Metallit ovat aineita, joilla on kiderakenne. Kuumennettaessa ne pystyvät sulamaan, eli menemään nestemäiseen tilaan. Joillakin niistä on alhainen sulamispiste: ne voidaan sulattaa laittamalla ne tavalliseen lusikkaan ja pitämällä niitä kynttilän liekin päällä. Nämä ovat lyijyä ja tinaa. Muut voidaan sulattaa vain erityisissä uuneissa. Kupari ja rauta ovat korkeita. Sen alentamiseksi metalliin lisätään lisäaineita. Tuloksena olevien metalliseosten (teräs, pronssi, valurauta, messinki) sulamispiste on alhaisempi kuin alkuperäisen metallin.

Mistä metallien sulamispiste riippuu? Kaikilla niillä on tietyt ominaisuudet - metallien lämmönkapasiteetti ja lämmönjohtavuus. Lämpökapasiteetti on kyky absorboida lämpöä kuumennettaessa. Sen numeerinen indikaattori on ominaislämpökapasiteetti. Se viittaa energiamäärään, jonka metallin yksikkömassa voi absorboida 1 °C:lla kuumennettuna. Polttoaineenkulutus metalliaihion lämmittämiseen haluttu lämpötila. Useimpien metallien lämpökapasiteetti on välillä 300-400 J / (kg * K), metalliseosten - 100-2000 J / (kg * K).

Metallien lämmönjohtavuus on lämmön siirtymistä kuumemmista hiukkasista kylmempiin Fourierin lain mukaan niiden makroskooppisen liikkumattomuuden kanssa. Se riippuu materiaalin rakenteesta, kemiallisesta koostumuksesta ja atomien välisen sidoksen tyypistä. Metalleissa lämmönsiirto tapahtuu elektronien avulla, muissa kovia materiaaleja- fononit. Metallien lämmönjohtavuus on sitä suurempi, mitä täydellisempi niiden kiderakenne on. Mitä enemmän metallissa on epäpuhtauksia, sitä enemmän kidehila on vääristynyt ja sitä pienempi lämmönjohtavuus. Doping aiheuttaa tällaisia ​​vääristymiä metallien rakenteeseen ja alentaa lämmönjohtavuutta suhteessa perusmetalliin.

Kaikilla metalleilla on hyvä lämmönjohtavuus, mutta jotkut ovat korkeampia kuin toiset. Esimerkki tällaisista metalleista on kulta, kupari, hopea. Alempi lämmönjohtavuus - tinassa, alumiinissa, raudassa. Metallien lisääntynyt lämmönjohtavuus on etu tai haitta, riippuen niiden käyttöalueesta. Esimerkiksi metallisten astioiden on tarpeen lämmittää ruokaa nopeasti. Samaan aikaan korkean lämmönjohtavuuden omaavien metallien käyttö keittoastioiden kahvojen valmistuksessa vaikeuttaa käyttöä - kahvat kuumenevat liian nopeasti, eikä niihin voi koskea. Siksi tässä käytetään lämpöä eristäviä materiaaleja.

Toinen metallin ominaisuus, joka vaikuttaa sen ominaisuuksiin, on lämpölaajeneminen. Se näyttää metallin tilavuuden kasvulta, kun sitä kuumennetaan, ja laskulta - kun se jäähdytetään. Tämä ilmiö on otettava huomioon metallituotteiden valmistuksessa. Joten esimerkiksi kattiloiden kannet tehdään pään yläpuolelle, kattiloissa on myös rako kannen ja rungon välissä, jotta kansi ei jumiudu kuumennettaessa.

Jokaiselle metallille lasketaan kerroin. Se määritetään kuumentamalla 1 °C prototyyppi, jonka pituus on 1 m. Lyijyllä, sinkillä ja tinalla on suurin kerroin. Se on pienempi kuparissa ja hopeassa. Vielä alempana - rautaa ja kultaa.

Kemiallisten ominaisuuksiensa mukaan metallit jaetaan useisiin ryhmiin. On olemassa aktiivisia metalleja (esimerkiksi kaliumia tai natriumia), jotka voivat reagoida välittömästi ilman tai veden kanssa. Kuusi aktiivisinta metallia, jotka muodostavat jaksollisen järjestelmän ensimmäisen ryhmän, kutsutaan alkalisiksi. Niillä on alhainen sulamispiste ja ne ovat niin pehmeitä, että ne voidaan leikata veitsellä. Yhdistettynä veteen ne muodostuvat alkaliset liuokset siitä heidän nimensä.

Toinen ryhmä koostuu maa-alkalimetalleista - kalsiumista, magnesiumista jne. Ne ovat osa monia mineraaleja, kiinteämpiä ja tulenkestävämpiä. Esimerkkejä seuraavan, kolmannen ja neljännen ryhmän metalleista ovat lyijy ja alumiini. Nämä ovat melko pehmeitä metalleja ja niitä käytetään usein seoksissa. Siirtymämetallit (rauta, kromi, nikkeli, kupari, kulta, hopea) ovat vähemmän aktiivisia, muokattavampia ja niitä käytetään usein teollisuudessa metalliseosten muodossa.

Kunkin metallin sijainti aktiviteettisarjassa luonnehtii sen kykyä reagoida. Miten aktiivisempi metalli sitä helpompi se ottaa happea. Niitä on erittäin vaikea eristää yhdisteistä, kun taas inaktiivisia löytyy puhtaassa muodossaan. Aktiivisimmat niistä - kalium ja natrium - varastoidaan kerosiiniin, sen ulkopuolella ne hapettuvat välittömästi. Teollisuudessa käytetyistä metalleista kupari on vähiten aktiivista. Sitä käytetään säiliöiden ja putkien valmistukseen kuuma vesi ja sähköjohdot.

Johdanto

Metallien lämmönjohtavuuden määrittäminen on tärkeä rooli joillakin aloilla, kuten metallurgiassa, radiotekniikassa, koneenrakennuksessa ja rakentamisessa. Tällä hetkellä on olemassa monia erilaisia ​​menetelmiä, joilla on mahdollista määrittää metallien lämmönjohtavuus.

