников, контактов, реле и соединительных кабелей. Такие устройства, как смартфоны, калькуляторы, ноутбуки, настольные компьютеры и телевизоры, содержат небольшое количество золота.
Специальные стекла для помещений с кондиционированием воздуха также содержат диспергированное золото таким образом, что они помогают отражать солнечное излучение наружу, сохраняя свежесть внутри, когда очень жарко. Таким же образом они помогают поддерживать внутреннее тепло в доме зимой.
Литий
Это самый легкий из всех металлов, хотя он очень реактивен, поэтому легко подвергается коррозии. С ним также нужно обращаться с большой осторожностью, поскольку он легко воспламеняется. В связи с этим, хотя его много, он находится не в свободном состоянии, а в соединениях, для которых он должен быть выделен обычно электролитическими методами.
Его теплопроводность аналогична теплопроводности золота, но намного дешевле. Карбонат лития - это соединение, используемое при производстве термостойкого стекла и керамики.
Другое широко распространенное применение лития - производство долговечных и легких батарей, в которых хлорид лития используется для извлечения металлического лития. Добавленный при обработке алюминия, он увеличивает его электрическую проводимость и снижает рабочие температуры.
Алюминий
Этот легкий, недорогой, высокопрочный и простой в эксплуатации металл является одним из основных материалов, используемых для изготовления теплообменников в оборудовании для кондиционирования воздуха, таком как кондиционеры и обогреватели.
Как внутри страны, так и в промышленности алюминиевая посуда широко используется на кухнях по всему миру.
Алюминиевая посуда, такая как кастрюли, сковороды и противни, чрезвычайно эффективна. Они не меняют вкус пищи и позволяют теплу быстро и равномерно распространяться во время приготовления.
Тем не менее, алюминиевые кастрюли и сковороды были заменены нержавеющей сталью, которая не так хорошо проводит тепло. Это связано с тем, что нержавеющая сталь не вступает в реакцию с более сильными кислотами, например, с томатным соусом.
Вот почему предпочтительно делать томатные соусы в стальной посуде, чтобы предотвратить попадание алюминия в пищу, поскольку некоторые из них связывают алюминий - присутствующий в антацидах, тальках, дезодорантах и многих других продуктах - с появлением дегенеративных заболеваний, хотя большинство экспертов, а также FDA отвергают эту гипотезу.
Посуда из анодированного алюминия не имеет риска высвобождения частиц алюминия и, в принципе, может использоваться с большей безопасностью.
Бронза
Бронза - это сплав меди и олова, в меньшей степени, других металлов. Он присутствует в истории человечества с давних времен.
Это настолько важно, что период предыстории даже был назван бронзовым веком, временем, когда люди открыли и начали использовать свойства этого сплава.
Бронза устойчива к коррозии, с ней легко работать. Первоначально из него изготавливали различную утварь, инструменты, украшения, предметы искусства (например, скульптуры) и оружие, а также чеканили монеты. Сегодня он все еще используется для изготовления трубок, механических деталей и музыкальных инструментов.
Цинк
Это очень ковкий и пластичный голубовато-белый металл, с которым легко работать, хотя и с низкой температурой плавления. Он известен с древних времен, в основном используется в сплавах.
В настоящее время он используется для цинкования стали и защиты от коррозии. Также для производства батарей, пигментов и производства специальных цинковых листов для строительной индустрии.
Железо
Железо - еще один металл, имеющий большое историческое значение. Как и бронза, железо связано с периодом доисторической эпохи, когда произошел великий технический прогресс: железным веком.
Сегодня чугун по-прежнему находит широкое применение в производстве инструментов, посуды, в строительстве и в качестве материала для изготовления автомобильных деталей.
Как мы видели, железо является очень хорошим проводником тепла. Железные предметы очень хорошо распределяют тепло и сохраняют его надолго. Он также имеет высокую температуру плавления, что делает его устойчивым к высоким температурам, поэтому его можно использовать при производстве всех типов печей, как промышленных, так и бытовых.
Общие свойства металлов. Металлическая связь. Тепло- и электропроводность. Физико-механические и химические свойства металлов.
Общие свойства металлов. Физико-механические и химические свойства металлов.
Объясняются особым строением кристаллической решетки - наличием свободных электронов ("электронного газа").
- Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В ряду Au,Ag,Cu,Sn,Pb,Zn,Fe уменьшается.
- Блеск, обычно серый цвет и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл квантами света.
- Электропроводность.Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. В ряду Ag,Cu,Al,Fe уменьшается. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение "электронного газа".
- Теплопроводность. Закономерность та же. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов и колебательным движением атомов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность - у висмута и ртути.
- Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.
- Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и чем больше радиус его атома (самый легкий - литий (r=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (r=22,6 г/см3).
- Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -390C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t0пл. = 33900C).
Металлы с t0пл. выше 10000C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.
Общие химические свойства металлов
Сильные восстановители: Me0 – ne Men+
I. Реакции с неметаллами
С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
II. Реакции с кислотами
Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:
Mg + 2HCl MgCl2 + H2
2Al+ 6HCl 2AlCl3 + 3H2
6Na + 2H3PO4 2Na3PO4 + 3H2
Восстановление металлами кислот-окислителей смотри в разделах: "окислительно-восстановительные реакции", "серная кислота", "азотная кислота".
III. Взаимодействие с водой
Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание и водород:
2Na0 + 2H2O 2NaOH + H2
Ca0 + 2H2O Ca(OH)2 + H2
Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:
Zn0 + H2O ZnO + H2
Неактивные (Au, Ag, Pt) - не реагируют.
Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:
Fe+ CuSO4 Cu + FeSO4
Металлическая связь— связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу. В соответствии с положением в периодической системе атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов. Эти электроны достаточно слабо связаны со своими ядрами и могут легко отрываться от них. В результате в кристаллической решетке металла появляются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Поэтому в кристаллической решетке металлов существует большая свобода перемещения электронов: одни из атомов будут терять свои электроны, а образующиеся ионы могут принимать эти электроны из «электронного газа». Как следствие, металл представляет собой ряд положительных ионов, локализованных в определенных положениях кристаллической решетки, и большое количество электронов, сравнительно свободно перемещающихся в поле положительных центров. В этом состоит важное отличие металлических связей от ковалентных, которые имеют строгую направленность в пространстве.
Металлическая связь отличается от ковалентной также и по прочности: ее энергия в 3-4 раза меньше энергии ковалентной связи.
Энергия связи — энергия, необходимая для разрыва химической связи во всех молекулах, составляющих один моль вещества. Энергии ковалентных и ионных связей обычно велики и составляют величины порядка 100-800 кДж/моль.
Теплопроводность Способность тела передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым Ag, Cu, Au, Al, W, Fe
В ряду наблюдается уменьшение теплопроводности
Электропроводность Свойство вещества проводить электрический ток (обусловлено наличием в нем свободных электронов) Ag, Cu, Au, Al, W, Fe
В ряду наблюдается уменьшение электропроводности.
При нагревании электропроводность уменьшается, так как усиливается колебательное движение атомов и ионов в узлах решетки и затрудняется движение электронов -
Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.
Металлы имею такие физические свойства, как твердость, температуру плавления, плотность, пластичность, электропроводность, теплопроводность и цвет.
Твёрдость:
Все металлы, кроме ртути и, условно, франция, при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
Таблица твёрдости металлов по шкале Мооса:
| Твёрдость | Металл |
| 0.2 | Цезий |
| 0.3 | Рубидий |
| 0.4 | Калий |
| 0.5 | Натрий |
| 0.6 | Литий |
| 1.2 | Индий |
| 1.2 | Таллий |
| 1.25 | Барий |
| 1.5 | Стронций |
| 1.5 | Галлий |
| 1.5 | Олово |
| 1.5 | Свинец |
| 1.5 | Ртуть |
| 1.75 | Кальций |
| 2.0 | Кадмий |
| 2.25 | Висмут |
| 2.5 | Магний |
| 2.5 | Цинк |
| 2.5 | Лантан |
| 2.5 | Серебро |
| 2.5 | Золото |
| 2.59 | Иттрий |
| 2.75 | Алюминий |
| 3.0 | Медь |
| 3.0 | Сурьма |
| 3.0 | Торий |
| 3.17 | Скандий |
| 3.5 | Платина |
| 3.75 | Кобальт |
| 3.75 | Палладий |
| 3.75 | Цирконий |
| 4.0 | Железо |
| 4.0 | Никель |
| 4.0 | Гафний |
| 4.0 | Марганец |
| 4.5 | Ванадий |
| 4.5 | Молибден |
| 4.5 | Родий |
| 4.5 | Титан |
| 4.75 | Ниобий |
| 5.0 | Иридий |
| 5.0 | Рутений |
| 5.0 | Тантал |
| 5.0 | Технеций |
| 5.0 | Хром |
| 5.5 | Бериллий |
| 5.5 | Осмий |
| 5.5 | Рений |
| 6.0 | Вольфрам |
| 6.0 | β-Уран |
Температура плавления:
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −38,83 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам).
Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от температуры плавления металлы делятся на: легкоплавкие (до 600 °C); среднеплавкие (от 600 до 1600 °C); тугоплавкие (выше 1600 °C).
Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, о С |
| Ртуть | -38,83 |
| Франций | 25 |
| Цезий | 28,44 |
| Галлий | 29,7646 |
| Рубидий | 39,3 |
| Калий | 63,5 |
| Натрий | 97,81 |
| Индий | 156,5985 |
| Литий | 180,54 |
| Олово | 231,93 |
| Полоний | 254 |
| Висмут | 271,3 |
| Таллий | 304 |
| Кадмий | 321,07 |
| Свинец | 327,46 |
| Цинк | 419,53 |
Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, о С |
| Сурьма | 630,63 |
| Нептуний | 639 |
| Плутоний | 639,4 |
| Магний | 650 |
| Алюминий | 660,32 |
| Радий | 700 |
| Барий | 727 |
| Стронций | 777 |
| Церий | 795 |
| Иттербий | 824 |
| Европий | 826 |
| Кальций | 841,85 |
| Лантан | 920 |
| Празеодим | 935 |
| Германий | 938,25 |
| Серебро | 961,78 |
| Неодим | 1024 |
| Прометий | 1042 |
| Актиний | 1050 |
| Золото | 1064,18 |
| Самарий | 1072 |
| Медь | 1084,62 |
| Уран | 1132,2 |
| Марганец | 1246 |
| Бериллий | 1287 |
| Гадолиний | 1312 |
| Тербий | 1356 |
| Диспрозий | 1407 |
| Никель | 1455 |
| Гольмий | 1461 |
| Кобальт | 1495 |
| Иттрий | 1526 |
| Эрбий | 1529 |
| Железо | 1538 |
| Скандий | 1541 |
| Тулий | 1545 |
| Палладий | 1554,9 |
| Протактиний | 1568 |
Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, о С |
| Лютеций | 1652 |
| Титан | 1668 |
| Торий | 1750 |
| Платина | 1768,3 |
| Цирконий | 1855 |
| Хром | 1907 |
| Ванадий | 1910 |
| Родий | 1964 |
| Технеций | 2157 |
| Гафний | 2233 |
| Рутений | 2334 |
| Иридий | 2466 |
| Ниобий | 2477 |
| Молибден | 2623 |
| Тантал | 3017 |
| Осмий | 3033 |
| Рений | 3186 |
| Вольфрам | 3422 |
Плотность:
В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 г/см³).
Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца ), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Пластичность:
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.
Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.
Пластичность зависит и от чистоты металла . Так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.
Электропроводность:
Все металлы хорошо проводят электрический ток, обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля.
Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность. По этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также и натрий. В экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Теплопроводность:
Теплопроводность металлов зависит от подвижности свободных электронов.
Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла. Широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый, иногда с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Металлы подразделяются на цветные и черные.
Чёрные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны). К чёрным металлам также зачастую относят марганец и, иногда, – хром и ванадий.
Цветные металлы — это особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. К цветным металлам относятся медь, молибден, свинец, цинк, олово, никель, кадмий, кобальт, алюминий, титан, магний, висмут, вольфрам, ртуть, золото, платину, серебро, палладий, родий, рутений, осмий, иридий.
Тяжелые металлы повысили эффективность термоэлектрика
свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.
Что такое теплопроводность и для чего нужна
Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.
Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.
Применение
Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.
Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:
- кухонная посуда с различными свойствами;
- оборудование для пайки труб;
- утюги;
- подшипники качения и скольжения;
- сантехническое оборудование для подогрева воды;
- приборы отопления.
Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.
При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.
Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности
Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.
Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.
Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
Факторы, влияющие на физическую величину
Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.
Температура материала
Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.
С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.
Фазовые переходы и структура
Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).
Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.
Электрическая проводимость
Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).
Процесс конвекции
Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.
Читать также: Как замерить амперы мультиметром на аккумуляторе
Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.
Методы измерения
Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.
Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.
Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.
Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов
Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.
Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.
§ 9. Физические свойства металлов
Из курса химии 9 класса вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решёток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществлённых внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решётки.
Металлическая связь обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск и другие свойства, характерные для этого класса простых веществ.
Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.
Способность расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку под действием силы составляет важнейшее механическое свойство металлов. Оно лежит в основе такой уважаемой большинством народов мира профессии, как профессия кузнеца. Недаром покровителем кузнечного дела у разных народов был бог огня: у греков — Гефест, у римлян — Вулкан, у славян — Сварог.
Пластичность металлов обусловлена способностью одних слоёв атом-ионов в кристаллах под внешним воздействием легко смещаться (как бы скользить) по отношению к другим слоям без разрыва связей между ними (рис. 26). Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий (рис. 27).
Высокая электропроводность большинства металлов обусловлена присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются под действием электрического поля (рис. 28).
При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. При охлаждении электропроводность металлов увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, наименьшую — марганец, свинец, ртуть и вольфрам.
Такое свойство, как теплопроводность металлов, также связано с высокой подвижностью свободных электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, электроны обмениваются с ними энергией. С повышением температуры колебания ионов при посредстве электронов передаются другим ионам, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается.
Для гладкой поверхности металлов характерен металлический блеск — результат отражения световых лучей. В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия, обладающих наиболее высокой отражательной способностью, изготовляют зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.
Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.
Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет.
Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.
Для всех металлов (кроме ртути) при обычных условиях характерно твёрдое агрегатное состояние. Однако твёрдость их различна. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (VIB группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Так, хром по твёрдости приближается к алмазу. Самые мягкие — металлы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — щелочные металлы. Например, натрий и калий легко режутся ножом.
По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов сюда включают скандий, иттрий и титан. Эти металлы, благодаря лёгкости и тугоплавкости, всё шире применяют в различных областях техники.
Самый лёгкий металл — это литий (р = 0,53 г/см3). Самый тяжёлый — осмий (р = 22,6 г/см3).
Лёгкие металлы обычно легкоплавки, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшей температурой плавления, которая равна 3380 °С, обладает вольфрам. Это свойство вольфрама используют для изготовления ламп накаливания (рис. 29, 2). Кроме него в конструкцию лампы входят ещё семь металлов.
В Российской Федерации в настоящее время, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа (рис. 29, 2) — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или иода).
Люминесцентные (рис. 29, 3) — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток — они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы (рис. 29, 4) — самые экономичные и самые долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но пока и самые дорогие из ламп.
В технике, как вы уже знаете, металлы делят на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные, более подробно о них будет рассказано в следующем параграфе) (рис. 30). Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам (рис. 31). 1
1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
1. Назовите самый легкоплавкий металл.
2. Какие физические свойства металлов используют в технике?
3. Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство находит применение?
4. Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания?
5. Какие свойства металлов лежат в основе образных литературных выражений: «серебряный иней», «золотая заря», «свинцовые тучи»?
