Температура металла и окружающей среды
Обновлено: 18.05.2024
Вспомните, насколько горячей кажется ложка в чашке горячего чая. Деревянная ложка, даже если ее нагреть до той же температуры, не будет казаться столь горячей.
Все дело в высокой теплопроводности металла. Температура тела 36,6°C (правда, верхние слои кожи немного холоднее). Если прикоснуться к более холодному предмету, тепло начнет перетекать в него. Температура вблизи поверхности кожи снизится, и мы почувствуем прохладу (или сильный холод, если контраст велик).
Отдаваемое нашим телом тепло нагревает верхние слои холодного предмета. Но если он обладает высокой теплопроводностью (как металл), то энергия быстро растекается по всему объему, рост температуры оказывается незначительным, и перетекание тепла продолжается — мы чувствуем, что предмет остается холодным.
При низкой теплопроводности (как у дерева) внешние слои прогреваются очень быстро — иногда так быстро, что мы даже не обращаем внимания на то, что несколько секунд предмет кажется чуть прохладным. После этого теплоотдача почти останавливается, и мы чувствуем, что предмет согрелся.
С горячими предметами всё обстоит с точностью до наоборот.
Высокая теплопроводность металлов объясняется наличием в них свободных электронов — тех самых, что обеспечивают электропроводность металлов. Электроны в металлах в отличие от атомов не остаются на месте, а быстро перемещаются по всему объему, перенося при этом тепло.
Батарей 11.05.2011 09:02 Ответить
То есть теплопередача осуществляется свободными электронами? А можно ссылочку на более подробную информацию об участии электронов в проведении тепла? И чем в таком случае объяснить высокую теплопроводность и низкую электропроводность алмаза?
Vladimir_V Батарей 17:26 Ответить
Это вопрос уже несколько за пределами темы. Ключевой момент - теплопроводность, а уже ее генезис - вторичен.
Кстати, недавно появился новый материал - вспененный никель с микрокапсулами. Теплопроводность - как у пенопласта. А ведь это металл!
Но такой металл будет на ощупь много теплее любого дерева.
taras Vladimir_V 12:32 Ответить
Металлическая пена и электричество проводит плохо. А тепло электроны всё таки даже в сплошном металле переносят хуже, чем электрический заряд.
taras Батарей 12:31 Ответить
Тем, что электроны - не единственный переносчик. Электроны проводимости - лучший переносчик, из имеющихся в твёрдых телах. Но ещё лучше тепло переносятся молекулами жидкости или газа. Или атомами в случае одноатомного газа, или металлического расплава. Но не всегда, а только при эффективной конвекции. Если греть сверху, то тепло атомами и молекулами жидкостей и газов переносится очень плохо. Поэтому то вата - хороший тепло-изолятор: там очень затруднена конвекция. И несколько хуже, чем электроны, но иногда тоже не плохо тепло переносится атомами кристалла. Если убрать один переносчик, то определяющее значение получает следующий. В кристалле алмаза тепло хорошо передают атомы самого кристалла, в металле они бы это делали не хуже, да вот беда - электроны проводимости уже переносят слишком большую тепловую мощность и самому кристаллу остаются крохи.
aif 18.05.2011 14:44 Ответить
Все просто. В металлах переносят тепло в основном электроны (смотреть Видемана -Франца закон). В алмазе нет свободных электронов, и теплопроводность осуществляется за счет колебаний атомов в решетке (фононы).
В ответе не всё правильно, хотя сама ссылка на теплопроводность предметов, как причину, правильная. Главная "фишка" в том, что нервные клетки, служащие датчиками температуры, расположены не в предмете, конечно, а в вашей коже и мерят, фактически, не температуру предмета, а температуру кожи, касающуюся предмета. А дальше как было обьяснено: если теплопроводность предмета высокая, то поверхностная часть кожи, где находятся нервные клетки, меняет температуру в сторону температуры предмета, и, разумеется, чем выше теплопроводность предмета, тем это изменение выше. Поэтому при комнатной температуре, которая ниже температуры тела, когда кожа соприкосается только с воздухом, температура того слоя кожи человека, где располагаются нервные клетки, достаточно далека от температуры воздуха, так как теплопроводность воздуха очень маленькая, но мы воспринимаем "показания" нервных клеток как температуру воздуха. Но вот мы коснулись поверхности металла, имеющего ту же комнатную температуру, и из-за повышения теплопроводности понижается температура кожи, и мы чуствуем это, но воспринимаем как то, что металл холоднее.
silly_sad 16.09.2011 11:52 Ответить
вообще рубрика гениальная.
но этот ответ мне категорически не понравился -- его способен понять только тот (кто уже знает о теплопроводности (додумать то (чего автор стыдливо умалчивает) (типо так станет понятнее детем. ага!)))
а вообще типовое отношение к детям.
и никаких им картинок не доросли ещё!
хотя теплопроводность вполне объяснима на пальцах
taras silly_sad 12:59 Ответить
taras silly_sad 13:01 Ответить
"хотя теплопроводность вполне объяснима на пальцах" Ну попробуй объяснить. Я кандидат наук. Но даже я скорей всего НЕ пойму. Поймёт ли Хоккинг? Чёрт его знает.
Neznayka 29.03.2012 15:18 Ответить
Согласен с silly_sad, очень даже непонятно многое, не то что детям.
belyvil 09.09.2012 22:27 Ответить
очень прекрасные обьяснения, вообще ничего не понятно о чем тут коментируют детям. прежде чем сказать нужно думать
taras belyvil 13:03 Ответить
balexei 19.10.2012 22:45 Ответить
Q33NY 03.03.2013 17:31 Ответить
Ещё хочется уточнить, что температурные рецепторы кожи чувствуют не столько температуру, сколько её изменение. То есть ощущение тепла - это повышение температуры рецепторов, ощущение холода - понижение. Доказывается просто:
Берём ёмкость с холодной водой, ёмкость с тёплой водой и какой-нибудь предмет промежуточной температуры. Если подержать руку в холодной воде, а затем потрогать предмет, он покажется тёплым. Если подержать руку в тёплой воде, а затем потрогать предмет, он покажется холодным.
роткив Q33NY 22:16 Ответить
taras Q33NY 13:09 Ответить
У человека они чувствуют именно температуру. Доказывается просто: попробуй залезть в прохладную воду и постепенно её нагреть до 40-ка градусов. Как бы медленно вода ни нагревалась, ты почувствуешь тепло. У лягушек тепловые рецепторы чувствуют производную температуры по времени. Доказывается просто: берём двух лягушек, одну бросаем в кипяток, она выпрыгивает, вторую бросаем в холодную воду и варим на медленном огне, она спокойна. Другое дело, что чем разница в температуре контрастнее, тем легче её почувствовать. Но одномоментно между двумя точками, разделёнными в пространстве, а производную температуры по времени человек не способен почувствовать вообще. Доказывается также просто: попробуй схватиться за нагретое жало паяльника, больно станет только секунд через 5. А металлурги умудрялись даже совать руки в расплав и не чувствовать при этом вообще ничего. А фокус прост: тепловая инерция больше нервной. То есть чтоб даже кожа нагрелась, нужно как минимум несколько секунд, а сравнение происходит на масштабе долей секунды, максимум где то пары третий.
T_Im 12.05.2017 23:56 Ответить
ИМХО, в объяснении упущен главный ключевой момент: теплое помещение (следовательно, и находящиеся в нем металлические предметы), как правило, _заведомо_ холоднее человеческого тела (20+C и 30+C, почему так получилось - это уже другой детский вопрос). И уже из этого факта и высокой теплопроводности металла следует ощущение холода.
taras T_Im 13:16 Ответить
Чтоб почувствовать перепад в жалкие 6 градусов, нужна гиря где то под центнер. А перепад между кожей кистей рук и снегом я, например, ощущаю, когда он превышает 60 градусов. Между той же кожей и воздухом - начиная с 80-ти градусов. И или как правило, что значит обычно, то есть всё таки не всегда, или заведомо. Крокодил зелёный не может быть синим как морковка.
taras 10.10.2017 12:19 Ответить
f_const 20.11.2017 09:32 Ответить
Значение имеет не только теплопроводность, но и теплоемкость, они в этом процессе на равных правах. На всякий случай приведу здесь точный результат, а уж как его объяснять детям - это отдельный вопрос. Пусть два тела с разной теплоемкостью, теплопроводностью и температурой приходят в соприкосновение по плоской поверхности. В точке контакта температура принимает значение, равное среднему взвешенному из температур тел, причем веса равны корням из произведений теплоемкости на теплопроводность. Т.е., если у нас есть тело с высокой теплопроводностью, но низкой теплоемкостью, оно тоже может быть на ощупь теплым. Температура точки контакта далее не меняется (если теплопроводности и теплоемкости постоянны, не зависят ни от температуры, ни от координаты). Это можно вывести качественным способом: на границе тел образуется своего рода общий тепловой резервуар, в котором температура близка к однородной, причем этот резервуар распространяется вглубь тел на глубины порядка корня из температуропроводности (это теплопров. деленная на теплоемкость), умноженной на время контакта. Складывая внутренние энергии частей резервуара, относящихся к разным телам, и деля на суммарную их теплоемкость, мы как раз и получим то, что написано выше.
Интересно, что температура точки контакта со временем не меняется.
То, что мы, прикасаясь к холодному предмету, со временем перестаем чувствовать холод - это следствие дополнительных факторов: конечности размера предмета (часть теплового резервуара со стороны предмета в конце концов не сможет дальше расширяться, т.е. предмет, грубо говоря, уже весь прогрелся), переноса тепла кровью (тепловой резервуар со стороны нашего тела достиг области, где перенос тепла уже не чисто теплопроводностью) или попросту снижения нервной реакции.
Интересны варианты с переменной по глубине теплопроводностью. Тот же ход размышлений приведет нас к тому, что температура точки контакта будет меняться в зависимости от того, какие области со временем включаются в тепловой резервуар. Здесь можно привести такие наглядные примеры. Если мы берем в руки кусок фольгированной теплоизоляции при комнатной температуре и ниже, мы сначала ощущаем холод - очень недолго, доли секунды, а потом - тепло. Можно сделать и наоборот - например, накрыть на холоде металлический предмет нетолстой тканью. Сначала будем ощущать слабую прохладу, со временем - более сильный холод.
icWasya 06.05.2019 20:19 Ответить
Есть ещё класс веществ, которые хорошо проводят электрический ток, но плохо проводят тепло - сверхпроводники. Тепло сначала передаётся кристаллической решотке, а уж затем электронаь, которые разносят его по всему объёму. Свободных(почти) электронов - полно, но они никак не взаимодействуют с атомами. Жаль на ощупь это проверить нельзя :(
Почему металлические предметы всегда прохладные на ощупь, даже если находятся в теплом помещении?
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Разница температур металла и окружающего воздуха во время испытания не должна вызывать выпадения влаги на поверхностях объекта испытаний. Используемая для гидравлического испытания вода не должна загрязнять объект или вызывать интенсивную коррозию. [1]
Разница температур металла и окружающего воздуха во время испытания не должна вызыв-ать выпадения влаги на поверхностях объекта испытаний. Используемая для гидравлического испытания вода не должна загрязнять объект или вызывать интенсивную коррозию. [2]
Для уменьшения разницы температуры металла в начале н в конце заливки ковш перед заливкой в него металла нагревают до нужной температуры; толщина обмазки ручных ковшей должна быть не менее 25 мм. [3]
Тепловой эффект обусловлен разницей температуры металла в канале и шахте печи и, следовательно, разницей его плотности. Поэтому в печах с вертикальным каналом ( см. рис. 4 - 10 а) менее нагретый металл в шахте печи с большим удельным весом поступает в нижние слои канала, а металл из канала поднимается в шахту. [4]
Для того чтобы уменьшить разницу температуры металла в ковше в начале и в конце заливки, ковш перед заливкой в него металла необходимо прогреть ( прокалить) до температуры 600 ( красное каление), а обмазка ручных ковшей по тем же соображениям не должна быть тоньше 25 мм. [5]
Сопутствующий сварке местный или общий подогрев изделия является надежным средством предотвращения холодных трещин, так как уменьшает разницу температур металла в зоне сварки и периферийных участках, что снижает уровень напряжений первого рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовных участках сглаживаются. [6]
На котлах среднего давления с толстостенным барабаном необходимо следить за скоростью изменения температуры металла барабана ( по температуре насыщения), не допуская ее значения более 3 С / мин, а также разницы температур металла между верхом и низом барабана выше 50 С. [7]
Расслоение пароводяной смеси с раздельным течением воды и пара может происходить при небольшой скорости среды на горизонтальных или слабонаклонных участках труб. При этом разница температур металла трубы в ее паровой и водяной части составляет около 100 - 120 С и практически не может привести к пережогу и разрушению металла. [8]
Заполнение котла водой ( желательно деаэрированной) производится через водяной экономайзер до низшей отметки водоуказательного стекла. После появления воды из воздушников питательной линии и экономайзера их закрывают. Продолжительность заполнения котла водой зависит от разницы температуры металла котла и воды. Чем больше эта разница, тем медленнее заполняют котел водой. Если котел заполнен водой, перед растопкой спускают воду до низшего уровня по водоуказательному стеклу. После заполнения котла водой проверяют его плотность, наблюдая за положением уровня воды. [9]
При использовании наиболее простых прямоточных прямотрубных парогенераторов, обогреваемых жидким металлом, проблема выравнивания удлинения пучка труб в целом и кожуха ( весьма затруднительная для водо-водяных парогенераторов) легко решается за счет установки линзовых компенсаторов на тонкостенном кожухе. Однако может возникнуть опасность температурных напряжений в трубах при неодинаковом удлинении отдельных труб. Поэтому очень важно обеспечение полной стабильности гидравлической характеристики парогенерирующих труб, особенно если учитывать большой недогрев питательной воды до насыщений. Действительно, в случае наличия гидравлической развертки в отдельных трубах кризис может наступать значительно позднее, чем в среднем по пучку, и такие трубы, имея значительно более низкую среднюю температуру металла, будут испытывать большие растягивающие напряжения, так как разница температур металла между зоной пузырькового кипения и закризисным участком много больше, чем в водо-водяных парогенераторах. [10]
Заливают металл переносными ручными ковшами. Носок ручного ковша при заливке формы должен находиться на незначительном расстоянии по высоте от литниковой чаши. Лить металл необходимо без перерыва струи. Ковш необходимо очищать от застывшего металла на носке, краях, боках и на дне. Несоблюдение этого требования приводит к неровной струе металла, разбрызгиванию и к сильному охлаждению металла. Ковш очищают ломиками, заостренными в виде лопатки. Для предотвращения охлаждения металла в ковше его засыпают сверху слоем сухого древесного угля. Для получения качественной отливки важное значение имеет температура заливаемого металла ( см. табл. 53 и 54), особенно при литье цветных сплавов. Для того чтобы уменьшить разницу температуры металла в ковше в начале и в конце заливки, необходимо перед заливкой ковш прогреть до температуры 600 G. Заливать металл в форму следует с большой скоростью, особенно латунь. Необходимо тщательно удалять шлак с поверхности металла. [11]
Свойства металлов и сплавов: механические, физические, химические
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.
Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
К физическим свойства относят:
- цвет
- плотность
- температуру плавления
- теплопроводность
- электропроводность
- магнитные свойства
Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.
Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м 3 ) и тяжелые.
Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 о С, тантал – 2950 о С и др.) и легкоплавкие (олово – 232 о С, свинец – 327 о С). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).
Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).
Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.
Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.
Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.
К химическим свойствам относят:
- коррозионную стойкость
- жаростойкость
Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).
Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах
Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:
- емкости для перевозки химических реактивов
- трубопроводы химических веществ
- приборы и инструменты в химической промышленности
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства — характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная)– характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.
2. Способность материала к обработке давлением — это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.
3. Свариваемость — это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.
4. Способность к обработке резанием — характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.
1. Износостойкость– способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
2. Коррозионная стойкость (см. Электрохимическая и химическая коррозия металлов) – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
3. Жаростойкость (см. Жаростойкость. Жаростойкая сталь. Жаростойкие сплавы.) – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
При отрицательных температурах
Индекс жесткости погоды (ИЖП). Наиболее простой метод, основанный на том, что при увеличении скорости ветра на 1 м/с субъективно воспринимается как понижение температуры воздуха приблизительно на 2°С. Метод широко используется для климатического районирования территорий, в частности, для разработки рекомендаций при использовании их в рекреационных целях. ИЖП вычисляется по формуле:
ИЖП = t + [(-2)×V)], где (28)
ИЖП – индекс жесткости погоды, условные градусы;
t – температура воздуха, °С;
V – скорость ветра, м/с;
-2 – температура, соответствующая субъективно воспринимаемому снижению температуры воздуха при увеличении скорости ветра на 1 м/с.
Пример. Температура воздуха -20°С, скорость ветра 5 м/с. Подставляем указанные значения в формулу 28 и рассчитываем ИЖП:
ИЖП = -20 + [(-2)×5) = -30 условных градусов.
То есть, при скорости ветра 5 м/с температура воздуха -20°С будет субъективно восприниматься как температура -30°С в условиях полного штиля.
Индекс ветроохлаждения (ИВО) или индекс холодного ветра (ИХВ). При низких температурах окружающей среды ведущими неблагоприятными факторами являются температура воздуха и ветер. Именно эти два фактора метеоусловий учитывает данный показатель.
ИВО вычисляется по формуле:
ИВО – полное ветроохлаждение, ккал/м 2 ´час;
100; 10,45; 33 – постоянные эмпирические коэффициенты.
Пример. Температура воздуха при ее измерении на открытом воздухе составила –20°С, скорость ветра 9 м/с.
Подставляем значения условия задачи в формулу 29 и рассчитываем ИВО.
При оценке результатов определения ИВО следует иметь в виду, что человек замерзает при ИВО, равном 1200 – 1600 ккал/м 2 ´час.
Ветрохолодовой индекс (ВХИ).Показатель, определяемый по таблице, в которой находится условная величина температуры воздуха с учетом субъективного ощущения влияния комплексного воздействия на организм человека температуры и скорости ветра при допущении, что данный комплекс будет восприниматься как температура воздуха в условиях штиля (таблица 17).
Данный метод прост, удобен для разработки рекомендаций по режиму труда на открытом воздухе различных контингентов работающих.
Индекс суровости погоды (ИСП).С помощью данного показателя определяется комплексное воздействие температуры наружного воздуха и скорости ветра в тех случаях, когда ветер имеет скорость большую, чем 7 м/с. Предполагается, что увеличению скорости ветра на 1м/с соответствует условное понижение температуры в отношении ее субъективного восприятия на 2°. Для определения ИСП используют формулу:
ИСП – искомый индекс, условные градусы;
V – скорость ветра, м/с.
Пример. Температура наружного воздуха – 20°, скорость ветра – 9м/с (условия примера расчета ИВО). Подставляем данные значения в формулу:
То есть, при данных условиях человек будет субъективно воспринимать приведенный комплекс метеоусловий так, как при температуре воздуха –24°С и скорости ветра 7 м/с.
Метод комплексной оценки метеорологических факторов в холодный период года, рекомендуемый для населения (метод определения условной температуры – УП).Для населения, в частности, для решения вопроса выбора одежды в холодный период года рекомендуется простой и при этом достаточно точный метод комплексной оценки метеорологических факторов в холодный период года.
Сущность данного метода заключается в следующем. Используется вспомогательная таблица (таблица 18), в которой указана скорость ветра и температура воздуха в условиях разной солнечной радиации, то есть при условиях «пасмурно», «полуясно», «ясно». При этом учтена и влажность. Используя данные о скорости ветра по сводке, нужно умножить эту цифру на 0,8 для открытого места или на 0,7 для города.
Найденная по таблице температура прибавляется к той температуре, которая была объявлена. Получаем условную температуру воздуха с поправкой на скорость ветра.
Читайте также: