Теплопроводность графита и меди

Физические свойства углерода C (графита). Теплопроводность графита

Физические свойства графита при температуре от 20 до 800 °С

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.

Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

  • теплопроводность графита, Вт/(м·град);
  • сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
  • модуль упругости графита, МН/м 2 ;
  • удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
  • коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

  • коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
  • удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Теплопроводность графита в зависимости от плотности

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Теплопроводность графита в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается.

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .

Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости

В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе ламповой сажи.
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

Теплопроводность графита и меди

text-align:center;line-height:normal»>
«За статью проголосовало 559 человек»

text-align:center;line-height:normal»>
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГРАФИТОВОГО ЭЛЕКТРОДА

text-align:right;line-height:normal»>
Кузьменко Никита Андреевич

text-align:right;line-height:normal»>
Самофалов Дмитрий Сергеевич

text-align:right;line-height:normal»>
Акульшина Ирина Игоревна

text-align:right;line-height:normal»>
студенты кафедры ММ СТИ НИТУ МИСиС, РФ, г. Старый Оскол

text-align:right;line-height:normal»>
Тимофеева Анна Стефановна

text-align:right;line-height:normal»>
научный руководитель, канд. техн. наук, доцент каф. ММ СТИ НИТУ МИСиС, РФ, г. Старый Оскол

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
В настоящее время имеет широкое распространение такая отрасль промышленности как электрометаллургия. Одним из агрегатов, выплавляющим сталь является дуговая сталеплавильная печь. Доля выплавленной в мире электростали с каждым годом возрастает. Рост связан как с увеличением количества печей так и с их вместимостью. Расплавление шихты в этом металлургическом агрегате происходит за счет электрической энергии, которая подается на электроды, находящиеся в рабочем пространстве печи. При прохождении по электродам тока между ними возникает дуговой разряд. Электрическая дуга горит непрерывно в процессе плавки и имеет температуру порядка 6000 °С [1, с. 442] в виду чего выделяется большое количество тепла в рабочее пространство печи и происходит расплавление шихтовых материалов. Работа электродов происходит в тяжелейших условиях высоких температур. Поэтому в электропечах применяют неметаллические графитовые электроды.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Графитовые электроды имеют цилиндрическую форму. Их получают путем спекания смеси из пекового кокса, термоантрацита, коксика, графитированных отходов, каменноугольного пека и каменноугольной смолы с последующей графитизацией при температуре 2700—2900 ◦ С в течение 100 и более часов, после чего они приобретают необходимые свойства которые являются различными у разных электродов.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
К графитовым электродам предъявляются следующие требования:

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
1. Низкая теплопроводность.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙К)) является физическим параметром, характеризующим способность тела проводить теплоту или интенсивность переноса теплопроводности в веществе и в общем случае зависит от температуры, количества подводимого или отводимого теплоты, давления, пористости, влажности и рода вещества. Значения коэффициента теплопроводности вещества необходимо для аналитического описания процесса теплопроводности в нем.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Нами были выточены из остатков, действующих на производстве электродов экспериментальные графитовые электроды длиной 200мм и диаметром 35мм (рис. 1).

text-align:center;line-height:150%»>

text-align:center;line-height:normal»>
Рисунок 1. Экспериментальные электроды для определения свойств графита

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Определение теплопроводности проводилось с использованием метода динамического λ — калориметра на приборе ИТ- λ-400 (рис. 2).

text-align:center;line-height:150%»>

text-align:center;line-height:normal»>
Рисунок 2. Прибор для измерения теплопроводности ИТ-λ-400

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
В основе работы прибора лежит процесс монотонного нагрева образца и фиксации перепада температуры.

line-height:150%»>
В данной работе исследовали влияние температуры (от 25 0 С до 225 0 С) графита на электропроводность. Для определения теплопроводности и теплоемкости изготовлены цилиндрики из графита (по инструкции к прибору) размерами: H=8 мм D=15 мм.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Для определения тепловой проводимости тепломера Кт провели серию экспериментов с образцом из стекла из кварца марки КВ ГОСТ 15130-69 и определили проводимость по следующей формуле:

Читать еще:  Как окислить медь в домашних условиях

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
(1)

justify;line-height:150%»>
где: П — перепад температуры на образце, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Пт — перепад температуры на рабочем слое тепломера,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
мкВ;λкв — коэффициент теплопроводности образца из кварца,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Вт/(м·К); hкв — высота образца из кварца, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
S — площадь контакта,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
м;σс поправка учитывающая теплоемкость испытуемого образца, рассчитываемая по формуле 2.

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
(2)

justify;line-height:150%»>
где: С — полная теплоемкость испытуемого образца из кварца, Дж/К;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Сс— полная теплоемкость стержня тепломера

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Данные, полученные при измерении приведены в таблице 1.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Зная тепловую проводимость тепломера, можно провести расчет теплового сопротивления тепломера Rк. При определении теплового сопротивления провели ряд экспериментов с образцом из меди. Расчет проводили по формуле 3:

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
(3)

justify;line-height:150%»>
где: П — перепад температуры на образце, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Пт — перепад температуры на рабочем слое тепломера, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
λм — коэффициент теплопроводности образца из меди, Вт/(м·К);

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
hм — высота образца из меди, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
S — площадь контакта, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
σс поправка учитывающая теплоемкость испытуемого образца, рассчитываемая по формуле 2;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
Кт— тепловая проводимость тепломера рассчитанная по формуле 1.

text-align:center;line-height:normal»>
Определение тепловой проводимости тепломера КТ

text-align:center;line-height:normal»>
П, мкВ

text-align:center;line-height:normal»>
Пt, мкВ

text-align:center;line-height:normal»>
λкв, Вт/(м·К)

text-align:center;line-height:normal»>
С(t), Дж/(кг·К)

text-align:center;line-height:normal»>
См(t), Вт/(кг·К)

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФИТА МПГ-6

Транскрипт

1 ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 0, том 5,, с УДК 56.:59. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФИТА МПГ-6 0 г. С. В. Станкус, И. В. Савченко, А. Ш. Агажанов, О. С. Яцук, Е. И. Жмуриков Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск Институт ядерной физики им. Н.М. Будкера СО РАН, г. Новосибирск Поступила в редакцию г. Методами лазерной вспышки, дифференциальной сканирующей калориметрии и C, λ-калориметра в интервале температур от 9 до 650 К измерены температуропроводность и теплоемкость четырех образцов графита марки МПГ-6 с плотностью от 66 до 85 кг/м. Погрешности данных по температуропроводности, теплоемкости и плотности составили соответственно %, 5% и 0.5%. На основании результатов измерений рассчитана температурная зависимость теплопроводности МПГ-6 и получена обобщающая зависимость, которая позволяет оценивать теплопроводность графита различной пористости в широком интервале температур с привлечением только данных по макроскопической плотности образцов. Разработаны таблицы справочных данных для теплопроводности графита марки МПГ-6 различной плотности. ВВЕДЕНИЕ Искусственные мелкозернистые графиты марок МПГ находят самое широкое применение в различных областях науки и техники [, ]. Для их эффективного использования необходимы данные по теплофизическим свойствам, полученные в широком интервале температур [, ]. Однако даже для графита одной марки свойства могут заметно отличаться от партии к партии. Это связано с различной пористостью материала, которая оказывает существенное влияние на такие свойства, как температуропроводность a и теплопроводность λ [5 7]. По этой причине актуальным является получение обобщающих зависимостей, которые позволяют достоверно оценивать теплопроводность графитовых материалов с привлечением минимального количества экспериментальной информации. Целью настоящей работы являлось проведение измерений теплоемкости и температуропроводности графита марки МПГ-6 различной плотности в интервале температур К, определение коэффициента теплопроводности и получение обобщающей зависимости для прогнозирования λ графитов. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА Экспериментальные исследования температуропроводности графита МПГ-6 выполнены методом лазерной вспышки на автоматизированном экспериментальном стенде LFA-7 фирмы Netzsch (Германия). Образец устанавливался в держатель на игольчатых подставках. Его нижняя поверхность нагревалась лазерным импульсом (.06 мкм) длительностью 0.8 мс и энергией до 0 Дж. Изменение температуры верхней поверхности образца регистрировалось ИК-детектором (InSb), который охлаждался жидким азотом. Измерения проводились после длительного термостатирования образцов при постоянной температуре в серии из трех выстрелов. Интервал времени между выстрелами составлял 5 мин. Теплоемкость МПГ-6 измерялась тремя различными методами. До 650 К теплоемкость определялась относительным методом на установке LFA-7 с использованием в качестве эталонов POCO графита и молибдена, на поверхность которых напылялся слой графита для обеспечения одинаковой черноты поверхностей эталонов и исследуемых образцов. (Для молибденового эталона учитывались только данные, полученные до 00 К, так как при более высоких температурах молибден начинал реагировать с графитовым покрытием). До 00 К теплоемкость также измерялась на дифференциальном сканирующем калориметре DSC-0 F (скорость нагрева охлаждения 0 К/мин) с использованием платиновых тиглей с корундовыми вкладышами и сапфира для тарировки, а в интервале К динамическим методом на C, λ-калориметре, который подробно описан в [8]. Перед нагревом установки LFA-7 и DSC-0 F вакуумировались (0 Тор) и заполнялись аргоном чистотой об. % (O 0.000%, N %, H O 0.000%, CO %, CH 0.000%, H 0.000%), который дополнительно очищался системой BI-GAScleaner (ИК СО РАН). Измерения на C, λ-калориметре проводились на воздухе. 05

2 06 С р, Дж/(г К) СТАНКУС и др. а, мм /с Т 7.5, K Рис.. Теплоемкость графита марки МПГ-6: результаты измерений на установке LFA-7, C, λ- калориметр, DSC-0 F, уравнение () Т 7.5, K Рис.. Результаты измерений температуропроводности образцов МПГ-6: образец ; ;, (две серии экспериментов); 5. Плотность образцов ρ при комнатной температуре определялась путем прямых измерений геометрических размеров и массы. Масса образцов измерялась на аналитических весах AND GH 00 с погрешностью менее 0. мг, диаметр электронным штангенциркулем Kraftool с погрешностью 0.0 мм, толщина электронным длинномером Tesa Digico 0, который поверялся по образцовым мерам непосредственно перед измерениями, с погрешностью порядка мкм. Тепловое расширение МПГ-6 до 650 К было исследовано ранее [9]. Погрешности измерений были оценены по измерениям свойств эталонных материалов и составляли для температуропроводности %, теплоемкости 5%, плотности 0.5%, интегрального среднего температурного коэффициента линейного расширения 0 7 К. Таблица. Свойства образцов МПГ-6 при 9 К Номер образца Плотность, кг/м Температуропроводность, мм /с Теплопроводность, Вт/(м К) РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Исследовался искусственный мелкозернистый графит марки МПГ-6. Образцы для LFA-7 имели форму цилиндров диаметром.6 мм и толщиной около.5 мм с плоскопараллельными шлифованными торцами, а для C, λ-калориметра диаметром 9 мм и толщиной около 6 мм. Масса цилиндрической навески для DSC-0 F составляла 5 мг. На рис. приведены результаты измерений теплоемкости, полученные всеми тремя методами. Видно, что данные хорошо согласуются между собой. Среднеквадратичное отклонение экспериментальных точек от аппроксимирующей зависимости 6 CP ( T) = t.7 0 t + () t t составляет 0.7%. Здесь t = T 7.5, размерность C P (T) Дж/(г К), T К. В пределах оцениваемых погрешностей измеренные значения теплоемкости МПГ-6 согласуются со справочными данными для POCO графита [0]. Это подтверждает тот факт, что теплоемкость графитов практически не зависит от технологии их получения и пористости [, 7]. На рис. приведены результаты измерений температурной зависимости коэффициента температуропроводности четырех образцов графита марки МПГ-6, полученных как при нагреве, так и при охлаждении для постоянной толщины образца. Можно заметить сильное изменение a в интервале температур К и значительное расслоение результатов для разных образцов (0 50%). Воспроизводимость данных проверялась в экспериментах с третьим образцом МПГ-6. Отличие результатов двух серий не превышало.7%, что меньше, чем оцениваемые погрешности измерений температуропроводности. ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 5 0

3 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРАФИТА МПГ-6 07 λ, Вт/(м К) λ/λ Т 7.5, K Рис.. Теплопроводность образцов МПГ-6: образец. Т 7.5, K Рис.. Нормированная на λ 9 теплопроводность образцов МПГ-6: образец. 5 уравнение (). Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности связаны известным соотношением λ= aρc P. Используя результаты измерений a, данные по теплоемкости (), плотности (табл. ) и тепловому расширению МПГ-6 [9], можно рассчитать теплопроводность графита (рис. ). Из рисунка видно, что коэффициент теплопроводности изменяется не так сильно, как температуропроводность. Практически эквидистантное расположение температурных зависимостей теплопроводности образцов МПГ-6 (рис. ) позволяет надеяться на получение достаточно простой обобщающей зависимости. Ранее [] было показано, что теплопроводность поликристаллических графитов в диапазоне температур от комнатной до 00 K может быть описана эмпирической зависимостью вида λ(t) /T, которая, однако, не учитывает пористость образца. Некоторые детали поведения теплопроводности графитов, связанные с особенностями фононного спектра и характером взаимодействия фононов с дефектами решетки, обсуждались в работе [7]. Согласно общим представлениям теории фононфононного взаимодействия [], изменение теплопроводности в области промежуточных температур (выше комнатной, но ниже температуры Дебая) имеет вид λ(t) T n exp(b/t). Однако использование этого выражения для аппроксимации первичных экспериментальных данных по МПГ-6 приводит к систематическим отклонени- ям сглаженных значений. Хороших результатов удалось добиться с помощью зависимости λ ( T) = A + Bexp ( t ). () C С использованием () определялась теплопроводность образца при комнатной температуре λ 9 λ, Вт/(м К) ρ, кг/м Рис. 5. Зависимость теплопроводности образцов МПГ-6 от макроскопической плотности при 9.5 К: точки экспериментальные значения, линия уравнение (). ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 5 0

Читать еще:  Чем обработать медь от окисления

4 08 СТАНКУС и др. Таблица. Зависимость теплопроводности графита марки МПГ-6 от плотности и температуры T, К Плотность, кг/м и строились безразмерные зависимости λ(t)/λ 9. Из рис. видно, что приведенная теплопроводность для всех образцов практически совпадает между собой. Совместная обработка результатов измерений дала уравнение λ( T) λ 9 = exp ( t ). () 597 Среднеквадратичное отклонение первичных данных от () составило %. Как указывалось во Введении, теплопроводность графитов в значительной степени определяется пористостью. Для графитов одной марки пористость однозначно связана с макроскопической плотностью образцов. Это подтверждают результаты измерений при комнатной температуре (табл., рис. 5). В интервале плотностей кг/м теплопроводность образцов МПГ-6 со среднеквадратичным отклонением 0.6% описывается зависимостью λ 9 = ρ ρ, () где λ в Вт/(м К), ρ в кг/м. Уравнения () и () дают возможность рассчитывать теплопроводность графитов марки МПГ-6 разной пористости практически с погрешностью экспериментальных результатов, привлекая лишь данные по макроскопической плотности образцов (табл. ). При этом максимальная температура оценки λ, по-видимому, значительно превышает 650 К. Во всяком случае, измеренная в [] теплопроводность мелкозернистого графита с плотностью 700 кг/м согласуется с расчетом по уравнениям (), () в пределах %, что существенно меньше оцениваемых погрешностей работ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Получены новые экспериментальные данные по температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости графита марки МПГ-6. Подтверждено, что теплоемкость графитов практически не зависит от пористости и способа получения. Установлена связь между теплопроводностью графита и его макроскопической плотностью. Предложен способ оценки температурной зависимости теплопроводности графитов марки МПГ-6 в широком интервале температур. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт ). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. Костиков В.И., Самойлов В.М., Бейлина Н.Ю., Остронов Б.Г. Новые высокопрочные углеродные материалы для традиционных технологий // Рос. хим. журн. 00. Т С. 6.. Нагорный В.Г., Котосонов А.С., Островский В.С. идр. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Спр. / Под ред. Соседова В.П. М.: Металлургия, с.. Князьков А.М., Савватимский А.И. Электросопротивление жидкого углерода при быстром нагреве плотного изотропного графита в разных средах // ТВТ. 00. Т. 8.. С. 0.. Канель Г.И., Безручко Г.С., Савиных А.С., Разоренов С.В., Милявский В.В., Хищенко К.В. Субмикросекундные полиморфные превращения при ударном сжатии графита // ТВТ. 00. Т С. 85. ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 5 0

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг?К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи – отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов – электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру монокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

Читать еще:  Меднофосфористый припой применение

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в которых происходят обратные явления.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

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.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

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.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector