Los metales son sustancias que tienen una estructura cristalina. Cuando se calientan, pueden derretirse, es decir, pasar a un estado fluido. Algunos de ellos tienen un punto de fusión bajo: se pueden derretir colocándolos en una cuchara común y sosteniéndolos sobre la llama de una vela. Estos son plomo y estaño. Otros solo pueden fundirse en hornos especiales. El cobre y el hierro son altos. Para bajarlo, se introducen aditivos en el metal. Las aleaciones resultantes (acero, bronce, hierro fundido, latón) tienen un punto de fusión inferior al del metal original.

¿De qué depende el punto de fusión de los metales? Todos ellos tienen ciertas características: la capacidad calorífica y la conductividad térmica de los metales. La capacidad calorífica es la capacidad de absorber calor cuando se calienta. Su indicador numérico es la capacidad calorífica específica. Se refiere a la cantidad de energía que puede absorber una unidad de masa de metal, calentada 1°C. El consumo de combustible para calentar el tocho de metal a temperatura deseada. La capacidad calorífica de la mayoría de los metales está en el rango de 300-400 J / (kg * K), aleaciones metálicas - 100-2000 J / (kg * K).

La conductividad térmica de los metales es la transferencia de calor de las partículas más calientes a las más frías según la ley de Fourier con su inmovilidad macroscópica. Depende de la estructura del material, su composición química y el tipo de enlace interatómico. En los metales la transferencia de calor la realizan los electrones, en otros materiales duros- fonones. La conductividad térmica de los metales es mayor cuanto más perfecta es la estructura cristalina que tienen. Cuantas más impurezas tenga el metal, más distorsionada será la red cristalina y menor será la conductividad térmica. El dopaje introduce tales distorsiones en la estructura de los metales y reduce la conductividad térmica en relación con el metal base.

Todos los metales tienen buena conductividad térmica, pero algunos son más altos que otros. Un ejemplo de tales metales es oro, cobre, plata. Baja conductividad térmica - en estaño, aluminio, hierro. La mayor conductividad térmica de los metales es una ventaja o una desventaja, según el alcance de su uso. Por ejemplo, es necesario que los utensilios de metal calienten rápidamente los alimentos. Al mismo tiempo, el uso de metales con alta conductividad térmica para la fabricación de mangos de utensilios de cocina dificulta su uso: los mangos se calientan demasiado rápido y es imposible tocarlos. Por lo tanto, aquí se utilizan materiales aislantes del calor.

Otra característica de un metal que afecta sus propiedades es la expansión térmica. Parece un aumento en el volumen del metal cuando se calienta y una disminución cuando se enfría. Este fenómeno debe tenerse en cuenta en la fabricación de productos metálicos. Entonces, por ejemplo, las tapas de las ollas se hacen por encima, las teteras también tienen un espacio entre la tapa y el cuerpo para que la tapa no se atasque cuando se calienta.

Para cada metal, se calcula el coeficiente.Se determina calentando 1 ° C prototipo, que tiene una longitud de 1 m. El plomo, el zinc y el estaño tienen el mayor coeficiente. Es más pequeño en cobre y plata. Incluso más bajo: hierro y oro.

Según sus propiedades químicas, los metales se dividen en varios grupos. Hay metales activos (por ejemplo, potasio o sodio) que pueden reaccionar instantáneamente con el aire o el agua. Los seis metales más activos, que componen el primer grupo de la tabla periódica, se denominan alcalinos. Tienen un punto de fusión bajo y son tan suaves que se pueden cortar con un cuchillo. Cuando se combinan con agua, forman soluciones alcalinas de ahí su nombre.

El segundo grupo está formado por metales alcalinotérreos: calcio, magnesio, etc. Forman parte de muchos minerales, más sólidos y refractarios. Ejemplos de metales de los siguientes grupos tercero y cuarto son el plomo y el aluminio. Estos son metales bastante blandos y se usan a menudo en aleaciones. Los metales de transición (hierro, cromo, níquel, cobre, oro, plata) son menos activos, más maleables y suelen utilizarse en la industria en forma de aleaciones.

La posición de cada metal en la serie de actividad caracteriza su capacidad de reacción. Cómo metal mas activo más fácil se necesita oxígeno. Son muy difíciles de aislar de los compuestos, mientras que los inactivos se pueden encontrar en su forma pura. Los más activos, el potasio y el sodio, se almacenan en queroseno, fuera de él se oxidan inmediatamente. De los metales utilizados en la industria, el cobre es el menos activo. Se utiliza para hacer tanques y tuberías para agua caliente y cables eléctricos.

Introducción

La determinación de la conductividad térmica de los metales juega un papel importante en algunas áreas, como la metalurgia, la ingeniería de radio, la ingeniería mecánica y la construcción. Actualmente, existen muchos métodos diferentes mediante los cuales es posible determinar la conductividad térmica de los metales.

Este trabajo está dedicado al estudio de la propiedad principal de los metales: la conductividad térmica, así como al estudio de métodos para estudiar la conductividad térmica.

