Теплопроводность металлов и сплавов, коэффициент теплопроводности

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Большая теплопроводность – металл

Большая теплопроводность металлов объясняется также наличием свободных электронов. Передача тепловой энергии в металлах осуществляется двояким образом: колебательным движением ионов и движением свободных электронов.

Большая теплопроводность металлов обеспечивается наличием облака подвижных электронов. Если часть металла нагрета, то кинетическая энергия электронов в этой области возрастает. Электроны распространяются по всему металлу, вызывая рост температуры во всей решетке.

Большую теплопроводность металлов в сравнении с теплопроводностью изоляторов можно объяснить предположением, что теплопроводность х, обусловленная свободными электронами, значительно превышает теплопроводность кр решетки.

Ввиду большой теплопроводности металла ( Км 50 ккал / ( м-чх X С) происходит подвод дополнительного тепла к смоченной поверхности вдоль металла резервуара или баллона, поэтому эффективная смоченная поверхность несколько больше действительной, что подтверждается опытными данными.

Большая электропроводность и большая теплопроводность металлов обусловлены тем, что подвижные электроны переносят электричество и передают тепловые колебания от атома к атому. Вследствие этого металлы обладают электрической проводимостью, которая в тысячи раз больше, чем у других лучших проводников.

Читать также: Подсоединение дхо через стабилизатор и коммутатор

Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов , вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше. Выше мы указали, что наиболее интенсивный переход тепла имеет место в соединении обеих стенок в верхней части горлышка; стремление сделать сечение металла, а следовательно и теплопроводность в этом месте наименьшими привело к созданию Хейландом бутыли, показанной на фиг.

Крупным неудобством последних является большая теплопроводность металлов , вследствие чего потери жидкого воздуха от испарения в них были много больше.

В металлических рекуператорах в силу большой теплопроводности металла и малой толщины стенки тепловое сопротивление стенки имеет весьма малое значение, в то время как в керамических рекуператорах оно значительно больше и поэтому им пренебрегать нельзя.

Беспорядочное движение электронов при отсутствии поля служит объяснением большой теплопроводности металлов . Здесь выравнивание теплового состояния тела совершается гораздо скорее благодаря большой подвижности электронов. Легко понять, что теплопроводность, как и электропроводность, зависит от состояния электронного газа в металле. Поэтому следует ожидать существования зависимости между коэфициентом теплопроводности и удельной электропроводностью одного и того же металла.

При более высоких температурах эти трубки следует охлаждать, иначе вследствие большой теплопроводности металла будут разрушаться резиновые трубки, которыми газовые пипетки подсоединяются к пробоотборным трубкам.

Металлические формы при пневматических способах изготовления изделий, имеют еще один недостаток – большую теплопроводность металла и большую теплоемкость массивной металлической формы. Как только разогретый пластик во время выдувания изделия коснется металлической формы, на поверхности пластика образуется твердая корка, и вследствие быстрого отвода тепла через металл эта корка остается твердой во все время формования.

Эти свободные электроны и обеспечивают высокую электропроводность металлов; их подвижность является также причиной большой теплопроводности металлов .

Взаимодействие электронов проводимости с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки, обусловливает большую теплопроводность металла .

Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.

Виды алюминиевого остекления лоджии и балкона

Холодное

Применяют для защиты помещения от ветра, осадков, пыли. Организуют в нетребовательных к теплоизоляции помещениях. Устанавливают в цехах, зимних садах, на складах, балконах.

Теплое

Монтируют в жилых комнатах, на теплых лоджиях из алюминия. Для защиты от холода внутри профиля размещают теплоизолирующий вкладыш из полиуретана. Он надежно изолирует холод.

Рамное

Монтируется из профиля стандартной ширины. Привлекательно смотрится. Просто устанавливается и потому стоит дешевле. По сравнению с безрамными такие окна пропускают меньше света, но они прочнее — можно остеклять большие по площадки лоджии.

Для остекления веранд, беседок, террас используют не только пластиковые, но и теплые алюминиевые двери и окна. Они блокируют холод и шум так же эффективно, как и теплые ПВХ-профили.

Безрамное

Максимально увеличивает естественную освещенность помещения. Создается из профиля небольшой ширины. Швы незаметны с улицы, что создает впечатление единого стеклянного полотна. С такими стеклами красиво смотрятся зимние сады, лоджии, оборудованные для летнего досуга.

Распашное

Чаще используется на просторных балконах, эркерах, лоджиях. Распашные створки характерны для теплого профиля. Они требуют больше пространства при открывании, позволяют безопасно мыть окна внутри, снаружи. Часто распашные створки комбинируют с глухими — так можно сэкономить на профильной системе, крепеже. Иногда этого требуется форма балконного помещения.

Раздвижное

Какие плюсы и минусы у лоджии из раздвижного алюминия? Здесь больше полезная площадь, можно разместить компактную мебель, бельевую сушилку. Створки занимают минимум места, экономят пространство. На балконе из раздвижного алюминия остекление с большим световым проемом. Оно впускает в комнату много света. Такие конструкции можно установить для экономии места на длинных узких балконах, например при остеклении 5-метровых лоджий.

Рассмотрим подробно плюсы и минусы холодного остекления балкона алюминием.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{\displaystyle {\vec {q}}=-\varkappa \,\mathrm {grad} (T),}

где q→{\displaystyle {\vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{\displaystyle \varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{\displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){\displaystyle \mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{\displaystyle P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P{\displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{\displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{\displaystyle \Delta T} — перепад температур граней, l{\displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{\displaystyle \varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{\displaystyle \sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{\displaystyle {\frac {\varkappa }{\sigma }}={\frac {\pi ^{2}}{3}}\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}T,}

где k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана,

e{\displaystyle e} — заряд электрона,

T{\displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}\lambda {\bar {v}},}

где ρ{\displaystyle \rho } — плотность газа, cv{\displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{\displaystyle \lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{\displaystyle {\bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ=ik3π32d2RTμ,{\displaystyle \varkappa ={\frac {ik}{3\pi ^{3/2}d^{2}}}{\sqrt {\frac {RT}{\mu }}},}

где i{\displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{\displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{\displaystyle i=3}), k{\displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{\displaystyle \mu } — молярная масса, T{\displaystyle T} — абсолютная температура, d{\displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{\displaystyle \varkappa \sim {\frac {1}{3}}\rho c_{v}l{\bar {v}}\propto P}, где l{\displaystyle l} — размер сосуда, P{\displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Свойства оксидов металлов

Теплофизические свойства оксидов металлов

В таблице представлены теплофизические свойства оксидов (спеченных окислов) металлов при различной температуре. Даны значения свойств следующих плотных спеченных окислов: оксиды алюминия и магния Al2O3, MgO, оксид кальция CaO, оксид кремния SiO2, оксид никеля NiO, оксид титана TiO, оксид циркония ZrO2, оксид урана UO2, оксид тория ThO2, оксид плутония PuO2

Теплопроводность спеченных окислов в таблице указана при температуре от 127 до 1727 °С в зависимости от пористости. Коэффициент линейного теплового расширения (КТР) указан при температуре от 300 до 400 К. Плотность оксидов металлов дана при комнатной температуре.

Теплопроводность спеченных оксидов металлов зависит от чистоты и кристаллической структуры исходных порошков, метода и степени прессования и режимов спекания. Теплопроводность порошкообразных окислов зависит от плотности, размера зерен и влажности; для любых порошкообразных оксидов металлов (не спеченных) теплопроводность лежит в пределах 0,1…1,1 Вт/(м·град).

В таблице даны следующие свойства оксидов металлов:

температура плавления, К;
коэффициент линейного теплового расширения (КТР), 1/град;
плотность, кг/м3;
пористость, %;
коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Основные свойства оксидов металлов

В таблице приведены основные свойства оксидов металлов при комнатной температуре. Свойства указаны для следующих оксидов металлов: Al2O3, MgO, TiO, Ti2O3, TiO2, ZrO2, оксид цинка ZnO, оксиды железа FeO, Fe3O4, Fe2O3, NiO, оксид меди CuO, оксид ванадия V2O5, оксид вольфрама WO3, оксид марганца MnO2, оксид бария BaO2.

Даны следующие свойства оксидов металлов:

молекулярная масса оксида;
плотность, кг/м3;
температура плавления, К;
теплота плавления, кДж/кг;
температура кипения, К;
теплота испарения при кипении, кДж/кг;
температура полиморфного превращения, К;
теплота полиморфного превращения, кДж/кг.

Теплопроводность плотных спеченных оксидов металлов

В таблице представлены значения теплопроводности плотных спеченных оксидов металлов (пористость равна нулю) в зависимости от температуры. Теплопроводность дана для следующих оксидов металлов: оксид алюминия Al2O3, оксид бериллия BeO, оксид кальция CaO, оксид кремния SiO2, оксид магния MgO, оксид никеля NiO, оксид титана TiO2, оксид циркония ZrO2. Теплопроводность окислов металлов приведена при температуре от 100 до 2000 К.

Видно, что в основном, теплопроводность оксидов снижается при росте температуры. В таблице также указана плотность оксидов металлов (оксидная керамика) при комнатной температуре.

Влияние нейтронного облучения на теплопроводность спеченных оксидов металлов

В таблице представлены значения теплопроводности плотных спеченных оксидов металлов до и после облучения потоком быстрых нейтронов. Теплопроводность оксидов дана при комнатной температуре и при сверхнизких температурах (5…100 К).

Значения указаны для следующих оксидов металлов: BeO, Al2O3, SiO2 (α-кварц), плавленый кварц, ZrSiO4, шпинель, форстерит, фарфор, слюда. Как видно из таблицы, значение коэффициента теплопроводности оксидов металлов при их облучении потоком быстрых нейтронов, в основном снижается.

Теплоемкость оксидов металлов

В таблице указаны значения истинной и средней удельных теплоемкостей оксидов металлов в зависимости от температуры. Теплоемкости (размерность кДж/(кг·град)) даны при температуре от 0 до 1500°С. Значения представлены для следующих оксидов металлов (компонентов огнеупорных материалов и шлаков): SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, MnO, CaO.

Примечание: Истинная теплоемкость соответствует указанной температуре, а значение средней теплоемкости Cm приведено для интервала температуры от 0°С до указанной в таблице. По данным таблицы видно, что удельная (массовая) теплоемкость оксидов металлов при увеличении их температуры также увеличивается.

Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967 — 474 с.
Шелудяк Ю.Е., Кашпоров Л.Я. и др. Теплофизические свойства компонентов горючих систем. М. 1992. — 184 с.
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М.: «Металлургия», 1975. — 368 с.

thermalinfo.ru

Теплоемкость — железо

Распределение температуры.

Теплоемкость железа С г представляет эквивалентную переменную теплоемкость, приведенную к температуре у поверхности во.

Теплоемкость железа и стали при нагреве увеличивается. Например, при комнатной температуре теплоемкость железа 0 111 ккал / кг-град, при температуре 1200 С она увеличивается до 0 16 ккал / цг-град. Это значит, что при высоких температурах нагрев происходит медленнее и тепла затрачивается больше.

Стр — теплоемкость железа, равная 0 12 кал / кг С.

Учитывая же, что теплоемкость железа или стали равна 0 115, станет вполне понятным, что температура, получающаяся в ( результате трения лент Ферадо о шайбы барабана, достигнет колоссальных размеров и даже водяное, а тем более воздушное охлаждение не в состоянии будет отвести полностью эту теплоту.

Теплоемкость твердых сплавов приблизительно в два раза ниже теплоемкости железа.

Атомная теплоемкость железа.| Схема установки для определения теплопроводности металлических стержней. / — 6 — термопары. 7 — дьюаровский сосуд. 8 — печь. 9 — гальванометр. 10 — стержень. / / — кожух.

На рис. 6 показано изменение атомной теплоемкости железа в зависимости от температуры. Теплоемкость железа достигает максимального значения в точке Аг, затем резко уменьшается; в точке А3 вновь уменьшается, а затем слегка увеличивается в а точке А и снижается в точке плавления. Резкое возрастание теплоемкости вблизи точки Кюри объясняется изменением магнитного состояния железа.

Температура плавления 5 равна 1808 К, энтальпия плавления составляет 1 536 104 Дж / моль. Теплоемкость железа в жидком состоянии превышает его теплоемкость в кристаллическом состоянии примерно на 1 3 Дж / К моль.

В таблицах находим величины теплоемкостей серы п железа. Для железа суд 0 46 кдж / кг град; килограмм-атомная теплоемкость железа равна 0 46 — 55 85 25 7 кдж / кг-ат-град. Килограмм-атомная теплоемкость серы равна 22 6 кдж / кг-ат-град.

При увеличении или уменьшении каким-либо способом количества тепла, содержащегося в теле, увеличивается или уменьшается также температура тела. Но для одинакового изменения температуры в различных по составу телах равного веса требуются различные количества теплоты. Так, например, 1 кг воды требует примерно в 9 раз больше тепла, чем 1 кг железа при одинаковой степени нагре-тости. На этом основании говорят, что теплоемкость железа составляет около одной десятой теплоемкости воды. Способность воспринимать тепло зависит от физических свойств вещества. Количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 кг вещества на 1 С, называется удельной теплоемкостью вещества или просто теплоемкостью.

При сообщении телу теплоты или, наоборот, отнятии ее у тела происходит увеличение или уменьшение температуры этого тела. Но для одинакового изменения температуры различных по составу тел равной массы требуются различные количества теплоты. Так, 1 кг воды требует примерно в 9 раз больше теплоты, чем 1 кг железа, при одинаковой степени нагретости. На этом основании говорят, что теплоемкость железа составляет около 0 1 теплоемкости воды и, следовательно, теплоемкость зависит от физических свойств вещества.

В большинстве случаев шаровая молния оплавляет или испаряет несколько граммов или даже доли грамма металла. Автор письма подробно описал размеры лунки и специально отметил, что наплывов металла не было: металл испарился. Предполагая, что углубление было в виде параболоида вращения, находим, что испарилось около 0 22 г металла. Теплоемкость железа равна 0 71 Дж / ( г — К) в твердом и 0 84 Дж / ( г — К) в жидком состоянии. Точки плавления и кипения равны 1500 и 2900 С, а теплота плавления и парообразования — соответственно 269 и 6270 Дж / г. В результате оказывается, что для испарения 0 22 г железа требуется не менее 2 кДж тепла.

Какие показатели считаются нормой?

Коэффициент учитывается в различных сферах производства. Этот параметр нужно учитывать при изготовлении:

утюгов;
нагревательных приборов;
холодильных камер;
подшипников скольжения;
оборудования для нагревания воды;
отопительных приборов.

Изучая свойства различных материалов, специалисты составили таблицы с показателями теплопроводности для каждого из них. Их можно найти в специализированных справочниках.

Для стали

Справочники объединяют в себе расчетные данные для разных материалов:

стали, которая используется при изготовлении режущего инструмента;
сплавов для производства пружин;
стали, насыщенной легирующими добавками;
сплавов, стойких в образованию ржавчины;
материалов, устойчивых к высокой температуре.

Сталь	Теплоемкость Дж (кг*°C)
Сталь 45	469
Сталь 40 Х	620
9Х2МФ	500
60Х2СМФ	660
Х12МФ	580
40Х13	452
15ХМ	486

Данные в таблицы собирались для стали, которая подвергалась термической обработке при температуре от -263°C до +1200°C.

Термообработка (Фото: Instagram / energomashvologda)

Для меди, никеля, алюминия и их сплавов

Показатель для металлов и сплавов будет отличаться для цветных и черных металлов. У железа и цветных металлов разная структура, температура плавления, строение кристаллической решетки.

В таблицах можно найти информацию о химическом составе меди, никеля, алюминия. Особенности:

самая высокая теплопроводность у никеля, магния, меди и сплавов на их основе.
самая низкая теплопроводность у инвара, нихрома, алюминия, олова.

Когда у радиаторов тепловая мощность самая высокая, какие изделия лучше

Что касается отличий по размеру, то они очевидны — чем больше поверхность отдачи тепла, тем батарея будет более эффективна.

Материал для радиатора отопления	Теплоотдача (Вт/м*К)
Чугун	52
Сталь	65
Алюминий	230
Биметалл	380

Биметаллические

Они состоят из двух металлов. Каналы циркуляции воды изготовлены из стали, а внешний контур из алюминия, что придает биметаллическим радиаторам свойства алюминиевых. Они имеют высокую теплоотдачу — быстро нагреваются и быстро отдают тепловую энергию. Рабочее давление в системе до 35 атм. Такие батареи могут эксплуатироваться до 20 лет.

Фото 3. Биметаллический радиатор, подключенный к системе отопления. Изделие белого цвета.

Алюминиевые

Радиаторы из алюминия имеют более высокую теплоотдачу и дешевле стальных собратьев. Основная проблема — высокая требовательность к чистоте теплоносителя. Щелочная среда быстро разрушает их, рН теплоносителя не должна превышать 7,5. Это условие невыполнимо в условиях централизованного отопления.

Стальные панельные

Батареи стальные панельные могут быть различной конструкции, что и определяет отдачу тепла. Стальные быстро нагреваются и быстро остывают. Имеют более высокую теплоотдачу, чем чугун, но подвержены коррозии.

Фото 4. Стальной отопительный радиатор панельного типа. Подобные изделия подвержены коррозии.

Чугунные

Радиаторы из чугуна имеют низкую теплоотдачу. Но есть и положительные качества. Радиатор из чугуна имеет низкую инерционность: долго нагревается и долго остывает. К тому же в него входит большое количество теплоносителя, что позволяет обеспечивать отдачу тепла продолжительное время. Чугун не реагирует на химические включения, не поддается коррозии, но тяжел, громоздок и хрупок.

Теплопроводность металлов

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Большая теплопроводность – металл