10 самых-самых металлов планеты
Миллионы лет назад наши далекие предки изготавливали себе инструменты из дерева и камней, но спустя тысячелетия они научились пользоваться металлами. С этого момента человечество начало развиваться немыслимыми темпами, и всё дошло до того, что большинство окружающих нас объектов сделано из железа, алюминия и других разновидностей этого материала.
Практически все металлы хорошо проводят электричество и тепло, при определенных условиях они пластичны и отлично подходят для изготовления различных деталей для электроники, а также обладают характерным металлическим блеском. Но в периодической таблице Менделеева есть металлы, которые обладают уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться все остальные. Они по-своему удивительны, и когда-то давно этим металлам присваивали чуть ли не волшебные качества. Итак, давайте перечислим их, а также узнаем о свойствах и других интересных особенностях.
Самый жидкий металл
Ртуть считается самым жидким металлом и, в то же время, одним из самых опасных для человеческого организма. Он практически всегда пребывает в жидком состоянии, потому что температура его плавления равна -38 градусам Цельсия. Именно поэтому этот металл используется в градусниках — при увеличении температуры, жидкость расширяется. Поскольку градусник сделан в виде стеклянной трубочки, расширяться она может только в одном направлении. Чтобы на показатели градусника не влияли другие условия вроде атмосферного давления, из трубочки выкачан воздух.
В средневековье считалось, что при смешивании ртути, серы и загадочного «философского камня» можно получить чистое золото. Поэтому внимания этому металлу уделялось очень много. С средние века получить из ртути золота никому не удалось, но это стало под силу ученым в 1947 году — они поместили 100 миллиграмм ртути в атомный реактор и получили 35 микрограмм золота. Вот и второе удивительное свойство ртути — его можно превратить в золото, но это слишком дорогой процесс.
Третья особенность ртути заключается в том, что при вдыхании его паров человек получает сильное отравление — опасные вещества оседают в легких. Симптомы отравления включают в себя слабость, понижение аппетита, боль при глотании, набухание десен и сильная боль в животе. Из-за своей ядовитости, ртуть входит в десятку химических веществ, представляющих опасность для общественного здоровья.
Самый тугоплавкий металл
А теперь давайте поговорим о полной противоположности ртути — металле, именуемом как вольфрам. В то время как ртуть может расплавиться на человеческой ладони, для расплавления вольфрама необходима температура на уровне 3422 градусов Цельсия.
Сам по себе вольфрам не опасен, но изделия, в котором он используется, могут убить. Этот металл часто используется как наконечник патронов, которые могут пробить даже бронежилет. Только его добавляют совсем чуть-чуть, потому что вольфрам — очень тяжелый металл.
Из-за своей тугоплавкости вольфрам трудно поддается деформации, поэтому в чистом виде его используют очень редко. Как правило, изделия из вольфрама имеют и другие примеси — они делают его более податливым и значительно уменьшают вес.
Самый твердый металл
Самым твердым и при этом легким металлом на нашей планете считается титан. Благодаря своим свойствам он активно используется в авиации и кораблестроении — материал отлично подходит для изготовления корпусов самолетов и кораблей. К тому же, благодаря прочности и легкости, из титана изготавливают бронежилеты. Этот металл безопасен для человеческого организма, поэтому часто применяется в медицине для изготовления инструментов и даже протезов — искусственных частей тела.
При нагревании титан начинает поглощать кислород, хлор, азот и другие газы. Благодаря этому удивительному свойству, металл используется в различных фильтрах — пропуская различные газы через нагретые до 600 градусов Цельсия титановые трубки, можно очистить их от примесей. Таким же образом можно очистить воду от кислорода, что особенно полезно в пищевой промышленности. Считается, что содержащийся в воде кислород ухудшает качество некоторых продуктов — как минимум, он может сократить срок годности пива.
Самый радиоактивный металл
Единственным металлом, который может использоваться в качестве топлива в ядерных реакторах, является уран. Многие люди считают его очень опасным из-за высокой радиоактивности. Однако природный уран безопасен для здоровья человека, а опасность представляет его разновидность под названием U-235 — именно она используется в ядерных реакторах.