El objeto de estudio es la conductividad térmica de los metales, así como varios métodos investigación de laboratorio

El tema de investigación son los coeficientes de conductividad térmica de los metales.

Resultado planificado - puesta en escena trabajo de laboratorio“Determinación de la conductividad térmica de los metales” basada en el método calorimétrico.

Para lograr este objetivo, es necesario resolver las siguientes tareas:

Estudio de la teoría de la conductividad térmica de los metales;

Estudio de métodos para determinar el coeficiente de conductividad térmica;

Selección de equipos de laboratorio;

Determinación experimental de la conductividad térmica de los metales;

Declaración de trabajo de laboratorio "Determinación de la conductividad térmica de los metales".

La obra consta de tres capítulos en el que se dan a conocer las tareas asignadas.

Conductividad térmica de los metales

Ley de Fourier

La conductividad térmica es la transferencia molecular de calor entre cuerpos en contacto directo o partículas del mismo cuerpo con diferentes temperaturas, a las que se intercambia la energía del movimiento de las partículas estructurales (moléculas, átomos, electrones libres).

La conductividad térmica está determinada por el movimiento térmico de las micropartículas del cuerpo.

La ley básica de transferencia de calor por conductividad térmica es la ley de Fourier. Según esta ley, la cantidad de calor dQ transferido por conducción térmica a través del elemento superficial dF, perpendicular al flujo de calor, durante el tiempo df es directamente proporcional al gradiente de temperatura, la superficie dF y el tiempo df.

El coeficiente de proporcionalidad l se denomina coeficiente de conductividad térmica. El coeficiente de conductividad térmica es una característica termofísica de una sustancia, caracteriza la capacidad de una sustancia para conducir el calor.

El signo menos en la fórmula (1) indica que el calor se transfiere en la dirección de disminución de la temperatura.

La cantidad de calor que ha pasado por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie isotérmica se denomina flujo de calor:

La ley de Fourier es aplicable para describir la conductividad térmica de gases, líquidos y sólidos, la diferencia estará solo en los coeficientes de conductividad térmica.

El coeficiente de conductividad térmica de los metales y su dependencia de los parámetros del estado de la materia.

El coeficiente de conductividad térmica es una característica termofísica de una sustancia, caracteriza la capacidad de una sustancia para conducir el calor.

Coeficiente de conductividad térmica: la cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo a través de un área única, perpendicular al grado t.

Para diferentes sustancias, el coeficiente de conductividad térmica es diferente y depende de la estructura, densidad, humedad, presión y temperatura. Estas circunstancias deben tenerse en cuenta al utilizar tablas de consulta.

El mayor valor es el coeficiente de conductividad térmica de los metales, para lo cual. El metal con mayor conductividad térmica es la plata, seguido del cobre puro, el oro, el aluminio, etc. Para la mayoría de los metales, un aumento de la temperatura conduce a una disminución de la conductividad térmica. Esta dependencia se puede aproximar mediante la ecuación de la línea recta

aquí l, l0 - respectivamente, los coeficientes de conductividad térmica a una temperatura dada t y a 00C, en - coeficiente de temperatura. La conductividad térmica de los metales es muy sensible a las impurezas.

Por ejemplo, cuando aparecen incluso trazas de arsénico en el cobre, su conductividad térmica disminuye de 395 a 142; para acero al 0,1% de carbono l \u003d 52, al 1,0% - l \u003d 40, al 1,5% de carbono l \u003d 36.

El tratamiento térmico también afecta la conductividad térmica. Por lo tanto, para el acero al carbono templado, l es un 10-25 % menor que para el acero blando. Por estas razones, los coeficientes de conductividad térmica de muestras metálicas comerciales a las mismas temperaturas pueden variar significativamente. Cabe señalar que las aleaciones, a diferencia de los metales puros, se caracterizan por un aumento en el coeficiente de conductividad térmica con el aumento de la temperatura. Desafortunadamente, aún no ha sido posible establecer ningún patrón cuantitativo general que gobierne el coeficiente de conductividad térmica de las aleaciones.

El valor del coeficiente de conductividad térmica de los materiales de construcción y aislamiento térmico: los dieléctricos es muchas veces menor que el de los metales y es de 0,02 a 3,0. Para la gran mayoría de ellos (la excepción es el ladrillo de magnesita), el coeficiente de conductividad térmica aumenta con el aumento de la temperatura. En este caso se puede utilizar la ecuación (3), teniendo en cuenta que para sólidos - dieléctricos v>0.

Muchos materiales de construcción y de aislamiento térmico tienen una estructura porosa (ladrillo, hormigón, amianto, escoria, etc.). Para ellos y materiales en polvo, el coeficiente de conductividad térmica depende significativamente de la densidad aparente. Esto se debe al hecho de que con el aumento de la porosidad, La mayoría de El volumen está lleno de aire, cuyo coeficiente de conductividad térmica es muy bajo. Sin embargo, cuanto mayor sea la porosidad, menor será la densidad aparente del material. Así, una disminución en la densidad aparente de un material, ceteris paribus, conduce a una disminución en l.

