Metale to substancje o strukturze krystalicznej. Po podgrzaniu są w stanie stopić się, to znaczy przejść w stan płynny. Niektóre z nich mają niską temperaturę topnienia: można je stopić, umieszczając je w zwykłej łyżce i trzymając nad płomieniem świecy. Są to ołów i cyna. Inne można topić tylko w specjalnych piecach. Miedź i żelazo są wysokie. Aby go obniżyć, do metalu wprowadzane są dodatki. Powstałe stopy (stal, brąz, żeliwo, mosiądz) mają temperaturę topnienia niższą niż oryginalny metal.

Od czego zależy temperatura topnienia metali? Wszystkie mają pewne cechy - pojemność cieplną i przewodność cieplną metali. Pojemność cieplna to zdolność do pochłaniania ciepła po podgrzaniu. Jego wskaźnikiem liczbowym jest właściwa pojemność cieplna. Odnosi się do ilości energii, którą może wchłonąć jednostka masy metalu ogrzanego o 1 ° C. Zużycie paliwa na podgrzanie kęsa metalowego do żądana temperatura. Pojemność cieplna większości metali mieści się w zakresie 300-400 J/(kg*K), stopy metali - 100-2000 J/(kg*K).

Przewodnictwo cieplne metali polega na przenoszeniu ciepła z gorętszych cząstek do zimniejszych zgodnie z prawem Fouriera z ich makroskopową bezruchem. Zależy to od struktury materiału, jego składu chemicznego oraz rodzaju wiązania międzyatomowego. W metalach przenoszenie ciepła odbywa się za pomocą elektronów, w innych twarde materiały- fonony. Przewodność cieplna metali jest tym wyższa, im doskonalsza jest ich struktura krystaliczna. Im więcej zanieczyszczeń ma metal, tym bardziej zniekształcona jest sieć krystaliczna i tym niższe przewodnictwo cieplne. Doping wprowadza takie zniekształcenia w strukturę metali i obniża przewodność cieplną w stosunku do metalu podstawowego.

Wszystkie metale mają dobrą przewodność cieplną, ale niektóre są wyższe niż inne. Przykładem takich metali jest złoto, miedź, srebro. Niższa przewodność cieplna - w cynie, aluminium, żelazie. Podwyższona przewodność cieplna metali jest zaletą lub wadą, w zależności od zakresu ich zastosowania. Na przykład konieczne jest, aby metalowe naczynia szybko podgrzały jedzenie. Jednocześnie użycie metali o wysokiej przewodności cieplnej do produkcji uchwytów naczyń kuchennych utrudnia ich użytkowanie - uchwyty nagrzewają się zbyt szybko i nie można ich dotknąć. Dlatego stosuje się tutaj materiały termoizolacyjne.

Kolejną cechą metalu, która wpływa na jego właściwości, jest rozszerzalność cieplna. Wygląda to na zwiększenie objętości metalu po podgrzaniu i zmniejszenie - po schłodzeniu. Zjawisko to należy wziąć pod uwagę przy wytwarzaniu wyrobów metalowych. Na przykład pokrywki garnków są wykonywane nad głową, czajniki mają również szczelinę między pokrywką a korpusem, aby pokrywka nie zacinała się podczas podgrzewania.

Dla każdego metalu obliczany jest współczynnik, który określa się przez ogrzewanie o 1 ° C prototyp, o długości 1 m. Największy współczynnik mają ołów, cynk i cyna. Jest mniejszy w miedzi i srebrze. Jeszcze niżej - żelazo i złoto.

Zgodnie z ich właściwościami chemicznymi metale dzielą się na kilka grup. Istnieją aktywne metale (na przykład potas lub sód), które mogą natychmiast reagować z powietrzem lub wodą. Sześć najbardziej aktywnych metali, które tworzą pierwszą grupę układu okresowego, nazywa się alkalicznymi. Mają niską temperaturę topnienia i są tak miękkie, że można je kroić nożem. W połączeniu z wodą tworzą się roztwory alkaliczne stąd ich nazwa.

Druga grupa to metale ziem alkalicznych - wapń, magnez itp. Są one częścią wielu minerałów, bardziej stałych i ogniotrwałych. Przykładami metali z następujących, trzeciej i czwartej grupy, są ołów i glin. Są to dość miękkie metale i są często stosowane w stopach. Metale przejściowe (żelazo, chrom, nikiel, miedź, złoto, srebro) są mniej aktywne, bardziej plastyczne i są często stosowane w przemyśle w postaci stopów.

Pozycja każdego metalu w serii aktywności charakteryzuje jego zdolność do reagowania. Jak bardziej aktywny metal tym łatwiej zabiera tlen. Bardzo trudno je wyizolować ze związków, natomiast nieaktywne można znaleźć w czystej postaci. Najbardziej aktywne z nich – potas i sód – są magazynowane w nafcie, poza nią są natychmiast utleniane. Spośród metali stosowanych w przemyśle miedź jest najmniej aktywna. Służy do produkcji zbiorników i rur do gorąca woda i przewody elektryczne.

Wstęp

Oznaczanie przewodności cieplnej metali odgrywa ważną rolę w niektórych dziedzinach, takich jak metalurgia, inżynieria radiowa, inżynieria mechaniczna i budownictwo. Obecnie istnieje wiele różnych metod, za pomocą których można określić przewodność cieplną metali.

Niniejsza praca poświęcona jest badaniu głównej właściwości metali - przewodności cieplnej, a także badaniu metod badania przewodności cieplnej.

Przedmiotem badań jest przewodnictwo cieplne metali, a także różne metody badania laboratoryjne.

Przedmiotem badań są współczynniki przewodnictwa cieplnego metali.

Planowany wynik - inscenizacja Praca laboratoryjna„Oznaczanie przewodności cieplnej metali” metodą kalorymetryczną.

Aby osiągnąć ten cel, konieczne jest rozwiązanie następujących zadań:

Badanie teorii przewodnictwa cieplnego metali;

Badanie metod wyznaczania współczynnika przewodności cieplnej;

Dobór sprzętu laboratoryjnego;

Eksperymentalne wyznaczanie przewodności cieplnej metali;

Zestawienie pracy laboratoryjnej „Oznaczanie przewodności cieplnej metali”.

Praca składa się z trzy rozdziały w którym ujawniane są przydzielone zadania.

Przewodność cieplna metali

Prawo Fouriera

Przewodnictwo cieplne to molekularny transfer ciepła pomiędzy bezpośrednio stykającymi się ciałami lub cząsteczkami tego samego ciała o różnych temperaturach, w którym następuje wymiana energii ruchu cząstek strukturalnych (cząsteczek, atomów, wolnych elektronów).

Przewodność cieplna jest określana przez ruch termiczny mikrocząstek ciała.

Podstawowym prawem wymiany ciepła przez przewodnictwo cieplne jest prawo Fouriera. Zgodnie z tym prawem ilość ciepła dQ przekazywanego przez przewodnictwo cieplne przez element powierzchniowy dF, prostopadle do przepływu ciepła, w czasie df jest wprost proporcjonalna do gradientu temperatury, powierzchni dF i czasu df.

Współczynnik proporcjonalności l nazywany jest współczynnikiem przewodności cieplnej. Współczynnik przewodzenia ciepła jest termofizyczną cechą substancji, charakteryzuje zdolność substancji do przewodzenia ciepła.

Znak minus we wzorze (1) wskazuje, że ciepło jest przekazywane w kierunku malejącej temperatury.

Ilość ciepła, która przeszła w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni izotermicznej, nazywana jest strumieniem ciepła:

Prawo Fouriera ma zastosowanie do opisu przewodności cieplnej gazów, cieczy i ciał stałych, różnica będzie dotyczyła tylko współczynników przewodności cieplnej.

Współczynnik przewodności cieplnej metali i jego zależność od parametrów stanu skupienia

Współczynnik przewodzenia ciepła jest termofizyczną cechą substancji, charakteryzuje zdolność substancji do przewodzenia ciepła.

Współczynnik przewodzenia ciepła - ilość ciepła przechodzącego w jednostce czasu przez pojedynczy obszar, prostopadle do gradacji t.

Dla różnych substancji współczynnik przewodzenia ciepła jest różny i zależy od struktury, gęstości, wilgotności, ciśnienia i temperatury. Te okoliczności należy wziąć pod uwagę podczas korzystania z tabel przeglądowych.

Największą wartością jest współczynnik przewodności cieplnej metali, dla których. Najbardziej przewodzącym ciepło metalem jest srebro, a następnie czysta miedź, złoto, aluminium itp. W przypadku większości metali wzrost temperatury prowadzi do spadku przewodności cieplnej. Zależność tę można przybliżyć równaniem linii prostej

tutaj l, l0 - odpowiednio współczynniki przewodzenia ciepła w danej temperaturze t i w 00C, w - współczynnik temperatury. Przewodność cieplna metali jest bardzo wrażliwa na zanieczyszczenia.

Na przykład, gdy w miedzi pojawiają się nawet ślady arsenu, jej przewodność cieplna spada z 395 do 142; dla stali przy 0,1% węgla l \u003d 52, przy 1,0% - l \u003d 40, przy 1,5% węgla l \u003d 36.

Obróbka cieplna wpływa również na przewodność cieplną. Tak więc w przypadku hartowanej stali węglowej l jest o 10–25% niższe niż w przypadku stali miękkiej. Z tych powodów współczynniki przewodnictwa cieplnego komercyjnych próbek metali w tych samych temperaturach mogą się znacznie różnić. Należy zauważyć, że stopy, w przeciwieństwie do czystych metali, charakteryzują się wzrostem współczynnika przewodzenia ciepła wraz ze wzrostem temperatury. Niestety nie udało się jeszcze ustalić żadnych ogólnych wzorców ilościowych, które rządzą współczynnikiem przewodności cieplnej stopów.

Wartość współczynnika przewodności cieplnej materiałów budowlanych i termoizolacyjnych - dielektryków jest wielokrotnie mniejsza niż metali i wynosi 0,02 - 3,0. Dla zdecydowanej większości z nich (wyjątkiem jest cegła magnezytowa) współczynnik przewodzenia ciepła wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W tym przypadku można zastosować równanie (3), pamiętając, że dla ciał stałych - dielektryki v>0.

Wiele materiałów budowlanych i termoizolacyjnych ma strukturę porowatą (cegła, beton, azbest, żużel itp.). Dla nich i materiałów sproszkowanych współczynnik przewodzenia ciepła w znacznym stopniu zależy od gęstości nasypowej. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem porowatości większość objętość jest wypełniona powietrzem, którego współczynnik przewodności cieplnej jest bardzo niski. Jednak im wyższa porowatość, tym niższa gęstość nasypowa materiału. Zatem spadek gęstości nasypowej materiału, ceteris paribus, prowadzi do zmniejszenia l.

Na przykład w przypadku azbestu spadek gęstości nasypowej z 800 kg/m do 400 kg/m powoduje spadek z 0,248 do 0,105. Wpływ wilgoci jest bardzo silny. Na przykład dla suchej cegły l \u003d 0,35, dla cieczy 0,6, a dla mokrej cegły l \u003d 1,0.

Należy zwrócić uwagę na te zjawiska przy wyznaczaniu i obliczeniach technicznych przewodności cieplnej. Współczynnik przewodności cieplnej spadających cieczy zawiera się w przedziale 0,08 – 0,7. Jednocześnie dla zdecydowanej większości cieczy współczynnik przewodzenia ciepła maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wyjątkiem są woda i gliceryna.

Współczynnik przewodności cieplnej gazów jest jeszcze niższy.

Przewodność cieplna gazów wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W zakresie 20 mm Hg. do 2000 w (bar), tj. w obszarze najczęściej spotykanym w praktyce nie jestem uzależniony od nacisku. Należy pamiętać, że dla mieszaniny gazów (spaliny, atmosfera pieców termicznych itp.) niemożliwe jest obliczenie współczynnika przewodności cieplnej. Dlatego przy braku danych referencyjnych wiarygodną wartość l można znaleźć tylko empirycznie.

O wartości l< 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Aby rozwiązać problemy przewodnictwa cieplnego, konieczne jest posiadanie informacji o niektórych właściwościach makroskopowych (parametrach termofizycznych) substancji: współczynniku przewodnictwa cieplnego, gęstości, ciepło właściwe.

Wyjaśnienie przewodności cieplnej metali

Przewodność cieplna metali jest bardzo wysoka. Nie ogranicza się do przewodności cieplnej sieci, dlatego musi tu działać inny mechanizm wymiany ciepła. Okazuje się, że w czystych metalach przewodnictwo cieplne odbywa się prawie wyłącznie dzięki gazowi elektronowemu, a tylko w silnie zanieczyszczonych metalach i stopach, gdzie przewodnictwo jest niskie, wkład przewodnictwa cieplnego sieci okazuje się być istotne.

Liczbową charakterystykę przewodności cieplnej materiału można określić na podstawie ilości ciepła przechodzącego przez materiał o określonej grubości w określony czas. Charakterystyka numeryczna jest ważna przy obliczaniu przewodności cieplnej różnych produktów profilowych.

Współczynniki przewodzenia ciepła różnych metali

Przewodzenie ciepła wymaga bezpośredniego kontakt fizyczny przeprowadzane między dwoma ciałami. Oznacza to, że transfer ciepła jest możliwy tylko pomiędzy ciałami stałymi i nieruchomymi cieczami. Bezpośredni kontakt umożliwia przechodzenie energii kinetycznej z cząsteczek najcieplejszej substancji do najzimniejszej. Wymiana ciepła następuje, gdy ciała o różnych temperaturach stykają się ze sobą bezpośrednio.

Tutaj należy zwrócić uwagę na to, że cząsteczki ciała ciepłego nie mogą przeniknąć do ciała zimnego. Następuje jedynie transfer energii kinetycznej, co daje równomierny rozkład ciepła. Ten transfer energii będzie trwał, dopóki kontaktujące się ciała nie staną się jednolicie ciepłe. W tym przypadku równowaga termiczna jest osiągnięta. Na podstawie tej wiedzy można obliczyć, jaki rodzaj materiału izolacyjnego jest wymagany do izolacji termicznej budynku.

Wysoka przewodność cieplna miedzi, wraz z innymi niezwykłymi właściwościami, zapewniła temu metalowi znaczące miejsce w historii rozwoju cywilizacji ludzkiej. Produkty wykonane z miedzi i jej stopów znajdują zastosowanie w niemal wszystkich sferach naszego życia.

1

Przewodność cieplna to proces przenoszenia energii cząstek (elektronów, atomów, molekuł) bardziej nagrzanych części ciała na cząstki jego mniej nagrzanych części. Ta wymiana ciepła prowadzi do wyrównania temperatury. Tylko energia jest przekazywana wzdłuż ciała, materia się nie porusza. Cechą charakterystyczną zdolności przewodzenia ciepła jest współczynnik przewodności cieplnej, liczbowo równy ilości ciepła, która przechodzi przez materiał o powierzchni 1 m2, grubości 1 m, w ciągu 1 sekundy przy temperaturze jednostkowej gradient.

Współczynnik przewodzenia ciepła miedzi w temperaturze 20–100 °C wynosi 394 W/(m * K) - tylko srebro jest wyższe. gorszy od miedzi w tym wskaźniku prawie 9 razy, a żelaza - o 6. Różne zanieczyszczenia mają różny wpływ na właściwości fizyczne metale. W przypadku miedzi szybkość wymiany ciepła jest zmniejszona po dodaniu do materiału lub w rezultacie połknięciu proces technologiczny substancje takie jak:

• aluminium;
• żelazo;
• tlen;
• arsen;
• antymon;
• siarka;
• selen;
• fosfor.

Wysoka przewodność cieplna charakteryzuje się szybkim rozchodzeniem się energii cieplnej w całej objętości obiektu. Ta umiejętność zapewniła miedź szerokie zastosowanie w dowolnych systemach wymiany ciepła. Stosowany jest do produkcji rur i chłodnic lodówek, klimatyzatorów, agregatów próżniowych, samochodów do usuwania nadmiaru ciepła z płynu chłodzącego. W urządzeniach grzewczych takie produkty miedziane służą do ogrzewania.

Zdolność miedzi do przewodzenia ciepła zmniejsza się, gdy się nagrzewa. Wartość współczynnika przewodności cieplnej miedzi w powietrzu zależy od temperatury tego ostatniego, która wpływa na wymianę ciepła (chłodzenie). Im wyższa temperatura środowisko, tym wolniej metal stygnie i tym niższa jest jego przewodność cieplna. Dlatego wszystkie wymienniki ciepła wykorzystują wymuszony przepływ powietrza z wentylatorem - zwiększa to wydajność urządzeń i jednocześnie utrzymuje przewodność cieplną na optymalnym poziomie.

2

Przewodność cieplna aluminium i miedzi jest różna - w pierwszym jest mniej niż w drugim 1,5 raza. W przypadku aluminium ten parametr wynosi 202–236 W / (m * K) i jest dość wysoki w porównaniu do innych metali, ale niższy niż złota, miedzi, srebra. Zakres aluminium i miedzi, gdzie wymagana jest wysoka przewodność cieplna, zależy od szeregu innych właściwości tych materiałów.

Aluminium nie ustępuje miedzi pod względem właściwości antykorozyjnych i przewyższa następujące wskaźniki:

• gęstość (ciężar właściwy) aluminium jest 3 razy mniejsza;
• koszt jest 3,5 razy niższy.

Podobny produkt, ale wykonany z aluminium, jest znacznie lżejszy od miedzi. Ponieważ waga metalu wymaga 3 razy mniej, a jego cena jest 3,5 razy niższa, część aluminiowa może być około 10 razy tańsza. Dzięki temu i wysokiej przewodności cieplnej aluminium znalazło szerokie zastosowanie w produkcji naczyń, folii spożywczej do piekarników. Ponieważ ten metal jest miękki, nie jest używany w czystej postaci - jego stopy są głównie powszechne (najsłynniejszym jest duraluminium).

W różnych wymiennikach ciepła najważniejsza jest szybkość zwrotu nadmiaru energii do środowiska. Problem ten rozwiązuje intensywne przedmuchiwanie chłodnicy za pomocą wentylatora. Jednocześnie niższa przewodność cieplna aluminium praktycznie nie wpływa na jakość chłodzenia, a sprzęt i urządzenia są znacznie lżejsze i tańsze (np. komputer i Urządzenia). W ostatnie czasy w produkcji pojawiła się tendencja do zastępowania rur miedzianych w systemach klimatyzacyjnych rurami aluminiowymi.

Miedź jest praktycznie niezbędna w przemyśle radiowym, elektronika jako materiał przewodzący. Ze względu na dużą ciągliwość można z niego wyciągnąć przewody o średnicy do 0,005 mm oraz wykonać inne bardzo cienkie połączenia przewodzące stosowane w urządzeniach elektronicznych. Większa przewodność niż aluminium zapewnia minimalne straty i mniejsze nagrzewanie się radioelementów. Przewodność cieplna pozwala skutecznie odprowadzać ciepło wytwarzane podczas pracy do zewnętrznych elementów urządzeń - obudowy, styków zasilających (na przykład mikroukładów, nowoczesnych mikroprocesorów).

Szablony miedziane są stosowane w spawaniu, gdy konieczne jest wykonanie napawania o pożądanym kształcie na części stalowej. Wysoka przewodność cieplna nie pozwoli na połączenie miedzianego szablonu ze spawanym metalem. W takich przypadkach nie można stosować aluminium, ponieważ może się stopić lub przepalić. Miedź jest również wykorzystywana do spawania łukiem węglowym – pręt z tego materiału służy jako katoda nie zużywająca się.

3

Niska przewodność cieplna w wielu przypadkach jest pożądaną właściwością - to podstawa izolacji termicznej. Zastosowanie rur miedzianych w systemach grzewczych prowadzi do znacznie większych strat ciepła niż w przypadku stosowania rurociągów i przewodów z innych materiałów. Rurociągi miedziane wymagają dokładniejszej izolacji termicznej.

Miedź ma wysoką przewodność cieplną, co powoduje wystarczającą trudny proces instalacja i inne prace, które mają swoją specyfikę. Spawanie, lutowanie, cięcie miedzi wymaga bardziej skoncentrowanego ogrzewania niż w przypadku stali, a często podgrzewania wstępnego i jednoczesnego podgrzewania metalu.

Przy spawaniu gazowym miedzi konieczne jest stosowanie palników o mocy 1-2 cyfr większej niż dla części stalowych o tej samej grubości. Jeśli miedź jest grubsza niż 8-10 mm, zaleca się pracę z dwoma lub nawet trzema palnikami (często spawanie odbywa się jednym, podczas gdy pozostałe są podgrzewane). Pracom spawalniczym na prąd zmienny z elektrodami towarzyszy zwiększony rozprysk metalu. Przecinak zdolny do cięcia 300 mm stali o wysokiej zawartości chromu jest odpowiedni do cięcia mosiądzu, brązu (stopów miedzi) do 150 mm i czystej miedzi do 50 mm. Cała praca wiąże się ze znacznie wyższymi kosztami materiałów eksploatacyjnych.

4

Miedź jest jednym z głównych komponentów elektroniki i jest stosowana we wszystkich mikroukładach. Usuwa i rozprasza ciepło powstałe podczas przepływu prądu. Ograniczenie prędkości komputerów wynika ze wzrostu nagrzewania się procesora i innych elementów obwodu ze wzrostem częstotliwość zegara. Podział na kilka rdzeni pracujących jednocześnie i inne sposoby radzenia sobie z przegrzaniem wyczerpały się. Obecnie trwają prace rozwojowe mające na celu uzyskanie przewodników o wyższej przewodności elektrycznej i cieplnej.

Niedawno odkryty przez naukowców grafen może znacznie zwiększyć przewodność cieplną przewodników miedzianych i ich zdolność do rozpraszania ciepła. Podczas eksperymentu warstwa miedzi została ze wszystkich stron pokryta grafenem. Poprawiło to przenoszenie ciepła przewodnika o 25%. Jak wyjaśnili naukowcy, nowa substancja zmienia strukturę wymiany ciepła i umożliwia bardziej swobodny przepływ energii w metalu. Wynalazek jest w trakcie opracowywania - w eksperymencie dużo wykorzystano miedziany przewodnik duże rozmiary niż w procesorze.

