Metāli ir vielas, kurām ir kristāliska struktūra. Sildot, tie spēj izkausēt, tas ir, nonākt šķidrā stāvoklī. Dažām no tām ir zema kušanas temperatūra: tās var izkausēt, ieliekot parastā karotē un turot virs sveces liesmas. Tie ir svins un alva. Citus var izkausēt tikai īpašās krāsnīs. Varš un dzelzs ir augsti. Lai to pazeminātu, metālā tiek ievadītas piedevas. Iegūto sakausējumu (tērauda, ​​bronzas, čuguna, misiņa) kušanas temperatūra ir zemāka nekā oriģinālajam metālam.

No kā ir atkarīga metālu kušanas temperatūra? Visiem tiem ir noteiktas īpašības - metālu siltumietilpība un siltumvadītspēja. Siltuma jauda ir spēja absorbēt siltumu sildot. Tā skaitliskais rādītājs ir īpatnējā siltuma jauda. Tas attiecas uz enerģijas daudzumu, ko var absorbēt metāla masas vienība, uzkarsēta par 1 ° C. Degvielas patēriņš metāla sagataves sildīšanai līdz vēlamo temperatūru. Lielākajai daļai metālu siltumietilpība ir robežās no 300-400 J / (kg * K), metālu sakausējumiem - 100-2000 J / (kg * K).

Metālu siltumvadītspēja ir siltuma pārnešana no karstākām daļiņām uz aukstākām saskaņā ar Furjē likumu ar to makroskopisko nekustīgumu. Tas ir atkarīgs no materiāla struktūras, ķīmiskā sastāva un starpatomu saites veida. Metālos siltuma pārnesi veic elektroni, citos cietie materiāli- fononi. Jo augstāka ir metālu siltumvadītspēja, jo perfektāka ir to kristāliskā struktūra. Jo vairāk metālā ir piemaisījumu, jo vairāk deformēts kristāliskais režģis un zemāka siltuma vadītspēja. Dopings rada šādus kropļojumus metālu struktūrā un samazina siltumvadītspēju attiecībā pret parasto metālu.

Visiem metāliem ir laba siltumvadītspēja, bet daži ir augstāki nekā citi. Šādu metālu piemērs ir zelts, varš, sudrabs. Zemāka siltumvadītspēja - alvā, alumīnijā, dzelzē. Paaugstināta metālu siltumvadītspēja ir priekšrocība vai trūkums atkarībā no to izmantošanas jomas. Piemēram, metāla traukiem ir nepieciešams ātri uzsildīt ēdienu. Tajā pašā laikā metālu ar augstu siltumvadītspēju izmantošana virtuves trauku rokturu ražošanā apgrūtina lietošanu - rokturi pārāk ātri uzsilst, un tiem nav iespējams pieskarties. Tāpēc šeit tiek izmantoti siltumizolācijas materiāli.

Vēl viena metāla īpašība, kas ietekmē tā īpašības, ir termiskā izplešanās. Tas izskatās pēc metāla tilpuma palielināšanās, kad tas tiek uzkarsēts, un samazinājums - kad tas tiek atdzesēts. Šī parādība ir jāņem vērā metāla izstrādājumu ražošanā. Tā, piemēram, katlu vākus taisa virs galvas, arī tējkannām ir atstarpe starp vāku un korpusu, lai karsējot vāks neiestrēgtu.

Katram metālam tiek aprēķināts koeficients To nosaka karsējot par 1 ° C prototips, kura garums ir 1 m. Svinam, cinkam un alvai ir vislielākais koeficients. Tas ir mazāks vara un sudraba krāsā. Vēl zemāk - dzelzs un zelts.

Pēc ķīmiskajām īpašībām metālus iedala vairākās grupās. Ir aktīvi metāli (piemēram, kālijs vai nātrijs), kas var uzreiz reaģēt ar gaisu vai ūdeni. Seši aktīvākie metāli, kas veido periodiskās tabulas pirmo grupu, tiek saukti par sārmainiem. Tiem ir zema kušanas temperatūra un tie ir tik mīksti, ka tos var sagriezt ar nazi. Savienojot ar ūdeni, tie veidojas sārmaini šķīdumi tāpēc viņu nosaukums.

Otro grupu veido sārmzemju metāli - kalcijs, magnijs uc Tie ir daļa no daudziem minerāliem, cietāki un ugunsizturīgāki. Sekojošās, trešās un ceturtās grupas metālu piemēri ir svins un alumīnijs. Tie ir diezgan mīksti metāli un bieži tiek izmantoti sakausējumos. Pārejas metāli (dzelzs, hroms, niķelis, varš, zelts, sudrabs) ir mazāk aktīvi, kaļamāki un bieži tiek izmantoti rūpniecībā sakausējumu veidā.

Katra metāla pozīcija aktivitāšu sērijā raksturo tā spēju reaģēt. Kā aktīvāks metāls jo vieglāk tas uzņem skābekli. Tos ir ļoti grūti izolēt no savienojumiem, savukārt neaktīvos var atrast tīrā veidā. Aktīvākie no tiem - kālijs un nātrijs - tiek uzglabāti petrolejā, ārpus tā tie nekavējoties tiek oksidēti. No rūpniecībā izmantotajiem metāliem varš ir vismazāk aktīvs. To izmanto, lai izgatavotu tvertnes un caurules karsts ūdens un elektrības vadi.

Ievads

Metālu siltumvadītspējas noteikšanai ir svarīga loma dažās jomās, piemēram, metalurģijā, radiotehnikā, mašīnbūvē un celtniecībā. Šobrīd ir daudz dažādu metožu, ar kurām iespējams noteikt metālu siltumvadītspēju.

Šis darbs ir veltīts metālu galvenās īpašības - siltumvadītspējas - izpētei, kā arī siltumvadītspējas izpētes metožu izpētei.

Pētījuma objekts ir metālu siltumvadītspēja, kā arī dažādas metodes laboratorijas pētījumi.

Pētījuma priekšmets ir metālu siltumvadītspējas koeficienti.

Plānotais rezultāts – inscenējums laboratorijas darbi"Metālu siltumvadītspējas noteikšana" pēc kalorimetriskās metodes.

Lai sasniegtu šo mērķi, ir jāatrisina šādi uzdevumi:

Metālu siltumvadītspējas teorijas izpēte;

Siltumvadītspējas koeficienta noteikšanas metožu izpēte;

Laboratorijas aprīkojuma izvēle;

Metālu siltumvadītspējas eksperimentālā noteikšana;

Laboratorijas darba izziņa "Metālu siltumvadītspējas noteikšana."

Darbs sastāv no trīs nodaļas kurā atklāti uzdotie uzdevumi.

Metālu siltumvadītspēja

Furjē likums

Siltumvadītspēja ir molekulārā siltuma pārnese starp tieši saskarē esošajiem ķermeņiem vai viena un tā paša ķermeņa daļiņām ar dažādu temperatūru, pie kuras notiek strukturālo daļiņu (molekulu, atomu, brīvo elektronu) kustības enerģijas apmaiņa.

Siltumvadītspēju nosaka ķermeņa mikrodaļiņu siltuma kustība.

Siltuma pārneses pamatlikums pēc siltumvadītspējas ir Furjē likums. Saskaņā ar šo likumu siltuma daudzums dQ, kas tiek nodots ar siltuma vadīšanu caur virsmas elementu dF, perpendikulāri siltuma plūsmai, laikā df ir tieši proporcionāls temperatūras gradientam, virsmai dF un laikam df.

Proporcionalitātes koeficientu l sauc par siltumvadītspējas koeficientu. Siltumvadītspējas koeficients ir vielas termofizikālais raksturlielums, tas raksturo vielas spēju vadīt siltumu.

Mīnusa zīme formulā (1) norāda, ka siltums tiek nodots temperatūras pazemināšanās virzienā.

Siltuma daudzumu, kas laika vienībā izgājis caur izotermiskas virsmas vienību, sauc par siltuma plūsmu:

Furjē likums ir piemērojams gāzu, šķidrumu un cietvielu siltumvadītspējas raksturošanai, atšķirība būs tikai siltumvadītspējas koeficientos.

Metālu siltumvadītspējas koeficients un tā atkarība no vielas stāvokļa parametriem

Siltumvadītspējas koeficients ir vielas termofizikālais raksturlielums, tas raksturo vielas spēju vadīt siltumu.

Siltumvadītspējas koeficients - siltuma daudzums, kas laika vienībā iziet caur vienu laukumu, perpendikulāri grad t.

Dažādām vielām siltumvadītspējas koeficients ir atšķirīgs un atkarīgs no struktūras, blīvuma, mitruma, spiediena un temperatūras. Šie apstākļi ir jāņem vērā, izmantojot uzmeklēšanas tabulas.

Vislielākā vērtība ir metālu siltumvadītspējas koeficients, kuram. Siltumvadošākais metāls ir sudrabs, kam seko tīrs varš, zelts, alumīnijs utt. Lielākajai daļai metālu temperatūras paaugstināšanās noved pie siltuma vadītspējas samazināšanās. Šo atkarību var tuvināt ar taisnās līnijas vienādojumu

šeit l, l0 - attiecīgi siltumvadītspējas koeficienti noteiktā temperatūrā t un pie 00C, in - temperatūras koeficients. Metālu siltumvadītspēja ir ļoti jutīga pret piemaisījumiem.

Piemēram, ja varā parādās pat arsēna pēdas, tā siltumvadītspēja samazinās no 395 līdz 142; tēraudam pie 0,1% oglekļa l \u003d 52, pie 1,0% - l \u003d 40, pie 1,5% oglekļa l \u003d 36.

Termiskā apstrāde ietekmē arī siltumvadītspēju. Tātad rūdītam oglekļa tēraudam l ir par 10–25% zemāks nekā mīkstam tēraudam. Šo iemeslu dēļ komerciālo metālu paraugu siltumvadītspējas koeficienti vienādās temperatūrās var ievērojami atšķirties. Jāatzīmē, ka sakausējumiem, atšķirībā no tīriem metāliem, ir raksturīgs siltumvadītspējas koeficienta pieaugums, palielinoties temperatūrai. Diemžēl vēl nav izdevies noteikt vispārējus kvantitatīvus modeļus, kas regulē sakausējumu siltumvadītspējas koeficientu.

Būvmateriālu un siltumizolācijas materiālu - dielektriķu siltumvadītspējas koeficienta vērtība ir daudzkārt mazāka nekā metāliem un ir 0,02 - 3,0. Lielākajai daļai no tiem (izņēmums ir magnezīta ķieģelis) siltumvadītspējas koeficients palielinās, palielinoties temperatūrai. Šajā gadījumā var izmantot vienādojumu (3), paturot prātā, ka cietām vielām - dielektriķi v>0.

Daudziem celtniecības un siltumizolācijas materiāliem ir poraina struktūra (ķieģelis, betons, azbests, izdedži utt.). Tiem un pulverveida materiāliem siltumvadītspējas koeficients būtiski ir atkarīgs no tilpuma blīvuma. Tas ir saistīts ar faktu, ka, palielinoties porainībai, Lielākā daļa tilpums ir piepildīts ar gaisu, kura siltumvadītspējas koeficients ir ļoti zems. Tomēr, jo augstāka ir porainība, jo mazāks ir materiāla tilpuma blīvums. Tādējādi materiāla tilpuma blīvuma, ceteris paribus, samazināšanās noved pie l samazināšanās.

Piemēram, azbesta tilpummasas samazināšanās no 800 kg/m līdz 400 kg/m rada samazinājumu no 0,248 līdz 0,105. Mitruma ietekme ir ļoti augsta. Piemēram, sausam ķieģelim l \u003d 0,35, šķidram 0,6 un slapjam ķieģelim l \u003d 1,0.