Por ejemplo, para el asbesto, una disminución en la densidad aparente de 800 kg/m a 400 kg/m resulta en una disminución de 0,248 a 0,105. La influencia de la humedad es muy alta. Por ejemplo, para ladrillo seco l \u003d 0.35, para líquido 0.6 y para ladrillo húmedo l \u003d 1.0.

Es necesario prestar atención a estos fenómenos al determinar y realizar cálculos técnicos de conductividad térmica. El coeficiente de conductividad térmica de los líquidos que caen está en el rango de 0,08 - 0,7. Al mismo tiempo, para la gran mayoría de los líquidos, el coeficiente de conductividad térmica disminuye al aumentar la temperatura. Las excepciones son el agua y la glicerina.

El coeficiente de conductividad térmica de los gases es aún más bajo.

La conductividad térmica de los gases aumenta al aumentar la temperatura. Dentro del rango de 20 mm Hg. hasta 2000 en (bar), es decir en el área que se encuentra con mayor frecuencia en la práctica, l no depende de la presión. Debe tenerse en cuenta que para una mezcla de gases (gases de combustión, atmósfera de hornos térmicos, etc.) es imposible determinar el coeficiente de conductividad térmica por cálculo. Por lo tanto, en ausencia de datos de referencia, solo se puede encontrar empíricamente un valor confiable de l.

Con un valor de l< 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Para resolver problemas de conductividad térmica, es necesario tener información sobre algunas propiedades macroscópicas (parámetros termofísicos) de una sustancia: el coeficiente de conductividad térmica, densidad, calor especifico.

Explicación de la conductividad térmica de los metales.

La conductividad térmica de los metales es muy alta. No se reduce a la conductividad térmica de la red, por lo tanto, aquí debe operar otro mecanismo de transferencia de calor. Resulta que en los metales puros la conductividad térmica se lleva a cabo casi en su totalidad por el gas de electrones, y sólo en metales y aleaciones muy contaminadas, donde la conductividad es baja, el aporte de la conductividad térmica de la red resulta ser significativo.

La característica numérica de la conductividad térmica de un material se puede determinar por la cantidad de calor que pasa a través de un material de cierto espesor en tiempo específico. La característica numérica es importante al calcular la conductividad térmica de varios productos de perfil.

Coeficientes de conductividad térmica de varios metales.

La conducción de calor requiere contacto físico se lleva a cabo entre dos cuerpos. Esto significa que la transferencia de calor solo es factible entre sólidos y líquidos inmóviles. El contacto directo permite que la energía cinética pase de las moléculas de la sustancia más caliente a las más frías. El intercambio de calor ocurre cuando cuerpos de diferentes temperaturas están en contacto directo entre sí.

Aquí debemos prestar atención al hecho de que las moléculas de un cuerpo caliente no pueden penetrar en un cuerpo frío. Solo hay una transferencia de energía cinética, lo que da una distribución uniforme del calor. Esta transferencia de energía continuará hasta que los cuerpos en contacto se calienten uniformemente. En este caso, se alcanza el equilibrio térmico. Con base en este conocimiento, es posible calcular qué tipo de material aislante se requiere para el aislamiento térmico de un edificio.

La alta conductividad térmica del cobre, junto con otras propiedades notables, le ha dado a este metal un lugar importante en la historia del desarrollo de la civilización humana. Los productos hechos de cobre y sus aleaciones se utilizan en casi todas las esferas de nuestra vida.

1

La conductividad térmica es el proceso de transferir la energía de las partículas (electrones, átomos, moléculas) de las partes más calentadas del cuerpo a las partículas de sus partes menos calentadas. Este intercambio de calor conduce a la igualación de la temperatura. Solo se transfiere energía a lo largo del cuerpo, la materia no se mueve. Una característica de la capacidad de conducir el calor es el coeficiente de conductividad térmica, numéricamente igual a la cantidad de calor que pasa a través de un material con un área de 1 m 2, un espesor de 1 m, en 1 segundo a una temperatura unitaria degradado.

El coeficiente de conductividad térmica del cobre a una temperatura de 20 a 100 °C es de 394 W/(m * K) - solo la plata es más alta. inferior al cobre en este indicador en casi 9 veces, y al hierro en 6. Varias impurezas tienen diferentes efectos en propiedades físicas rieles. Con el cobre, la tasa de transferencia de calor se reduce cuando se agrega al material o se ingiere como resultado. proceso tecnológico sustancias tales como:

• aluminio;
• planchar;
• oxígeno;
• arsénico;
• antimonio;
• azufre;
• selenio;
• fósforo.

La alta conductividad térmica se caracteriza por la rápida propagación de la energía de calentamiento por todo el volumen del objeto. Esta habilidad proporcionó cobre aplicación amplia en cualquier sistema de intercambio de calor. Se utiliza en la fabricación de tubos y radiadores de refrigeradores, acondicionadores de aire, unidades de vacío, automóviles para eliminar el exceso de calor del refrigerante. En los aparatos de calefacción, estos productos de cobre se utilizan para calentar.