Tämä työ on omistettu metallien pääominaisuuden - lämmönjohtavuuden - tutkimukselle sekä lämmönjohtavuuden tutkimusmenetelmien tutkimukselle.

Tutkimuskohteena on metallien lämmönjohtavuus sekä erilaisia ​​menetelmiä laboratoriotutkimus.

Tutkimuksen kohteena ovat metallien lämmönjohtavuuskertoimet.

Suunniteltu tulos - lavastus laboratoriotyöt"Metallien lämmönjohtavuuden määritys" perustuu kalorimetriseen menetelmään.

Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on tarpeen ratkaista seuraavat tehtävät:

Metallien lämmönjohtavuuden teorian tutkimus;

Lämmönjohtavuuskertoimen määritysmenetelmien tutkimus;

Laboratoriolaitteiden valinta;

Metallien lämmönjohtavuuden kokeellinen määritys;

Lausunto laboratoriotyöstä "Metallien lämmönjohtavuuden määritys."

Työ koostuu kolme lukua jossa osoitetut tehtävät paljastetaan.

Metallien lämmönjohtavuus

Fourierin laki

Lämmönjohtavuus on molekylaarista lämmönsiirtoa suoraan kosketuksessa olevien kappaleiden tai saman kappaleen erilämpöisten hiukkasten välillä, jossa rakenteellisten hiukkasten (molekyylien, atomien, vapaiden elektronien) liikeenergia vaihtuu.

Lämmönjohtavuus määräytyy kehon mikrohiukkasten lämpöliikkeen perusteella.

Lämmönjohtavuuden perusteella tapahtuvan lämmönsiirron peruslaki on Fourier-laki. Tämän lain mukaan lämmön johtumisen kautta lämpövirtaan nähden kohtisuorassa pintaelementin dF läpi ajan df aikana siirtymä lämpömäärä dQ on suoraan verrannollinen lämpötilagradienttiin, pintaan dF ja aikaan df.

Suhteellisuuskerrointa l kutsutaan lämmönjohtavuuskertoimeksi. Lämmönjohtavuuskerroin on aineen lämpöfyysinen ominaisuus, se kuvaa aineen kykyä johtaa lämpöä.

Kaavan (1) miinusmerkki osoittaa, että lämpö siirtyy lämpötilan laskun suuntaan.

Lämpömäärää, joka on kulkenut aikayksikköä kohti isotermisen pintayksikön läpi, kutsutaan lämpövuoksi:

Fourier'n lakia voidaan soveltaa kuvaamaan kaasujen, nesteiden ja kiinteiden aineiden lämmönjohtavuutta, ero on vain lämmönjohtavuuskertoimissa.

Metallien lämmönjohtavuuskerroin ja sen riippuvuus aineen tilan parametreista

Lämmönjohtavuuskerroin on aineen lämpöfyysinen ominaisuus, se kuvaa aineen kykyä johtaa lämpöä.

Lämmönjohtavuuskerroin - lämmön määrä, joka kulkee aikayksikköä kohti yhden alueen läpi, kohtisuorassa grad t:tä vastaan.

Eri aineiden lämmönjohtavuuskerroin on erilainen ja riippuu rakenteesta, tiheydestä, kosteudesta, paineesta ja lämpötilasta. Nämä olosuhteet on otettava huomioon hakutaulukoita käytettäessä.

Suurin arvo on metallien lämmönjohtavuuskerroin, jolle. Lämpöä johtavin metalli on hopea, jota seuraa puhdas kupari, kulta, alumiini jne. Useimmille metalleille lämpötilan nousu johtaa lämmönjohtavuuden laskuun. Tämä riippuvuus voidaan arvioida suoran yhtälön avulla

tässä l, l0 - vastaavasti lämmönjohtavuuskertoimet tietyssä lämpötilassa t ja 00C:ssa, in - lämpötilakerroin. Metallien lämmönjohtavuus on erittäin herkkä epäpuhtauksille.

Esimerkiksi kun kuparissa esiintyy jopa jäämiä arseenista, sen lämmönjohtavuus laskee arvosta 395 arvoon 142; teräkselle 0,1 % hiiltä l \u003d 52, 1,0 % - l \u003d 40, 1,5 % hiiltä l \u003d 36.

Lämpökäsittely vaikuttaa myös lämmönjohtavuuteen. Karkaistulla hiiliteräksellä l on siis 10–25 % pienempi kuin pehmeällä teräksellä. Näistä syistä kaupallisten metallinäytteiden lämmönjohtavuuskertoimet samoissa lämpötiloissa voivat vaihdella merkittävästi. On huomattava, että lejeeringeille, toisin kuin puhtaille metalleille, on ominaista lämmönjohtavuuskertoimen kasvu lämpötilan noustessa. Valitettavasti ei ole vielä voitu määrittää yleisiä kvantitatiivisia malleja, jotka säätelevät metalliseosten lämmönjohtavuuskerrointa.

Rakennus- ja lämmöneristysmateriaalien - eristeiden - lämmönjohtavuuskertoimen arvo on monta kertaa pienempi kuin metallien ja on 0,02 - 3,0. Suurimmalla osalla niistä (poikkeus on magnesiittitiili) lämmönjohtavuuskerroin kasvaa lämpötilan noustessa. Tässä tapauksessa voidaan käyttää yhtälöä (3) pitäen mielessä, että kiintoaineille - eriste v>0.

Monilla rakennus- ja lämmöneristysmateriaaleilla on huokoinen rakenne (tiili, betoni, asbesti, kuona jne.). Niiden ja jauhemaisten materiaalien lämmönjohtavuuskerroin riippuu merkittävästi irtotiheydestä. Tämä johtuu siitä, että huokoisuuden kasvaessa suurin osa tilavuus on täytetty ilmalla, jonka lämmönjohtavuuskerroin on hyvin alhainen. Kuitenkin mitä suurempi huokoisuus on, sitä pienempi on materiaalin bulkkitiheys. Siten materiaalin irtotiheyden, ceteris paribus, pieneneminen johtaa l:n laskuun.

Esimerkiksi asbestin irtotiheyden pieneneminen 800 kg/m:sta 400 kg/m:iin johtaa laskuun 0,248:sta 0,105:een. Kosteuden vaikutus on erittäin voimakas. Esimerkiksi kuivalle tiilelle l \u003d 0,35, nesteelle 0,6 ja märille tiilelle l \u003d 1,0.

Näihin ilmiöihin on kiinnitettävä huomiota lämmönjohtavuuden määrittämisessä ja teknisissä laskelmissa. Tippuvien nesteiden lämmönjohtavuuskerroin on välillä 0,08 - 0,7. Samaan aikaan suurimmalla osalla nesteitä lämmönjohtavuuskerroin pienenee lämpötilan noustessa. Poikkeuksia ovat vesi ja glyseriini.

Kaasujen lämmönjohtavuuskerroin on vielä pienempi.

Kaasujen lämmönjohtavuus kasvaa lämpötilan noustessa. Alueella 20 mm Hg. 2000 asti (baari), ts. alueella, jota käytännössä tavataan useimmin, l ei ole riippuvainen paineesta. On pidettävä mielessä, että kaasuseokselle (savukaasut, lämpöuunien ilmakehä jne.) on mahdotonta määrittää lämmönjohtavuuskerrointa laskennallisesti. Siksi, jos vertailutietoja ei ole, luotettava l:n arvo voidaan löytää vain empiirisesti.

Arvolla l< 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Lämmönjohtavuusongelmien ratkaisemiseksi tarvitaan tietoa aineen joistakin makroskooppisista ominaisuuksista (termofysikaalisista parametreista): lämmönjohtavuuskerroin, tiheys, ominaislämpö.

Selitys metallien lämmönjohtavuudesta

Metallien lämmönjohtavuus on erittäin korkea. Sitä ei vähennetä hilan lämmönjohtavuuteen, joten toisen lämmönsiirtomekanismin on toimittava täällä. Osoittautuu, että puhtaissa metalleissa lämmönjohtavuus tapahtuu lähes kokonaan elektronikaasun ansiosta, ja vain erittäin kontaminoituneissa metalleissa ja metalliseoksissa, joissa johtavuus on alhainen, hilan lämmönjohtavuuden osuus osoittautuu merkittävä.

Materiaalin lämmönjohtavuuden numeerinen ominaisuus voidaan määrittää tietyn paksuisen materiaalin läpi kulkevan lämmön määrällä tietty aika. Numeerinen ominaisuus on tärkeä laskettaessa eri profiilituotteiden lämmönjohtavuutta.

Eri metallien lämmönjohtavuuskertoimet

Lämmönjohtavuus vaatii suoraa fyysinen kontakti suoritetaan kahden ruumiin välillä. Tämä tarkoittaa, että lämmönsiirto on mahdollista vain kiinteiden aineiden ja liikkumattomien nesteiden välillä. Suora kosketus mahdollistaa kineettisen energian siirtymisen lämpimimmän aineen molekyyleistä kylmimpään. Lämmönvaihto tapahtuu, kun erilämpöiset kappaleet ovat suorassa kosketuksessa toistensa kanssa.

Tässä tulee kiinnittää huomiota siihen, että lämpimän kappaleen molekyylit eivät pääse tunkeutumaan kylmään kehoon. On vain liike-energian siirtoa, mikä antaa tasaisen lämmön jakautumisen. Tämä energiansiirto jatkuu, kunnes kosketuksissa olevat kappaleet lämpenevät tasaisesti. Tässä tapauksessa lämpötasapaino saavutetaan. Tämän tiedon perusteella voidaan laskea, millaista eristemateriaalia rakennuksen lämmöneristykseen tarvitaan.

Kuparin korkea lämmönjohtavuus muiden merkittävien ominaisuuksien ohella on antanut tälle metallille merkittävän paikan ihmissivilisaation kehityksen historiassa. Kuparista ja sen seoksista valmistettuja tuotteita käytetään lähes kaikilla elämämme aloilla.

1

Lämmönjohtavuus on prosessi, jossa kehon kuumempien osien hiukkasten (elektronien, atomien, molekyylien) energia siirretään sen vähemmän kuumennettujen osien hiukkasiin. Tämä lämmönvaihto johtaa lämpötilan tasaamiseen. Vain energia siirtyy pitkin kehoa, aine ei liiku. Lämmönjohtamiskyvyn ominaisuus on lämmönjohtavuuskerroin, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin lämmön määrä, joka kulkee materiaalin läpi, jonka pinta-ala on 1 m 2, paksuus 1 m, 1 sekunnissa yksikkölämpötilassa kaltevuus.

Kuparin lämmönjohtavuuskerroin lämpötilassa 20–100 °C on 394 W/(m * K) - vain hopea on korkeampi. huonompi kuin kupari tässä indikaattorissa lähes 9 kertaa ja rauta - 6. Eri epäpuhtaudet vaikuttavat eri tavoin fyysiset ominaisuudet metallit. Kuparilla lämmönsiirtonopeus vähenee, kun sitä lisätään materiaaliin tai nautitaan sen seurauksena tekninen prosessi aineita kuten:

• alumiini;
• rauta;
• happi;
• arseeni;
• antimoni;
• rikki;
• seleeni;
• fosfori.

Korkealle lämmönjohtavuudelle on ominaista lämmitysenergian nopea leviäminen koko kohteen tilavuuteen. Tämä kyky tarjosi kuparia laaja sovellus kaikissa lämmönvaihtojärjestelmissä. Sitä käytetään jääkaappien, ilmastointilaitteiden, tyhjiöyksiköiden ja autojen putkien ja patterien valmistukseen ylimääräisen lämmön poistamiseksi jäähdytysnesteestä. Lämmityslaitteissa tällaisia ​​kuparituotteita käytetään lämmitykseen.

Kuparin kyky johtaa lämpöä heikkenee, kun se kuumenee. Ilman kuparin lämmönjohtavuuskertoimen arvo riippuu jälkimmäisen lämpötilasta, joka vaikuttaa lämmönsiirtoon (jäähdytykseen). Mitä korkeampi lämpötila ympäristöön, mitä hitaammin metalli jäähtyy ja sitä pienempi sen lämmönjohtavuus. Siksi kaikki lämmönvaihtimet käyttävät pakotettua ilmavirtaa tuulettimella - tämä lisää laitteiden tehokkuutta ja samalla säilyttää lämmönjohtavuuden optimaalisella tasolla.

2

Alumiinin ja kuparin lämmönjohtavuus on erilainen - ensimmäisessä se on pienempi kuin toisessa, 1,5 kertaa. Alumiinille tämä parametri on 202–236 W / (m * K) ja on melko korkea verrattuna muihin metalleihin, mutta alhaisempi kuin kullan, kuparin ja hopean. Alumiinin ja kuparin laajuus, jossa vaaditaan korkeaa lämmönjohtavuutta, riippuu useista näiden materiaalien muista ominaisuuksista.

Alumiini ei ole huonompi kuin kupari korroosionestoominaisuuksiltaan ja on parempi seuraavissa indikaattoreissa:

• alumiinin tiheys (ominaispaino) on 3 kertaa pienempi;
• hinta on 3,5 kertaa pienempi.

Samanlainen tuote, mutta valmistettu alumiinista, on paljon kevyempi kuin kupari. Koska metallin paino vaatii 3 kertaa vähemmän ja sen hinta on 3,5 kertaa alhaisempi, alumiiniosa voi olla noin 10 kertaa halvempi. Tämän ja korkean lämmönjohtavuuden ansiosta alumiini on löytänyt laajan sovelluksen astioiden ja uunien elintarvikefolion valmistuksessa. Koska tämä metalli on pehmeää, sitä ei käytetä puhtaassa muodossa - sen seokset ovat pääasiassa yleisiä (kuuluisin on duralumiini).

Erilaisissa lämmönvaihtimissa tärkein asia on ylimääräisen energian palautusnopeus ympäristöön. Tämä ongelma ratkaistaan ​​puhaltamalla jäähdyttimen intensiivistä puhaltimen avulla. Samaan aikaan alumiinin alhaisempi lämmönjohtavuus ei käytännössä vaikuta jäähdytyksen laatuun, ja laitteet ja laitteet ovat paljon kevyempiä ja halvempia (esim. Kodinkoneet). AT viime aikoina tuotannossa on ollut taipumus korvata ilmastointijärjestelmien kupariputket alumiinisilla.

Kupari on käytännössä korvaamaton radioteollisuudessa, elektroniikassa johtavana materiaalina. Suuren sitkeyden ansiosta siitä voidaan vetää halkaisijaltaan jopa 0,005 mm:n johtoja ja tehdä muita erittäin ohuita sähköä johtavia liitoksia, joita käytetään elektroniikkalaitteissa. Alumiinia korkeampi johtavuus tarjoaa minimaaliset häviöt ja vähemmän radioelementtien kuumenemista. Lämmönjohtavuuden avulla voit tehokkaasti poistaa käytön aikana syntyvän lämmön laitteiden ulkoisiin elementteihin - koteloon, syöttökoskettimiin (esimerkiksi mikropiirit, nykyaikaiset mikroprosessorit).

Kuparimalleja käytetään hitsauksessa, kun teräsosaan on tarpeen tehdä halutun muotoinen pinnoite. Korkea lämmönjohtavuus ei salli kuparimallin liittymistä hitsattuihin metalliin. Tällaisissa tapauksissa alumiinia ei voida käyttää, koska se todennäköisesti sulaa tai palaa läpi. Kuparia käytetään myös hiilikaarihitsauksessa - tämän materiaalin sauva toimii kulumattomana katodina.

3

Alhainen lämmönjohtavuus on monissa tapauksissa toivottava ominaisuus - tämä on lämmöneristyksen perusta. Kupariputkien käyttö lämmitysjärjestelmissä johtaa paljon suurempiin lämpöhäviöihin kuin käytettäessä muista materiaaleista valmistettuja putkia ja johdotuksia. Kupariputket vaativat perusteellisempaa lämmöneristystä.

Kuparilla on korkea lämmönjohtavuus, mikä aiheuttaa riittävän vaikea prosessi asennus ja muut työt, joilla on omat erityispiirteensä. Hitsaus, juottaminen, kuparin leikkaaminen vaatii keskitetympää lämmitystä kuin teräksen, ja usein esikuumennusta ja samanaikaista metallin kuumennusta.

Kaasuhitsauksessa kuparia on käytettävä polttimia, joiden teho on 1-2 numeroa suurempi kuin saman paksuisten teräsosien kohdalla. Jos kupari on paksumpaa kuin 8-10 mm, on suositeltavaa työskennellä kahdella tai jopa kolmella polttimella (usein hitsaus tehdään yhdellä, kun taas muut lämmitetään). Vaihtovirtahitsaukseen elektrodeilla liittyy lisääntynyt metalliroiskeet. Leikkuri, joka pystyy leikkaamaan 300 mm korkeakromiterästä, soveltuu messingin, pronssin (kupariseokset) 150 mm:iin asti ja puhtaan kuparin leikkaamiseen vain 50 mm. Kaikkeen työhön liittyy huomattavasti korkeampia kulutustarvikekustannuksia.

4

Kupari on yksi elektroniikan pääkomponenteista ja sitä käytetään kaikissa mikropiireissä. Se poistaa ja haihduttaa virran kulun aikana syntyneen lämmön. Tietokoneiden nopeuden rajoitus johtuu prosessorin ja muiden piirielementtien kuumenemisen lisääntymisestä. kellotaajuus. Jakaminen useisiin samanaikaisesti toimiviin ytimiin ja muut tavat käsitellä ylikuumenemista ovat uuvuttaneet itsensä. Tällä hetkellä kehitystyötä tehdään korkeamman sähkön- ja lämmönjohtavuuden omaavien johtimien saamiseksi.

Tiedemiesten äskettäin löytämä grafeeni voi lisätä merkittävästi kuparijohtimien lämmönjohtavuutta ja niiden kykyä hajottaa lämpöä. Kokeen aikana kuparikerros peitettiin grafeenilla joka puolelta. Tämä paransi johtimen lämmönsiirtoa 25 %. Kuten tutkijat selittivät, uusi aine muuttaa lämmönsiirron rakennetta ja mahdollistaa energian liikkumisen vapaammin metallissa. Keksintö on kehitteillä - kokeessa käytettiin paljon kuparijohdinta suuret koot kuin prosessorissa.

- tärkeydessään ja levinneisyydessä ensimmäinen rakennemateriaali. Se on tunnettu muinaisista ajoista lähtien, ja sen ominaisuudet ovat sellaiset, että kun rautaa opittiin sulattamaan merkittäviä määriä, metalli korvasi kaikki muut seokset. Raudan aika on tullut, eikä tämä aika päätellen lopu pian. Tämä artikkeli kertoo sinulle, mikä on raudan ominaispaino, mikä on sen sulamispiste puhtaassa muodossaan.

Rauta on tyypillinen metalli ja kemiallisesti aktiivinen. Aine reagoi normaali lämpötila, ja kuumennus tai kosteuden lisääminen lisää merkittävästi sen reaktiivisuutta. Rauta syövyttää ilmassa, palaa puhtaan hapen ilmakehässä, ja hienon pölyn muodossa se voi myös syttyä ilmassa.

Puhdas rauta on muokattavaa, mutta tässä muodossa metalli on erittäin harvinainen. Itse asiassa rauta on seos, jossa on pieniä määriä epäpuhtauksia - jopa 0,8%, jolle on ominaista puhtaan aineen pehmeys ja muokattavuus. Merkitys varten kansallinen talous on metalliseoksia hiili-teräksen, valuraudan, ruostumattoman teräksen kanssa.

Polymorfismi on ominaista raudalle: on olemassa jopa 4 muunnelmaa, jotka eroavat rakenteelta ja hilaparametreilta:

• α-Fe - esiintyy nollasta +769 C:een. Siinä on kappalekeskeinen kuutiohila ja se on ferromagneetti, eli se säilyttää magnetisoitumisen ilman ulkoista magneettikenttä. +769 С – Curie-pisteet metallille;
• +769 - +917 C, β-Fe ilmestyy. Se eroaa α-vaiheesta vain hilaparametreilla. Tässä tapauksessa lähes kaikki fysikaaliset ominaisuudet säilyvät magneettisia lukuun ottamatta: raudasta tulee paramagneettinen, eli se menettää kykynsä magnetisoitua ja vedetään magneettikenttään. Metallitiede ei pidä β-faasia erillisenä muunnelmana. Koska siirtyminen ei vaikuta merkittävästi fyysiset ominaisuudet;
• alueella 917 - 1394 C on y-modifikaatio, jolle on tunnusomaista kasvokeskeinen kuutiohila;
• yli +1394 C lämpötiloissa ilmaantuu δ-vaihe, jolle on tunnusomaista runkokeskeinen kuutiohila.

klo korkeapaine, ja myös kun metallia seostetaan joillakin lisäaineilla, muodostuu ε-faasi, jossa on kuusikulmainen tiiviisti pakattu hila.

Faasimuutosten lämpötila muuttuu huomattavasti, kun seostetaan samalla hiilellä. Itse asiassa raudan kyky muodostaa niin monia muunnelmia toimii perustana teräksen käsittelylle erilaisissa lämpötilaolosuhteet. Ilman tällaisia ​​siirtymiä metalli ei olisi tullut niin laajalle levinneeksi.

Nyt on rautametallin ominaisuuksien vuoro.

Tämä video kertoo raudan rakenteesta:

Metallin ominaisuudet ja ominaisuudet

Rauta on melko kevyt, kohtalaisen tulenkestävä metalli, väriltään hopeanharmaa. Se reagoi helposti laimennettujen happojen kanssa ja siksi sitä pidetään keskiaktiivisena elementtinä. Kuivassa ilmassa metalli peittyy vähitellen oksidikalvolla, mikä estää jatkoreaktion.

Mutta pienimmässä kosteudessa kalvon sijasta ilmaantuu ruostetta - löysää ja koostumukseltaan heterogeenista. Ruoste ei estä raudan lisäkorroosiota. Metallin fysikaaliset ominaisuudet ja, mikä tärkeintä, sen hiiliseokset ovat kuitenkin sellaiset, että alhaisesta korroosionkestävyydestä huolimatta raudan käyttö on enemmän kuin perusteltua.

Massa ja tiheys

Raudan molekyylipaino on 55,8, mikä osoittaa aineen suhteellisen keveyden. Mikä on raudan tiheys? Tämä indikaattori määräytyy vaihemuutoksen perusteella:

• α-Fe - 7,87 g/cu. cm 20 C:ssa ja 7,67 g/cu. cm 600 C:ssa;
• y-faasille on ominaista vielä pienempi tiheys - 7,59 g / cc 1000 C:ssa;
• δ-faasin tiheys on 7,409 g/cm3.

Lämpötilan noustessa raudan tiheys luonnollisesti pienenee.

Ja nyt selvitetään, mikä on raudan sulamispiste Celsius-asteissa, vertaamalla sitä esimerkiksi valuraudaan tai valuraudaan.

Lämpötila-alue

Metalli luokitellaan kohtalaisen tulenkestäväksi, mikä tarkoittaa suhteellisen alhaista aggregaatiotilan muutoksen lämpötilaa:

• sulamispiste - 1539 C;
• kiehumispiste - 2862 C;
• Curie-lämpötila, eli magnetisoitumiskyvyn menetys - 719 C.

On syytä muistaa, että sulamis- tai kiehumispisteestä puhuttaessa on kyse aineen δ-faasista.

Tämä video kertoo sinulle fyysisestä ja kemialliset ominaisuudet rauhanen:

Mekaaniset ominaisuudet

Rauta ja sen seokset ovat niin yleisiä, että vaikka niitä alettiin käyttää myöhemmin kuin esimerkiksi ja, niistä tuli eräänlainen standardi. Kun metalleja verrataan, ne viittaavat rautaan: vahvempi kuin teräs, 2 kertaa pehmeämpi kuin rauta ja niin edelleen.

Ominaisuudet on annettu metallille, joka sisältää pieniä määriä epäpuhtauksia:

• kovuus Mohsin asteikolla - 4–5;
• Brinell-kovuus - 350-450 Mn / neliömetri. m. Lisäksi kemiallisesti puhtaalla raudalla on korkeampi kovuus - 588–686;

Lujuusindikaattorit ovat erittäin riippuvaisia ​​epäpuhtauksien määrästä ja luonteesta. Tätä arvoa säätelee GOST jokaiselle metalliseoksen tai puhtaan metallin merkille. Siten seostamattoman teräksen lopullinen puristuslujuus on 400–550 MPa. Tätä laatua kovetettaessa vetolujuus kasvaa 700 MPa:iin.

• metallin iskulujuus on 300 MN/m²;
• myötöraja -100 MN/m². m.

Opimme lisää siitä, mitä tarvitaan raudan ominaislämpökapasiteetin määrittämiseen.

Lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus

Kuten mikä tahansa metalli, rauta johtaa lämpöä, vaikka sen suorituskyky tällä alueella on alhainen: lämmönjohtavuuden suhteen metalli on huonompi kuin alumiini - 2 kertaa vähemmän ja - 5 kertaa.

Lämmönjohtavuus 25 °C:ssa on 74,04 W/(m·K). Arvo riippuu lämpötilasta;

• 100 K:ssa lämmönjohtavuus on 132 [W/(m.K)];
• 300 K - 80,3 [W/(m.K)];
• 400 - 69,4 [W/(m.K)];
• ja 1500 - 31,8 [W/(m.K)].

• Lämpölaajenemiskerroin 20 C:ssa on 11,7 10-6.
• Metallin lämpökapasiteetti määräytyy sen faasirakenteen perusteella ja riippuu melko monimutkaisesti lämpötilasta. Kun lämpötila nousee 250 C:een, lämpökapasiteetti kasvaa hitaasti, kasvaa sitten jyrkästi, kunnes Curie-piste saavutetaan, ja alkaa sitten laskea.
• Ominaislämpökapasiteetti lämpötila-alueella 0-1000C on 640,57 J/(kg K).

Sähkönjohtavuus

Rauta johtaa virtaa, mutta ei läheskään yhtä hyvin kuin kupari ja hopea. Metallin ominaissähkövastus klo normaaleissa olosuhteissa– 9,7 10-8 ohmia m.

Koska rauta on ferromagneetti, sen suorituskyky tällä alueella on merkittävämpi:

• saturaatiomagneettinen induktio on 2,18 T;
• magneettinen permeabiliteetti - 1.45.106.

Myrkyllisyys

Metalli ei aiheuta vaaraa ihmiskeholle. teräs ja rautatuotteiden valmistus voivat olla vaarallisia, mutta vain korkeiden lämpötilojen ja erilaisten metalliseosten valmistuksessa käytettävien lisäaineiden vuoksi. Rautajäte - metalliromu, on vaarallinen ympäristölle, mutta melko kohtalainen, koska metalli ruostuu ilmassa.

Raudalla ei ole biologista inertiteettiä, joten sitä ei käytetä proteesin materiaalina. Kuitenkin sisään ihmiskehon tällä elementillä on yksi tärkeimmistä rooleista: raudan imeytymisen häiriintyminen tai sen riittämätön määrä ruokavaliossa takaa parhaimmillaan anemian.

Rauta imeytyy erittäin vaikeasti - 5-10 % elimistöön syötetystä kokonaismäärästä tai 10-20 %, jos siitä puuttuu.

• Tavallinen päivittäinen tarve raudassa on 10 mg miehillä ja 20 mg naisilla.
• Myrkyllinen annos on 200 mg/vrk.
• Tappava - 7-35 g. On lähes mahdotonta saada sellaista määrää rautaa, joten rautamyrkytys on erittäin harvinaista.

Rauta on metalli, jonka fysikaalisia ominaisuuksia, erityisesti lujuutta, voidaan muuttaa merkittävästi käyttämällä koneistus tai erittäin pienen määrän seosaineita lisäämällä. Tämä ominaisuus yhdistettynä metallin saatavuuteen ja helppoon erottamiseen tekee raudasta kysytyimmän rakennemateriaalin.

Asiantuntija kertoo sinulle lisää raudan ominaisuuksista alla olevassa videossa:

Lämmönjohtavuus on fysikaalinen suure, joka määrittää materiaalien kyvyn johtaa lämpöä. Toisin sanoen lämmönjohtavuus on aineiden kykyä siirtää atomien ja molekyylien kineettistä energiaa muille aineille, jotka ovat suorassa kosketuksessa niiden kanssa. SI:ssä tämä arvo mitataan yksikössä W/(K*m) (wattia kelvinmetriä kohti), mikä vastaa J/(s*m*K) (joulea kelvinmetriä sekunnissa).

Lämmönjohtavuuden käsite

Se on intensiivinen fysikaalinen suure, eli määrä, joka kuvaa aineen ominaisuutta, joka ei riipu jälkimmäisen määrästä. Intensiivisiä suureita ovat myös lämpötila, paine, sähkönjohtavuus, eli nämä ominaisuudet ovat samat missä tahansa saman aineen pisteessä. Toinen fysikaalisten suureiden ryhmä ovat laajoja, jotka määräytyvät aineen määrällä, esimerkiksi massa, tilavuus, energia ja muut.

Lämmönjohtavuuden päinvastainen arvo on lämpövastus, joka heijastaa materiaalin kykyä estää lämmön siirtyminen sen läpi. Isotrooppiselle materiaalille, toisin sanoen materiaalille, jonka ominaisuudet ovat samat kaikissa avaruudellisissa suunnissa, lämmönjohtavuus on skalaarisuure, ja se määritellään pinta-alayksikköä kohti aikayksikköä kohti kulkevan lämpövirran suhteeksi lämpötilagradienttiin. Siten yhden watin kelvin-metrin lämmönjohtavuus tarkoittaa, että yhden joulen lämpöenergia siirtyy materiaalin läpi:

• yhdessä sekunnissa;
• yhden neliömetrin alueen läpi;
• yhden metrin etäisyydellä;
• kun materiaalissa metrin etäisyydellä olevien pintojen lämpötilaero on yksi kelvin.

On selvää, että mitä enemmän arvoa lämmönjohtavuus, sitä paremmin materiaali johtaa lämpöä ja päinvastoin. Esimerkiksi tämän arvon arvo kuparille on 380 W / (m * K), ja tämä metalli siirtää lämpöä 10 000 kertaa paremmin kuin polyuretaani, jonka lämmönjohtavuus on 0,035 W / (m * K).

Lämmönsiirto molekyylitasolla

Kun ainetta kuumennetaan, sen aineosien keskimääräinen kineettinen energia kasvaa, eli häiriötaso kasvaa, atomit ja molekyylit alkavat värähdellä voimakkaammin ja suuremmalla amplitudilla materiaalissa olevien tasapainoasemiensa ympärillä. Lämmönsiirto, joka makroskooppisella tasolla voidaan kuvata Fourierin lailla, molekyylitasolla on vaihtoa kineettinen energia aineen hiukkasten (atomien ja molekyylien) välillä siirtämättä jälkimmäistä.

Tämä molekyylitason lämmönjohtamismekanismin selitys erottaa sen lämpökonvektiomekanismista, jossa lämmönsiirto tapahtuu aineen siirtymisen seurauksena. Kaikki kiinteät ruumiit niillä on kyky johtaa lämpöä, kun taas lämpökonvektio on mahdollista vain nesteissä ja kaasuissa. Kiinteät aineet todellakin siirtävät lämpöä pääasiassa lämmönjohtavuudesta johtuen, kun taas nesteet ja kaasut, jos niissä on lämpötilagradientteja, siirtävät lämpöä pääasiassa konvektioprosessien seurauksena.

Materiaalien lämmönjohtavuus

Metalleilla on selvä kyky johtaa lämpöä. Polymeereille on ominaista alhainen lämmönjohtavuus, ja jotkut niistä eivät käytännössä johda lämpöä, esimerkiksi lasikuitu, tällaisia ​​materiaaleja kutsutaan lämmöneristeiksi. Jotta tämä tai toinen lämmön virtaus avaruuden läpi voisi olla olemassa, jonkin aineen läsnäolo tässä tilassa on välttämätöntä, joten avoin tila(tyhjä tila) lämmönjohtavuus on nolla.

Jokaiselle homogeeniselle (homogeeniselle) materiaalille on ominaista lämmönjohtavuuskerroin (merkitty kreikkalaisella kirjaimella lambda), eli arvo, joka määrittää, kuinka paljon lämpöä on siirrettävä 1 m²:n alueen läpi, jotta sekunnissa, yhden metrin materiaalipaksuuden läpi, lämpötila sen päissä muuttuu per 1 K. Tämä ominaisuus on jokaiselle materiaalille luontainen ja vaihtelee sen lämpötilan mukaan, joten tämä kerroin mitataan yleensä huoneenlämpötilassa (300 K) vertailla eri aineiden ominaisuuksia.

Jos materiaali on heterogeenista, esimerkiksi teräsbetoni, otetaan käyttöön hyödyllisen lämmönjohtavuuskertoimen käsite, joka mitataan tämän materiaalin muodostavien homogeenisten aineiden kertoimien mukaan.

Alla oleva taulukko näyttää joidenkin metallien ja metalliseosten lämmönjohtavuuskertoimet W / (m * K) lämpötilassa 300 K (27 °C):

• teräs 47-58;
• alumiini 237;
• kupari 372,1-385,2;
• pronssi 116-186;
• sinkki 106-140;
• titaani 21,9;
• tina 64,0;
• lyijy 35,0;
• rauta 80,2;
• messinki 81-116;
• kulta 308,2;
• hopea 406,1-418,7.

Seuraavassa taulukossa on tietoja ei-metallisista kiinteistä aineista:

• lasikuitu 0,03-0,07;
• lasi 0,6-1,0;
• asbesti 0,04;
• puu 0,13;
• parafiini 0,21;
• tiili 0,80;
• timantti 2300.

Tarkastetuista tiedoista voidaan nähdä, että metallien lämmönjohtavuus on paljon suurempi kuin ei-metallien. Poikkeuksena on timantti, jonka lämmönsiirtokerroin on viisi kertaa kuparin lämmönsiirtokerroin. Tämä timantin ominaisuus johtuu vahvoista kovalenttisista sidoksista hiiliatomien välillä, jotka muodostavat sen kidehilan. Tämän ominaisuuden ansiosta ihminen tuntee olonsa kylmäksi koskettaessaan timanttia huulillaan. Timantin ominaisuus on hyvin siedetty lämpöenergia käytetään mikroelektroniikassa lämmön poistamiseen mikropiireistä. Ja myös tätä ominaisuutta käytetään erityisissä laitteissa, joiden avulla voit erottaa oikean timantin väärennöksestä.

Joissakin teollisissa prosesseissa lämmönsiirtokykyä pyritään lisäämään, mikä saavutetaan joko hyvillä johtimilla tai lisäämällä rakenteen komponenttien välistä kosketuspinta-alaa. Esimerkkejä tällaisista rakenteista ovat lämmönvaihtimet ja lämmönpoistajat. Muissa tapauksissa päinvastoin he yrittävät vähentää lämmönjohtavuutta, joka saavutetaan käyttämällä lämmöneristeitä, rakenteiden tyhjiä tiloja ja elementtien kosketuspinta-alan pienentymistä.

Terästen lämmönsiirtokertoimet

Terästen lämmönsiirtokyky riippuu kahdesta päätekijästä: koostumuksesta ja lämpötilasta.

Yksinkertaiset hiiliteräkset, joiden hiilipitoisuus kasvaa, vähentävät ominaispainoaan, minkä mukaan myös niiden kyky siirtää lämpöä laskee 54:stä 36 W / (m * K) teräksen hiiliprosentin muuttuessa 0,5:stä 1,5 prosenttiin. .

Ruostumattomat teräkset sisältävät kromia (10 % tai enemmän), joka yhdessä hiilen kanssa muodostaa monimutkaisia ​​karbideja, jotka estävät materiaalin hapettumisen ja lisäävät myös metallin elektrodipotentiaalia. Ruostumattoman teräksen lämmönjohtavuus on alhainen muihin teräksiin verrattuna ja vaihtelee 15-30 W / (m * K) sen koostumuksesta riippuen. Lämmönkestävällä kromi-nikkeliteräksellä on vielä alhaisemmat tämän kertoimen arvot (11-19 W / (m * K).

Toinen luokka ovat galvanoidut teräkset, joiden ominaispaino on 7 850 kg/m3 ja jotka saadaan pinnoittamalla terästä raudalla ja sinkillä. Koska sinkki johtaa lämpöä helpommin kuin rauta, galvanoidun teräksen lämmönjohtavuus on suhteellisen korkea muihin teräslajeihin verrattuna. Se vaihtelee välillä 47 - 58 W / (m * K).

Teräksen lämmönjohtavuus klo erilaisia ​​lämpötiloja ei yleensä muutu paljon. Esimerkiksi teräksen 20 lämmönjohtavuuskerroin laskee 86:sta 30 W / (m * K) lämpötilan noustessa huoneenlämpötilasta 1200 ° C: een ja teräslaadun 08X13 lämpötilan nousu 100 - 900 ° C. C ei muuta lämmönjohtavuuskerrointaan (27-28 W/(m*K).

Fyysiseen määrään vaikuttavat tekijät

Kyky johtaa lämpöä riippuu useista tekijöistä, mukaan lukien aineen lämpötila, rakenne ja sähköiset ominaisuudet.

Materiaalin lämpötila

Lämpötilan vaikutus lämmönjohtamiskykyyn vaihtelee metallien ja ei-metallien osalta. Metalleissa johtavuus liittyy pääasiassa vapaisiin elektroneihin. Wiedemann-Franzin lain mukaan metallin lämmönjohtavuus on verrannollinen kelvineinä ilmaistun absoluuttisen lämpötilan ja sen sähkönjohtavuuden tuloon. Puhtaissa metalleissa sähkönjohtavuus laskee lämpötilan noustessa, joten lämmönjohtavuus pysyy suunnilleen vakiona. Seosten tapauksessa sähkönjohtavuus muuttuu vähän lämpötilan noustessa, joten seosten lämmönjohtavuus kasvaa suhteessa lämpötilaan.

Toisaalta ei-metallien lämmönsiirto liittyy pääasiassa hilavärähtelyihin ja hilafononien vaihtoon. Paitsi kristallit Korkealaatuinen ja matalat lämpötilat, fononin polku hilassa ei pienene merkittävästi klo korkeita lämpötiloja, siksi lämmönjohtavuus pysyy vakiona koko lämpötila-alueella, eli se on merkityksetön. Debye-lämpötilan alapuolella olevissa lämpötiloissa ei-metallien kyky johtaa lämpöä sekä niiden lämpökapasiteetti heikkenevät huomattavasti.

Vaihesiirtymät ja rakenne

Kun materiaali kokee ensimmäisen asteen faasisiirtymän, kuten kiinteästä aineesta nesteeksi tai nesteestä kaasuksi, sen lämmönjohtavuus voi muuttua. Silmiinpistävä esimerkki tällaisesta muutoksesta on ero tässä fysikaalisessa suuressa jäälle (2,18 W/(m*K) ja vedelle (0,90 W/(m*K).

Materiaalien kiderakenteen muutokset vaikuttavat myös lämmönjohtavuuteen, mikä selittyy saman koostumuksen aineen erilaisten allotrooppisten modifikaatioiden anisotrooppisilla ominaisuuksilla. Anisotropia vaikuttaa hilafononien, tärkeimpien ei-metallien lämmönkantajien ja eri suuntiin kiteen sironnan voimakkuuteen. Tässä loistava esimerkki on safiiri, jonka johtavuus vaihtelee suunnasta riippuen välillä 32-35 W / (m * K).

sähkönjohtavuus

Metallien lämmönjohtavuus muuttuu sähkönjohtavuuden mukana Wiedemann-Franzin lain mukaan. Tämä johtuu siitä, että valenssielektronit, jotka liikkuvat vapaasti metallin kidehilaa pitkin, kuljettavat paitsi sähköä myös lämpöenergiaa. Muilla materiaaleilla näiden johtavuustyyppien välinen korrelaatio ei ole selvä, koska elektronisen komponentin osuus lämmönjohtavuudesta on merkityksetön (ei-metalleissa hilafononit ovat pääroolissa lämmönsiirtomekanismissa).

konvektioprosessi

Ilma ja muut kaasut ovat yleensä hyviä lämmöneristeitä ilman konvektiota. Tämä periaate perustuu monien lämmöneristysmateriaalien työhön suuri määrä pieniä aukkoja ja huokosia. Tämä rakenne ei salli konvektion leviämistä pitkiä matkoja. Esimerkkejä tällaisista keinotekoisista materiaaleista ovat polystyreeni ja silisidi-airgeeli. Luonnossa sellaiset lämmöneristeet kuin eläinten iho ja lintujen höyhenpeite toimivat samalla periaatteella.

Kevyillä kaasuilla, kuten vedyllä ja geelillä, on korkeat lämmönjohtavuusarvot, kun taas raskaat kaasut, kuten argon, ksenon ja radon, ovat huonoja lämmönjohtimia. Esimerkiksi argonia, inerttiä kaasua, joka on ilmaa raskaampaa, käytetään usein eristävänä kaasun täyteaineena kaksoisikkunoissa ja hehkulampuissa. Poikkeuksena on rikkiheksafluoridi (SF6), joka on raskas kaasu ja jolla on suhteellisen korkea lämmönjohtavuus korkean lämpökapasiteetin ansiosta.