- pierwszy pod względem ważności i rozpowszechnienia materiał konstrukcyjny. Jest znany od czasów starożytnych, a jego właściwości są takie, że gdy nauczono się wytapiać żelazo w znacznych ilościach, metal ten zastąpił wszystkie inne stopy. Nadeszła era żelaza i sądząc po tym, ten czas szybko się nie skończy. W tym artykule dowiesz się, jaki jest ciężar właściwy żelaza, jaka jest jego temperatura topnienia w czystej postaci.

Żelazo jest metalem typowym, aktywnym chemicznie. Substancja reaguje z normalna temperatura, a ogrzewanie lub zwiększanie wilgotności znacznie zwiększa jego reaktywność. Żelazo koroduje w powietrzu, pali się w atmosferze czystego tlenu, aw postaci drobnego pyłu może się również zapalić w powietrzu.

Czyste żelazo jest plastyczne, ale w tej postaci metal jest bardzo rzadki. W rzeczywistości żelazo jest stopem o niewielkich proporcjach zanieczyszczeń - do 0,8%, który charakteryzuje się miękkością i plastycznością czystej substancji. Znaczenie dla Gospodarka narodowa posiada stopy z węglem - stal, żeliwo, stal nierdzewna.

Polimorfizm jest nieodłączny od żelaza: istnieją aż 4 modyfikacje, które różnią się strukturą i parametrami sieci:

• α-Fe - istnieje od zera do +769 C. Ma sześcienną siatkę skoncentrowaną na ciele i jest ferromagnesem, to znaczy zachowuje namagnesowanie przy braku zewnętrznego pole magnetyczne. +769 С – punkty Curie za metal;
• od +769 do +917 C pojawia się β-Fe. Różni się od fazy α jedynie parametrami sieci. W tym przypadku zachowane są prawie wszystkie właściwości fizyczne z wyjątkiem magnetycznych: żelazo staje się paramagnetyczne, to znaczy traci zdolność magnesowania i jest wciągane w pole magnetyczne. Metaloznawstwo nie traktuje fazy β jako oddzielnej modyfikacji. Ponieważ przejście nie ma wpływu na znaczące Charakterystyka fizyczna;
• w zakresie od 917 do 1394°C występuje modyfikacja γ, która charakteryzuje się sześcienną siatką skoncentrowaną na ścianie;
• w temperaturach powyżej +1394 C pojawia się faza δ, która charakteryzuje się sześcienną siecią skupioną wokół ciała.

Na wysokie ciśnienie, a także gdy metal jest stapiany z pewnymi dodatkami, powstaje faza ε z sześciokątną, gęsto upakowaną siecią.

Temperatura przemian fazowych zmienia się zauważalnie po domieszkowaniu tym samym węglem. Właściwie sama zdolność żelaza do tworzenia tak wielu modyfikacji służy jako podstawa do obróbki stali w różnych warunki temperaturowe. Bez takich przejść metal nie byłby tak rozpowszechniony.

Teraz przyszła kolej na właściwości żelaznego metalu.

Ten film opowiada o strukturze żelaza:

Właściwości i właściwości metalu

Żelazo jest dość lekkim, umiarkowanie ogniotrwałym metalem o srebrnoszarym kolorze. Łatwo reaguje z rozcieńczonymi kwasami i dlatego jest uważany za element o średniej aktywności. W suchym powietrzu metal jest stopniowo pokryty warstwą tlenku, co uniemożliwia dalszą reakcję.

Ale przy najmniejszej wilgotności zamiast filmu pojawia się rdza - luźna i niejednorodna w składzie. Rdza nie zapobiega dalszej korozji żelaza. Jednak właściwości fizyczne metalu, a co najważniejsze, jego stopów z węglem są takie, że pomimo niskiej odporności na korozję, stosowanie żelaza jest więcej niż uzasadnione.

Masa i gęstość

Masa cząsteczkowa żelaza wynosi 55,8, co wskazuje na względną lekkość substancji. Jaka jest gęstość żelaza? Wskaźnik ten jest określony przez modyfikację fazy:

• α-Fe - 7,87 g/m3. cm w 20 C i 7,67 g / cu. cm w 600 C;
• faza γ wyróżnia się jeszcze niższą gęstością – 7,59 g/cm3 w 1000C;
• gęstość fazy δ wynosi 7,409 g/cm3.

Wraz ze wzrostem temperatury gęstość żelaza naturalnie spada.

A teraz dowiedzmy się, jaka jest temperatura topnienia żelaza w stopniach Celsjusza, porównując ją na przykład z lub żeliwem.

Zakres temperatury

Metal jest klasyfikowany jako średnio ogniotrwały, co oznacza stosunkowo niską temperaturę zmiany stanu skupienia:

• temperatura topnienia - 1539 C;
• temperatura wrzenia - 2862 C;
• Temperatura Curie, czyli utrata zdolności do magnesowania - 719 C.

Należy pamiętać, że mówiąc o temperaturze topnienia lub wrzenia, mamy do czynienia z fazą δ substancji.

Ten film opowie Ci o fizycznym i właściwości chemiczne gruczoł:

Właściwości mechaniczne

Żelazo i jego stopy są tak powszechne, że choć zaczęły być stosowane później niż np., stały się swego rodzaju standardem. Porównując metale, wskazują one na żelazo: mocniejsze niż stal, 2 razy bardziej miękkie niż żelazo i tak dalej.