La capacidad del cobre para conducir el calor disminuye a medida que se calienta. El valor del coeficiente de conductividad térmica del cobre en el aire depende de la temperatura de este último, lo que afecta la transferencia de calor (enfriamiento). Cuanto mayor sea la temperatura medioambiente, más lentamente se enfría el metal y menor es su conductividad térmica. Por lo tanto, todos los intercambiadores de calor usan flujo de aire forzado con un ventilador, lo que aumenta la eficiencia de los dispositivos y al mismo tiempo mantiene la conductividad térmica en un nivel óptimo.

2

La conductividad térmica del aluminio y el cobre es diferente: en el primero es menor que en el segundo, 1,5 veces. Para el aluminio, este parámetro es 202–236 W / (m * K) y es bastante alto en comparación con otros metales, pero más bajo que el del oro, el cobre y la plata. El alcance del aluminio y el cobre, donde se requiere una alta conductividad térmica, depende de otras propiedades de estos materiales.

El aluminio no es inferior al cobre en propiedades anticorrosivas y es superior en los siguientes indicadores:

• la densidad (gravedad específica) del aluminio es 3 veces menor;
• el costo es 3.5 veces menor.

Un producto similar, pero fabricado en aluminio, es mucho más ligero que el cobre. Dado que el peso del metal requiere 3 veces menos y su precio es 3,5 veces menor, la pieza de aluminio puede ser unas 10 veces más barata. Debido a esto ya la alta conductividad térmica, el aluminio ha encontrado una amplia aplicación en la fabricación de platos, láminas para alimentos para hornos. Dado que este metal es blando, no se usa en su forma pura; sus aleaciones son principalmente comunes (la más famosa es el duraluminio).

En varios intercambiadores de calor, lo principal es la tasa de retorno del exceso de energía al medio ambiente. Este problema se resuelve soplando intensamente el radiador por medio de un ventilador. Al mismo tiempo, la menor conductividad térmica del aluminio prácticamente no afecta la calidad del enfriamiento, y los equipos y dispositivos son mucho más livianos y económicos (por ejemplo, computadoras y Accesorios). EN tiempos recientes en producción, ha habido una tendencia a reemplazar los tubos de cobre en los sistemas de aire acondicionado por tubos de aluminio.

El cobre es prácticamente indispensable en la industria de la radio, la electrónica como material conductor. Debido a su alta ductilidad, se pueden extraer cables de hasta 0,005 mm de diámetro y se pueden realizar otras conexiones conductoras muy delgadas utilizadas para dispositivos electrónicos. Una conductividad más alta que el aluminio proporciona pérdidas mínimas y menos calentamiento de los radioelementos. La conductividad térmica le permite eliminar de manera efectiva el calor generado durante el funcionamiento de los elementos externos de los dispositivos: la carcasa, los contactos de suministro (por ejemplo, microcircuitos, microprocesadores modernos).

Las plantillas de cobre se utilizan en la soldadura cuando es necesario realizar una superficie de la forma deseada en una pieza de acero. La alta conductividad térmica no permitirá que la plantilla de cobre se conecte al metal soldado. El aluminio no se puede usar en tales casos, ya que es probable que se derrita o se queme. El cobre también se usa en la soldadura por arco de carbono: una varilla de este material sirve como cátodo no consumible.

3

La baja conductividad térmica en muchos casos es una propiedad deseable: esta es la base del aislamiento térmico. El uso de tuberías de cobre en los sistemas de calefacción provoca una pérdida de calor mucho mayor que cuando se utilizan tuberías y cableado de otros materiales. Las tuberías de cobre requieren un aislamiento térmico más completo.

El cobre tiene una alta conductividad térmica, lo que provoca suficiente proceso dificil instalación y otros trabajos que tienen sus propias especificidades. Soldar, soldar y cortar cobre requiere un calentamiento más concentrado que para el acero y, a menudo, un precalentamiento y el calentamiento concomitante del metal.

Cuando se suelda cobre con gas, es necesario usar antorchas con una potencia de 1-2 números más alta que para piezas de acero del mismo espesor. Si el cobre tiene un grosor superior a 8-10 mm, se recomienda trabajar con dos o incluso tres quemadores (a menudo, la soldadura se realiza con uno, mientras que los otros se calientan). El trabajo de soldadura en corriente alterna con electrodos se acompaña de un aumento de las salpicaduras del metal. Un cortador capaz de cortar 300 mm de acero con alto contenido de cromo es adecuado para cortar latón, bronce (aleaciones de cobre) hasta 150 mm y cobre puro tan solo 50 mm. Todo el trabajo está asociado con costos significativamente más altos para los consumibles.

4

El cobre es uno de los componentes principales de la electrónica y se utiliza en todos los microcircuitos. Elimina y disipa el calor generado durante el paso de la corriente. La limitación de la velocidad de las computadoras se debe a un aumento en el calentamiento del procesador y otros elementos del circuito con un aumento en frecuencia de reloj. La división en varios núcleos que funcionan simultáneamente y otras formas de lidiar con el sobrecalentamiento se han agotado. Actualmente se están realizando desarrollos encaminados a la obtención de conductores con mayor conductividad eléctrica y térmica.

Recientemente descubierto por científicos, el grafeno puede aumentar significativamente la conductividad térmica de los conductores de cobre y su capacidad para disipar el calor. Durante el experimento, la capa de cobre se cubrió con grafeno por todos lados. Esto mejoró la transferencia de calor del conductor en un 25%. Como explicaron los científicos, la nueva sustancia cambia la estructura de transferencia de calor y permite que la energía se mueva más libremente en el metal. La invención está en desarrollo: el experimento utilizó un conductor de cobre mucho tallas grandes que en el procesador.

- el primero en importancia y prevalencia material estructural. Se conoce desde la antigüedad, y sus propiedades son tales que cuando se aprendió a fundir el hierro en cantidades importantes, el metal reemplazó a todas las demás aleaciones. La edad de hierro ha llegado y, a juzgar por esto, esta época no terminará pronto. Este artículo le dirá cuál es la gravedad específica del hierro, cuál es su punto de fusión en su forma pura.

El hierro es un metal típico y químicamente activo. La sustancia reacciona con temperatura normal, y el calentamiento o el aumento de la humedad aumentan significativamente su reactividad. El hierro se corroe en el aire, se quema en una atmósfera de oxígeno puro y, en forma de polvo fino, también puede encenderse en el aire.

El hierro puro es maleable, pero en esta forma el metal es muy raro. De hecho, el hierro es una aleación con pequeñas proporciones de impurezas, hasta un 0,8%, que se caracteriza por la suavidad y maleabilidad de una sustancia pura. significado para economía nacional Tiene aleaciones con carbono - acero, hierro fundido, acero inoxidable.

El polimorfismo es inherente al hierro: hay hasta 4 modificaciones que difieren en estructura y parámetros de red:

• α-Fe - existe desde cero hasta +769 C. Tiene una red cúbica centrada en el cuerpo y es un ferromagnético, es decir, retiene la magnetización en ausencia de un externo campo magnético. +769 С – Puntos Curie para metal;
• de +769 a +917 C, aparece β-Fe. Se diferencia de la fase α solo en los parámetros de red. En este caso, casi todas las propiedades físicas se conservan a excepción de las magnéticas: el hierro se vuelve paramagnético, es decir, pierde su capacidad de magnetizar y es atraído por un campo magnético. La ciencia de los metales no considera la fase β como una modificación separada. Dado que la transición no afecta significativamente características físicas;
• en el rango de 917 a 1394 C, hay una modificación γ, que se caracteriza por una red cúbica centrada en las caras;
• a temperaturas superiores a +1394 C, aparece una fase δ, que se caracteriza por una red cúbica centrada en el cuerpo.

En presión alta, y también cuando el metal está aleado con algunos aditivos, se forma una fase ε con una red hexagonal compacta.

La temperatura de las transiciones de fase cambia notablemente al dopar con el mismo carbono. En realidad, la capacidad misma del hierro para formar tantas modificaciones sirve como base para el procesamiento del acero en varios condiciones de temperatura. Sin tales transiciones, el metal no se habría generalizado tanto.

Ahora es el turno de las propiedades del hierro metal.

Este video habla sobre la estructura del hierro:

Propiedades y características de los metales

El hierro es un metal bastante ligero, moderadamente refractario, de color gris plateado. Reacciona fácilmente con ácidos diluidos y, por lo tanto, se considera un elemento de actividad media. En aire seco, el metal se cubre gradualmente con una película de óxido, lo que evita una mayor reacción.

Pero a la menor humedad, en lugar de una película, aparece óxido, suelto y de composición heterogénea. El óxido no evita una mayor corrosión del hierro. Sin embargo, las propiedades físicas del metal y, lo que es más importante, sus aleaciones con el carbono son tales que, a pesar de la baja resistencia a la corrosión, el uso del hierro está más que justificado.

Masa y Densidad

El peso molecular del hierro es 55,8, lo que indica la ligereza relativa de la sustancia. ¿Cuál es la densidad del hierro? Este indicador está determinado por la modificación de fase:

• α-Fe - 7,87 g / cu. cm a 20 C, y 7,67 g/cu. cm a 600 C;
• la fase γ se distingue por una densidad aún más baja: 7,59 g / cc a 1000C;
• la densidad de la fase δ es 7,409 g/cm3.

A medida que aumenta la temperatura, la densidad del hierro disminuye naturalmente.

Y ahora averigüemos cuál es el punto de fusión del hierro en grados Celsius, comparándolo, por ejemplo, con o hierro fundido.

Rango de temperatura

El metal se clasifica como moderadamente refractario, lo que significa una temperatura relativamente baja del cambio en el estado de agregación:

• punto de fusión - 1539 C;
• punto de ebullición - 2862 C;
• Temperatura de Curie, es decir, la pérdida de la capacidad de magnetizar - 719 C.

Hay que tener en cuenta que cuando se habla del punto de fusión o de ebullición, se trata de la fase δ de una sustancia.

Este video le informará acerca de la física y propiedades químicas glándula:

Características mecánicas

El hierro y sus aleaciones son tan comunes que aunque empezaron a usarse más tarde que, por ejemplo, se convirtieron en una especie de estandarte. Cuando se comparan los metales, apuntan al hierro: más fuerte que el acero, 2 veces más blando que el hierro, etc.

Se dan características para un metal que contiene pequeñas proporciones de impurezas:

• dureza en la escala de Mohs - 4–5;
• Dureza Brinell - 350-450 Mn / sq. M. Además, el hierro químicamente puro tiene una mayor dureza: 588–686;

Los indicadores de resistencia dependen en gran medida de la cantidad y la naturaleza de las impurezas. Este valor está regulado por GOST para cada marca de aleación o metal puro. Por lo tanto, la resistencia máxima a la compresión del acero sin alear es de 400 a 550 MPa. Al endurecer este grado, la resistencia a la tracción aumenta a 700 MPa.

• la resistencia al impacto del metal es de 300 MN/m2;
• límite elástico –100 MN/sq. metro.

Aprenderemos más sobre lo que se necesita para determinar la capacidad calorífica específica del hierro.

Capacidad calorífica y conductividad térmica.

Como cualquier metal, el hierro conduce el calor, aunque su rendimiento en esta área es bajo: en términos de conductividad térmica, el metal es inferior al aluminio: 2 veces menos y - 5 veces.

La conductividad térmica a 25°C es de 74,04 W/(m·K). El valor depende de la temperatura;

• a 100 K la conductividad térmica es de 132 [W/(m.K)];
• a 300 K - 80,3 [W/(m.K)];
• a 400 - 69,4 [W/(m.K)];
• y en 1500 - 31,8 [W/(m.K)].

• El coeficiente de expansión térmica a 20 C es 11.7 10-6.
• La capacidad calorífica de un metal está determinada por su estructura de fase y depende bastante de la temperatura. Con un aumento a 250 C, la capacidad calorífica aumenta lentamente, luego aumenta bruscamente hasta que se alcanza el punto de Curie y luego comienza a disminuir.
• La capacidad calorífica específica en el rango de temperatura de 0 a 1000C es 640.57 J/(kg K).

Conductividad eléctrica

El hierro conduce la corriente, pero no tan bien como el cobre y la plata. La resistencia eléctrica específica del metal en condiciones normales– 9,7 10-8 ohm m.

Dado que el hierro es un ferromagnético, su desempeño en esta área es más significativo:

• la inducción magnética de saturación es de 2,18 T;
• permeabilidad magnética - 1.45.106.

Toxicidad

El metal no representa un peligro para el cuerpo humano. El acero y la fabricación de productos de hierro pueden ser peligrosos, pero solo debido a las altas temperaturas y los aditivos que se utilizan en la producción de diversas aleaciones. Residuos de hierro - chatarra, representa un peligro para el medio ambiente, pero bastante moderado, ya que el metal se oxida en el aire.

El hierro no tiene inercia biológica, por lo que no se utiliza como material para prótesis. Sin embargo, en cuerpo humano este elemento juega uno de los papeles más importantes: una violación en la absorción de hierro o una cantidad insuficiente de este último en la dieta garantiza, en el mejor de los casos, anemia.

El hierro se absorbe con gran dificultad: 5-10% de la cantidad total suministrada al cuerpo, o 10-20% si falta.

• Plano requerimiento diario en hierro es de 10 mg para hombres y 20 mg para mujeres.
• La dosis tóxica es de 200 mg/día.
• Letal: 7-35 g Es casi imposible obtener tal cantidad de hierro, por lo que el envenenamiento por hierro es extremadamente raro.

El hierro es un metal cuyas características físicas, en particular la resistencia, pueden modificarse significativamente recurriendo a mecanizado o la adición de una cantidad muy pequeña de elementos de aleación. Esta característica, unida a la disponibilidad y facilidad de extracción del metal, hace del hierro el material estructural más demandado.

Un especialista te contará más sobre las propiedades del hierro en el siguiente video:

La conductividad térmica es una cantidad física que determina la capacidad de los materiales para conducir el calor. En otras palabras, la conductividad térmica es la capacidad que tienen las sustancias de transferir la energía cinética de los átomos y moléculas a otras sustancias que están en contacto directo con ellas. En el SI, este valor se mide en W/(K*m) (Watts por Kelvin metro), que equivale a J/(s*m*K) (Joule por segundo Kelvin metro).

El concepto de conductividad térmica.

Es una cantidad física intensiva, es decir, una cantidad que describe una propiedad de la materia que no depende de la cantidad de esta última. Las magnitudes intensivas son también la temperatura, la presión, la conductividad eléctrica, es decir, estas características son las mismas en cualquier punto de una misma sustancia. Otro grupo de magnitudes físicas son las extensivas, que vienen determinadas por la cantidad de materia, por ejemplo, masa, volumen, energía, entre otras.

El valor opuesto para la conductividad térmica es la resistencia térmica, que refleja la capacidad de un material para evitar la transferencia de calor que pasa a través de él. Para un material isotrópico, es decir, un material cuyas propiedades son las mismas en todas las direcciones espaciales, la conductividad térmica es una cantidad escalar y se define como la relación entre el flujo de calor a través de una unidad de área por unidad de tiempo y el gradiente de temperatura. Así, una conductividad térmica de un vatio por metro-Kelvin significa que la energía térmica de un Joule se transfiere a través del material:

• en un segundo;
• a través de un área de un metro cuadrado;
• a una distancia de un metro;
• cuando la diferencia de temperatura entre superficies que están a un metro de distancia en un material es un Kelvin.

Está claro que lo que mas valor conductividad térmica, mejor es el material que conduce el calor, y viceversa. Por ejemplo, el valor de este valor para el cobre es de 380 W / (m * K), y este metal es 10 000 veces mejor para transferir calor que el poliuretano, cuya conductividad térmica es de 0,035 W / (m * K).

Transferencia de calor a nivel molecular

Cuando la materia se calienta, la energía cinética promedio de sus partículas constituyentes aumenta, es decir, aumenta el nivel de desorden, los átomos y las moléculas comienzan a oscilar con mayor intensidad y amplitud alrededor de sus posiciones de equilibrio en el material. La transferencia de calor, que a nivel macroscópico puede describirse mediante la ley de Fourier, a nivel molecular es un intercambio energía cinética entre partículas (átomos y moléculas) de una sustancia, sin transferir esta última.

Esta explicación del mecanismo de conducción de calor a nivel molecular lo distingue del mecanismo de convección térmica, en el que la transferencia de calor se produce debido a la transferencia de materia. Todos cuerpos solidos tienen la capacidad de conducir el calor, mientras que la convección térmica solo es posible en líquidos y gases. De hecho, los sólidos transfieren calor principalmente debido a la conductividad térmica, mientras que los líquidos y gases, si hay gradientes de temperatura en ellos, transfieren calor principalmente debido a procesos de convección.

Conductividad térmica de los materiales.

Los metales tienen una capacidad pronunciada para conducir el calor. Los polímeros se caracterizan por una baja conductividad térmica y algunos de ellos prácticamente no conducen el calor, por ejemplo, la fibra de vidrio, estos materiales se denominan aislantes térmicos. Para que exista este o aquel flujo de calor a través del espacio, es necesaria la presencia de alguna sustancia en este espacio, por lo tanto, en espacio abierto(espacio vacío) la conductividad térmica es cero.

Cada material homogéneo (homogéneo) se caracteriza por un coeficiente de conductividad térmica (denotado por la letra griega lambda), es decir, un valor que determina cuánto calor debe transferirse a través de un área de 1 m², para que en un segundo, al pasar por un material de un metro de espesor, la temperatura en sus extremos cambia cada 1 K. Esta propiedad es inherente a cada material y varía en función de su temperatura, por lo que este coeficiente suele medirse a temperatura ambiente (300 K) para comparar las características de diferentes sustancias.

Si el material es heterogéneo, por ejemplo, hormigón armado, entonces se introduce el concepto de coeficiente de conductividad térmica útil, que se mide en función de los coeficientes de las sustancias homogéneas que componen este material.

La siguiente tabla muestra los coeficientes de conductividad térmica de algunos metales y aleaciones en W/(m*K) para una temperatura de 300 K (27 °C):

• acero 47-58;
• aluminio 237;
• cobre 372.1-385.2;
• bronce 116-186;
• zinc 106-140;
• titanio 21,9;
• estaño 64,0;
• plomo 35,0;
• hierro 80,2;
• latón 81-116;
• oro 308,2;
• plata 406.1-418.7.

La siguiente tabla proporciona datos para sólidos no metálicos:

• fibra de vidrio 0,03-0,07;
• vidrio 0.6-1.0;
• amianto 0,04;
• árbol 0,13;
• parafina 0,21;
• ladrillo 0,80;
• diamante 2300.

Se puede ver a partir de los datos considerados que la conductividad térmica de los metales es mucho más alta que la de los no metales. La excepción es el diamante, que tiene un coeficiente de transferencia de calor cinco veces mayor que el del cobre. Esta propiedad del diamante se debe a los fuertes enlaces covalentes entre los átomos de carbono que forman su red cristalina. Es gracias a esta propiedad que una persona siente frío al tocar un diamante con los labios. La propiedad del diamante es bien tolerada. energía térmica Se utiliza en microelectrónica para eliminar el calor de los microcircuitos. Y también esta propiedad se usa en dispositivos especiales que le permiten distinguir un diamante real de uno falso.

En algunos procesos industriales se intenta aumentar la capacidad de transferencia de calor, lo que se logra ya sea mediante buenos conductores o aumentando el área de contacto entre los componentes de la estructura. Ejemplos de tales estructuras son intercambiadores de calor y disipadores de calor. En otros casos, por el contrario, se intenta reducir la conductividad térmica, lo que se consigue mediante el uso de aislantes térmicos, huecos en las estructuras y disminución del área de contacto de los elementos.

Coeficientes de transferencia de calor de los aceros

La capacidad de transferencia de calor de los aceros depende de dos factores principales: la composición y la temperatura.