Когда-то давно из природного урана даже изготавливали посуду. Например, осколки желтого стекла с содержанием урана были найдены на территории итальянского города Неаполь — по расчетам ученых, стекло было изготовлено в 79 году нашей эры. Он был безопасен для людей и никаких намеков на радиацию вроде свечения не наблюдалось.
Природного урана U-235, пригодного для использования в ядерных реакторах, сегодня в природе очень мало — на протяжении долгих лет он просто улетучился. Зато миллиарды лет назад его было очень много, и ядерные реакции могли запускаться прямо на природе, без участия человека. Так, на территории африканской страны Габон, около 1,8 миллиарда лет назад происходила естественная реакция деления ядер урана. Уран горел на протяжении сотен лет, но в итоге реакция прекратилась из-за истощения запасов металла.
Самый тяжелый металл
Самым тяжелым металлом из всей таблицы Менделеева считается осмий. Его удивительным свойством является то, что будучи самым тяжелым, на воздухе он становится летучим, ядовитым веществом. Название «осмий» с древнегреческого языка можно перевести как «запах». Такое наименование металлу было дано неспроста — в 1803 году английский химик Смитсон Теннант (Smithson Tennant) на собственном опыте ощутил, что металл пахнет хлором и неприятен настолько, что раздражает горло.
Благодаря своей твердости, осмий часто используется в механизмах, а именно в местах, где происходит сильное трение. Также он используется в изготовлении нитей для ламп накаливания. Ядовитые свойства возникают только на открытом воздухе — металл превращается в токсичное вещество тетраоксид осмия, которое вызывает раздражение глаз, поражение верхних дыхательных путей и даже воспаление почек.
Самый стойкий металл
Самым стойким металлом считается иридий — его невозможно растворить ни в одной кислоте. Из-за стойкости, этот металл используется в Международном бюро мер и весов — из него создан эталон килограмма. Этот цилиндр из иридия необходим для того, чтобы у всех стран было единое представление о том, сколько именно должен весить килограмм. Это важно, потому что любое отклонение может стать причиной неисправности в самолётах и кораблях и, впоследствии, серьезной катастрофы.
Также иридий используется при изготовлении денег. Например, в африканской стране Руанде была выпущена иридиевая монета номиналом 10 руандийских франков. Можно сказать, что это самая устойчивая к химическому воздействию монета. Повредить ее можно разве что кину в сосуд со фтором — сильнейшим окислителем. Но разрушительная реакция начнется только при нагревании до 450 градусов Цельсия.
Самый дорогой металл
Многие люди инвестируют в металлы и одним из самых дорогих сегодня является золото. По курсу за июнь 2020 года, грамм золота стоит около 4000 рублей, тогда как цена той же массы платины еле достигает 2000 рублей. Чуть выше мы уже выяснили, что добывать золото из ртути — это очень дорогой процесс. Поэтому получением золота занимаются работники аффинажных заводов — грубо говоря, они извлекают золота из смесей других металлов.
Так как персонал работает с очень дорогим металлом, в заводах действует строгий контроль. Если у человека, например, есть золотой зуб — охрана всегда проверяет, находится ли он на месте. А то вдруг человек избавится от золотого зуба и решит пронести кусочек драгоценного металла, поместив его в освободившемся пространстве между зубами? В некоторых аффинажных заводах работники проходят внутрь голыми и облачаются в рабочую одежду внутри.
Самый редкий металл
Франций — самый редкий металл. По расчетам ученых, в земной коре его концентрация равна всего лишь 340 граммам.
Франций очень радиоактивен, поэтому на данный момент он практически нигде не используется. Однако иногда ученые все же используют разновидности франция в ходе научных исследований. Также предпринимались попытки диагностики рака с использованием технологий, где франций тоже был задействован.
Самый легкий металл
Звание самого легкого металла по праву достается литию. Он окрашен в серебристо-белый цвет и настолько мягок, что легко режется ножом. Так как он является самым легким металлом в таблице Менделеева, при попадании в воду он всплывает на поверхность.
Читайте также: