Теплопроводность металлов
Все вещества состоят из молекул и атомов, которые находятся внутри в постоянном движении. В результате перехода кинетической энергии в тепловую они начинают лучше двигаться при нагреве. У теплопередачи существует три разновидности: теплопроводность, конвекция и излучение. Конвекцией называется перенос тепла в пространстве вместе с нагретым веществом, например, происходят такие физические явления -горячий воздух от батареи поднимается к потолку, холодные частички воды опускаются вниз в виде тумана. Теплопроводность металлов – процесс переноса внутренней энергии из одного слоя в другой за счет хаотичного движения частиц. Это перенос температуры объектов, которые к ним прикасаются.
Определение
Способность металлов передавать тепловую энергию от горячих частей холодным, называется теплопроводностью. Атомы переносятся во время движения частиц. скорость обмена теплом зависит от агрегатного состояния материала, через который проходит передача.
λ = (Q × L) / (A × ΔT) — формула показывает, что теплопроводность зависит от количества тепла, передаваемого через материал, его толщины, площади поперечного сечения и разности температур. На уровень теплопроводности также влияет плотность, вид, размеры и расположение пор. Хуже всего тепло проводят инертные газы, содержание молекул в 1 м3 очень маленькое, расстояние между молекулами очень большое, поэтому передать энергию между молекулами довольно сложно.
Вакуум обладает самой плохой теплопроводностью, потому что в таких условиях практически отсутствуют молекулы, которые бы передавали энергию друг другу. Стоит отметить, что металлические предметы не всегда холодные. причина низкой температуры металлов таится в их хорошей передаче тепла. Деревянные окна и двери обеспечивают хорошую теплоизоляцию, так как дерево не передает тепло так хорошо, как металлы. Фольга является идеальным пароизоляционным материалом, благодаря способности задерживать перемещение газов во внешнюю среду из ячеек теплоизоляции.
Отличие теплопроводности от теплоемкости
От нагрева высокой температуры материал становится текучим, например, расплавление свинца и олова происходит от нагрева свечи. Но большинство материалов плавят в печи. Соединения становятся более плавкими от добавки дополнительных компонентов. Например, бронза, латунь, сталь, чугун имеют меньшую температуру плавления по сравнению с основным элементом.
Температура плавления зависит от показателей теплоемкости – численного выражения способности химических элементов поглощать теплоту. Для элементов — 300-400 Дж/(кг х К), а для сплавов – 100-2000 Дж/(кг х К).
Энергию в металлах переносят электроны. Чем меньше искажений из-за примесей, тем выше передача тепла, чтобы ее снизить в сплав добавляют легирующие вещества. Легирование вносит искажения в структуру металлов и понижает теплопроводность относительно основного металла.
В зависимости от уровня передачи тепла меняются области применения. Например, для ручки сковороды необходим металл с низкой теплопроводностью, чтобы не обжечь руки. А для быстрого нагрева еды на сковороде нужен металл или сплав, хорошо проводящий тепло.
Наиболее теплопроводным металлом является серебро, затем идут олово, алюминий и железо. У материалов с низкой теплопроводностью имеются искажения кристаллической решетки. К чёрным относят железо и его сплавы (чугун и сталь), все остальные цветные металлы.
Закон Фурье применим для описания способности проводить газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.
Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (к), называют коэффициентом теплопроводности.
Это количество теплоты, переносимое за секунду через одну единицу поверхности. Теплоту передают свободные электроны, которых в металле содержится максимальное количество. Поэтому у них коэффициент выше, чем у диэлектрических материалов. Большинство металлов имеют линейную зависимость. Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно. Знание КТП нужно для улучшения тепловой эффективности конструкции. Коэффициент играет важное значение при выборе материалов при строительстве. При использовании стройматериалов с высокими показателями теплопроводности, в мороз в здании будет холодно.
Медь –распространенный, недешевый металл, обладающий следующими особенностями:
- хорошая проводимость тепла влияет на соблюдение точного температурного режима, чем со сталью. Необходим предварительные нагрев при работе с медными деталями;
- для укладки медных труб отопления используют теплоизоляцию, поэтому увеличиваются затраты;
- во время газовой сварки медного листа нужны вспомогательные горелки, которые будут подогревать;
- при сваривании медных деталей большой расход дополнительных средств;
- при обработке медных изделий требуется специальные приборы с инструментами.
В эксперименте по повышению качеств медного сплава использовались медные пленки с верхним слоем графена, обладающим высоким уровнем теплопроводности. благодаря графеновому напылению. Имеются научные сведения о теплопроводности различных сортов металлов, например, пружинной и быстрорежущей стали. В специализированных справочниках указаны средние значения показателей при температуре до +1 200 °С.
Где применяется данное свойство
От химического состава меняется теплопроводность. Теплопроводность металлов используется при изготовлении утюгов, сантехнических приборов, посуды, изделий для пайки труб, отопительных приборов. Медные изделия имеют плотную структуру с ускоренной теплоотдачей. Передача и сохранение энергии применяется для достижения технических целей при работе деталей, оборудования. В зависимости от теплопроводности используют материал в разных сферах промышленности.
Медь используют при производстве радиаторов, которые переносят тепло в помещение. На их характеристики влияют:
- конструктивные особенности;
- материал изготовления;
- значение теплоотдачи;
- количество и размер секций.
Самым эффективным отопительным радиатором считается медный, однако сложная обработка, высокая стоимость делают материал нецелесообразным.
Также необходимо знать технологию получения материала, поскольку они меняют свойства при термической обработке. При высоких температурах свойства меняются из-за рекристаллизации. Методы используются в работе с минералокерамикой, огнеупорными материалами.
Особое внимание необходимо уделять коэффициенту теплопроводности изделий, когда во время эксплуатации возможен перегрев от трения. Отведение избытка тепла, из-за которого возможен перегрев и разрушение деталей, существенно увеличивает срок службы редукторов, шестеренчатых передач, раздаточных валов и многих других механизмов. Зная о передаче тепла разных материалов, имеется возможность выбора оптимальной области применения.
Теплопроводность металлов
ООО «Спирит-Бер»
ИНН 7735186587, ОГРН 1207700015753
Все права защищены. 2016-2024
Разработка Webster Studio
- Лазерная резка металла
- Гибка листового металла
- Порошковая покраска
- Слесарные работы
- Изготовление металлоконструкций
- Сварочные работы
- Карта сайта
- Политика обработки персональных данных
- Электронный документоооборот
Почему металлы обладают высокой теплопроводностью?
Металлы обладают высокой теплопроводностью и высокой электропроводностью по одной и той же причине: в металлах значительная часть электронов свободна. Эти электроны, не привязанные к атомам, образуют так называемый «электронный газ» в металле. Свободные электроны могут поглощать любые порции энергии — в отличие от связанных электронов в атомах, которые могут только перескакивать с одного уровня на другой, поглощая фиксированные количества энергии. Поэтому электронный газ легко поглощает тепло. Свободное движение электронов быстро «растаскивает» тепло по всему металлу. Для сравнения: в неметаллах электронного газа нет. Там тепло поглощают в основном атомы, в результате чего энергия их колебаний возрастает. Эти колебания постепенно передаются соседним атомам, от них к следующим, и так далее. Но этот процесс намного более медленный, чем физическое перемещение свободных электронов из одного места в другое.
Остальные ответы
Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что перенос тепла в них осуществляется в основном передачей энергии электронами в отличие от неметаллических веществ, где анергия переносится в основном тепловыми колебаниями атомов. Однако соотношение вкладов зависит от конкретных условий и материала, например в сверхпроводящих материалах относительные вклады этих механизмов различны в нормальном и сверхпроводящем состоянии
Выдержка из книги Бернштейн М. Л. «Металловедение и термическая обработка стали Т1»
Атомы близко расположены друг к другу и могут обмениваться внешними электронами, движение которых и осуществляет перенос тепла.
Теплопроводность металлов: характеристики, методы изучения
Металлами называют химические элементы с кристаллической структурой, обладающие рядом отличительных свойств, таких как ковкость, характерный блеск, высокая электро- и теплопроводность. При значительной температуре они нагреваются, становясь текучими. Некоторые из этих веществ плавятся при относительно небольшом нагреве. Например, кусочек олова или свинца можно расплавить, подержав над свечой.
Для расплавления других используют специальные печи. Чтобы снизить температуру плавления, в их состав добавляют специальные компоненты, получая более плавкие соединения. У ряда сортов стали, бронзы, чугуна или латуни такой порог значительно ниже, чем у основного металла.
Разберемся, что определяет температуру плавления. Все металлы и сплавы обладают в той или иной степени теплоемкостью и теплопроводностью. Численным выражением способности материала поглощать теплоту служит удельная теплоемкость, то есть количество поглощаемой энергии на единицу массы при нагревании на 1 °С.
У большей части металлов этот показатель колеблется в диапазоне от 300 до 400 Дж/(кг*К), а у сплавов может варьироваться от 100 до 2 000 Дж/(кг*К). Теплопроводностью определяется, в частности, количество топлива, необходимого для плавки того или иного объема металла.
Теплопроводность металлов описывается законом Фурье. Она проявляется в передаче тепловой энергии от атомов, молекул или электронов с большей температурой к частям с меньшей в ходе их хаотичного движения. Величина этого показателя зависит от агрегатного состояния, структуры и других физических характеристик материала.
Перенос энергии (теплопроводность) в металлах осуществляется электронами. В прочих твердых телах это явление происходит за счет колебания атомов или молекул, находящихся в узлах решетки, которые называют фононами. У металлов величина этого показателя зависит от его кристаллической структуры. Чем меньше она искажена примесями, тем выше способность к передаче тепла. Как уже упоминалось, для снижения теплопроводности в состав сплава вводят легирующие элементы.
Все металлы отличаются относительно высокой теплопроводностью, но она может существенно различаться у разных представителей этой группы. К тем, что хорошо проводят тепловую энергию, относятся золото, серебро и медь. Несколько ниже этот показатель у олова, алюминия и железа.
Способность проводить тепло может быть как положительной, так и отрицательной характеристикой для применения в той или иной области. Наглядно демонстрирует сказанное пример кухонной посуды. Если ручка сковороды выполнена из металла с высокой теплопроводностью, она будет обжигать руки. А вот сковородка должна быстро нагревать еду до высокой температуры, поэтому ее корпус обычно изготавливают из металла или сплава, хорошо проводящего тепло.
Металлы с низкой теплопроводностью обычно отличает высокая концентрация примесей, которые искажают кристаллическую решетку и делают структуру мелкозернистой. Чем меньше размер зерен, тем хуже передается тепло. Дисперсная смесь различных фазовых состояний (эвтектиков и эвтектоидов) в структуре металла снижает его способность проводить тепловую энергию по сравнению с основой сплава. Предельно низкой теплопроводностью обладают пористые материалы и газ.
Теплопроводность стали
В справочных материалах по теплопроводности разных металлов особое место занимают значения этого показателя для различных сортов стали.
Справочники содержат рассчитанные и эмпирические данные, относящиеся к основным типам стали:
- жаро- и коррозионностойким;
- пружинным и быстрорежущим;
- высоколегированным.
В таблицах собраны значения теплопроводности металлов при температуре в диапазоне от -263 °С до +1 200 °С. Специализированные справочники содержат усредненные данные для:
- углеродистых сортов стали: 50–90 Вт/(м×град);
- коррозионно-, жаро- и теплостойких мартенситных сплавов: 30–45 Вт/(м×град);
- сплавов, относящихся к аустенитным: 12–22 Вт/(м×град).
При изготовлении звеньев и арматуры для трубопроводов используют низкоуглеродистые сплавы, обладающие высокой теплопроводностью, колеблющейся от 47 до 54 Вт/(м×К).
Коэффициенты теплопроводности сплавов
Для расчетов, относящихся к различным цветным, черным металлам и их сплавам, при проектировании пользуются таблицами из специальной справочной литературы, где содержатся значения, определенные при температуре от 0 до +600 °С.
Теплопроводность металлов и сплавов:
Теплопроводность металлов: что это такое и в каких сферах используется данное свойство?
Теплопроводность металлов – критерий, определяющий их свойства. Все предметы передают температуру объектов, которые к ним прикасаются, но способность теплоотдачи зависит от материала.
Что такое теплопроводность металлов
Способность металлов переносить теплоэнергию от горячих участков к холодным. Переносатомов осуществляется при хаотичном движении частиц. На обмен тепла влияет агрегатное состояние материала, через который проходит передача.
Способность передавать и сохранять энергию дает возможность применять свойства материалов, чтобы достичь технических целей в работе узлов, оборудования. Зная теплопроводность материала, можно использовать его в разных промышленных сферах.
Отличие теплопроводности от теплоемкости
Металлы – это химические элементы со структурой кристаллов, которые обладают такими свойствами: блеск, ковкость, электрическая и теплопроводность. При высокой температуре материал нагревается и становится текучим.
Одним элементам достаточно минимального нагрева, чтобы расплавиться. Свинец и олово расплавятся, если их просто подержать над свечкой. Но для плавки большинства материалов используют печи. Соединения можно сделать более плавкими, если добавить в состав дополнительные компоненты. Например, соединения из бронзы, латуни, стали, чугуна имеют меньшую температуру плавления в сравнении с основным элементом.
Температуру плавления обуславливают два показателя:
- теплоемкость – численное выражение для определения способности химических элементов к поглощению теплоты. Для элементов этот показатель равен 300-400 Дж/(кг х К), а для сплавов – 100-2000 Дж/(кг х К);
- теплопроводность – это количество топлива, которое нужно для плавки металла. Этот показатель лежит в основе закона Фурье. Это передача тепла от электронов, молекул, атомов с наибольшей температурой к участкам с меньшей температурой. На показатель влияют физические характеристики материала.
Теплопроводность путают с таким термином, как термическое сопротивление, но это разные понятия. Под сопротивлением понимают способность тела противостоять распространению термического колебания молекул.
От чего зависит показатель теплопроводности
В металлах теплопроводность осуществляют электроны, а в других твердых телах – фононы: атомы в узлах решетки. Результат зависит от кристаллической структуры материала: чем меньше примесей, тем выше показатель. Для снижения теплопроводности достаточно добавить в сплав легирующие компоненты.
Почти у всех химических элементов высокая теплопроводность, но показатели разнятся в зависимости от групп. Самые высокие показатели у золота, меди, серебра, низкие – у алюминия, железа, олова.
Высокая теплопроводность – это не всегда преимущество. Например, такая ручка ковша будет постоянно обжигать руки. Зато подобный корпус позволит быстрее разогреть еду.
У материалов с небольшими показателями обычно высокое содержание примесей, а потому мелкозернистая структура, деформированная кристаллическая решетка. Самая небольшая теплопроводность у газов, пористых металлов.
Коэффициент теплопроводности металлов
Это количество теплоты, которое за секунду переносится через одну единицу поверхности. Передачу теплоты обеспечивают свободные электроны, которых в металле максимальное количество. Поэтому их коэффициент выше, чем показатель диэлектрических материалов.
При работе с цветными, черными металлами ориентируются на коэффициенты их теплопроводности. Все сведения получены при исследованиях при температурах 0-600градусов:
У большинства металлов связь между теплопроводностью, коэффициентом линейная. На показатель влияют степень влажности, размер пор, строение самого материала.
Коэффициент учитывают при покупке материалов для перекрытий, стен, других ограждающих конструкций. Если стены будут сделаны из высокотеплопроводных материалов, зимой в доме будет холодно. Отделка не поможет, единственное решение – сделать стены толстыми, но в этом случае уйдет много средств на оплату труда, сами материалы. По этой причине стены делают с использованием металлов с низкой теплопроводностью – это минеральная вата или пенопласт.
Недостатки высокой теплопроводности медных сплавов
Медь – один из самых распространенных, недешевых элементов, обладающих не только преимуществами, но и недостатками:
- из-за высокой теплопроводности при работе с элементами соблюдают особые приемы. Большое значение имеет температурный режим (при работе со сталью он играет меньшую роль). Во время или перед обработкой медные детали приходится периодически нагревать;
- при монтаже медных труб важно не забывать о теплоизоляции. Из-за этого укладка подобной отопительной системы будет стоить больше;
- сложности возникнут при газовой сварке медных элементов. При работе с медным листом (10 мм толщиной) понадобится сразу несколько горелок – для подогрева, непосредственно для сварки;
- во время сварки медных деталей расходуется много вспомогательных материалов;
- для обработки заготовок из меди потребуются специализированное оборудование, инструменты. Резак, который справится с листом латуни толщиной 1,5 см, осилит медный лист толщиной до 0,5 см.
Западные ученые провели исследование с целью повысить теплопроводность сплава из меди. Для этого они использовали медные пленки с нанесенным поверх графеном. В результате исследований выяснилось, что у графена один из самых высоких уровней теплопроводности. После его нанесения на медь показатель немного снизился. В результате нагревания меди зерна увеличились, повысилась проходимость электронов: без графена этого не происходило. Было подтверждено, что вместе с графеновым напылением медь эффективнее отводит тепло из электрических, электронных схем.
Теплопроводность стали
В справочниках представлена информация о высоколегированных, устойчивых к коррозии, жару, быстрорежущих, пружинных сортах стали при работе при температуре от -263 до +1200градусов:
- стойкие к жару, коррозии, теплу мартенситные сплавы – 30-45 Вт/(м х град); такие обозначения я нашла во всех источниках
- аустенитные сплавы – 12-22 Вт/(м х град);
- углеродистая сталь – 50-90 Вт/(м х град);
- низкоуглеродистая сталь – 47-54 Вт/(м х град).
Где применяется данное свойство
На агрегатное состояние влияет структура строения атомов. От этих показателей зависят свойства и назначение материала. Химический состав деталей неодинаков, поэтому они обладают разной теплопроводностью. Так, из-за высокой пористости чугунные детали нагреваются медленно, а медные изделия с плотной структурой отличаются ускоренной теплоотдачей.
Примером применения свойства являются утюги, сантехнические приборы, посуда, изделия для пайки труб, отопительные приборы:
- за счет оперативной теплопередачи радиаторы для отопления помещения изготавливают из алюминия;
- из меди выполняют радиаторы кондиционеров, систем охлаждения для автомобилей;
- из чугуна делают батареи, поскольку он сохраняет тепло в помещении даже при отсутствии постоянной подачи воды нужной температуры.
При соприкосновении металлических поверхностей повышается их температура: еще одна причина учитывать теплопроводность деталей. Способность оборудования и редуктора к отведению тепла даст возможность механизмам избежать разрушения, сохранить прочность.
Учет коэффициентов в отопительных системах
Назначение отопительных систем – перенос тепла от теплоносителя в помещение. Поэтому в квартирах, других зданиях устанавливают батареи, отопительные радиаторы. Характеристики подобных конструкций зависят от:
- конструктивных особенностей;
- материала, из которого их изготовили;
- показателя теплоотдачи;
- количества, размера секций.
Основной параметр – теплоотдача: чем она ниже, тем сильнее потеря тепла. Самый эффективный отопительный радиатор – медный, но из-за сложной обработки, высокой стоимости выбор материала нецелесообразен. Часто детали для отопительных систем изготавливают из алюминия, стали или сочетания нескольких элементов: особенно если это биметаллические радиаторы. На рынке можно найти батареи из разных материалов: маркировка подскажет точный уровень теплоотдачи.
Способы изучения параметров теплопроводности
При изучении теплопроводности учитывают зависимость технологии получения материала, его характеристики. Литые металлы сильно отличаются от материалов, полученных с помощью порошковой металлургии, а сырые материалы – от термически обработанных.
Все металлы имеют термическую нестабильность, поэтому под действием высоких температур их свойства меняются. Основная причина – рекристаллизация: ее уровень меняется во время долгой тепловой обработки. Поэтому для изучения свойств важно брать образцы в стандартном состоянии, желательно после обработки.
Один из основных методов – релаксационно-динамический. Его используют для массового измерения характеристик теплоемкости. Методика позволяет определить разницу температур образцов при их переходе из одного состояния в другое. Чтобы провести измерения, следует добиться температурного скачка, который происходит под действием энергии, выделяемой теплоисточником. Относительный способ учитывает разницу параметров сравнительного, изучаемого образца. Главное, чтобы у обоих образцов была единых размеров излучающая поверхность. Это поэтапное исследование: через определенные промежутки времени на металл действует температура. Для равномерного прогрева детали важно грамотно выбрать направление действия, шаг.
Разность скорости, с которой изменяется температура, – это соотношение теплопроводности. Во время исследования применяют больше источников тепла для подогрева образцов. При необходимости создают дополнительную термонагрузку на одну из деталей.
Для измерения теплопроводности применяют другие методы, которые подбирают в зависимости от геометрии, размера образцов:
- GHP – горячая охранная зона;
- ТСТ – горячая проволока;
- LFA – лазерная вспышка;
- HFM – тепловой поток.
Эти методы подходят для исследования сплавов, металлов, изучения коэффициентов их теплопроводности. Их используют при работе с минералокерамикой, огнеупорными материалами.
Все методы можно разделить на две большие группы:
- стационарный – достижение неизменной величины меняющейся температуры на изучаемой поверхности. Его осуществляют опытным путем, поэтому нужно много времени. Для исследования потребуется заготовка из изучаемого металла с плоской поверхностью. Образец кладут между охлажденной и прогретой поверхностью. Как только плоскости соприкасаются, исследователи засекают время, за которое увеличивается температура холодной опоры детали на градус по Кельвину. При расчете теплопроводности смотрят на габариты образца;
- нестационарный – результат редко получается объективным, поэтому метод применяют нечасто. В основе методики – частичное изменение температуры. Но сегодня вычислением коэффициентов занимаются только ученые. Все остальные любители, профессионалы ориентируются на выведенные данные. Если химический состав изделия не меняется, значение также остается прежним.
Заключение
Компания «ПрофБау» занимается обработкой металлов и оказывает ряд смежных услуг. Среди плюсов нашей компании:
- современное оборудование – гарантированный результат, безопасность для сотрудников;
- в наличии нужные материалы – вам не придется ждать, пока мы привезем все необходимое;
- оперативная работа – мы соблюдаем дедлайн, не нарушаем сроки;
- гарантия на все виды услуг – безопасная сделка;
- работники с большим опытом и хорошей квалификацией;
- работа с инновационными, традиционными методами.