Charakterystyki podano dla metalu zawierającego małe ilości zanieczyszczeń:

• twardość w skali Mohsa - 4-5;
• Twardość Brinella - 350-450 Mn / kw. m. Ponadto chemicznie czyste żelazo ma wyższą twardość - 588-686;

Wskaźniki siły są niezwykle zależne od ilości i charakteru zanieczyszczeń. Wartość ta jest regulowana przez GOST dla każdej marki stopu lub czystego metalu. Zatem maksymalna wytrzymałość na ściskanie stali niestopowej wynosi 400–550 MPa. Podczas hartowania tego gatunku wytrzymałość na rozciąganie wzrasta do 700 MPa.

• udarność metalu 300 MN/m2;
• granica plastyczności –100 MN/mkw. m.

Dowiemy się dalej, co jest potrzebne do określenia właściwej pojemności cieplnej żelaza.

Pojemność cieplna i przewodność cieplna

Jak każdy metal, żelazo przewodzi ciepło, chociaż jego wydajność w tym obszarze jest niska: pod względem przewodności cieplnej metal jest gorszy od aluminium - 2 razy mniej i - 5 razy.

Przewodność cieplna w 25°C wynosi 74,04 W/(m·K). Wartość zależy od temperatury;

• przy 100 K przewodność cieplna wynosi 132 [W/(m.K)];
• przy 300 K - 80,3 [W/(m.K)];
• przy 400 - 69,4 [W/(m.K)];
• a 1500 - 31,8 [W/(m.K)].

• Współczynnik rozszerzalności cieplnej w temperaturze 20 C wynosi 11,7 10-6.
• Pojemność cieplna metalu jest określona przez jego strukturę fazową i zależy raczej ściśle od temperatury. Wraz ze wzrostem do 250 C pojemność cieplna powoli wzrasta, a następnie gwałtownie wzrasta, aż do osiągnięcia punktu Curie, a następnie zaczyna spadać.
• Ciepło właściwe w zakresie temperatur od 0 do 1000C wynosi 640,57 J/(kg K).

Przewodnictwo elektryczne

Żelazo przewodzi prąd, ale nie tak dobrze jak miedź i srebro. Specyficzna rezystancja elektryczna metalu w normalne warunki– 9,7 10-8 omów.

Ponieważ żelazo jest ferromagnesem, jego wydajność w tym obszarze jest bardziej znacząca:

• indukcja magnetyczna nasycenia wynosi 2,18 T;
• przepuszczalność magnetyczna - 1.45.106.

Toksyczność

Metal nie stanowi zagrożenia dla ludzkiego ciała. stal i produkcja wyrobów żelaznych może być niebezpieczna, ale tylko ze względu na wysokie temperatury i dodatki, które są używane do produkcji różnych stopów. Odpady żelazne - złom, stanowią zagrożenie dla środowiska, ale dość umiarkowane, ponieważ metal rdzewieje w powietrzu.

Żelazo nie posiada obojętności biologicznej, dlatego nie jest używane jako materiał protetyczny. Jednak w Ludzkie ciało pierwiastek ten pełni jedną z najważniejszych ról: naruszenie przyswajania żelaza lub niedostateczna jego ilość w diecie gwarantuje co najwyżej anemię.

Żelazo jest bardzo trudno przyswajalne - 5-10% całkowitej ilości dostarczanej do organizmu lub 10-20% w przypadku jego braku.

• Zwykły dzienne zapotrzebowanie w żelazie wynosi 10 mg dla mężczyzn i 20 mg dla kobiet.
• Toksyczna dawka wynosi 200 mg/dzień.
• Śmiertelny - 7-35 g. Uzyskanie takiej ilości żelaza jest prawie niemożliwe, więc zatrucie żelazem jest niezwykle rzadkie.

Żelazo to metal, którego właściwości fizyczne, w szczególności wytrzymałość, można znacznie zmienić, stosując obróbka skrawaniem lub dodanie bardzo małej ilości pierwiastków stopowych. Ta cecha w połączeniu z dostępnością i łatwością wydobycia metalu sprawia, że ​​żelazo jest najbardziej pożądanym materiałem konstrukcyjnym.

Specjalista opowie Ci więcej o właściwościach żelaza w poniższym filmie:

Przewodność cieplna to wielkość fizyczna, która określa zdolność materiałów do przewodzenia ciepła. Innymi słowy, przewodność cieplna to zdolność substancji do przenoszenia energii kinetycznej atomów i cząsteczek na inne substancje, które mają z nimi bezpośredni kontakt. W SI ta wartość jest mierzona w W/(K*m) (watach na metr Kelvina), co jest równoważne J/(s*m*K) (dżul na sekundę Kelvina).

Pojęcie przewodnictwa cieplnego

Jest to intensywna wielkość fizyczna, to znaczy taka, która opisuje właściwość materii, która nie zależy od ilości tej ostatniej. Intensywnymi wielkościami są również temperatura, ciśnienie, przewodność elektryczna, to znaczy, że te cechy są takie same w dowolnym miejscu tej samej substancji. Inną grupą wielkości fizycznych są rozległe, które są determinowane ilością materii, na przykład masa, objętość, energia i inne.

Odwrotną wartością przewodności cieplnej jest opór cieplny, który odzwierciedla zdolność materiału do zapobiegania przechodzeniu przez niego ciepła. W przypadku materiału izotropowego, to znaczy materiału, którego właściwości są takie same we wszystkich kierunkach przestrzennych, przewodność cieplna jest wielkością skalarną i jest definiowana jako stosunek strumienia ciepła przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu do gradientu temperatury. Zatem przewodność cieplna jednego wata na metr Kelvina oznacza, że ​​energia cieplna jednego dżula jest przenoszona przez materiał:

• w ciągu jednej sekundy;
• przez obszar jednego metra kwadratowego;
• w odległości jednego metra;
• gdy różnica temperatur między powierzchniami oddalonymi od siebie o jeden metr w materiale wynosi jeden kelwin.

Oczywiste jest, że co więcej wartości przewodność cieplna, tym lepiej materiał przewodzi ciepło i na odwrót. Na przykład wartość tej wartości dla miedzi wynosi 380 W/(m*K), a ten metal jest 10 000 razy lepszy w przenoszeniu ciepła niż poliuretan, którego przewodność cieplna wynosi 0,035 W/(m*K).

Wymiana ciepła na poziomie molekularnym

Kiedy materia jest podgrzewana, wzrasta średnia energia kinetyczna jej składowych cząstek, to znaczy wzrasta poziom nieporządku, atomy i cząsteczki zaczynają oscylować intensywniej i z większą amplitudą wokół swoich równowagowych pozycji w materiale. Przenoszenie ciepła, które na poziomie makroskopowym można opisać prawem Fouriera, na poziomie molekularnym jest wymianą energia kinetyczna między cząsteczkami (atomami i cząsteczkami) substancji, bez przenoszenia tych ostatnich.

To wyjaśnienie mechanizmu przewodzenia ciepła na poziomie molekularnym odróżnia go od mechanizmu konwekcji termicznej, w której przenoszenie ciepła odbywa się na skutek przenoszenia materii. Wszystko ciała stałe mają zdolność przewodzenia ciepła, natomiast konwekcja cieplna jest możliwa tylko w cieczach i gazach. Rzeczywiście, ciała stałe przekazują ciepło głównie dzięki przewodności cieplnej, podczas gdy ciecze i gazy, jeśli występują w nich gradienty temperatury, przekazują ciepło głównie dzięki procesom konwekcji.

Przewodność cieplna materiałów

Metale mają wyraźną zdolność przewodzenia ciepła. Polimery charakteryzują się niską przewodnością cieplną, a niektóre z nich praktycznie nie przewodzą ciepła, na przykład włókno szklane, takie materiały nazywane są izolatorami ciepła. Aby taki lub inny przepływ ciepła przez przestrzeń zaistniał, obecność jakiejś substancji w tej przestrzeni jest konieczna, dlatego w otwarta przestrzeń(pusta przestrzeń) przewodność cieplna wynosi zero.

Każdy materiał jednorodny (jednorodny) charakteryzuje się współczynnikiem przewodności cieplnej (oznaczonym grecką literą lambda), czyli wartością określającą, ile ciepła trzeba przepuścić przez powierzchnię 1 m², tak aby w ciągu jednej sekundy, przechodząc przez materiał o grubości jednego metra, temperatura na jego końcach zmienia się co 1 K. Ta właściwość jest nieodłączna dla każdego materiału i zmienia się w zależności od jego temperatury, więc współczynnik ten jest zwykle mierzony w temperaturze pokojowej (300 K) porównać właściwości różnych substancji.

Jeżeli materiał jest niejednorodny, na przykład żelbet, wprowadza się pojęcie użytecznego współczynnika przewodzenia ciepła, który jest mierzony zgodnie ze współczynnikami jednorodnych substancji tworzących ten materiał.

Poniższa tabela przedstawia współczynniki przewodzenia ciepła niektórych metali i stopów w W/(m*K) dla temperatury 300 K (27 ° C):

• stal 47-58;
• aluminium 237;
• miedź 372.1-385,2;
• brąz 116-186;
• cynk 106-140;
• tytan 21,9;
• cyna 64,0;
• ołów 35,0;
• żelazo 80,2;
• mosiądz 81-116;
• złoto 308,2;
• srebrny 406,1-418,7.

Poniższa tabela zawiera dane dla niemetalicznych ciał stałych:

• włókno szklane 0,03-0,07;
• szkło 0,6-1,0;
• azbest 0,04;
• drzewo 0,13;
• parafina 0,21;
• cegła 0,80;
• diament 2300.

Z rozważanych danych widać, że przewodność cieplna metali jest znacznie wyższa niż niemetali. Wyjątkiem jest diament, który ma pięciokrotnie większy współczynnik przenikania ciepła niż miedź. Ta właściwość diamentu wynika z silnych wiązań kowalencyjnych między atomami węgla, które tworzą jego sieć krystaliczną. To dzięki tej właściwości człowiekowi jest zimno, gdy dotyka diamentu ustami. Właściwość diamentu jest dobrze tolerowana energia cieplna stosowany w mikroelektronice do usuwania ciepła z mikroukładów. A także ta właściwość jest wykorzystywana w specjalnych urządzeniach, które pozwalają odróżnić prawdziwy diament od podróbki.

W niektórych procesach przemysłowych podejmuje się próbę zwiększenia zdolności do przenoszenia ciepła, co jest osiągane albo przez dobre przewodniki, albo przez zwiększenie powierzchni styku między elementami konstrukcji. Przykładami takich struktur są wymienniki ciepła i rozpraszacze ciepła. W innych przypadkach wręcz przeciwnie, starają się zmniejszyć przewodność cieplną, co osiąga się dzięki zastosowaniu izolatorów ciepła, pustych przestrzeni w konstrukcjach i zmniejszeniu powierzchni styku elementów.

Współczynniki przenikania ciepła stali

Zdolność do przenoszenia ciepła dla stali zależy od dwóch głównych czynników: składu i temperatury.

Proste stale węglowe wraz ze wzrostem zawartości węgla zmniejszają swój ciężar właściwy, zgodnie z którym ich zdolność do przenoszenia ciepła również spada z 54 do 36 W/(m*K) przy zmianie zawartości procentowej węgla w stali z 0,5 do 1,5% .

Stale nierdzewne zawierają chrom (10% lub więcej), który wraz z węglem tworzy złożone węgliki, które zapobiegają utlenianiu materiału, a także zwiększają potencjał elektrody metalu. Przewodność cieplna stali nierdzewnej jest niska w porównaniu do innych stali i waha się od 15 do 30 W/(m*K) w zależności od jej składu. Stale żaroodporne chromowo-niklowe mają jeszcze niższe wartości tego współczynnika (11-19 W/(m*K).

Kolejną klasą są stale ocynkowane o ciężarze właściwym 7850 kg/m3, które uzyskuje się przez powlekanie stali żelazem i cynkiem. Ponieważ cynk przewodzi ciepło łatwiej niż żelazo, przewodność cieplna stali ocynkowanej będzie stosunkowo wysoka w porównaniu z innymi gatunkami stali. Wynosi od 47 do 58 W/(m*K).

Przewodność cieplna stali w różne temperatury zwykle niewiele się zmienia. Np. współczynnik przewodzenia ciepła stali 20 spada z 86 do 30 W/(m*K) wraz ze wzrostem temperatury od temperatury pokojowej do 1200 °C, a dla gatunku stali 08X13 wzrost temperatury ze 100 do 900 ° C nie zmienia swojego współczynnika przewodzenia ciepła (27-28 W/(m*K).

Czynniki wpływające na wielkość fizyczną

Zdolność do przewodzenia ciepła zależy od wielu czynników, w tym temperatury, struktury i właściwości elektrycznych substancji.

Temperatura materiału

Wpływ temperatury na zdolność przewodzenia ciepła różni się dla metali i niemetali. W metalach przewodnictwo związane jest głównie z wolnymi elektronami. Zgodnie z prawem Wiedemanna-Franza przewodność cieplna metalu jest proporcjonalna do iloczynu temperatury bezwzględnej wyrażonej w stopniach Kelvina i jego przewodności elektrycznej. W czystych metalach przewodność elektryczna spada wraz ze wzrostem temperatury, więc przewodność cieplna pozostaje w przybliżeniu stała. W przypadku stopów przewodność elektryczna zmienia się nieznacznie wraz ze wzrostem temperatury, więc przewodność cieplna stopów wzrasta proporcjonalnie do temperatury.

Z drugiej strony przenoszenie ciepła w niemetalach wiąże się głównie z drganiami sieciowymi i wymianą fononów sieciowych. Z wyjątkiem kryształów Wysoka jakość oraz niskie temperatury, ścieżka fononu w sieci nie zmniejsza się znacząco przy wysokie temperatury dlatego przewodność cieplna pozostaje stała w całym zakresie temperatur, to znaczy jest nieznaczna. W temperaturach poniżej temperatury Debye'a zdolność niemetali do przewodzenia ciepła, wraz z ich pojemnością cieplną, jest znacznie zmniejszona.

Przemiany fazowe i struktura

Gdy w materiale następuje przemiana fazowa pierwszego rzędu, na przykład ze ciała stałego w ciecz lub z cieczy w gaz, jego przewodność cieplna może ulec zmianie. Uderzającym przykładem takiej zmiany jest różnica w tej wielkości fizycznej dla lodu (2,18 W/(m*K) i wody (0,90 W/(m*K).

Zmiany struktury krystalicznej materiałów wpływają również na przewodność cieplną, co tłumaczy się anizotropowymi właściwościami różnych alotropowych modyfikacji substancji o tym samym składzie. Anizotropia wpływa na różną intensywność rozpraszania fononów sieciowych, głównych nośników ciepła w niemetalach, oraz w różnych kierunkach w krysztale. Tutaj doskonały przykład jest szafirem, którego przewodność waha się od 32 do 35 W/(m*K) w zależności od kierunku.

przewodnictwo elektryczne

Przewodność cieplna metali zmienia się wraz z przewodnością elektryczną zgodnie z prawem Wiedemanna-Franza. Wynika to z faktu, że elektrony walencyjne, swobodnie poruszające się po sieci krystalicznej metalu, przenoszą nie tylko energię elektryczną, ale także energię cieplną. W przypadku innych materiałów korelacja między tymi rodzajami przewodności nie jest wyraźna ze względu na niewielki udział elementu elektronicznego w przewodności cieplnej (w niemetalach fonony sieciowe odgrywają główną rolę w mechanizmie wymiany ciepła).

proces konwekcji

Powietrze i inne gazy są na ogół dobrymi izolatorami termicznymi w przypadku braku konwekcji. Zasada ta opiera się na pracy wielu materiałów termoizolacyjnych zawierających duża liczba małe puste przestrzenie i pory. Taka struktura nie pozwala na rozprzestrzenianie się konwekcji na duże odległości. Przykładami takich materiałów wytworzonych przez człowieka są aerożel polistyrenowy i krzemowy. W naturze takie izolatory ciepła jak skóra zwierząt i upierzenie ptaków działają na tej samej zasadzie.

Gazy lekkie, takie jak wodór i żel, mają wysokie wartości przewodnictwa cieplnego, podczas gdy gazy ciężkie, takie jak argon, ksenon i radon, są słabymi przewodnikami ciepła. Na przykład argon, gaz obojętny, który jest cięższy od powietrza, jest często używany jako wypełniacz gazowy izolujący ciepło w podwójnych oknach i żarówkach. Wyjątkiem jest sześciofluorek siarki (SF6), który jest gazem ciężkim i ma stosunkowo wysoką przewodność cieplną ze względu na dużą pojemność cieplną.