Šīm parādībām ir jāpievērš uzmanība, nosakot un veicot tehniskos aprēķinus siltumvadītspējai. Pilināmo šķidrumu siltumvadītspējas koeficients ir robežās no 0,08 - 0,7. Tajā pašā laikā lielākajai daļai šķidrumu siltumvadītspējas koeficients samazinās, palielinoties temperatūrai. Izņēmums ir ūdens un glicerīns.

Gāzu siltumvadītspējas koeficients ir vēl mazāks.

Gāzu siltumvadītspēja palielinās, palielinoties temperatūrai. 20 mm Hg robežās. līdz 2000 at (bārs), t.i. jomā, ar kuru visbiežāk saskaras praksē, l nav atkarīgs no spiediena. Jāpatur prātā, ka gāzu maisījumam (dūmgāzes, termisko krāšņu atmosfēra utt.) siltumvadītspējas koeficientu nav iespējams noteikt ar aprēķinu palīdzību. Tāpēc, ja nav atsauces datu, ticamu l vērtību var atrast tikai empīriski.

Ar vērtību l< 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Siltumvadītspējas problēmu risināšanai ir nepieciešama informācija par dažām vielas makroskopiskām īpašībām (termofizikālajiem parametriem): siltumvadītspējas koeficientu, blīvumu, īpašs karstums.

Metālu siltumvadītspējas skaidrojums

Metālu siltumvadītspēja ir ļoti augsta. Tas netiek samazināts līdz režģa siltumvadītspējai, tāpēc šeit jādarbojas citam siltuma pārneses mehānismam. Izrādās, ka tīros metālos siltumvadītspēja gandrīz pilnībā tiek veikta elektronu gāzes dēļ, un tikai ļoti piesārņotos metālos un sakausējumos, kur vadītspēja ir zema, režģa siltumvadītspējas devums izrādās nozīmīgs.

Materiāla siltumvadītspējas skaitlisko raksturlielumu var noteikt pēc siltuma daudzuma, kas iet caur noteikta biezuma materiālu noteikts laiks. Skaitliskais raksturlielums ir svarīgs, aprēķinot dažādu profila izstrādājumu siltumvadītspēju.

Dažādu metālu siltumvadītspējas koeficienti

Siltuma vadīšanai nepieciešama tieša fiziskais kontakts veikta starp diviem ķermeņiem. Tas nozīmē, ka siltuma pārnese ir iespējama tikai starp cietām vielām un nekustīgiem šķidrumiem. Tiešais kontakts ļauj kinētiskajai enerģijai pāriet no siltākās vielas molekulām uz aukstāko. Siltuma apmaiņa notiek, kad dažādas temperatūras ķermeņi ir tiešā saskarē viens ar otru.

Šeit vajadzētu pievērst uzmanību tam, ka siltā ķermeņa molekulas nevar iekļūt aukstā ķermenī. Notiek tikai kinētiskās enerģijas pārnešana, kas nodrošina vienmērīgu siltuma sadalījumu. Šī enerģijas pārnešana turpināsies, līdz saskarē esošie ķermeņi kļūst vienmērīgi silti. Šajā gadījumā tiek sasniegts termiskais līdzsvars. Pamatojoties uz šīm zināšanām, var aprēķināt, kāds izolācijas materiāls ir nepieciešams ēkas siltumizolācijai.

Vara augstā siltumvadītspēja kopā ar citām ievērojamām īpašībām ir ierādījusi šim metālam nozīmīgu vietu cilvēces civilizācijas attīstības vēsturē. Izstrādājumi no vara un tā sakausējumiem tiek izmantoti gandrīz visās mūsu dzīves jomās.

1

Siltumvadītspēja ir process, kurā vairāk apsildāmu ķermeņa daļu daļiņu (elektronu, atomu, molekulu) enerģija tiek pārnesta uz mazāk apsildāmu daļu daļiņām. Šī siltuma apmaiņa noved pie temperatūras izlīdzināšanas. Pa ķermeni tiek pārnesta tikai enerģija, matērija nekustas. Siltuma vadīšanas spējas raksturojums ir siltumvadītspējas koeficients, kas skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, kas 1 sekundē iziet cauri materiālam, kura laukums ir 1 m 2, biezums 1 m, 1 sekundē pie vienības temperatūras. gradients.

Vara siltumvadītspējas koeficients 20–100 °C temperatūrā ir 394 W/(m * K) - tikai sudrabs ir augstāks. zemāks par varu šajā rādītājā gandrīz 9 reizes, bet dzelzs - par 6. Dažādiem piemaisījumiem ir atšķirīga ietekme uz fizikālās īpašības metāli. Izmantojot varu, siltuma pārneses ātrums tiek samazināts, ja to pievieno materiālam vai tā rezultātā tiek uzņemts tehnoloģiskais process tādas vielas kā:

• alumīnijs;
• dzelzs;
• skābeklis;
• arsēns;
• antimons;
• sērs;
• selēns;
• fosfors.

Augstu siltumvadītspēju raksturo strauja apkures enerģijas izplatīšanās visā objekta tilpumā. Šī spēja nodrošināja varu plašs pielietojums jebkurā siltummaiņas sistēmās. To izmanto ledusskapju, gaisa kondicionieru, vakuuma bloku, automašīnu cauruļu un radiatoru ražošanā, lai noņemtu lieko siltumu no dzesēšanas šķidruma. Sildierīcēs šādus vara izstrādājumus izmanto apkurei.

Vara spēja vadīt siltumu samazinās, kad tas uzsilst. Vara siltumvadītspējas koeficienta vērtība gaisā ir atkarīga no pēdējās temperatūras, kas ietekmē siltuma pārnesi (dzesēšanu). Jo augstāka temperatūra vide, jo lēnāk metāls atdziest un jo zemāka tā siltumvadītspēja. Tāpēc visos siltummaiņos tiek izmantota piespiedu gaisa plūsma ar ventilatoru - tas palielina ierīču efektivitāti un vienlaikus saglabā siltumvadītspēju optimālā līmenī.

2

Alumīnija un vara siltumvadītspēja ir atšķirīga - pirmajā tā ir mazāka nekā otrajā, 1,5 reizes. Alumīnijam šis parametrs ir 202–236 W / (m * K) un ir diezgan augsts salīdzinājumā ar citiem metāliem, bet zemāks par zelta, vara un sudraba līmeni. Alumīnija un vara apjoms, kur nepieciešama augsta siltumvadītspēja, ir atkarīga no vairākām citām šo materiālu īpašībām.

Alumīnijs pretkorozijas īpašību ziņā nav zemāks par varu un ir pārāks šādos rādītājos:

• alumīnija blīvums (īpatnējais svars) ir 3 reizes mazāks;
• izmaksas ir 3,5 reizes zemākas.

Līdzīgs izstrādājums, bet izgatavots no alumīnija, ir daudz vieglāks par varu. Tā kā metāla svars prasa 3 reizes mazāk, un tā cena ir 3,5 reizes zemāka, alumīnija daļa var būt aptuveni 10 reizes lētāka. Pateicoties tam un augstajai siltumvadītspējai, alumīnijs ir atradis plašu pielietojumu trauku, cepeškrāsns pārtikas folijas ražošanā. Tā kā šis metāls ir mīksts, tas netiek izmantots tīrā veidā - tā sakausējumi galvenokārt ir izplatīti (slavenākais ir duralumīns).

Dažādos siltummaiņos galvenais ir liekās enerģijas atgriešanas vidē ātrums. Šī problēma tiek atrisināta, intensīvi pūšot radiatoru ar ventilatora palīdzību. Tajā pašā laikā alumīnija zemākā siltumvadītspēja praktiski neietekmē dzesēšanas kvalitāti, un iekārtas un ierīces ir daudz vieglākas un lētākas (piemēram, datoru un Ierīces). AT pēdējie laiki ražošanā ir bijusi tendence gaisa kondicionēšanas sistēmās vara caurules aizstāt ar alumīnija caurulēm.

Varš ir praktiski neaizstājams radio industrijā, elektronikā kā vadošs materiāls. Pateicoties augstajai elastībai, no tā var izvilkt vadus līdz 0,005 mm diametrā un izveidot citus ļoti plānus vadošus savienojumus, ko izmanto elektroniskām ierīcēm. Augstāka vadītspēja nekā alumīnijam nodrošina minimālus zudumus un mazāku radioelementu sildīšanu. Siltumvadītspēja ļauj efektīvi noņemt darbības laikā radušos siltumu uz ierīču ārējiem elementiem - korpusu, barošanas kontaktiem (piemēram, mikroshēmām, moderniem mikroprocesoriem).

Vara veidnes tiek izmantotas metināšanā, kad uz tērauda detaļas nepieciešams izveidot vajadzīgās formas segumu. Augsta siltumvadītspēja neļaus vara veidnei savienoties ar metināto metālu. Šādos gadījumos alumīniju nevar izmantot, jo tas var izkust vai izdegt. Varš tiek izmantots arī oglekļa loka metināšanā - šī materiāla stienis kalpo kā nepatērējams katods.

3

Zema siltumvadītspēja daudzos gadījumos ir vēlama īpašība - tas ir siltumizolācijas pamats. Vara cauruļu izmantošana apkures sistēmās rada daudz lielākus siltuma zudumus nekā tad, ja tiek izmantoti cauruļvadi un elektroinstalācijas no citiem materiāliem. Vara cauruļvadiem nepieciešama rūpīgāka siltumizolācija.

Vara ir augsta siltumvadītspēja, kas izraisa pietiekamu grūts process uzstādīšana un citi darbi, kuriem ir sava specifika. Metināšanai, lodēšanai, vara griešanai ir nepieciešama vairāk koncentrēta karsēšana nekā tēraudam, un bieži vien metāla priekšsildīšana un vienlaicīga karsēšana.

Metinot varu ar gāzi, ir jāizmanto lāpas, kuru jauda ir par 1-2 skaitļiem lielāka nekā tāda paša biezuma tērauda daļām. Ja varš ir biezāks par 8-10 mm, ieteicams strādāt ar diviem vai pat trim degļiem (bieži vien metināšanu veic ar vienu, bet pārējos karsē). Metināšanas darbus pie maiņstrāvas ar elektrodiem pavada pastiprināta metāla šļakatas. Griezējs, kas spēj griezt 300 mm tēraudu ar augstu hroma saturu, ir piemērots misiņa, bronzas (vara sakausējumu) griešanai līdz 150 mm un tīra vara griešanai līdz 50 mm. Visi darbi ir saistīti ar ievērojami lielākām izmaksām par palīgmateriāliem.

4

Varš ir viena no galvenajām elektronikas sastāvdaļām un tiek izmantota visās mikroshēmās. Tas noņem un izkliedē siltumu, kas rodas strāvas pārejas laikā. Datoru ātruma ierobežojums ir saistīts ar procesora un citu ķēdes elementu sildīšanas palielināšanos, palielinoties pulksteņa frekvence. Sadalīšana vairākos kodolos, kas darbojas vienlaicīgi, un citi veidi, kā tikt galā ar pārkaršanu, ir sevi izsmēluši. Šobrīd notiek izstrāde, kuras mērķis ir iegūt vadītājus ar augstāku elektrisko un siltumvadītspēju.

Nesen zinātnieku atklātais grafēns var ievērojami palielināt vara vadītāju siltumvadītspēju un to spēju izkliedēt siltumu. Eksperimenta laikā vara slānis no visām pusēm tika pārklāts ar grafēnu. Tas uzlaboja vadītāja siltuma pārnesi par 25%. Kā skaidroja zinātnieki, jaunā viela maina siltuma pārneses struktūru un ļauj enerģijai brīvāk kustēties metālā. Izgudrojums tiek izstrādāts - eksperimentā daudz tika izmantots vara vadītājs lieli izmēri nekā procesorā.

- pirmais pēc nozīmes un izplatības strukturālais materiāls. Tas ir zināms kopš seniem laikiem, un tā īpašības ir tādas, ka tad, kad dzelzi iemācījās kausēt ievērojamos daudzumos, metāls aizstāja visus pārējos sakausējumus. Dzelzs laikmets ir pienācis un, spriežot pēc, šis laiks drīz nebeigsies. Šis raksts jums pateiks, kāds ir dzelzs īpatnējais svars, kāda ir tā kušanas temperatūra tīrā veidā.

Dzelzs ir tipisks metāls un ķīmiski aktīvs. Viela reaģē ar normāla temperatūra, un karsēšana vai mitruma palielināšana būtiski palielina tā reaktivitāti. Dzelzs korodē gaisā, deg tīra skābekļa atmosfērā, un smalku putekļu veidā tā var arī aizdegties gaisā.

Tīrs dzelzs ir kaļams, taču šādā formā metāls ir ļoti reti sastopams. Patiesībā dzelzs ir sakausējums ar nelielām piemaisījumu proporcijām - līdz 0,8%, kam raksturīgs tīras vielas maigums un kaļamība. Nozīme priekš Tautsaimniecība ir sakausējumi ar oglekli - tērauds, čuguns, nerūsējošais tērauds.

Polimorfisms ir raksturīgs dzelzs: ir pat 4 modifikācijas, kas atšķiras pēc struktūras un režģa parametriem:

• α-Fe - pastāv no nulles līdz +769 C. Tam ir uz ķermeni centrēts kubiskais režģis un tas ir feromagnēts, tas ir, saglabā magnetizāciju, ja nav ārēja magnētiskais lauks. +769 С – Kirī punkti metālam;
• no +769 līdz +917 C parādās β-Fe. Tas atšķiras no α-fāzes tikai režģa parametros. Šajā gadījumā tiek saglabātas gandrīz visas fizikālās īpašības, izņemot magnētiskās: dzelzs kļūst paramagnētisks, tas ir, zaudē spēju magnetizēties un tiek ievilkts magnētiskajā laukā. Metāla zinātne β-fāzi neuzskata par atsevišķu modifikāciju. Tā kā pāreja būtiski neietekmē fiziskās īpašības;
• diapazonā no 917 līdz 1394 C ir γ modifikācija, kurai raksturīgs seju centrēts kubiskais režģis;
• temperatūrā virs +1394 C parādās δ fāze, kurai raksturīgs ķermenis centrēts kubiskais režģis.

Plkst augstspiediena, un arī tad, kad metāls tiek leģēts ar dažām piedevām, veidojas ε fāze ar sešstūrainu cieši saspiestu režģi.

Fāzu pāreju temperatūra manāmi mainās, ja dopings ar to pašu oglekli. Faktiski pati dzelzs spēja veidot tik daudz modifikāciju kalpo par pamatu tērauda apstrādei dažādās temperatūras apstākļi. Bez šādām pārejām metāls nebūtu kļuvis tik plaši izplatīts.

Tagad pienākusi kārta dzelzs metāla īpašībām.

Šis video stāsta par dzelzs struktūru:

Metāla īpašības un īpašības

Dzelzs ir diezgan viegls, vidēji ugunsizturīgs metāls, sudrabaini pelēkā krāsā. Tas viegli reaģē ar atšķaidītām skābēm un tāpēc tiek uzskatīts par vidējas aktivitātes elementu. Sausā gaisā metāls pakāpeniski tiek pārklāts ar oksīda plēvi, kas novērš turpmāku reakciju.

Bet pie mazākā mitruma plēves vietā parādās rūsa - irdena un neviendabīga sastāvā. Rūsa nenovērš turpmāku dzelzs koroziju. Tomēr metāla un, pats galvenais, tā sakausējumu ar oglekli fizikālās īpašības ir tādas, ka, neskatoties uz zemo izturību pret koroziju, dzelzs izmantošana ir vairāk nekā pamatota.

Masa un blīvums

Dzelzs molekulmasa ir 55,8, kas norāda uz vielas relatīvo vieglumu. Kāds ir dzelzs blīvums? Šo indikatoru nosaka fāzes modifikācija:

• α-Fe - 7,87 g / kub. cm 20 C temperatūrā un 7,67 g / kub. cm pie 600 C;
• γ-fāze izceļas ar vēl mazāku blīvumu - 7,59 g / cc pie 1000C;
• δ-fāzes blīvums ir 7,409 g/cm3.

Paaugstinoties temperatūrai, dzelzs blīvums dabiski samazinās.

Un tagad noskaidrosim, kāda ir dzelzs kušanas temperatūra pēc Celsija, salīdzinot to, piemēram, ar čugunu vai čugunu.

Temperatūras diapazons

Metāls tiek klasificēts kā vidēji ugunsizturīgs, kas nozīmē salīdzinoši zemu agregācijas stāvokļa izmaiņu temperatūru:

• kušanas temperatūra - 1539 C;
• viršanas temperatūra - 2862 C;
• Kirī temperatūra, tas ir, magnetizācijas spējas zudums - 719 C.

Jāpatur prātā, ka, runājot par kušanas vai viršanas temperatūru, tie attiecas uz vielas δ fāzi.

Šis video pastāstīs par fizisko un ķīmiskās īpašības dziedzeris:

Mehāniskās īpašības

Dzelzs un tā sakausējumi ir tik izplatīti, ka, lai gan tos sāka lietot vēlāk nekā, piemēram, un, tie kļuva par sava veida standartu. Salīdzinot metālus, tie norāda uz dzelzi: stiprāks par tēraudu, 2 reizes mīkstāks par dzelzi utt.

Raksturlielumi ir doti metālam, kas satur nelielu daudzumu piemaisījumu:

• cietība pēc Mosa skalas - 4–5;
• Brinela cietība - 350-450 Mn / kv. m. Turklāt ķīmiski tīram dzelzs ir augstāka cietība - 588–686;

Stiprības rādītāji ir ļoti atkarīgi no piemaisījumu daudzuma un rakstura. Šo vērtību regulē GOST katrai sakausējuma vai tīra metāla markai. Tādējādi neleģētā tērauda maksimālā spiedes izturība ir 400–550 MPa. Cietinot šo šķiru, stiepes izturība palielinās līdz 700 MPa.

• metāla triecienizturība ir 300 MN/kvm;
• tecēšanas robeža –100 MN/kv. m.

Tālāk uzzināsim, kas nepieciešams dzelzs īpatnējās siltumietilpības noteikšanai.

Siltuma jauda un siltumvadītspēja

Tāpat kā jebkurš metāls, dzelzs vada siltumu, lai gan tā veiktspēja šajā jomā ir zema: siltumvadītspējas ziņā metāls ir zemāks par alumīniju - 2 reizes mazāk un - 5 reizes.

Siltumvadītspēja 25°C temperatūrā ir 74,04 W/(m·K). Vērtība ir atkarīga no temperatūras;

• pie 100 K siltumvadītspēja ir 132 [W/(m.K)];
• pie 300 K - 80,3 [W / (m.K)];
• pie 400 - 69,4 [W / (m.K)];
• un pie 1500 - 31,8 [W / (m.K)].

• Termiskās izplešanās koeficients 20 C temperatūrā ir 11,7 10-6.
• Metāla siltumietilpību nosaka tā fāzes struktūra, un tā ir diezgan sarežģīti atkarīga no temperatūras. Palielinoties līdz 250 C, siltumietilpība lēnām palielinās, pēc tam strauji palielinās, līdz tiek sasniegts Kirī punkts, un pēc tam sāk samazināties.
• Īpatnējā siltumietilpība temperatūras diapazonā no 0 līdz 1000C ir 640,57 J/(kg K).

Elektrovadītspēja

Dzelzs vada strāvu, bet ne tik labi kā varš un sudrabs. Metāla īpatnējā elektriskā pretestība plkst normāli apstākļi– 9,7 10-8 omi m.

Tā kā dzelzs ir feromagnēts, tā veiktspēja šajā jomā ir nozīmīgāka:

• piesātinājuma magnētiskā indukcija ir 2,18 T;
• magnētiskā caurlaidība - 1.45.106.

Toksicitāte

Metāls nerada briesmas cilvēka ķermenim. tērauds un dzelzs izstrādājumu ražošana var būt bīstami, bet tikai augstās temperatūras un to piedevu dēļ, kuras tiek izmantotas dažādu sakausējumu ražošanā. Dzelzs atkritumi – metāllūžņi, rada bīstamību videi, taču diezgan mēreni, jo metāls gaisā rūsē.

Dzelzs nepiemīt bioloģiskās inerces, tāpēc to neizmanto kā materiālu protezēšanai. Tomēr iekšā cilvēka ķermenisšim elementam ir viena no svarīgākajām lomām: dzelzs uzsūkšanās pārkāpums vai tā nepietiekams daudzums uzturā labākajā gadījumā garantē anēmiju.

Dzelzs uzsūcas ar lielām grūtībām – 5-10% no kopējā organismam piegādātā daudzuma vai 10-20%, ja tā trūkst.

• Vienkāršs ikdienas nepieciešamība dzelzs ir 10 mg vīriešiem un 20 mg sievietēm.
• Toksiskā deva ir 200 mg dienā.
• Nāvējošs - 7-35 g.Tādu dzelzs daudzumu ir gandrīz neiespējami iegūt, tāpēc saindēšanās ar dzelzi notiek ārkārtīgi reti.

Dzelzs ir metāls, kura fizikālās īpašības, jo īpaši stiprību, var būtiski mainīt mehāniskā apstrāde vai ļoti neliela daudzuma leģējošu elementu pievienošana. Šī īpašība apvienojumā ar metāla ieguves pieejamību un vieglumu padara dzelzi par vispieprasītāko konstrukcijas materiālu.

Speciālists jums pastāstīs vairāk par dzelzs īpašībām zemāk esošajā videoklipā:

Siltumvadītspēja ir fizikāls lielums, kas nosaka materiālu spēju vadīt siltumu. Citiem vārdiem sakot, siltumvadītspēja ir vielu spēja pārnest atomu un molekulu kinētisko enerģiju uz citām vielām, kas ir tiešā saskarē ar tām. SI šo vērtību mēra W/(K*m) (vati uz kelvina metru), kas ir līdzvērtīgs J/(s*m*K) (džouls sekundē Kelvina metru).

Siltumvadītspējas jēdziens

Tas ir intensīvs fizikāls lielums, tas ir, daudzums, kas raksturo vielas īpašību, kas nav atkarīga no pēdējās daudzuma. Intensīvie lielumi ir arī temperatūra, spiediens, elektrovadītspēja, tas ir, šīs īpašības ir vienādas jebkurā vienas un tās pašas vielas punktā. Vēl viena fizisko lielumu grupa ir ekstensīvi, ko nosaka vielas daudzums, piemēram, masa, tilpums, enerģija un citi.

Siltumvadītspējas pretēja vērtība ir siltuma pretestība, kas atspoguļo materiāla spēju novērst siltuma pārnesi, kas iet caur to. Izotropam materiālam, tas ir, materiālam, kura īpašības ir vienādas visos telpiskajos virzienos, siltumvadītspēja ir skalārs lielums, un to definē kā siltuma plūsmas attiecību caur laukuma vienību laika vienībā pret temperatūras gradientu. Tādējādi siltumvadītspēja viens vats uz Kelvina metru nozīmē, ka viena džoula siltumenerģija tiek pārnesta caur materiālu:

• vienā sekundē;
• caur viena kvadrātmetra platību;
• viena metra attālumā;
• kad temperatūras starpība starp materiāla virsmām, kas atrodas viena metra attālumā viena no otras, ir viens kelvins.

Ir skaidrs, ka kas lielāka vērtība siltumvadītspēja, jo labāk materiāls vada siltumu, un otrādi. Piemēram, vara šīs vērtības vērtība ir 380 W / (m * K), un šis metāls ir 10 000 reižu labāks siltuma pārnesē nekā poliuretāns, kura siltumvadītspēja ir 0,035 W / (m * K).

Siltuma pārnese molekulārā līmenī

Karsējot vielu, palielinās to veidojošo daļiņu vidējā kinētiskā enerģija, tas ir, palielinās nekārtības līmenis, atomi un molekulas sāk svārstīties intensīvāk un ar lielāku amplitūdu ap to līdzsvara pozīcijām materiālā. Siltuma pārnese, ko makroskopiskā līmenī var raksturot ar Furjē likumu, molekulārā līmenī ir apmaiņa kinētiskā enerģija starp vielas daļiņām (atomiem un molekulām), nepārvietojot pēdējo.

Šāds siltuma vadīšanas mehānisma skaidrojums molekulārā līmenī to atšķir no termiskās konvekcijas mehānisma, kurā notiek siltuma pārnešana vielas pārneses dēļ. Visi cietie ķermeņi ir spēja vadīt siltumu, savukārt termiskā konvekcija ir iespējama tikai šķidrumos un gāzēs. Patiešām, cietās vielas pārnes siltumu galvenokārt siltumvadītspējas dēļ, savukārt šķidrumi un gāzes, ja tajās ir temperatūras gradienti, pārnes siltumu galvenokārt konvekcijas procesu dēļ.

Materiālu siltumvadītspēja

Metāliem ir izteikta spēja vadīt siltumu. Polimēriem ir raksturīga zema siltumvadītspēja, un daži no tiem praktiski nevada siltumu, piemēram, stikla šķiedra, šādus materiālus sauc par siltumizolatoriem. Lai pastāvētu šī vai cita siltuma plūsma caur telpu, ir nepieciešama kādas vielas klātbūtne šajā telpā, tāpēc atklāta telpa(tukša vieta) siltumvadītspēja ir nulle.

Katram viendabīgam (viendabīgam) materiālam ir raksturīgs siltumvadītspējas koeficients (apzīmēts ar grieķu burtu lambda), tas ir, vērtība, kas nosaka, cik daudz siltuma nepieciešams nodot 1 m² platībā, lai vienā sekundē, izejot cauri viena metra materiāla biezumam, temperatūra tā galos mainās uz 1 K. Šī īpašība ir raksturīga katram materiālam un mainās atkarībā no tā temperatūras, tāpēc šo koeficientu parasti mēra istabas temperatūrā (300 K) salīdzināt dažādu vielu īpašības.

Ja materiāls ir neviendabīgs, piemēram, dzelzsbetons, tad tiek ieviests jēdziens lietderīgs siltumvadītspējas koeficients, ko mēra pēc viendabīgo vielu, kas veido šo materiālu, koeficientiem.

Tālāk esošajā tabulā parādīti dažu metālu un sakausējumu siltumvadītspējas koeficienti W / (m * K) 300 K (27 ° C) temperatūrai:

• tērauds 47-58;
• alumīnijs 237;
• varš 372,1-385,2;
• bronza 116-186;
• cinks 106-140;
• titāns 21,9;
• alva 64,0;
• svins 35,0;
• dzelzs 80,2;
• misiņš 81-116;
• zelts 308,2;
• sudrabs 406,1-418,7.

Šajā tabulā sniegti dati par nemetāliskām cietvielām:

• stikla šķiedra 0,03-0,07;
• stikls 0,6-1,0;
• azbests 0,04;
• koks 0,13;
• parafīns 0,21;
• ķieģelis 0,80;
• dimants 2300.

No aplūkotajiem datiem redzams, ka metālu siltumvadītspēja ir daudz augstāka nekā nemetāliem. Izņēmums ir dimants, kura siltuma pārneses koeficients ir piecas reizes lielāks nekā vara. Šī dimanta īpašība ir saistīta ar spēcīgajām kovalentajām saitēm starp oglekļa atomiem, kas veido tā kristāla režģi. Pateicoties šai īpašībai, cilvēks jūt aukstumu, pieskaroties dimantam ar lūpām. Dimanta īpašības ir labi panesamas siltumenerģija izmanto mikroelektronikā siltuma noņemšanai no mikroshēmām. Un arī šis īpašums tiek izmantots īpašās ierīcēs, kas ļauj atšķirt īstu dimantu no viltota.

Atsevišķos rūpnieciskos procesos tiek mēģināts palielināt siltuma pārneses spēju, kas tiek panākta vai nu ar labiem vadītājiem, vai arī palielinot saskares laukumu starp konstrukcijas sastāvdaļām. Šādu konstrukciju piemēri ir siltummaiņi un siltuma izkliedētāji. Citos gadījumos, gluži pretēji, viņi cenšas samazināt siltumvadītspēju, kas tiek panākta, izmantojot siltumizolatorus, tukšumus konstrukcijās un elementu saskares laukuma samazināšanos.

Tēraudu siltuma pārneses koeficienti

Siltuma pārneses spēja tēraudiem ir atkarīga no diviem galvenajiem faktoriem: sastāva un temperatūras.

Vienkārši oglekļa tēraudi ar palielinātu oglekļa saturu samazina to īpatnējo svaru, saskaņā ar kuru to spēja nodot siltumu arī samazinās no 54 līdz 36 W / (m * K), mainoties oglekļa procentuālajam daudzumam tēraudā no 0,5 līdz 1,5%. .

Nerūsējošais tērauds satur hromu (10% vai vairāk), kas kopā ar oglekli veido sarežģītus karbīdus, kas novērš materiāla oksidēšanos, kā arī palielina metāla elektrodu potenciālu. Nerūsējošā tērauda siltumvadītspēja ir zema salīdzinājumā ar citiem tēraudiem un svārstās no 15 līdz 30 W / (m * K) atkarībā no tā sastāva. Karstumizturīgajiem hroma-niķeļa tēraudiem ir vēl zemākas šī koeficienta vērtības (11-19 W / (m * K).

Vēl viena klase ir cinkotie tēraudi ar īpatnējo svaru 7850 kg/m3, ko iegūst, pārklājot tēraudu ar dzelzi un cinku. Tā kā cinks siltumu vada vieglāk nekā dzelzs, cinkota tērauda siltumvadītspēja būs salīdzinoši augsta salīdzinājumā ar citām tērauda kategorijām. Tas svārstās no 47 līdz 58 W / (m * K).

Tērauda siltumvadītspēja plkst dažādas temperatūras parasti daudz nemainās. Piemēram, tērauda 20 siltumvadītspējas koeficients samazinās no 86 līdz 30 W / (m * K), temperatūrai paaugstinoties no istabas temperatūras līdz 1200 ° C, bet tērauda markai 08X13 - temperatūras paaugstināšanās no 100 līdz 900 ° C nemaina savu siltumvadītspējas koeficientu (27-28 W/(m*K).

Faktori, kas ietekmē fizisko daudzumu

Spēja vadīt siltumu ir atkarīga no vairākiem faktoriem, tostarp no temperatūras, struktūras un vielas elektriskām īpašībām.

Materiāla temperatūra

Temperatūras ietekme uz spēju vadīt siltumu metāliem un nemetāliem atšķiras. Metālos vadītspēja galvenokārt ir saistīta ar brīvajiem elektroniem. Saskaņā ar Vīdemaņa-Franca likumu metāla siltumvadītspēja ir proporcionāla absolūtās temperatūras, kas izteikta Kelvinos, un tā elektriskās vadītspējas reizinājumam. Tīros metālos, palielinoties temperatūrai, elektrovadītspēja samazinās, tāpēc siltumvadītspēja paliek aptuveni nemainīga. Sakausējumu gadījumā, palielinoties temperatūrai, elektrovadītspēja mainās maz, tāpēc sakausējumu siltumvadītspēja palielinās proporcionāli temperatūrai.

No otras puses, siltuma pārnese nemetālos galvenokārt ir saistīta ar režģa vibrācijām un režģa fononu apmaiņu. Izņemot kristālus Augstas kvalitātes un zemas temperatūras, fonona ceļš režģī būtiski nesamazinās plkst augsta temperatūra, tāpēc siltumvadītspēja paliek nemainīga visā temperatūras diapazonā, tas ir, tā ir nenozīmīga. Temperatūrā, kas zemāka par Debye temperatūru, nemetālu spēja vadīt siltumu, kā arī to siltuma jauda ir ievērojami samazināta.

Fāžu pārejas un struktūra

Kad materiāls piedzīvo pirmās kārtas fāzes pāreju, piemēram, no cietas vielas uz šķidrumu vai no šķidruma uz gāzi, tā siltumvadītspēja var mainīties. Spilgts šādu izmaiņu piemērs ir šī fizikālā daudzuma atšķirība ledus (2,18 W/(m*K) un ūdens (0,90 W/(m*K)).

Materiālu kristāliskās struktūras izmaiņas ietekmē arī siltumvadītspēju, kas skaidrojams ar tāda paša sastāva vielas dažādu allotropo modifikāciju anizotropajām īpašībām. Anizotropija ietekmē režģa fononu, galveno siltumnesēju nemetālos un dažādos virzienos kristālā, atšķirīgo izkliedes intensitāti. Šeit spilgts piemērs ir safīrs, kura vadītspēja svārstās no 32 līdz 35 W / (m * K) atkarībā no virziena.

elektrovadītspēja

Metālu siltumvadītspēja mainās līdz ar elektrisko vadītspēju saskaņā ar Vīdemaņa-Franca likumu. Tas ir saistīts ar faktu, ka valences elektroni, brīvi pārvietojoties pa metāla kristāla režģi, nes ne tikai elektrisko, bet arī siltumenerģiju. Citiem materiāliem korelācija starp šiem vadītspējas veidiem nav izteikta, jo elektroniskās sastāvdaļas ieguldījums siltumvadītspējā ir nenozīmīgs (nemetālos siltuma pārneses mehānismā galvenā loma ir režģa fononiem).

konvekcijas process

Gaiss un citas gāzes parasti ir labi siltumizolatori, ja nav konvekcijas. Šis princips ir balstīts uz daudzu siltumizolācijas materiālu darbību, kas satur liels skaits mazi tukšumi un poras. Šī struktūra neļauj konvekcijai izplatīties lielos attālumos. Šādu mākslīgo materiālu piemēri ir polistirols un silicīda aerogels. Dabā tādi siltumizolatori kā dzīvnieku āda un putnu apspalvojums darbojas pēc tāda paša principa.

Vieglām gāzēm, piemēram, ūdeņradim un gēlam, ir augstas siltumvadītspējas vērtības, savukārt smagajām gāzēm, piemēram, argonam, ksenonam un radonam, ir slikti siltumvadītāji. Piemēram, argonu, inertu gāzi, kas ir smagāka par gaisu, bieži izmanto kā siltumizolācijas gāzes pildvielu dubultlogos un spuldzēs. Izņēmums ir sēra heksafluorīds (SF6), kas ir smaga gāze un kam ir salīdzinoši augsta siltumvadītspēja, jo tā ir augsta siltumietilpība.