Los aceros al carbono simples con un aumento en el contenido de carbono reducen su gravedad específica, según la cual su capacidad de transferir calor también disminuye de 54 a 36 W / (m * K) con un cambio en el porcentaje de carbono en el acero de 0.5 a 1.5% .

Los aceros inoxidables contienen cromo (10% o más), que junto con el carbono forman carburos complejos que evitan la oxidación del material y también aumentan el potencial de electrodo del metal. La conductividad térmica del acero inoxidable es baja en comparación con otros aceros y oscila entre 15 y 30 W/(m*K) según su composición. Los aceros al cromo-níquel resistentes al calor tienen valores aún más bajos de este coeficiente (11-19 W / (m * K).

Otra clase son los aceros galvanizados con un peso específico de 7.850 kg/m3, que se obtienen recubriendo el acero con hierro y zinc. Dado que el zinc conduce el calor más fácilmente que el hierro, la conductividad térmica del acero galvanizado será relativamente alta en comparación con otros grados de acero. Va de 47 a 58 W/(m*K).

Conductividad térmica del acero a varias temperaturas normalmente no cambia mucho. Por ejemplo, el coeficiente de conductividad térmica del acero 20 disminuye de 86 a 30 W / (m * K) con un aumento de temperatura de temperatura ambiente a 1200 ° C, y para acero grado 08X13, un aumento de temperatura de 100 a 900 ° C. C no cambia su coeficiente de conductividad térmica (27-28 W/(m*K).

Factores que afectan la cantidad física

La capacidad de conducir el calor depende de una serie de factores, incluida la temperatura, la estructura y las propiedades eléctricas de la sustancia.

Temperatura de materiales

El efecto de la temperatura sobre la capacidad de conducir el calor difiere para metales y no metales. En los metales, la conductividad está asociada principalmente a los electrones libres. Según la ley de Wiedemann-Franz, la conductividad térmica de un metal es proporcional al producto de la temperatura absoluta, expresada en Kelvin, y su conductividad eléctrica. En los metales puros, la conductividad eléctrica disminuye al aumentar la temperatura, por lo que la conductividad térmica permanece aproximadamente constante. En el caso de las aleaciones, la conductividad eléctrica cambia poco al aumentar la temperatura, por lo que la conductividad térmica de las aleaciones aumenta en proporción a la temperatura.

Por otro lado, la transferencia de calor en los no metales está asociada principalmente con las vibraciones de la red y el intercambio de fonones de red. excepto los cristales Alta calidad y temperaturas bajas, el camino de los fonones en la red no disminuye significativamente en altas temperaturas, por lo tanto, la conductividad térmica permanece constante en todo el rango de temperatura, es decir, es insignificante. A temperaturas por debajo de la temperatura de Debye, la capacidad de los no metales para conducir el calor, junto con su capacidad calorífica, se reduce considerablemente.

Transiciones de fase y estructura.

Cuando un material experimenta una transición de fase de primer orden, como de sólido a líquido o de líquido a gas, su conductividad térmica puede cambiar. Un ejemplo sorprendente de tal cambio es la diferencia en esta cantidad física de hielo (2,18 W/(m*K) y agua (0,90 W/(m*K).

Los cambios en la estructura cristalina de los materiales también afectan la conductividad térmica, lo que se explica por las propiedades anisotrópicas de varias modificaciones alotrópicas de una sustancia de la misma composición. La anisotropía afecta la diferente intensidad de dispersión de los fonones de red, los principales portadores de calor en los no metales, y en diferentes direcciones en el cristal. Aquí un buen ejemplo es zafiro, cuya conductividad varía de 32 a 35 W / (m * K) según la dirección.

conductividad eléctrica

La conductividad térmica en los metales cambia junto con la conductividad eléctrica según la ley de Wiedemann-Franz. Esto se debe al hecho de que los electrones de valencia, que se mueven libremente a lo largo de la red cristalina del metal, transportan no solo energía eléctrica, sino también térmica. Para otros materiales, la correlación entre estos tipos de conductividad no es pronunciada, debido a la contribución insignificante del componente electrónico a la conductividad térmica (en los no metales, los fonones de red juegan el papel principal en el mecanismo de transferencia de calor).

proceso de convección

El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes térmicos en ausencia de convección. Este principio se basa en el trabajo de muchos materiales termoaislantes que contienen un gran número de pequeños huecos y poros. Esta estructura no permite que la convección se propague a largas distancias. Ejemplos de estos materiales artificiales son el poliestireno y el aerogel de siliciuro. En la naturaleza, los aislantes térmicos como la piel de los animales y el plumaje de las aves funcionan según el mismo principio.

Los gases ligeros, como el hidrógeno y el gel, tienen altos valores de conductividad térmica, mientras que los gases pesados, como el argón, el xenón y el radón, son malos conductores del calor. Por ejemplo, el argón, un gas inerte que es más pesado que el aire, se usa a menudo como relleno de gas aislante en ventanas dobles y bombillas. La excepción es el hexafluoruro de azufre (SF6), que es un gas pesado y tiene una conductividad térmica relativamente alta debido a su alta capacidad calorífica.