Самым теплопроводным металлом из перечисленных является
Обновлено: 05.07.2024
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.
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
От чего зависит показатель теплопроводности
Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:
- вида металла;
- химического состава;
- пористости;
- размеров.
Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.
Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.
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.
Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.
Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.
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.
Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
1. Число 59 в марке латуни Л59 обозначает
٧ содержание меди, %
2. Силуминами называют сплавы алюминия с…
3. Конструкционными улучшаемыми сталями являются
٧ 30ХГСА, 40ХН2МА
4. Технологические процессы изменения формы и размеров заготовок под действием внешних сил, вызывающих пластическую деформацию, называются…
٧ обработкой металлов давлением
5. В качестве пружинного материала используют
6. Структура ферритного серого чугуна при комнатной температуре
٧ феррит и графитовые включения пластинчатой формы
7. Буква «А» в маркировке стали 18Х2Н4ВА означает, что сталь…
٧ является высококачественной
8. Эвтектической смесью является
9. Термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали 45 выше линии А с3 , выдержке и охлаждении на воздухе, называется…
10. Диффузией называется
٧ перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением частиц
11. Сорбит отличается от перлита…
٧ более высокой дисперсностью структуры
12. Высокой свариваемостью обладают стали…
13. Форму поперечного сечения продукции, получаемой при прокладке, называют
14. Для нарезания внутренних резъб в материалах используют…
15. Неметаллическим проводниковым материалов является…
16. При повышении температуры электропроводность полупроводниковых материалов…
17. Для изготовления порошковых магнитных материалов используют…
٧ порошковую металлургию
18. Металлическая форма, многократно используемая для получения отливок путем заливки в нее расплава свободной струей, называется…
19. Баллон для хранения и транспортировки кислорода окрашен в цвет…
20. Назначением модульной червячной фрезы является фрезерование…
٧ зубьев шестерни
21. Свариваемость стали с повышением содержания углерода…
22. Стали с содержанием легирующих элементов менее 2,5% относятся к…
23. Для устранения наклепа после холодной пластической деформации применяют…
٧ рекристаллизационный отжиг
24. Коррозионно-стойкими являются стали…
٧ 15Х28 и 12Х18Н10Т
25. Наполнители вводят в состав резин для…
٧ повышения прочности, износостойкости, снижения стоимости
26. Магнитные материалы, способные легко намагничиваться при приложении электрического поля и размагничиваться при снятии, называются…
27. По содержанию углерода сталь ШХ15 является
28. Критериями жаропрочности материала являются…
٧ предел длительной прочности и предел ползучести
29. Сталь 65Г, используемая в качестве пружинного материала, после закалки подвергается_____________ отпуску
30. Для устранения дендритной ликвации слитков стали применяют…
٧ гомогенизирующий отжиг
31. Технологический процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм называется…
32. Дислокация является дефектом…
33. Магнитные ферриты получают методом…
٧ порошковой металлургии
34. Глубина закаленного слоя при закалке ТВЧ зависит, главным образом, от…
35. Сплав Д16 является
٧ деформируемым алюминиевым сплавом, упрочняемым термической обработкой
36. Первые цифры в маркировке чугуна указывают значения…
٧ временного сопротивления
37. Для изделий, получаемых холодной штамповкой, целесообразно использовать сталь…
38. Среди нижеперечисленных инструментальных сталей теплостойкими являются…
39. Температурный интервал, в котором протекает кристаллизация сплава 60% Sb +40% Pb , составляет…
40. Сплавом, для которого используется литье под давлением, является…
٧ алюминиевый сплав
41. Дюралюмины можно упрочнить…
٧ закалкой и старением
42. При среднем отпуске углеродистых сталей мартенсит превращается в…
٧ троостит отпуска
43. Цементацию проводят с целью…
٧ повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя
44. Нормализация отличается от отжига…
٧ скоростью охлаждения
45. Для получения отверстия в отливках применяют…
46. Наиболее экономично изготавливать чугунные трубы способом…
٧ центробежного литья
47. Процесс выдавливания металла из замкнутого пространства через матрицу называется…
48. Медленно охлажденные углеродистые стали, содержащие а) 1,2%С и б) 0,8%С, имеют соответственно структуру…
٧ а ) перлит+цементит ; б ) перлит
49. Наиболее высокой магнитной способностью обладает…
50. Способность материалы восстанавливать первоначальную форму и прежние размеры после прекращения действия сил, вызвавших данное изменение формы, называется…
51. При температуре 779°С в сплавах системы медь серебро протекает превращение…
٧ эвтектическое, Ж ” эвтектика ( a + b )
52. Мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере свариваемых материалов называется…
٧ электрической дугой
53. Технологический процесс получения неразъемных соединений за счет межатомных и межмолекулярных сил связи называется…
54. Назначением торцевой фрезы является фрезерование…
٧ плоской поверхности
55. Для изготовления профилей применяется…
56. Слоистый пластик на основе фенолоформальдегидной смолы с наполнителем из бумаги называются…
57. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет…
58. Минимальный объем кристалла, при трансляции (последовательном перемещении) которого вдоль координатных осей можно воспроизвести всю решетку, называется…
٧ элементарной ячейкой
59. Образование новых равноосных зерен из деформированных кристаллов называется…
60. Линия АВС D диаграммы «железо-цементит» - это линия…
61. Свойство, заключающееся в способности вещества существовать в различных кристаллических модификациях, называется…
62.При температуре 245°С в сплавах системы Sb - Pb протекает превращение…
63. Рекристаллизационный отжиг сталей проводят с целью…
٧ устранения наклепа после холодной пластической деформации
64. При медленном охлаждении эвтектоидной стали аустенит превращается в…
65. Насыщение поверхностного слоя углеродом называется…
66. При вулканизации каучуков используется…
67. Материалами для изоляции токопроводящих частей являются…
68. Эвтектический чугун содержит углерод в количестве…
69. Ферромагнитными свойствами не обладают стали…
٧ аустенитного класса
70. Стали, относящиеся к группе1, - это _________ стали
71. Старение дюралюминов проводят с целью…
٧ обеспечения дисперсионного твердения
72. Самым теплопроводным металлом (из перечисленных) является…
73. По бездиффузионному механизму протекает превращение…
74. При увеличении скорости охлаждения аустенита в температурном интервале перлитного превращения последовательно образуются…
٧ перлит, сорбит, троостит
75. Характер изменения прочности металла при наклепе и рекристаллизации:
٧ при наклепе прочность увеличивается, при рекристаллизации-уменьшается
76. Для устранения наклепа после холодной пластической деформации применяют…
77. Пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе, полученный при охлаждении аустенита со скоростью, большей критической, называется:
8. Высокий отпуск применяют для…
٧ осей автомобилей
79. Марка сплава меди и олова, содержащего 4% олова и 3% цинка…
80. Высоким удельным электрическим сопротивлением обладают…
81. Назначением проходного резца является обработка _______ поверхностей…
٧ наружных цилиндрических
82. Назначением проходного резца является обработка ______ поверхностей
83. Способом обработки металла для изготовления стальной проволоки является
84. Среди нижеперечисленных сталей цементуемыми являются…
85. В белых чугунах при комнатной температуре углерод содержится в виде…
86. При увеличении содержания углерода в стали…
٧ твердость увеличивается, пластичность уменьшается
87. Стабилизатор вводят в состав пластмасс для…
٧ защиты полимеров от старения
88. САП является…
٧ дисперсно-упрочненным композиционным материалом на основе алюминия
89. Вулканизация это…
٧ процесс « сшивания макромолекул » каучука поперечными связями
90. Для изделий, получаемых холодной штамповкой, целесообразно использовать сталь…
91. Термическая обработка, используемая для обеспечения высокой твердости и стабилизации размеров материального инструмента…
٧ закалка, обработка холодом, низкий отпуск
92. Аморфные вещества…
٧ не имеют дальнего порядка в расположении частиц
93. Микроструктура заэвтектоидной стали после медленного охлаждения состоит из…
٧ перлита и цементита
94. Сплав БрАЖ9-4 является бронзой…
95. На диаграмме состояния «алюминий легирующий элемент» литейным сплавам соответствует область…
96. Сплав БК2 это…
٧ кальциевый баббит
97. Сплавом на основе титана является…
98. Твердость низкоуглеродистой стали можно повысить…
٧ цементацией и закалкой ТВЧ
99. Полимеры, необратимо затвердевающие в результате протекания химических реакций, называются…
100. При легировании стали хромом, марганцем…
٧ повышается прокаливаемость
101. Металлы Cu и Ni в твердом состоянии образуют…
٧ твердый раствор замещения
102. Из нижеперечисленных наибольшую твердость в отожженном состоянии имеет сталь…
103. Сталью обыкновенного качества является…
104. При медленном охлаждении эвтектоидной стали аустенит превращается в…
105. Термообработка заэвтектоидной стали, состоящая нагреве до температуры выше линии А С1 , но ниже линии А Cm , выдержке и охлаждении со скоростью выше критической это…
٧ неполная закалка
106. Алитирование это насыщение поверхностного слоя металла…
107. Аустенит имеет кристаллическую решетку…
108. Жидкое стекло вводится в состав стержневых смесей…
٧ как связующее
109. Белые чугуны отличаются от серых…
٧ наличием в структуре химически связанного углерода в виде цементита
110. При наклепе плотность дислокаций…
111. Структура доэвтектоидной стали после полной закалки и среднего отпуска
112. Органоволокниты это композиционные материалы, состоящие из…
٧ полимерной матрицы и наполнителя в виде синтетических волокон
113. Для изготовления подшипников скольжения можно использовать…
114. Из нижеперечисленных сталей наибольшей износостойкостью обладает…
115. Сплав меди с цинком называется…
116. На рисунке представлена диаграмма состояния сплава, компоненты которого:
٧ практически не растворимы в твердом состоянии
117. Свойством, которым обладает медь, является…
٧ низкое электросопротивление
118. Эвтектической смесью является…
119. При температурах выше точки Кюри у материалов ферромагнитные свойства
120. Сплав марки БрА5 это…
٧ алюминиевая бронза, содержащая 5% алюминия
121. Содержание углерода в чугуне…
122. Термопластичные полимеры имеют структуру…
123. Вакансия является дефектом…
124. Технологический процесс получения неразъемных соединений за счет межатомных и межмолекулярных сил называется…
125. Макромолекулы резины имеют строение…
126. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей проводят при температурах…
127. Закалочные напряжения будут меньше после охлаждения в …
128. Недостатками баббитов являются
٧ низкая прочность, плохое сопротивление усталости
129. Стабилизаторы (антиоксиданты) вводят в состав резин для…
٧ замедления процесса старения
130. Среди нижеперечисленных сталей лучшей свариваемостью обладает…
131. Троостит отличается от перлита…
132. Структуру перлит + ледебурит + вторичный цементит при комнатной температуре имеет…
٧ доэвтектический белый чугун
133. Перлитное превращение в углеродистых сталях протекает при температуре…
134. Термореактивные полимеры после отверждения имеют структуру…
٧ пространственную (« сшитую »)
135. Теплостойкие резины получают на основе…
٧ полисилоксановых соединений
136. Ферромагнитные материалы обладают структурой…
137. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы получают…
٧ методами порошковой металлургии
138.В сверхпроводящее состояние не переходят при самых низких температурах, металлы:
138. Процесс соединения молекул мономеров с образованием макромолекул полимеров без выделения побочных продуктов называется…
Узнать стоимость написания работы -->
Металлы с низкой теплопроводностью
Примеси, содержащиеся в меди (и, естественно, взаимодействующие с ней), подразделяют на три группы.
Образующие с медью твердые растворы
К таким примесям относятся алюминий, сурьма, никель, железо, олово, цинк и др. Данные добавки существенно снижают электро- и теплопроводность. К маркам, которые преимущественно используются для производства токопроводящих элементов, относятся М0 и М1. Если в составе медного сплава содержится сурьма, то значительно затрудняется его горячая обработка давлением.
Не растворяющиеся в меди примеси
Сюда относятся свинец, висмут и др. Не влияющие на электропроводность основного металла, такие примеси затрудняют возможность его обработки давлением.
Примеси, образующие с медью хрупкие химические соединения
К этой группе относятся сера и кислород, который снижает электропроводность и прочность основного металла. Наличие серы в медном сплаве значительно облегчает его обрабатываемость при помощи резания.
ПРУЖИННЫЕ СПЛАВЫ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ
Складскую справку можно скачать здесь
ВВЕДЕНИЕ
Пружинные сплавы относятся к особой группе в основном металлических материалов, обладающих кроме обязательных для них высоких механических свойств, получаемых либо холодной пластической деформацией, либо методами дисперсионного упрочнения [1], еще и величиной сопротивления малым пластическим деформациям, или пределом упругости. Читать далее →
Таблица теплопроводности металлов и сплавов
Температуропроводность металлов
В таблице представлены значения коэффициента температуропроводности чистых металлов в зависимости от температуры. Температуропроводность металлов указана в интервале температуры от -250 до 1600°С в размерности м 2 /с.
Рассмотрены следующие металлы: алюминий, кадмий, натрий, серебро, калий, никель, свинец, кобальт, бериллий, литий, сурьма, висмут, магний, цинк, вольфрам, олово, сурьма, железо, платина, золото, медь, родий, молибден, тантал, иридий.
По значениям температуропроводности в таблице можно выделить металлы с наибольшим и наименьшим значением этого свойства. Наименьшей температуропроводностью обладает такой металл, как висмут, его коэффициент температуропроводности при температуре 50°С равен 6,8 м 2 /с. Температуропроводность чистого серебра равна 158,3 м 2 /с при 100°С. Этот металл имеет наиболее высокое значение этой характеристики.
Следует отметить, что по мере роста температуры металла, величина его температуропроводности уменьшается, за исключением платины и кобальта.
Источник:
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.
Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al
отсюда
Теплопроводность и плотность алюминия
В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).
Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.
Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).
Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения.
Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.
Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м 3 , а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м 3 . Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.
Теплопроводность сплавов меди. Температура плавления латуни и бронзы
Теплопроводность латуни и бронзы
В таблице приведены значения теплопроводности латуни, бронзы, а также медно-никелевых сплавов (константана, копели, манганина и др.) в зависимости от температуры — в интервале от 4 до 1273 К.
Теплопроводность латуни, бронзы и других сплавов на основе меди при нагревании увеличивается. По данным таблицы, наибольшей теплопроводностью из рассмотренных сплавов при комнатной температуре обладает латунь Л96. Ее теплопроводность при температуре 300 К (27°С) равна 244 Вт/(м·град).
Также к медным сплавам с высокой теплопроводностью можно отнести: латунь ЛС59-1, томпак Л96 и Л90, томпак оловянистый ЛТО90-1, томпак прокатный РТ-90. Кроме того, теплопроводность латуни в основном выше теплопроводности бронзы. Следует отметить, что к бронзам с высокой теплопроводностью относятся: фосфористая, хромистая и бериллиевая бронзы, а также бронза БрА5.
Медным сплавом с наименьшей теплопроводностью является марганцовистая бронза — ее коэффициент теплопроводности при температуре 27°С равен 9,6 Вт/(м·град).
Теплопроводность цветных металлов и технических сплавов
складскую справку скачать можно здесь
отсюда
В таблице представлены значения теплопроводности металлов (цветных), а также химический состав металлов и технических сплавов в интервале температуры от 0 до 600°С.
Цветные металлы и сплавы: никель Ni, монель, нихром; сплавы никеля (по ГОСТ 492-58): мельхиор НМ81, НМ70, константан НММц 58,5-1,54, копель НМ 56,5, монель НМЖМц и К-монель, алюмель, хромель, манганин НММц 85-12, инвар; магниевые сплавы (по ГОСТ 2856-68), электрон, платинородий; мягкие припои (по ГОСТ 1499-70): олово чистое, свинец, ПОС-90, ПОС-40, ПОС-30, сплав Розе, сплав Вуда. Читать далее →
Теплопроводность представляет собой физическую величину, которая определяет способность материалов проводить тепло. Иными словами, теплопроводность представляет собой способность субстанций передавать кинетическую энергию атомов и молекул другим субстанциям, находящиеся в непосредственном контакте с ними. В СИ эта величина измеряется во Вт/(К*м) (Ватт на Кельвин-метр), что эквивалентно Дж/(с*м*К) (Джоуль на секунду-Кельвин-метр).
Понятие теплопроводности
- за одну секунду;
- через площадь один метр квадратный;
- на расстояние один метр;
- когда разница температур на поверхностях, находящихся на расстоянии один метр друг от друга в материале, равна один Кельвин.
Понятно, что чем больше значение теплопроводности, тем лучше материал проводит тепло, и наоборот. Например, значение этой величины для меди равно 380 Вт/(м*К), и этот металл в 10 000 раз лучше переносит тепло, чем полиуретан, теплопроводность которого составляет 0,035 Вт/(м*К).
Перенос тепла на молекулярном уровне
Это объяснение механизма теплопроводности на молекулярном уровне отличает его от механизма термической конвекции, при котором имеет место перенос тепла за счет переноса вещества. Все твердые тела обладают способностью к теплопроводности, в то время как тепловая конвекция возможна только в жидкостях и газах. Действительно, твердые вещества переносят тепло в основном за счет теплопроводности, а жидкости и газы, если есть температурные градиенты в них, переносят тепло в основном за счет процессов конвекции.
Теплопроводность материалов
Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.
В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):
- сталь 47—58;
- алюминий 237;
- медь 372,1—385,2;
- бронза 116—186;
- цинк 106—140;
- титан 21,9;
- олово 64,0;
- свинец 35,0;
- железо 80,2;
- латунь 81—116;
- золото 308,2;
- серебро 406,1—418,7.
В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:
- стекловолокно 0,03—0,07;
- стекло 0,6—1,0;
- асбест 0,04;
- дерево 0,13;
- парафин 0,21;
- кирпич 0,80;
- алмаз 2300.
В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.
Коэффициенты теплопередачи сталей
Способность передавать тепло для сталей зависит от двух главных факторов: состава и температуры.
Нержавеющие стали содержат в своем составе хром (10% и больше), которые вместе с углеродом образует сложные карбиды, препятствующие окислению материала, а также повышает электродный потенциал металла. Теплопроводность нержавейки невелика в сравнении с другими сталями и колеблется от 15 до 30 Вт/(м*К) в зависимости от ее состава. Жаропрочные хромоникелевые стали обладают еще более низкими значениями этого коэффициента (11—19 Вт/(м*К).
Другим классом являются оцинкованные стали с удельным весом 7 850 кг/м3, которые получают путем нанесения покрытий на сталь, состоящих из железа и цинка. Так как цинк легче проводит тепло, чем железо, то и теплопроводность оцинкованной стали будет относительно высокой в сравнении с другими классами стали. Она колеблется от 47 до 58 Вт/(м*К).
Теплопроводность стали при различных температурах, как правило, не изменяется сильно. Например, коэффициент теплопроводности стали 20 при увеличении температуры от комнатной до 1200 °C снижается от 86 до 30 Вт/(м*К), а для марки стали 08Х13 увеличение температуры от 100 до 900 °C не изменяет ее коэффициент теплопроводности (27—28 Вт/(м*К).
Факторы, влияющие на физическую величину
Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.
Температура материала
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.
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.
17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов
Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.
У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг?К) и более.
Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.
Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.
Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.
Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.
Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.
Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.
Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.
Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза
Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.
При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).
Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).
При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.
Читайте также: