Что называется теплопроводностью и теплоемкостью металлов

Что называется теплопроводностью и теплоемкостью металлов

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.

Источник

Теплопроводность стали и других сплавов: меди, латуни и алюминия, теплопередача

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Виды алюминиевого остекления лоджии и балкона

Холодное

Применяют для защиты помещения от ветра, осадков, пыли. Организуют в нетребовательных к теплоизоляции помещениях. Устанавливают в цехах, зимних садах, на складах, балконах.

Теплое

Монтируют в жилых комнатах, на теплых лоджиях из алюминия. Для защиты от холода внутри профиля размещают теплоизолирующий вкладыш из полиуретана. Он надежно изолирует холод.

Монтируется из профиля стандартной ширины. Привлекательно смотрится. Просто устанавливается и потому стоит дешевле. По сравнению с безрамными такие окна пропускают меньше света, но они прочнее — можно остеклять большие по площадки лоджии.

Для остекления веранд, беседок, террас используют не только пластиковые, но и теплые алюминиевые двери и окна. Они блокируют холод и шум так же эффективно, как и теплые ПВХ-профили.

Безрамное

Максимально увеличивает естественную освещенность помещения. Создается из профиля небольшой ширины. Швы незаметны с улицы, что создает впечатление единого стеклянного полотна. С такими стеклами красиво смотрятся зимние сады, лоджии, оборудованные для летнего досуга.

Распашное

Чаще используется на просторных балконах, эркерах, лоджиях. Распашные створки характерны для теплого профиля. Они требуют больше пространства при открывании, позволяют безопасно мыть окна внутри, снаружи. Часто распашные створки комбинируют с глухими — так можно сэкономить на профильной системе, крепеже. Иногда этого требуется форма балконного помещения.

Раздвижное

Какие плюсы и минусы у лоджии из раздвижного алюминия? Здесь больше полезная площадь, можно разместить компактную мебель, бельевую сушилку. Створки занимают минимум места, экономят пространство. На балконе из раздвижного алюминия остекление с большим световым проемом. Оно впускает в комнату много света. Такие конструкции можно установить для экономии места на длинных узких балконах, например при остеклении 5-метровых лоджий.

Рассмотрим подробно плюсы и минусы холодного остекления балкона алюминием.

Минусы высокой теплопроводности

Низкая теплопроводность во многих случаях является нужным свойством – на этом основана теплоизоляция. Использование медных труб в системах отопления приводит к гораздо большим потерям тепла, чем при применении магистралей и разводок из других материалов. Медные трубопроводы требуют более тщательной теплоизоляции.

У меди высокая теплопроводность, что обуславливает достаточно сложный процесс монтажных и других работ, имеющих свою специфику. Сварка, пайка, резка меди требует более концентрированного нагрева, чем для стали, и зачастую предварительного и сопутствующего подогрева металла.

При газовой сварке меди необходимо использование горелок мощностью на 1–2 номера выше, чем для стальных деталей такой же толщины. Если медь толще 8–10 мм, рекомендуется работать с двумя или даже тремя горелками (часто сварку производят одной, а другими осуществляют подогрев). Сварочные работы на переменном токе электродами сопровождаются повышенным разбрызгиванием металла. Резак, достаточный для толщины высокохромистой стали в 300 мм, подойдет для резки латуни, бронзы (сплавы меди) толщиной до 150 мм, а чистой меди всего в 50 мм. Все работы связаны с значительно большими затратами на расходные материалы.

Режимы термообработки латуней

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

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.

Коэффициент теплопроводности металлов (Таблица)

Теплопроводность многих металлов следует соотношению k = 2,5·10-8σT, где Т обозначает температуру в °К, а σ — электропроводность в единицах (ом·см)-1. Это соотно­шение, которое лучше всего оправдывается для хороших проводников электричества и при высоких температурах, можно применять и для определения коэффициентов тепло­проводности.

Соотношение kpcp=const, где р обозначает плотность, а ср — удельную теплоем­кость при постоянном давлении, было предложено Стормом для того, чтобы объяснить температурные изменения этих величин для некоторых металлов и сплавов.

Таблица коэффициент теплопроводности металлов

Элементы с металлической электропроводностью (числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе)

Таблица коэффициент теплопроводности полупроводники и изоляторы

Примеси в медных сплавах

Таблица теплопроводности материалов на Ке…-Ки…

Таблица теплопроводности материалов на Л

Теплоемкость — железо

Теплоемкость железа С г представляет эквивалентную переменную теплоемкость, приведенную к температуре у поверхности во.

Теплоемкость железа и стали при нагреве увеличивается. Например, при комнатной температуре теплоемкость железа 0 111 ккал / кг-град, при температуре 1200 С она увеличивается до 0 16 ккал / цг-град. Это значит, что при высоких температурах нагрев происходит медленнее и тепла затрачивается больше.

Учитывая же, что теплоемкость железа или стали равна 0 115, станет вполне понятным, что температура, получающаяся в ( результате трения лент Ферадо о шайбы барабана, достигнет колоссальных размеров и даже водяное, а тем более воздушное охлаждение не в состоянии будет отвести полностью эту теплоту.

На рис. 6 показано изменение атомной теплоемкости железа в зависимости от температуры. Теплоемкость железа достигает максимального значения в точке Аг, затем резко уменьшается; в точке А3 вновь уменьшается, а затем слегка увеличивается в а точке А и снижается в точке плавления. Резкое возрастание теплоемкости вблизи точки Кюри объясняется изменением магнитного состояния железа.

Температура плавления 5 равна 1808 К, энтальпия плавления составляет 1 536 104 Дж / моль. Теплоемкость железа в жидком состоянии превышает его теплоемкость в кристаллическом состоянии примерно на 1 3 Дж / К моль.

Теплоемкость железа и стали при нагреве увеличивается. Например, при комнатной температуре теплоемкость железа 0 111 ккал / кг-град, при температуре 1200 С она увеличивается до 0 16 ккал / цг-град. Это значит, что при высоких температурах нагрев происходит медленнее и тепла затрачивается больше.

В таблицах находим величины теплоемкостей серы п железа. Для железа суд 0 46 кдж / кг град; килограмм-атомная теплоемкость железа равна 0 46 — 55 85 25 7 кдж / кг-ат-град. Килограмм-атомная теплоемкость серы равна 22 6 кдж / кг-ат-град.

При увеличении или уменьшении каким-либо способом количества тепла, содержащегося в теле, увеличивается или уменьшается также температура тела. Но для одинакового изменения температуры в различных по составу телах равного веса требуются различные количества теплоты. Так, например, 1 кг воды требует примерно в 9 раз больше тепла, чем 1 кг железа при одинаковой степени нагре-тости. На этом основании говорят, что теплоемкость железа составляет около одной десятой теплоемкости воды. Способность воспринимать тепло зависит от физических свойств вещества. Количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 кг вещества на 1 С, называется удельной теплоемкостью вещества или просто теплоемкостью.

При сообщении телу теплоты или, наоборот, отнятии ее у тела происходит увеличение или уменьшение температуры этого тела. Но для одинакового изменения температуры различных по составу тел равной массы требуются различные количества теплоты. Так, 1 кг воды требует примерно в 9 раз больше теплоты, чем 1 кг железа, при одинаковой степени нагретости. На этом основании говорят, что теплоемкость железа составляет около 0 1 теплоемкости воды и, следовательно, теплоемкость зависит от физических свойств вещества.

В большинстве случаев шаровая молния оплавляет или испаряет несколько граммов или даже доли грамма металла. Автор письма подробно описал размеры лунки и специально отметил, что наплывов металла не было: металл испарился. Предполагая, что углубление было в виде параболоида вращения, находим, что испарилось около 0 22 г металла. Теплоемкость железа равна 0 71 Дж / ( г — К) в твердом и 0 84 Дж / ( г — К) в жидком состоянии. Точки плавления и кипения равны 1500 и 2900 С, а теплота плавления и парообразования — соответственно 269 и 6270 Дж / г. В результате оказывается, что для испарения 0 22 г железа требуется не менее 2 кДж тепла.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

где q — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T— температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T)то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

где P— полная мощность тепловых потерь, S— площадь сечения параллелепипеда, ΔT— перепад температур граней, l — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Источник