Теплопроводность металлов
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.
Таблица 1
| Металл | Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С | ||||
| — 100 | 100 | 300 | 700 | ||
| Алюминий | 2,45 | 2,38 | 2,30 | 2,26 | 0,9 |
| Бериллий | 4,1 | 2,3 | 1,7 | 1,25 | 0,9 |
| Ванадий | — | — | 0,31 | 0,34 | — |
| Висмут | 0,11 | 0,08 | 0,07 | 0,11 | 0,15 |
| Вольфрам | 2,05 | 1,90 | 1,65 | 1,45 | 1,2 |
| Гафний | — | — | 0,22 | 0,21 | — |
| Железо | 0,94 | 0,76 | 0,69 | 0,55 | 0,34 |
| Золото | 3,3 | 3,1 | 3,1 | — | — |
| Индий | — | 0,25 | — | — | — |
| Иридий | 1,51 | 1,48 | 1,43 | — | — |
| Кадмий | 0,96 | 0,92 | 0,90 | 0,95 | 0,44 (400°) |
| Калий | — | 0,99 | — | 0,42 | 0,34 |
| Кальций | — | 0,98 | — | — | — |
| Кобальт | — | 0,69 | — | — | — |
| Литий | — | 0,71 | 0,73 | — | — |
| Магний | 1,6 | 1,5 | 1,5 | 1,45 | — |
| Медь | 4,05 | 3,85 | 3,82 | 3,76 | 3,50 |
| Молибден | 1,4 | 1,43 | — | — | 1,04 (1000°) |
| Натрий | 1,35 | 1,35 | 0,85 | 0,76 | 0,60 |
| Никель | 0,97 | 0,91 | 0,83 | 0,64 | 0,66 |
| Ниобий | 0,49 | 0,49 | 0,51 | 0,56 | — |
| Олово | 0,74 | 0,64 | 0,60 | 0,33 | — |
| Палладий | 0,69 | 0,67 | 0,74 | — | — |
| Платина | 0,68 | 0,69 | 0,72 | 0,76 | 0,84 |
| Рений | — | 0,71 | — | — | — |
| Родий | 1,54 | 1,52 | 1,47 | — | — |
| Ртуть | 0,33 | 0,09 | 0.1 | 0,115 | — |
| Свинец | 0,37 | 0,35 | 0,335 | 0,315 | 0,19 |
| Серебро | 4,22 | 4,18 | 4,17 | 3,62 | — |
| Сурьма | 0,23 | 0,18 | 0,17 | 0,17 | 0,21 |
| Таллий | 0,41 | 0,43 | 0,49 | 0,25 (400 0) | |
| Тантал | 0,54 | 0,54 | — | — | — |
| Титан | — | — | 0,16 | 0,15 | — |
| Торий | — | 0,41 | 0,39 | 0,40 | 0,45 |
| Уран | — | 0,24 | 0,26 | 0,31 | 0,40 |
| Хром | — | 0,86 | 0,85 | 0,80 | 0,63 |
| Цинк | 1,14 | 1,13 | 1,09 | 1,00 | 0,56 |
| Цирконий | — | 0,21 | 0,20 | 0,19 | — |
Теплопроводность нержавеющей стали
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
Она является интенсивной физической величиной, то есть величиной, которая описывает свойство материи, не зависящей от количества последней.
Интенсивными величинами также являются температура, давление, электропроводность, то есть эти характеристики одинаковы в любой точке одного и того же вещества.
Другой группой физических величин являются экстенсивные, которые определяются количеством вещества, например, масса, объем, энергия и другие.
Противоположной величиной для теплопроводности является теплосопротивляемость, которая отражает способность материала препятствовать переносу проходящего через него тепла.
Для изотропного материала, то есть материала, свойства которого одинаковы во всех пространственных направлениях, теплопроводность является скалярной величиной и определяется, как отношение потока тепла через единичную площадь за единицу времени к градиенту температуры.
Так, теплопроводность, равная одному ватту на метр-Кельвин, означает, что тепловая энергия в один Джоуль переносится через материал:
- 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).
Кто теплее?
Эффективность алюминиевых радиаторов выше чем у стальных, но только в среднем. Если сравнить обычную алюминиевую батарею и стальной радиатор класса 33 – последний сможет отдавать больше тепла. Но при этом стоит учитывать тип подключения радиатора и скорость потока воды.
Пример
Если у вас установлен стальной радиатор 33 класса, а скорость потока воды низкая, он будет работать эффективно. То есть, заберет у воды максимум тепла. Если используется однотрубное подключение, это плохо – в следующий отопительный прибор попадет охлажденная вода и он не будет греть.
Если установлен стальной радиатор 11 или 22 класса, то они также будут хорошо греть, но не успеют охладить воду.
Точно сказать, насколько теплоотдача алюминиевого радиатора больше чем у стального нельзя – многое зависит от конструкции и толщины металла. С одной стороны, теплопроводность стали в среднем в 3,5-4,5 раза хуже, чем у алюминия. Но и толщина трубок стальных радиаторов меньше, что может компенсировать эту разницу.
Получение
Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO2)2 (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом):
Fe(CrO2)2 + 4C → Fe + 2Cr + 4CO
Феррохром применяют для производства легированных сталей.
Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:
1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе:
4Fe(CrO2)2 + 8Na2CO3 + 7O2 → 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2
2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;
3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;
4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём:
Na2Cr27 + 2C → Cr2O3 + Na2CO3 + CO
5) с помощью алюминотермии получают металлический хром:
Cr2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Cr + 130kcal
6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты. При этом на катодах совершаются в основном 3 процесса:
- восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного с переходом его в раствор;
- разряд ионов водорода с выделением газообразного водорода;
- разряд ионов, содержащих шестивалентный хром, с осаждением металлического хрома;
Cr2O72− + 14H+ + 12e− → 2Cr + 7H2O
Большая теплопроводность – металл
Большая теплопроводность металлов объясняется также наличием свободных электронов. Передача тепловой энергии в металлах осуществляется двояким образом: колебательным движением ионов и движением свободных электронов.
Большая теплопроводность металлов обеспечивается наличием облака подвижных электронов. Если часть металла нагрета, то кинетическая энергия электронов в этой области возрастает. Электроны распространяются по всему металлу, вызывая рост температуры во всей решетке.
Большую теплопроводность металлов в сравнении с теплопроводностью изоляторов можно объяснить предположением, что теплопроводность х, обусловленная свободными электронами, значительно превышает теплопроводность кр решетки.
Ввиду большой теплопроводности металла ( Км 50 ккал / ( м-чх X С) происходит подвод дополнительного тепла к смоченной поверхности вдоль металла резервуара или баллона, поэтому эффективная смоченная поверхность несколько больше действительной, что подтверждается опытными данными.
Большая электропроводность и большая теплопроводность металлов обусловлены тем, что подвижные электроны переносят электричество и передают тепловые колебания от атома к атому. Вследствие этого металлы обладают электрической проводимостью, которая в тысячи раз больше, чем у других лучших проводников.
Читать также: Подсоединение дхо через стабилизатор и коммутатор
Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов , вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше. Выше мы указали, что наиболее интенсивный переход тепла имеет место в соединении обеих стенок в верхней части горлышка; стремление сделать сечение металла, а следовательно и теплопроводность в этом месте наименьшими привело к созданию Хейландом бутыли, показанной на фиг.
Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов , вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше.
В металлических рекуператорах в силу большой теплопроводности металла и малой толщины стенки тепловое сопротивление стенки имеет весьма малое значение, в то время как в керамических рекуператорах оно значительно больше и поэтому им пренебрегать нельзя.
Беспорядочное движение электронов при отсутствии поля служит объяснением большой теплопроводности металлов . Здесь выравнивание теплового состояния тела совершается гораздо скорее благодаря большой подвижности электронов. Легко понять, что теплопроводность, как и электропроводность, зависит от состояния электронного газа в металле. Поэтому следует ожидать существования зависимости между коэфициентом теплопроводности и удельной электропроводностью одного и того же металла.
При более высоких температурах эти трубки следует охлаждать, иначе вследствие большой теплопроводности металла будут разрушаться резиновые трубки, которыми газовые пипетки подсоединяются к пробоотборным трубкам.
Металлические формы при пневматических способах изготовления изделий, имеют еще один недостаток – большую теплопроводность металла и большую теплоемкость массивной металлической формы. Как только разогретый пластик во время выдувания изделия коснется металлической формы, на поверхности пластика образуется твердая корка, и вследствие быстрого отвода тепла через металл эта корка остается твердой во все время формования.
Эти свободные электроны и обеспечивают высокую электропроводность металлов; их подвижность является также причиной большой теплопроводности металлов .
Взаимодействие электронов проводимости с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, обусловливает большую теплопроводность металла .
Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.
Можно ли повысить теплопроводность меди
Не так давно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводности меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, выполненные из меди, с нанесенным на ее поверхность тонким слоем графена. Для его нанесения использовали технологию его осаждения из газа. При проведении исследований применялось множество приборов, которые были призваны подтвердить объективность полученных результатов. Результаты исследований показали то, что графен обладает одним из самых высоких показателей теплопроводности. После того, как его нанесли на медную подложку, теплопроводность несколько упала. Но, при проведении этого процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате повышается проходимость электронов. 
При нагревании меди, но без нанесения этого материала, зерна сохранили свой размер. Одно из назначений меди это отведение лишнего тепла из электронных и электрических схем. Использование графенового напыления эта задача будет решаться значительно эффективнее.
Теплоемкость — железо
| Распределение температуры. |
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.
Стр — теплоемкость железа, равная 0 12 кал / кг С.
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.
Теплоемкость твердых сплавов приблизительно в два раза ниже теплоемкости железа.
| Атомная теплоемкость железа.| Схема установки для определения теплопроводности металлических стержней. / — 6 — термопары. 7 — дьюаровский сосуд. 8 — печь. 9 — гальванометр. 10 — стержень. / / — кожух. |
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.
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.
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.
Теплопроводность металлов в зависимости от температуры
В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).
Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.
Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).
Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).
Примечание: В таблице теплопроводности также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).
Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.
Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).
Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.
