Теплопроводность металлов и сплавов

Теплопроводность металлов и сплавов

Металлы обладают большим количеством характеристик, которые определяют их эксплуатационные качества и возможность применения при изготовлении определенных изделий. Важной характеристикой всех материалов можно назвать теплопроводность. Этот показатель определяет способность материального тела к переносу тепловой энергии. Таблица теплопроводности металлов встречается в различных справочниках, может зависеть от различных их особенностей. Примером можно назвать то, что механизм переноса тепловой энергии во многом зависит от агрегатного состояния вещества.

  • От чего зависит показатель теплопроводности
  • Понятие коэффициента теплопроводности
  • Когда учитывается

Определение и значение

Теплопроводность — способность материалов переносить энергию тепла от разогретых поверхностей к холодным участкам. Теплопроводящими могут быть жидкости, газы, твердые вещества. Это способность тела проводить тепловую энергию через себя, передавать ее другим предметам.

Коэффициент теплопроводности — величина, равняющаяся количеству теплоты, которая переносится через определенную площадь поверхности за 1 секунду.

Впервые этот параметр был установлен в 1863 году. Ученые доказали, что передача теплоты осуществляется за счет движения свободных электронов. В металлических заготовках их больше, чем в предметах из другим материалов.

Конструкция прибора для измерения теплопроводности металла

К корпусу прибора, состоящего из двух поперечных рам, присоединяют верхнюю плиту, а а также обшивки из тонкой листовой стали и откидную панель. На верхней плите установлен калориметр, открывающийся при помощи подъемного механизма. Внутри корпуса прибора находится трансформатор с блоком холодных спаев.

Рядом с контактной поверхностью расположена термопара, покрытая эпоксидной смолой. Она выводится сначала вверх по блоку, затем к блоку холодных спаев через полую штангу. В нижнем блоке установлен тепломер, состоящий из контактной медной пластины и рабочего слоя из эпоксидной смолы. В первом блоке находится спиральный нагреватель, выведенный на переднюю колодку на торце.

Соединенные дифференциально термопары предназначены для измерения перепада температуры на исследуемом образце. По высоте они могут перемещаться в пределах нескольких миллиметров. Перед измерением контактные поверхности блоков и образца протирают спиртом или бензином, а затем смазывают тонким слоем масла.

Теплопроводность нескольких различных видов сталей

Тут будут представлены сухие цифры для того, чтобы пользователь мог сразу найти нужные для себя показатели коэффициента данной величины для некоторых марок сталей:

  • Коэффициент теплопроводности низкоуглеродистых сталей, которые применяются в производстве обычных труб, равен 54, 51, 47 (Вт/(м*гр. С) для 25, 125, 225 градусов по Цельсию соответственно.
  • Средний коэффициент углеродистых сталей, который можно высчитать при комнатной температуре, находится в диапазоне от 50 до 90 Вт/(М*гр. С).
  • Коэффициент теплопроводности для обычной стали, которая не содержит различных примесей, которые, в свою очередь, не могут никак повлиять на этот коэффициент, равен 64 Вт/(м*гр. С). Этот коэффициент несущественно изменяется при изменении термического воздействия, но точно не так сильно, как в случае с углеродистыми и легированными сталями.

2. Теплопроводность анизотропных тел

Для анизотропных твердых тел плотность потока в общем случае не совпадает с направлением нормали к изотермической поверхности, и уравнения Фурье могут быть записаны в следующем виде: qi = — lij(∂T / ∂xj), где коэффициенты lij образуют симметричный тензор 2-го ранга.

Анизотропные кристаллы обычно характеризуют теплопроводностями в направлении главных осей. Если тензор lij привести к главным осям (x, y, z), то уравнение принимает простой вид: q1 = — l1(∂T / ∂x); q2 = — l2(∂T / ∂x); q3 = — l3(∂T / ∂x).

Коэффициент теплопроводности Лямбда. Что это такое?

Коэффициент λ (лямбда) — это, пожалуй, наиболее важный параметр всех теплоизоляционных материалов. Его значение указывает на то, сколько тепла материал может пропускать через себя. То есть его показатель теплопроводности.

Чем ниже значение коэффициента λ (лямбда), тем меньше проводимость материала и, следовательно, он лучше изолирован от тепловых потерь. Это означает, что при одинаковых условиях больше тепла будет проходить через вещество с большей теплопроводностью.

Как же высчитывается этот коэффициент? Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда уходит в область более низкой температуры. Для тела в форме теплопроводного кубоида в стационарных условиях количество передаваемого тепла зависит от вещества, пропорционально поперечному сечению тела, разности температур и времени теплопередачи.

Таким образом формула расчет будет выглядеть так:

  • λ (лямбда) — коэффициент теплопроводности;
  • ΔQ — количество тепла, протекающего через тело;
  • t — время;
  • L — длина тела;
  • S — площадь поперечного сечения корпуса;
  • ΔT — разность температур в направлении теплопроводности;
  • d — толщина перегородки.

За единицу измерения теплопроводности принимается система СИ — [Вт / (м · К)]. Она выражает количество теплового потока через единицу поверхности материала заданной толщины, если разница температур между двумя его сторонами составляет 1 Кельвин. Измеряют все эти показатели в специальных строительных лабораториях.

Алюминий и медь – что лучше?

У алюминия есть один минус по сравнению с медью: его теплопроводность в 1,5 раза меньше, а именно 201–235 Вт/(м*К). Однако по сравнению с другими металлами это достаточно высокие значения. Алюминий так же, как и медь, обладает высокими антикоррозийными свойствами. Кроме того, он имеет такие преимущества, как:

  • малая плотность (удельный вес в 3 раза меньше, чем у меди);
  • низкая стоимость (в 3,5 раза меньше, чем у меди).

Алюминиевый радиатор отопления

Благодаря простым расчетам получается, что алюминиевая деталь может оказаться дешевле медной практически в 10 раз, ведь она весит намного меньше и изготовлена из более дешевого материала. Этот факт наряду с высокой теплопроводностью позволяет использовать алюминий в качестве материала для посуды и пищевой фольги для духовых шкафов. Главный недостаток алюминия состоит в том, что он является более мягким, поэтому его можно использовать только в составе сплавов (например, дюралюминия).

Для эффективного теплообмена важную роль играет скорость отдачи тепла в окружающую среду, и этому активно способствует обдув радиаторов. В результате меньшая теплопроводность алюминия (относительно меди) нивелируется, а вес и стоимость оборудования снижаются. Эти важные плюсы позволяют алюминию постепенно вытеснять медь из использования в системах кондиционирования.

Использование меди в электронике

В некоторых отраслях, к примеру, в радиопромышленности и электронике, медь является незаменимой. Дело в том, что этот металл по природе своей очень пластичен: его можно вытянуть крайне тонкую проволоку (0,005 мм), а также создать другие специфические токопроводящие элементы для электронных приборов. А высокая теплопроводность позволяет меди крайне эффективно отводить неизбежно возникающее при работе электроприборов тепло, что очень важно для современной высокоточной, но в то же время компактной техники.

Актуально использование меди в тех случаях, когда требуется сделать наплавку определенной формы на стальную деталь. При этом применяется шаблон из меди, который не соединяется с привариваемым элементом. Использование алюминия для этих целей невозможно, так как он будет расплавлен или прожжен. Стоит также упомянуть, что медь способна выполнить роль катода при сварке угольной дугой.

1 — шестерня, 2 — крепления шаблонов, 3 — наплавляемый зуб шестерни, 4 — медные шаблоны

Читайте также  Прибор для чистки пяток

Трубы с низкой теплопроводностью

Полипропиленовые трубы произведенные в Германии, широкого спектра применения.

Трубопроводная система из инновационного материала fusiolen, специально разработанная для систем отопления, холодоснабжения, обогрева поверхностей, транспортировки агрессивных сред и сжатого воздуха, а также для систем геотермальной энергетики.

Трубы произведенные в Германии, широкого спектра применения.

Система отлично подходит для подведения воды к бассейнам, как в частных, так и промышленных масштабах. Так же используется для транспортировки химических сред.

Свойства и характеристики металла

Железо – достаточно легкий, умеренно тугоплавкий металл, серебристо-серого цвета. Легко реагирует с разбавленными кислотами и поэтому считается элементом средней активности. На воздухе – сухом, металл постепенно покрывается пленкой оксида, которая препятствует дальнейшей реакции.

Но при самой небольшой влажности вместо пленки появляется ржавчина – рыхлая и неоднородная по составу. Ржавчина дальнейшей коррозии железа не препятствует. Однако физические свойства металла, а, главное, его сплавов с углеродом таковы, что, несмотря на низкую коррозийную стойкость, использование железа более чем оправдано.

Далее вы узнаете, чему равна плотность железа (в кг на м3) в сравнении, например, с медью или алюминием.

Масса и плотность

Молекулярная масса железа составляет 55,8, что указывает на относительную легкость вещества. А какая же у железа плотность? Такой показатель определяется фазовой модификацией:

  • α-Fe – 7,87 г/куб. см при 20 С, и 7,67 г/куб. см при 600 С;
  • γ-фаза отличается еще более низкой плотностью – 7,59 г/куб см при 1000С;
  • плотность δ-фазы составляет 7,409 г/куб см.

С повышением температуры плотность железа закономерно падает.

А теперь давайте узнаем, какова температура плавления железа по Цельсию, сравнивая ее, например, с медью или чугуном.

Температурный диапазон

Металл относится к умеренно тугоплавким, что означает сравнительно невысокую температуру изменения агрегатного состояния: