Metaller kristal yapıya sahip maddelerdir. Isıtıldıklarında eriyebilirler, yani sıvı duruma geçebilirler. Bazılarının erime noktası düşüktür: Normal bir kaşık içine yerleştirilip mum alevi üzerinde tutularak eritilebilirler. Bunlar kurşun ve kalaydır. Diğerleri sadece özel fırınlarda eritilebilir. Bakır ve demir yüksektir. Bunu azaltmak için metale katkı maddeleri eklenir. Elde edilen alaşımlar (çelik, bronz, dökme demir, pirinç) orijinal metalden daha düşük bir erime noktasına sahiptir.

Metallerin erime noktası neye bağlıdır? Hepsinin belirli özellikleri vardır - metallerin ısı kapasitesi ve termal iletkenliği. Isı kapasitesi, ısıtıldığında ısıyı emme yeteneğidir. Sayısal göstergesi özgül ısı kapasitesidir. 1 °C ısıtılmış bir birim metal kütlesinin emebileceği enerji miktarını ifade eder. Metal kütüğü ısıtmak için yakıt tüketimi istenilen sıcaklık. Çoğu metalin ısı kapasitesi 300-400 J / (kg * K), metal alaşımları - 100-2000 J / (kg * K) aralığındadır.

Metallerin ısıl iletkenliği, makroskopik hareketsizlikleriyle Fourier yasasına göre daha sıcak parçacıklardan daha soğuk olanlara ısı transferidir. Malzemenin yapısına, kimyasal bileşimine ve atomlar arası bağın türüne bağlıdır. Metallerde ısı transferi elektronlar tarafından gerçekleştirilir, diğerlerinde sert malzemeler- fononlar. Metallerin ısıl iletkenlikleri ne kadar yüksekse, sahip oldukları kristal yapı o kadar mükemmel olur. Metalde ne kadar fazla kirlilik varsa, kristal kafes o kadar bozuk ve termal iletkenlik o kadar düşük olur. Doping, metallerin yapısında bu tür bozulmalara neden olur ve ana metale göre termal iletkenliği düşürür.

Tüm metaller iyi ısı iletkenliğine sahiptir, ancak bazıları diğerlerinden daha yüksektir. Bu tür metallere bir örnek altın, bakır, gümüştür. Daha düşük ısı iletkenliği - kalay, alüminyum, demir. Metallerin artan termal iletkenliği, kullanımlarının kapsamına bağlı olarak bir avantaj veya dezavantajdır. Örneğin, metal kapların yiyecekleri hızlı bir şekilde ısıtması gerekir. Aynı zamanda, tencere kulplarının imalatı için yüksek ısı iletkenliğine sahip metallerin kullanılması, kullanımı zorlaştırır - kulplar çok çabuk ısınır ve onlara dokunmak imkansızdır. Bu nedenle burada ısı yalıtım malzemeleri kullanılmaktadır.

Bir metalin özelliklerini etkileyen diğer bir özelliği de termal genleşmedir. Metal ısıtıldığında hacminde bir artış ve soğutulduğunda bir azalma gibi görünüyor. Bu fenomen, metal ürünlerin imalatında dikkate alınmalıdır. Yani örneğin tencere kapakları baş üstü yapılır, kettlelarda da kapak ile gövde arasında boşluk bulunur, böylece kapak ısıtıldığında sıkışmaz.

Her metal için katsayı hesaplanır, 1°C ısıtılarak belirlenir. prototip, 1 m uzunluğa sahip Kurşun, çinko ve kalay en büyük katsayılara sahiptir. Bakır ve gümüşte daha küçüktür. Daha da düşük - demir ve altın.

Kimyasal özelliklerine göre metaller birkaç gruba ayrılır. Hava veya su ile anında reaksiyona girebilen aktif metaller (örneğin potasyum veya sodyum) vardır. Periyodik tablonun ilk grubunu oluşturan en aktif altı metale alkali denir. Düşük bir erime noktasına sahiptirler ve bıçakla kesilebilecek kadar yumuşaktırlar. Su ile birleştiğinde oluşurlar. alkali çözeltiler dolayısıyla onların adı.

İkinci grup, alkali toprak metallerinden oluşur - kalsiyum, magnezyum vb. Bunlar daha katı ve refrakter olan birçok mineralin bir parçasıdır. Aşağıdaki, üçüncü ve dördüncü grupların metal örnekleri kurşun ve alüminyumdur. Bunlar oldukça yumuşak metallerdir ve genellikle alaşımlarda kullanılır. Geçiş metalleri (demir, krom, nikel, bakır, altın, gümüş) daha az aktiftir, daha dövülebilirdir ve genellikle endüstride alaşımlar şeklinde kullanılır.

Aktivite serisindeki her metalin konumu, reaksiyona girme yeteneğini karakterize eder. Nasıl daha aktif metal daha kolay oksijen alır. Bileşiklerden izole edilmeleri çok zordur, aktif olmayanlar ise saf formlarında bulunabilir. Bunların en aktifleri - potasyum ve sodyum - gazyağı içinde depolanır, bunun dışında hemen oksitlenirler. Sanayide kullanılan metaller arasında en az aktif olanı bakırdır. Tank ve boru yapımında kullanılır. sıcak su ve elektrik telleri.

Tanıtım

Metalurji, radyo mühendisliği, makine mühendisliği ve inşaat gibi bazı alanlarda metallerin ısıl iletkenliklerinin belirlenmesi önemli bir rol oynar. Şu anda metallerin termal iletkenliğini belirlemenin mümkün olduğu birçok farklı yöntem vardır.

Bu çalışma, metallerin ana özelliğinin - termal iletkenliğin araştırılmasına ve ayrıca termal iletkenliği inceleme yöntemlerinin incelenmesine ayrılmıştır.

Çalışmanın amacı, metallerin ısıl iletkenliğinin yanı sıra çeşitli metodlar laboratuvar araştırması.

Araştırmanın konusu metallerin ısıl iletkenlik katsayılarıdır.

Planlanan sonuç - evreleme laboratuvar işi Kalorimetrik yönteme dayalı "Metallerin termal iletkenliğinin belirlenmesi".

Bu hedefe ulaşmak için aşağıdaki görevleri çözmek gerekir:

Metallerin ısıl iletkenliği teorisinin incelenmesi;

Termal iletkenlik katsayısını belirleme yöntemlerinin incelenmesi;

Laboratuvar ekipmanı seçimi;

Metallerin ısıl iletkenliğinin deneysel olarak belirlenmesi;

Laboratuvar çalışması beyanı "Metallerin termal iletkenliğinin belirlenmesi."

İş şunlardan oluşur: üç bölüm atanan görevlerin açıklandığı yer.

Metallerin termal iletkenliği

Fourier yasası

Termal iletkenlik, yapısal parçacıkların (moleküller, atomlar, serbest elektronlar) hareket enerjisinin değiş tokuş edildiği, farklı sıcaklıklarda doğrudan temas eden cisimler veya aynı cismin parçacıkları arasındaki ısının moleküler aktarımıdır.

Termal iletkenlik, vücudun mikropartiküllerinin termal hareketi ile belirlenir.

Termal iletkenlik ile ısı transferinin temel yasası Fourier yasasıdır. Bu yasaya göre, df süresi boyunca, ısı akışına dik, yüzey elemanı dF üzerinden termal iletim yoluyla aktarılan ısı dQ miktarı, sıcaklık gradyanı, yüzey dF ve df süresi ile doğru orantılıdır.

Orantılılık katsayısı l, termal iletkenlik katsayısı olarak adlandırılır. Termal iletkenlik katsayısı, bir maddenin termofiziksel bir özelliğidir, bir maddenin ısı iletme yeteneğini karakterize eder.

Formül (1)'deki eksi işareti, ısının azalan sıcaklık yönünde aktarıldığını gösterir.

Bir birim izotermal yüzeyden birim zamanda geçen ısı miktarına ısı akısı denir:

Fourier yasası gazların, sıvıların ve katıların termal iletkenliğini tanımlamak için geçerlidir, fark sadece termal iletkenlik katsayılarında olacaktır.

Metallerin ısıl iletkenlik katsayısı ve maddenin durum parametrelerine bağımlılığı

Termal iletkenlik katsayısı, bir maddenin termofiziksel bir özelliğidir, bir maddenin ısı iletme yeteneğini karakterize eder.

Termal iletkenlik katsayısı - t derecesine dik tek bir alandan birim zamanda geçen ısı miktarı.

Farklı maddeler için ısıl iletkenlik katsayısı farklıdır ve yapıya, yoğunluğa, neme, basınca ve sıcaklığa bağlıdır. Arama tabloları kullanılırken bu koşullar dikkate alınmalıdır.

En büyük değer, bunun için metallerin termal iletkenlik katsayısıdır. Termal olarak en iletken metal gümüştür, ardından saf bakır, altın, alüminyum vb. Çoğu metal için, sıcaklıktaki bir artış, termal iletkenlikte bir azalmaya yol açar. Bu bağımlılık, düz çizgi denklemi ile tahmin edilebilir.

burada l, l0 - sırasıyla, belirli bir sıcaklıkta t ve 0C'de termal iletkenlik katsayıları, - sıcaklık katsayısı. Metallerin termal iletkenliği yabancı maddelere karşı çok hassastır.

Örneğin, bakırda eser miktarda arsenik göründüğünde, termal iletkenliği 395'ten 142'ye düşer; çelik için %0,1 karbonda l \u003d 52, %1,0'da - l \u003d 40, %1,5 karbonda l \u003d 36.

Isıl işlem ayrıca termal iletkenliği de etkiler. Bu nedenle, sertleştirilmiş karbon çeliği için l, yumuşak çelikten %10-25 daha düşüktür. Bu nedenlerle aynı sıcaklıklardaki ticari metal numunelerin ısıl iletkenlik katsayıları önemli ölçüde değişebilir. Alaşımların, saf metallerin aksine, artan sıcaklıkla termal iletkenlik katsayısındaki bir artış ile karakterize edildiğine dikkat edilmelidir. Ne yazık ki, alaşımların termal iletkenlik katsayısını yöneten herhangi bir genel nicel model oluşturmak henüz mümkün olmamıştır.

Bina ve ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlik katsayısının değeri - dielektrikler metallerden çok daha azdır ve 0.02 - 3.0'dır. Bunların büyük çoğunluğu için (manyezit tuğla istisnadır), artan sıcaklıkla birlikte termal iletkenlik katsayısı artar. Bu durumda, katılar için - dielektrikler v>0 akılda tutularak denklem (3) kullanılabilir.

Birçok bina ve ısı yalıtım malzemesi gözenekli bir yapıya sahiptir (tuğla, beton, asbest, cüruf vb.). Onlar ve toz malzemeler için termal iletkenlik katsayısı önemli ölçüde kütle yoğunluğuna bağlıdır. Bunun nedeni, artan gözeneklilik ile birlikte, çoğu hacim, termal iletkenlik katsayısı çok düşük olan hava ile doldurulur. Bununla birlikte, gözeneklilik ne kadar yüksek olursa, malzemenin yığın yoğunluğu o kadar düşük olur. Böylece, bir malzemenin (ceteris paribus) yığın yoğunluğundaki bir azalma, l'de bir azalmaya yol açar.

Örneğin, asbest için, yığın yoğunluğunda 800 kg/m2'den 400 kg/m2'ye bir düşüş, 0,248'den 0,105'e bir düşüşle sonuçlanır. Nem etkisi çok yüksektir. Örneğin, kuru tuğla için l \u003d 0,35, sıvı 0,6 için ve ıslak tuğla için l \u003d 1.0.

Termal iletkenliğin belirlenmesinde ve teknik hesaplamalarında bu olaylara dikkat etmek gerekir. Damlayan sıvıların termal iletkenlik katsayısı 0,08 - 0,7 aralığındadır. Aynı zamanda, sıvıların büyük çoğunluğu için ısıl iletkenlik katsayısı artan sıcaklıkla azalır. İstisnalar su ve gliserindir.

Gazların termal iletkenlik katsayısı daha da düşüktür.

Gazların ısıl iletkenliği artan sıcaklıkla artar. 20 mm Hg aralığında. (bar)'da 2000'e kadar, yani. pratikte en sık karşılaşılan alanda, basınca bağlı değildir. Bir gaz karışımı için (baca gazları, termal fırınların atmosferi vb.) Termal iletkenlik katsayısını hesaplama ile belirlemenin imkansız olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle, referans verilerinin yokluğunda, güvenilir bir l değeri yalnızca ampirik olarak bulunabilir.

l değeri ile< 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Termal iletkenlik problemlerini çözmek için, bir maddenin bazı makroskopik özellikleri (termofiziksel parametreler) hakkında bilgi sahibi olmak gerekir: termal iletkenlik katsayısı, yoğunluk, özısı.

Metallerin termal iletkenliğinin açıklaması

Metallerin ısıl iletkenliği çok yüksektir. Kafesin ısıl iletkenliğine indirgenmez, bu nedenle burada başka bir ısı transfer mekanizması çalışmalıdır. Saf metallerde termal iletkenliğin neredeyse tamamen elektron gazı nedeniyle gerçekleştirildiği ve yalnızca iletkenliğin düşük olduğu yüksek oranda kirlenmiş metal ve alaşımlarda, kafesin termal iletkenliğinin katkısının olduğu ortaya çıktı. önemli.

Bir malzemenin ısıl iletkenliğinin sayısal karakteristiği, belirli bir kalınlıktaki bir malzemeden geçen ısı miktarı ile belirlenebilir. kesin zaman. Sayısal karakteristik, çeşitli profil ürünlerinin ısıl iletkenliğini hesaplarken önemlidir.

Çeşitli metallerin ısıl iletkenlik katsayıları

Isı iletimi doğrudan gerektirir fiziksel temas iki organ arasında yapılır. Bu, ısı transferinin yalnızca katılar ve hareketsiz sıvılar arasında mümkün olduğu anlamına gelir. Doğrudan temas, kinetik enerjinin en sıcak maddenin moleküllerinden en soğuğa hareket etmesini sağlar. Isı değişimi, farklı sıcaklıklardaki cisimler birbirleriyle doğrudan temas ettiğinde meydana gelir.

Burada sıcak bir cismin moleküllerinin soğuk cismin içine giremeyeceğine dikkat etmeliyiz. Sadece ısının düzgün dağılımını sağlayan bir kinetik enerji transferi vardır. Bu enerji transferi, temas eden cisimler eşit şekilde ısınana kadar devam edecektir. Bu durumda termal dengeye ulaşılır. Bu bilgilerden yola çıkarak bir binanın ısı yalıtımı için ne tür bir yalıtım malzemesi gerektiğini hesaplamak mümkündür.

Bakırın yüksek termal iletkenliği, diğer dikkat çekici özellikleriyle birlikte, bu metale insan uygarlığının gelişim tarihinde önemli bir yer vermiştir. Bakır ve alaşımlarından yapılan ürünler hayatımızın hemen her alanında kullanılmaktadır.

1

Termal iletkenlik, vücudun daha fazla ısıtılan kısımlarındaki parçacıkların (elektronlar, atomlar, moleküller) enerjisini daha az ısıtılan kısımlarındaki parçacıklara aktarma işlemidir. Bu ısı değişimi, sıcaklık eşitlenmesine yol açar. Vücut boyunca sadece enerji aktarılır, madde hareket etmez. Isı iletme yeteneğinin bir özelliği, 1 m2 alana, 1 m kalınlığa sahip bir malzemeden birim sıcaklıkta 1 saniyede geçen ısı miktarına sayısal olarak eşit olan termal iletkenlik katsayısıdır. gradyan.

20–100 °C sıcaklıkta bakırın termal iletkenlik katsayısı 394 W/(m * K) - sadece gümüş daha yüksektir. bu göstergede bakırdan neredeyse 9 kat daha düşük ve demir - 6 ile. Çeşitli safsızlıkların üzerinde farklı etkileri vardır. fiziksel özellikler metaller. Bakır ile, sonuç olarak malzemeye eklendiğinde veya yutulduğunda ısı transfer hızı azalır. teknolojik süreç maddeler gibi:

• alüminyum;
• ütü;
• oksijen;
• arsenik;
• antimon;
• kükürt;
• selenyum;
• fosfor.

Yüksek termal iletkenlik, nesnenin hacmi boyunca ısıtma enerjisinin hızlı yayılması ile karakterize edilir. Bu yetenek sağlanan bakır geniş uygulama herhangi bir ısı değişim sisteminde. Soğutma sıvısından fazla ısıyı gidermek için buzdolapları, klimalar, vakum üniteleri, arabaların tüp ve radyatörlerinin imalatında kullanılır. Isıtma cihazlarında, bu tür bakır ürünler ısıtma için kullanılır.

Bakırın ısıyı iletme yeteneği ısındıkça azalır. Bakırın havadaki ısıl iletkenlik katsayısının değeri, ısı transferini (soğutma) etkileyen ikincisinin sıcaklığına bağlıdır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa çevre, metal ne kadar yavaş soğur ve termal iletkenliği o kadar düşük olur. Bu nedenle, tüm ısı eşanjörleri fanlı cebri hava akışı kullanır - bu, cihazların verimliliğini artırır ve aynı zamanda termal iletkenliği optimum seviyede tutar.

2

Alüminyum ve bakırın ısıl iletkenliği farklıdır - ilkinde ikinciden 1,5 kat daha azdır. Alüminyum için bu parametre 202–236 W / (m * K) ve diğer metallere kıyasla oldukça yüksektir, ancak altın, bakır, gümüşten daha düşüktür. Yüksek termal iletkenliğin gerekli olduğu alüminyum ve bakırın kapsamı, bu malzemelerin bir dizi başka özelliğine bağlıdır.

Alüminyum, korozyon önleyici özelliklerde bakırdan daha düşük değildir ve aşağıdaki göstergelerde üstündür:

• alüminyumun yoğunluğu (özgül ağırlığı) 3 kat daha azdır;
• maliyeti 3,5 kat daha düşüktür.

Benzer bir ürün, ancak alüminyumdan yapılmıştır, bakırdan çok daha hafiftir. Metalin ağırlığı 3 kat daha az gerektirdiğinden ve fiyatı 3,5 kat daha düşük olduğundan alüminyum kısım yaklaşık 10 kat daha ucuz olabilir. Bu ve yüksek ısı iletkenliği nedeniyle alüminyum, bulaşıkların, fırınlar için gıda folyolarının imalatında geniş uygulama alanı bulmuştur. Bu metal yumuşak olduğu için saf haliyle kullanılmaz - alaşımları çoğunlukla yaygındır (en ünlüsü duralumindir).

Çeşitli ısı eşanjörlerinde ana şey, fazla enerjinin çevreye geri dönüş hızıdır. Bu sorun, radyatörün bir fan vasıtasıyla yoğun şekilde üflenmesiyle çözülür. Aynı zamanda, alüminyumun daha düşük termal iletkenliği, soğutma kalitesini pratik olarak etkilemez ve ekipman ve cihazlar çok daha hafif ve daha ucuzdur (örneğin, bilgisayar ve Aletler). AT son zamanlarüretimde klima sistemlerindeki bakır boruların alüminyum borularla değiştirilmesi yönünde bir eğilim olmuştur.

Bakır, radyo endüstrisinde, elektronikte iletken bir malzeme olarak pratik olarak vazgeçilmezdir. Yüksek sünekliği nedeniyle 0,005 mm çapa kadar teller çekilebilir ve elektronik cihazlar için kullanılan diğer çok ince iletken bağlantılar yapılabilir. Alüminyumdan daha yüksek iletkenlik, minimum kayıp ve radyo elementlerinin daha az ısınmasını sağlar. Termal iletkenlik, çalışma sırasında üretilen ısıyı cihazların dış elemanlarına - kasa, besleme kontakları (örneğin, mikro devreler, modern mikroişlemciler) etkin bir şekilde gidermenizi sağlar.

Bakır şablonlar, çelik bir parça üzerinde istenilen şekilde bir yüzey kaplaması yapılması gerektiğinde kaynakta kullanılır. Yüksek ısı iletkenliği, bakır şablonun kaynaklı metale bağlanmasına izin vermez. Alüminyumun erimesi veya yanması muhtemel olduğundan bu gibi durumlarda kullanılamaz. Bakır, karbon ark kaynağında da kullanılır - bu malzemenin bir çubuğu, tüketilemeyen bir katot görevi görür.

3

Çoğu durumda düşük ısı iletkenliği arzu edilen bir özelliktir - bu ısı yalıtımının temelidir. Isıtma sistemlerinde bakır boruların kullanılması, diğer malzemelerden boru hatları ve kabloların kullanılmasından çok daha fazla ısı kaybına yol açar. Bakır boru hatları daha kapsamlı ısı yalıtımı gerektirir.

Bakırın yüksek ısı iletkenliği vardır, bu da yeterli zor süreç kurulum ve kendine has özellikleri olan diğer işler. Kaynak, lehimleme, bakır kesme, çeliğe göre daha yoğun ısıtma ve genellikle metalin ön ısıtmasını ve birlikte ısıtılmasını gerektirir.

Bakırın gazla kaynağı yapılırken, aynı kalınlıktaki çelik parçalara göre 1-2 sayı daha yüksek güce sahip torçların kullanılması gerekir. Bakır 8-10 mm'den daha kalınsa, iki hatta üç brülörle çalışılması önerilir (genellikle bir tanesi ile kaynak yapılır, diğerleri ısıtılır). Elektrotlarla alternatif akım üzerinde kaynak çalışmasına, artan metal sıçraması eşlik eder. 300 mm yüksek kromlu çeliği kesebilen bir kesici, 150 mm'ye kadar pirinç, bronz (bakır alaşımları) ve 50 mm'ye kadar saf bakır kesmek için uygundur. Tüm işler, sarf malzemeleri için önemli ölçüde daha yüksek maliyetlerle ilişkilidir.

4

Bakır, elektronikteki ana bileşenlerden biridir ve tüm mikro devrelerde kullanılır. Akım geçişi sırasında oluşan ısıyı uzaklaştırır ve dağıtır. Bilgisayarların hızının sınırlandırılması, işlemcinin ve diğer devre elemanlarının ısınmasındaki artıştan kaynaklanmaktadır. saat frekansı. Aynı anda çalışan birkaç çekirdeğe bölünme ve aşırı ısınmayla başa çıkmanın diğer yolları kendilerini tüketti. Şu anda, daha yüksek elektriksel ve termal iletkenliğe sahip iletkenler elde etmeyi amaçlayan gelişmeler devam etmektedir.

Bilim adamları tarafından yakın zamanda keşfedilen grafen, bakır iletkenlerin termal iletkenliğini ve ısıyı dağıtma yeteneklerini önemli ölçüde artırabilir. Deney sırasında bakır tabaka her taraftan grafen ile kaplandı. Bu, iletkenin ısı transferini %25 oranında iyileştirdi. Bilim adamlarının açıkladığı gibi, yeni madde ısı transferinin yapısını değiştiriyor ve enerjinin metalde daha serbest hareket etmesine izin veriyor. Buluş geliştirilme aşamasındadır - deneyde bakır iletken çok kullanılmıştır. büyük bedenler işlemcide olduğundan daha fazla.

- önem ve yaygınlık açısından ilk yapısal malzeme. Eski zamanlardan beri bilinmektedir ve özellikleri öyledir ki, demirin önemli miktarlarda eritilmesi öğrenildiğinde, metal diğer tüm alaşımların yerini almıştır. Demir çağı geldi ve bakılırsa bu süre yakında bitmeyecek. Bu makale size demirin özgül ağırlığının ne olduğunu, saf haliyle erime noktasının ne olduğunu söyleyecektir.

Demir tipik bir metaldir ve kimyasal olarak aktiftir. Madde ile reaksiyona girer normal sıcaklık ve ısıtma veya artan nem, reaktivitesini önemli ölçüde artırır. Demir havada paslanır, saf oksijen atmosferinde yanar ve ince toz halinde havada da tutuşabilir.

Saf demir dövülebilir, ancak bu formda metal çok nadirdir. Aslında, demir, saf bir maddenin yumuşaklığı ve dövülebilirliği ile karakterize edilen,% 0,8'e kadar küçük oranda safsızlık içeren bir alaşımdır. için anlamı Ulusal ekonomi karbon - çelik, dökme demir, paslanmaz çelik alaşımlarına sahiptir.

Polimorfizm demirin doğasında vardır: yapı ve kafes parametrelerinde farklılık gösteren 4 adede kadar değişiklik vardır:

• α-Fe - sıfırdan +769 C'ye kadar bulunur. Gövde merkezli kübik bir kafese sahiptir ve bir ferromanyettir, yani harici bir yokluğunda manyetizasyonu korur manyetik alan. +769 С – Metal için Curie noktaları;
• +769 ila +917 C arasında, β-Fe belirir. α-fazından sadece kafes parametrelerinde farklılık gösterir. Bu durumda, manyetik olanlar dışında hemen hemen tüm fiziksel özellikler korunur: demir paramanyetik hale gelir, yani manyetize etme yeteneğini kaybeder ve bir manyetik alana çekilir. Metal bilimi, β-fazını ayrı bir modifikasyon olarak görmez. Geçiş önemli ölçüde etkilemediğinden fiziksel özellikler;
• 917 ila 1394 C aralığında, yüz merkezli kübik kafes ile karakterize edilen bir y-modifikasyonu vardır;
• +1394 C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, vücut merkezli bir kübik kafes ile karakterize edilen bir δ-fazı ortaya çıkar.

saat yüksek basınç ve ayrıca metal bazı katkı maddeleri ile alaşımlandığında, altıgen sıkı paketlenmiş bir kafese sahip bir ε-fazı oluşur.

Faz geçişlerinin sıcaklığı, aynı karbonla doping yapıldığında gözle görülür şekilde değişir. Aslında, demirin bu kadar çok modifikasyon oluşturma yeteneği, çeliğin çeşitli şekillerde işlenmesinin temelini oluşturur. sıcaklık koşulları. Bu tür geçişler olmasaydı, metal bu kadar yaygın olmazdı.

Şimdi sıra demir metalin özelliklerine geldi.

Bu video demirin yapısını anlatıyor:

Metal özellikleri ve özellikleri

Demir oldukça hafif, orta derecede refrakter bir metaldir, gümüş-gri renklidir. Seyreltik asitlerle kolayca reaksiyona girer ve bu nedenle orta aktivitenin bir unsuru olarak kabul edilir. Kuru havada, metal kademeli olarak bir oksit film ile kaplanır ve bu da daha fazla reaksiyonu önler.

Ancak en ufak nemde, film yerine pas görülür - bileşimde gevşek ve heterojen. Pas, demirin daha fazla korozyona uğramasını engellemez. Bununla birlikte, metalin ve en önemlisi, karbonlu alaşımlarının fiziksel özellikleri, düşük korozyon direncine rağmen, demirin kullanımını haklı çıkaracak şekildedir.

Kütle ve Yoğunluk

Demirin moleküler ağırlığı, maddenin göreceli hafifliğini gösteren 55.8'dir. Demirin yoğunluğu nedir? Bu gösterge, faz değişikliği ile belirlenir:

• α-Fe - 7.87 g / cu. 20 C'de cm ve 7.67 g / cu. 600 C'de cm;
• γ-fazı, daha da düşük bir yoğunlukla ayırt edilir - 100C'de 7.59 g / cc;
• δ-fazının yoğunluğu 7.409 g/cm3'tür.

Sıcaklık arttıkça, demirin yoğunluğu doğal olarak azalır.

Ve şimdi, örneğin, dökme demir ile karşılaştırarak, Celsius'ta demirin erime noktasının ne olduğunu bulalım.

Sıcaklık aralığı

Metal, orta derecede refrakter olarak sınıflandırılır, bu, kümelenme durumundaki değişikliğin nispeten düşük bir sıcaklığı anlamına gelir:

• erime noktası - 1539 C;
• kaynama noktası - 2862 C;
• Curie sıcaklığı, yani manyetize etme yeteneğinin kaybı - 719 C.

Erime veya kaynama noktasından bahsederken, bir maddenin δ fazıyla ilgilendikleri akılda tutulmalıdır.

Bu video size fiziksel ve kimyasal özellikler bez:

Mekanik karakteristiği

Demir ve alaşımları o kadar yaygındır ki, örneğin daha sonra kullanılmaya başlanmış ve bir tür standart haline gelmişlerdir. Metaller karşılaştırıldığında, demire işaret ederler: çelikten daha güçlü, demirden 2 kat daha yumuşak vb.

Küçük oranlarda safsızlık içeren bir metal için özellikler verilmiştir:

• Mohs ölçeğinde sertlik - 4-5;
• Brinell sertliği - 350-450 Mn / sq. m Ayrıca, kimyasal olarak saf demir daha yüksek bir sertliğe sahiptir - 588–686;

Güç göstergeleri, safsızlıkların miktarına ve doğasına son derece bağlıdır. Bu değer, her bir alaşım veya saf metal markası için GOST tarafından düzenlenir. Bu nedenle, alaşımsız çelik için nihai basınç dayanımı 400-550 MPa'dır. Bu kaliteyi sertleştirirken, çekme mukavemeti 700 MPa'ya yükselir.

• metalin darbe dayanımı 300 MN/m²'dir;
• akma dayanımı –100 MN/sq. m.

Demirin özgül ısı kapasitesini belirlemek için neyin gerekli olduğu hakkında daha fazla bilgi edineceğiz.

Isı kapasitesi ve termal iletkenlik

Herhangi bir metal gibi, demir de ısıyı iletir, ancak bu alandaki performansı düşüktür: termal iletkenlik açısından, metal alüminyumdan daha düşüktür - 2 kat daha az ve - 5 kat.

25°C'de termal iletkenlik 74.04 W/(m·K)'dir. Değer sıcaklığa bağlıdır;

• 100 K'de termal iletkenlik 132 [W/(m.K)]'dir;
• 300 K - 80.3 [W / (m.K)]'de;
• 400 - 69.4'te [W / (m.K)];
• ve 1500 - 31.8 [W / (m.K)]'de.

• 20 C'de termal genleşme katsayısı 11.7 10-6'dır.
• Bir metalin ısı kapasitesi, faz yapısı tarafından belirlenir ve oldukça karmaşık bir şekilde sıcaklığa bağlıdır. 250 C'ye kadar bir artışla, ısı kapasitesi yavaş yavaş artar, ardından Curie noktasına ulaşılana kadar keskin bir şekilde artar ve ardından azalmaya başlar.
• 0 ila 1000C sıcaklık aralığında özgül ısı kapasitesi 640,57 J/(kg K) dir.

Elektiriksel iletkenlik

Demir akımı iletir, ancak bakır ve gümüş kadar iyi değildir. Metalin özgül elektrik direnci normal koşullar– 9,7 10-8 ohm m.

Demir bir ferromıknatıs olduğundan, bu alandaki performansı daha önemlidir:

• doygunluk manyetik indüksiyon 2,18 T'dir;
• manyetik geçirgenlik - 1.45.106.

toksisite

Metal insan vücudu için tehlike oluşturmaz.çelik ve demir ürünlerinin imalatı tehlikeli olabilir, ancak bu sadece yüksek sıcaklıklar ve çeşitli alaşımların üretiminde kullanılan katkı maddeleri nedeniyle olabilir. Demir atıkları - hurda metal, çevre için tehlike oluşturur, ancak metal havada paslandığı için oldukça ılımlı.

Demirin biyolojik inertliği yoktur, bu nedenle protez malzemesi olarak kullanılmaz. Ancak, içinde insan vücudu bu element en önemli rollerden birini oynar: demir emiliminde bir ihlal veya diyette yetersiz miktarda demir bulunması, en iyi ihtimalle anemiyi garanti eder.

Demir büyük güçlükle emilir - vücuda verilen toplam miktarın %5-10'u veya eksikliği varsa %10-20'si.

• Sade günlük gereksinim demirde erkekler için 10 mg, kadınlar için 20 mg'dır.
• Toksik doz 200 mg/gün'dür.
• Ölümcül - 7-35 g Bu kadar miktarda demir almak neredeyse imkansızdır, bu nedenle demir zehirlenmesi oldukça nadirdir.

Demir, fiziksel özellikleri, özellikle mukavemeti önemli ölçüde değiştirilebilen bir metaldir. işleme veya çok az miktarda alaşım elementlerinin eklenmesi. Bu özellik, metal çıkarma kolaylığı ve mevcudiyeti ile birleştiğinde, demiri en çok talep edilen yapısal malzeme haline getirir.

Aşağıdaki videoda bir uzman size demirin özellikleri hakkında daha fazla bilgi verecektir:

Termal iletkenlik, malzemelerin ısı iletme yeteneğini belirleyen fiziksel bir niceliktir. Başka bir deyişle, ısıl iletkenlik, maddelerin atomların ve moleküllerin kinetik enerjisini kendileriyle doğrudan temas halinde olan diğer maddelere aktarma yeteneğidir. SI'de bu değer W/(K*m) (Kelvin metre başına Watt) cinsinden ölçülür, bu da J/(s*m*K) (Joule/saniye Kelvin metre) değerine eşittir.

Termal iletkenlik kavramı

Yoğun bir fiziksel nicelik, yani maddenin miktarına bağlı olmayan bir özelliği tanımlayan bir niceliktir. Yoğun miktarlar da sıcaklık, basınç, elektriksel iletkenliktir, yani bu özellikler aynı maddenin herhangi bir noktasında aynıdır. Başka bir fiziksel nicelik grubu, örneğin kütle, hacim, enerji ve diğerleri gibi madde miktarıyla belirlenen kapsamlıdır.

Termal iletkenliğin zıt değeri, bir malzemenin içinden geçen ısı transferini önleme yeteneğini yansıtan termal dirençtir. İzotropik bir malzeme, yani özellikleri tüm uzamsal yönlerde aynı olan bir malzeme için, termal iletkenlik skaler bir niceliktir ve birim zaman başına birim alandan geçen ısı akışının sıcaklık gradyanına oranı olarak tanımlanır. Böylece, Kelvin başına bir watt'lık bir termal iletkenlik, bir Joule'luk termal enerjinin malzeme aracılığıyla aktarıldığı anlamına gelir:

• bir saniyede;
• bir metrekarelik bir alan boyunca;
• bir metre mesafede;
• Bir malzemede bir metre aralıklı yüzeyler arasındaki sıcaklık farkı bir Kelvin olduğunda.

Ne olduğu açık daha fazla değer termal iletkenlik, malzeme ısıyı o kadar iyi iletir ve bunun tersi de geçerlidir. Örneğin bakır için bu değerin değeri 380 W/(m*K)'dir ve bu metal ısıyı aktarmada ısıl iletkenliği 0,035 W/(m*K) olan poliüretandan 10.000 kat daha iyidir.

Moleküler düzeyde ısı transferi

Madde ısıtıldığında, onu oluşturan parçacıkların ortalama kinetik enerjisi artar, yani düzensizlik seviyesi artar, atomlar ve moleküller malzemedeki denge konumları etrafında daha yoğun ve daha büyük bir genlikle salınmaya başlar. Makroskobik düzeyde Fourier yasası ile tanımlanabilen ısı transferi, moleküler düzeyde bir değişimdir. kinetik enerji Bir maddenin parçacıkları (atomlar ve moleküller) arasında, ikincisini aktarmadan.

Moleküler seviyedeki ısı iletim mekanizmasının bu açıklaması, onu, maddenin transferinden dolayı ısı transferinin gerçekleştiği termal konveksiyon mekanizmasından ayırır. Herşey katı cisimlerısı iletme kabiliyetine sahipken, termal konveksiyon sadece sıvılarda ve gazlarda mümkündür. Gerçekten de, katılar ısıyı esas olarak termal iletkenlik nedeniyle aktarırken, sıvılar ve gazlar, içlerinde sıcaklık gradyanları varsa, ısıyı esas olarak konveksiyon süreçleri nedeniyle aktarır.

Malzemelerin termal iletkenliği

Metallerin ısı iletme konusunda belirgin bir yeteneği vardır. Polimerler, düşük ısı iletkenliği ile karakterize edilir ve bazıları pratik olarak ısı iletmez, örneğin cam elyafı, bu tür malzemelere ısı yalıtkanları denir. Uzayda şu veya bu ısı akışının var olması için, bu uzayda bir maddenin varlığı gereklidir, bu nedenle, boş alan(boş alan) termal iletkenlik sıfırdır.

Her homojen (homojen) malzeme, bir termal iletkenlik katsayısı (Yunanca lambda harfi ile gösterilir), yani 1 m²'lik bir alandan ne kadar ısının aktarılması gerektiğini belirleyen bir değer ile karakterize edilir, böylece Bir saniyede, bir metrelik bir malzeme kalınlığından geçerken, uçlarındaki sıcaklık 1 K'de değişir. Bu özellik her malzemenin doğasında vardır ve sıcaklığına bağlı olarak değişir, bu nedenle bu katsayı genellikle oda sıcaklığında (300 K) ölçülür. Farklı maddelerin özelliklerini karşılaştırmak.

Malzeme heterojense, örneğin betonarme ise, bu malzemeyi oluşturan homojen maddelerin katsayılarına göre ölçülen faydalı bir termal iletkenlik katsayısı kavramı ortaya çıkar.

Aşağıdaki tablo, 300 K (27 ° C) bir sıcaklık için W / (m * K) cinsinden bazı metallerin ve alaşımların termal iletkenlik katsayılarını göstermektedir:

• çelik 47-58;
• alüminyum 237;
• bakır 372.1-385.2;
• bronz 116-186;
• çinko 106-140;
• titanyum 21.9;
• kalay 64.0;
• 35.0 kurşun;
• demir 80.2;
• pirinç 81-116;
• altın 308.2;
• gümüş 406.1-418.7.

Aşağıdaki tablo metalik olmayan katılar için veri sağlar:

• cam elyafı 0.03-0.07;
• cam 0.6-1.0;
• asbest 0.04;
• ağaç 0.13;
• parafin 0.21;
• tuğla 0.80;
• elmas 2300.

İncelenen verilerden, metallerin termal iletkenliğinin metal olmayanlardan çok daha yüksek olduğu görülebilir. Bunun istisnası, bakırın beş katı ısı transfer katsayısına sahip olan elmastır. Elmasın bu özelliği, kristal kafesini oluşturan karbon atomları arasındaki güçlü kovalent bağlardan kaynaklanmaktadır. Bu özellik sayesinde bir kişi bir elmasa dudaklarıyla dokunduğunda üşür. Elmasın özelliği iyi tolere edilir Termal enerji mikro elektronikte mikro devrelerden ısıyı uzaklaştırmak için kullanılır. Ayrıca bu özellik, gerçek bir pırlantayı sahte olandan ayırt etmenizi sağlayan özel cihazlarda kullanılır.

Bazı endüstriyel işlemlerde, ya iyi iletkenlerle ya da yapının bileşenleri arasındaki temas alanını artırarak elde edilen ısı transfer kabiliyetini arttırma girişiminde bulunulur. Bu tür yapıların örnekleri, ısı eşanjörleri ve ısı yayıcılardır. Diğer durumlarda, aksine, ısı yalıtkanlarının kullanımı, yapılardaki boşluklar ve elemanların temas alanında bir azalma ile elde edilen ısıl iletkenliği azaltmaya çalışırlar.

Çeliklerin ısı transfer katsayıları

Çelikler için ısı transfer yeteneği iki ana faktöre bağlıdır: bileşim ve sıcaklık.

Karbon içeriğinde artış olan basit karbon çelikleri, özgül ağırlıklarını azaltır; buna göre, çelikteki karbon yüzdesinde% 0,5'ten 1,5'e bir değişiklikle, ısı transfer etme yetenekleri de 54'ten 36 W / (m * K)'ye düşer. .

Paslanmaz çelikler, karbon ile birlikte malzemenin oksidasyonunu önleyen ve ayrıca metalin elektrot potansiyelini artıran karmaşık karbürler oluşturan krom (% 10 veya daha fazla) içerir. Paslanmaz çeliğin ısıl iletkenliği diğer çeliklere göre düşüktür ve bileşimine bağlı olarak 15 ile 30 W/(m*K) arasında değişmektedir. Isıya dayanıklı krom-nikel çelikler bu katsayının daha da düşük değerlerine sahiptir (11-19 W / (m * K).

Diğer bir sınıf, çeliğin demir ve çinko ile kaplanmasıyla elde edilen, özgül ağırlığı 7.850 kg/m3 olan galvanizli çeliklerdir. Çinko, ısıyı demirden daha kolay ilettiğinden, galvanizli çeliğin ısıl iletkenliği, diğer çelik kalitelerine kıyasla nispeten yüksek olacaktır. 47 ila 58 W / (m * K) arasında değişmektedir.

Çeliğin ısıl iletkenliği çeşitli sıcaklıklar genellikle pek değişmez. Örneğin, çeliğin 20 ısıl iletkenlik katsayısı, oda sıcaklığından 1200 ° C'ye sıcaklık artışıyla 86'dan 30 W / (m * K)'ye düşer ve 08X13 çelik kalitesi için, sıcaklıkta 100'den 900 °'ye bir artış C, ısıl iletkenlik katsayısını değiştirmez (27-28 W/(m*K).

Fiziksel niceliği etkileyen faktörler

Isıyı iletme yeteneği, maddenin sıcaklığı, yapısı ve elektriksel özellikleri dahil olmak üzere bir dizi faktöre bağlıdır.

Malzeme sıcaklığı

Sıcaklığın ısıyı iletme yeteneği üzerindeki etkisi metaller ve metal olmayanlar için farklıdır. Metallerde iletkenlik esas olarak serbest elektronlarla ilişkilidir. Wiedemann-Franz yasasına göre, bir metalin termal iletkenliği, Kelvin cinsinden ifade edilen mutlak sıcaklığın ürünü ve elektrik iletkenliği ile orantılıdır. Saf metallerde, artan sıcaklıkla elektriksel iletkenlik azalır, bu nedenle termal iletkenlik yaklaşık olarak sabit kalır. Alaşımlar söz konusu olduğunda, artan sıcaklıkla elektriksel iletkenlik çok az değişir, bu nedenle alaşımların termal iletkenliği sıcaklıkla orantılı olarak artar.

Öte yandan, metal olmayanlarda ısı transferi esas olarak kafes titreşimleri ve kafes fononlarının değişimi ile ilişkilidir. kristaller hariç Yüksek kalite ve Düşük sıcaklık, kafesteki fonon yolu şu anda önemli ölçüde azalmaz. yüksek sıcaklıklar bu nedenle, termal iletkenlik tüm sıcaklık aralığında sabit kalır, yani önemsizdir. Debye sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda, ametallerin ısı kapasiteleriyle birlikte ısıyı iletme yetenekleri büyük ölçüde azalır.

Faz geçişleri ve yapısı

Bir malzeme, katıdan sıvıya veya sıvıdan gaza gibi birinci dereceden bir faz geçişi yaşadığında, termal iletkenliği değişebilir. Böyle bir değişimin çarpıcı bir örneği, buz (2,18 W/(m*K) ve su (0,90 W/(m*K) için) için bu fiziksel nicelikteki farktır.

Malzemelerin kristal yapısındaki değişiklikler, aynı bileşimdeki bir maddenin çeşitli allotropik modifikasyonlarının anizotropik özellikleri ile açıklanan termal iletkenliği de etkiler. Anizotropi, metal olmayanlardaki ana ısı taşıyıcıları olan kafes fononlarının saçılma yoğunluğunun farklı yoğunluğunu ve kristalde farklı yönlerde etkiler. Burada önemli bir örnek iletkenliği yöne bağlı olarak 32 ila 35 W / (m * K) arasında değişen safirdir.

elektiriksel iletkenlik

Metallerde ısıl iletkenlik, Wiedemann-Franz yasasına göre elektriksel iletkenlik ile birlikte değişir. Bunun nedeni, metalin kristal kafesi boyunca serbestçe hareket eden değerlik elektronlarının sadece elektrik değil, aynı zamanda termal enerji de taşımasıdır. Diğer malzemeler için, elektronik bileşenin termal iletkenliğe önemsiz katkısı nedeniyle bu tür iletkenlik arasındaki korelasyon belirgin değildir (ametallerde, kafes fononları ısı transfer mekanizmasında ana rolü oynar).

konveksiyon süreci

Hava ve diğer gazlar, konveksiyon olmadığında genellikle iyi ısı yalıtkanlarıdır. Bu ilke, aşağıdakileri içeren birçok ısı yalıtım malzemesinin çalışmasına dayanmaktadır. çok sayıda küçük boşluklar ve gözenekler. Bu yapı konveksiyonun uzun mesafelerde yayılmasına izin vermez. Bu tür insan yapımı malzemelerin örnekleri polistiren ve silisit aerojeldir. Doğada, hayvanların derisi ve kuşların tüyleri gibi ısı yalıtkanları aynı prensipte çalışır.

Hidrojen ve jel gibi hafif gazlar yüksek termal iletkenlik değerlerine sahipken argon, ksenon ve radon gibi ağır gazlar zayıf ısı iletkenleridir. Örneğin, havadan ağır olan bir soy gaz olan argon, genellikle çift camlarda ve ampullerde yalıtkan bir gaz dolgu maddesi olarak kullanılır. Bunun istisnası, ağır bir gaz olan ve yüksek ısı kapasitesi nedeniyle nispeten yüksek bir termal iletkenliğe sahip olan kükürt heksaflorürdür (SF6).