Lämpimästi- tämä on yksi energian muodoista, joka sisältyy atomien liikkeeseen aineessa. Mittaamme tämän liikkeen energiaa lämpömittarilla, vaikkakaan ei suoraan.
Kuten kaikki muutkin energiamuodot, lämpöä voidaan siirtää kehosta kehoon. Tämä tapahtuu aina, kun on erilämpöisiä kappaleita. Samanaikaisesti niiden ei tarvitse olla edes kosketuksissa, koska lämmön siirtämiseen on useita tapoja. Nimittäin:
Lämmönjohtokyky. Tämä on lämmön siirtymistä kahden kappaleen välisen suoran kosketuksen kautta. (Keho voi olla yksi, jos sen osat ovat erilämpöisiä.) Lisäksi mitä suurempi kappaleiden välinen lämpötilaero ja mitä suurempi niiden kosketusalue on, sitä enemmän lämpöä siirtyy sekunnissa. Lisäksi siirtyvän lämmön määrä riippuu materiaalista - esimerkiksi useimmat metallit johtavat lämpöä hyvin, kun taas puu ja muovi ovat paljon huonompia. Tätä lämmönsiirtokykyä kuvaavaa arvoa kutsutaan myös lämmönjohtavuudeksi (oikeammin lämmönjohtavuuskerroin), mikä voi aiheuttaa hämmennystä.
Jos on tarpeen mitata minkä tahansa materiaalin lämmönjohtavuus, se suoritetaan yleensä seuraavassa kokeessa: kiinnostavasta materiaalista tehdään sauva ja toinen pää pidetään yhdessä lämpötilassa ja toinen eri lämpötilassa, esimerkiksi alhaisempi lämpötila. Laitetaan esimerkiksi kylmä pää veteen, jossa on jäätä - näin lämpötila pysyy vakiona ja jään sulamisnopeutta mittaamalla voidaan arvioida vastaanotetun lämmön määrää. Jakamalla lämmön määrä (tai pikemminkin teho) lämpötilaerolla ja sauvan poikkileikkauksella ja kertomalla sen pituudella, saadaan lämmönjohtavuuskerroin, joka mitataan edellä esitetyllä tavalla J * m / K * m 2 * s, eli W / K * m. Alla näet taulukon joidenkin materiaalien lämmönjohtavuudesta.
| Materiaali | Lämmönjohtavuus, W/(m K) |
| Timantti | 1001—2600 |
| Hopea | 430 |
| Kupari | 401 |
| berylliumoksidi | 370 |
| Kulta | 320 |
| Alumiini | 202—236 |
| Pii | 150 |
| Messinki | 97—111 |
| Kromi | 107 |
| Rauta | 92 |
| Platina | 70 |
| Tina | 67 |
| sinkkioksidi | 54 |
| Teräs | 47 |
| Alumiinioksidi | 40 |
| Kvartsi | 8 |
| Graniitti | 2,4 |
| kiinteä betoni | 1,75 |
| Basaltti | 1,3 |
| Lasi | 1-1,15 |
| Lämpörasva KPT-8 | 0,7 |
| Vesi normaaleissa olosuhteissa | 0,6 |
| Rakennustiili | 0,2—0,7 |
| Puu | 0,15 |
| Öljyöljyt | 0,12 |
| tuoretta lunta | 0,10—0,15 |
| lasivilla | 0,032-0,041 |
| kivivillaa | 0,034-0,039 |
| Ilma (300 K, 100 kPa) | 0,022 |
Kuten voidaan nähdä, lämmönjohtavuus vaihtelee useiden suuruusluokkien verran. Timantti ja jotkut metallioksidit johtavat lämpöä yllättävän hyvin (verrattuna muihin eristeisiin), ilma, lumi ja KPT-8 lämpötahna eivät johda lämpöä hyvin.
Mutta olemme tottuneet ajattelemaan, että ilma johtaa hyvin lämpöä ja puuvilla ei, vaikka se voi olla 99% ilmaa. Asia on niin että konvektio. Kuuma ilma on kevyempää kuin kylmä ilma ja "kelluu" ylös, jolloin ilma kiertää jatkuvasti kuuman tai erittäin kylmän kehon ympärillä. Konvektio parantaa lämmönsiirtoa suuruusluokkaa: sen puuttuessa vesikattilan keittäminen ilman jatkuvaa sekoittamista olisi erittäin vaikeaa. Ja välillä 0 °C - 4 °C, vettä kuumennettaessa kutistuu, mikä johtaa konvektioon päinvastaiseen suuntaan kuin tavallinen. Tämä johtaa siihen, että ilman lämpötilasta riippumatta syvien järvien pohjalla lämpötila asetetaan aina 4°C:een.
Lämmönsiirron vähentämiseksi ilmaa pumpataan ulos termosien seinien välisestä tilasta. Mutta on huomattava, että ilman lämmönjohtavuus riippuu vähän paineesta 0,01 mm Hg asti, eli syvän tyhjön rajoista. Tämä ilmiö selittyy kaasuteorialla.
Toinen lämmönsiirtomenetelmä on säteily. Kaikki kappaleet säteilevät energiaa sähkömagneettisten aaltojen muodossa, mutta vain riittävän kuumentuneet (~600°C) säteilevät näkyvällä alueella. Säteilyteho jopa huoneenlämpötilassa on melko suuri - noin 40 mW s 1 cm 2 . Ihmiskehon pinta-alalla (~ 1m 2) mitattuna tämä on 400 W. Ainoa asia, joka meidät pelastaa, on se, että ympäristössä, johon olemme tottuneet, myös kaikki ympärillämme olevat kehot säteilevät suunnilleen samalla voimalla. Säteilyteho muuten riippuu lain mukaan voimakkaasti lämpötilasta (kuten T 4). Stefan-Boltzmann. Laskelmat osoittavat, että esimerkiksi lämpötilassa 0°C lämpösäteilyn teho on noin puolitoista kertaa heikompi kuin 27°C:ssa.
Toisin kuin lämmönjohtavuus, säteily voi levitä täydellisessä tyhjiössä - sen ansiosta maan elävät organismit vastaanottavat auringon energiaa. Jos säteilyn aiheuttama lämmönsiirto ei ole toivottavaa, se minimoidaan asettamalla läpinäkymättömiä väliseiniä kylmien ja kuumien kohteiden väliin tai säteilyn absorptiota (ja emissiota, muuten täsmälleen samassa määrin) vähennetään peittämällä pinta ohuella peilikerros metallia, esimerkiksi hopeaa.
- Lämmönjohtavuustiedot on otettu Wikipediasta, ja ne ovat saaneet sinne hakuteoksia, kuten:
- "Fyysiset määrät" toim. I.S. Grigorjeva
- CRC kemian ja fysiikan käsikirja
- Tarkempi kuvaus lämmönjohtavuudesta löytyy fysiikan oppikirjasta, esimerkiksi D.V. Sivukhinin teoksesta "Yleinen fysiikka" (nide 2). Osassa 4 on luku lämpösäteilystä (mukaan lukien Stefan-Boltzmannin laki)
Monilla modernin teollisuuden aloilla kuparin kaltaista materiaalia käytetään erittäin laajasti. Tämän metallin sähkönjohtavuus on erittäin korkea. Tämä selittää sen käytön tarkoituksenmukaisuuden ensisijaisesti sähkötekniikassa. Kupari tekee johtimia, joilla on erinomaiset suorituskykyominaisuudet. Tietenkin tätä metallia ei käytetä vain sähkötekniikassa, vaan myös muilla teollisuudenaloilla. Sen kysyntä selittyy muun muassa sen ominaisuuksilla, kuten korroosionkestävyys useissa aggressiivisissa ympäristöissä, tulenkestävyys, sitkeys jne.
Historiallinen viittaus
Kupari on metalli, jonka ihminen on tuntenut muinaisista ajoista lähtien. Ihmisten varhainen tutustuminen tähän materiaaliin selittyy ensisijaisesti sen laajalla levinneisyydellä luonnossa hippujen muodossa. Monet tutkijat uskovat, että kupari oli ensimmäinen metalli, jonka ihminen sai talteen happiyhdisteistä. Aikoinaan kivet yksinkertaisesti lämmitettiin tulella ja jäähdytettiin jyrkästi, minkä seurauksena ne halkesivat. Myöhemmin kuparin talteenottoa alettiin tehdä tulipaloissa lisäämällä hiiltä ja puhaltamalla palkeilla. Tämän menetelmän parantaminen johti lopulta luomiseen.Myöhemminkin tätä metallia alettiin saada malmien hapettavalla sulatuksella.
Kupari: materiaalin sähkönjohtavuus
Lepotilassa minkä tahansa metallin vapaat elektronit kiertävät ytimen ympärillä. Kun ulkoinen vaikutuslähde kytketään, ne asettuvat tietyssä järjestyksessä ja niistä tulee virran kantajia. Astetta metallin kyvystä päästää jälkimmäinen itsensä läpi kutsutaan sähkönjohtavuudeksi. Sen mittayksikkö kansainvälisessä SI:ssä on siemens, joka määritellään 1 cm = 1 ohm -1.
Kuparin sähkönjohtavuus on erittäin korkea. Tämän indikaattorin mukaan se ylittää kaikki nykyään tunnetut perusmetallit. Vain hopea läpäisee virtaa paremmin kuin se. Kuparin sähkönjohtavuusindeksi on 57x104 cm -1 +20 °C:n lämpötilassa. Tämän ominaisuuden ansiosta tämä metalli on tällä hetkellä yleisin teollisuus- ja kotitalouskäyttöön käytetyistä johtimista.
Kupari kestää täydellisesti pysyvää ja erottuu myös luotettavuudesta ja kestävyydestä. Muun muassa tälle metallille on ominaista myös korkea sulamispiste (1083,4 ° C). Ja tämä vuorostaan antaa kuparin toimia pitkään kuumennetussa tilassa. Mitä tulee yleisyyteen virranjohtimena, vain alumiini voi kilpailla tämän metallin kanssa.
Epäpuhtauksien vaikutus kuparin sähkönjohtavuuteen
Tietenkin meidän aikanamme tämän punaisen metallin sulattamiseen käytetään paljon kehittyneempiä tekniikoita kuin antiikin aikana. Kuitenkin vielä nykyäänkin on lähes mahdotonta saada täysin puhdasta Cu. Kuparissa on aina erilaisia epäpuhtauksia. Se voi olla esimerkiksi piitä, rautaa tai berylliumia. Mitä enemmän kuparissa on epäpuhtauksia, sitä pienempi on sen sähkönjohtavuus. Esimerkiksi lankojen valmistukseen soveltuu vain riittävän puhdas metalli. Määräysten mukaan tähän tarkoitukseen voidaan käyttää kuparia, jonka epäpuhtauksien määrä on enintään 0,1 %.
Hyvin usein tämä metalli sisältää tietyn prosenttiosuuden rikkiä, arseenia ja antimonia. Ensimmäinen aine vähentää merkittävästi materiaalin plastisuutta. Kuparin ja rikin sähkönjohtavuus on hyvin erilainen. Tämä epäpuhtaus ei johda virtaa ollenkaan. Eli se on hyvä eriste. Rikillä ei kuitenkaan ole juuri mitään vaikutusta kuparin sähkönjohtavuuteen. Sama koskee lämmönjohtavuutta. Antimonilla ja arseenilla havaitaan päinvastainen kuva. Nämä elementit voivat vähentää merkittävästi kuparin sähkönjohtavuutta.
Seokset
Erilaisia lisäaineita voidaan myös käyttää erityisesti lisäämään sellaisen muovimateriaalin, kuten kuparin, lujuutta. Ne myös vähentävät sen sähkönjohtavuutta. Mutta toisaalta niiden käyttö voi merkittävästi pidentää erilaisten tuotteiden käyttöikää.
Useimmiten kuparin lujuutta lisäävänä lisäaineena käytetään Cd:tä (0,9 %). Tuloksena on kadmiumpronssia. Sen johtavuus on 90 % kuparin johtavuudesta. Joskus alumiinia käytetään myös lisäaineena kadmiumin sijasta. Tämän metallin johtavuus on 65 % kuparin johtavuudesta. Lisäaineen muodossa olevien lankojen lujuuden lisäämiseksi voidaan käyttää muita materiaaleja ja aineita - tinaa, fosforia, kromia, berylliumia. Tuloksena on tietyn luokan pronssia. Kuparin ja sinkin yhdistelmää kutsutaan messingiksi.
Seoksen ominaisuudet
Se ei voi riippua vain niissä olevien epäpuhtauksien määrästä, vaan myös muista indikaattoreista. Esimerkiksi lämmityslämpötilan noustessa kuparin kyky siirtää virtaa itsensä läpi heikkenee. Jopa valmistustapa vaikuttaa tällaisen johtimen sähkönjohtavuuteen. Arjessa ja tuotannossa voidaan käyttää sekä pehmeähehkutettuja kuparijohtimia että kovavedettyjä johtimia. Ensimmäisessä lajikkeessa kyky siirtää virtaa itsensä läpi on suurempi.
Eniten kuparin sähkönjohtavuuteen vaikuttavat kuitenkin tietysti käytetyt lisäaineet ja niiden määrä. Alla oleva taulukko tarjoaa lukijalle kattavat tiedot tämän metallin yleisimpien seosten nykyisestä kantokyvystä.
Metalliseos | Kunto (O - hehkutettu, T-kova vedetty) | Johtavuus (%) |
puhdasta kuparia | ||
Tinapronssi (0,75 %) | ||
Kadmiumpronssi (0,9 %) | ||
Alumiinipronssi (2,5 % A1, 2 % Sn) | ||
Fosforipronssi (7 % Sn, 0,1 % P) | ||
Messingin ja kuparin sähkönjohtavuus on vertailukelpoinen. Ensimmäisen metallin osalta tämä luku on kuitenkin tietysti hieman pienempi. Mutta samalla se on korkeampi kuin pronssien. Messinkiä käytetään laajalti johtimina. Se siirtää virtaa huonommin kuin kupari, mutta samalla se maksaa vähemmän. Useimmiten radiolaitteiden koskettimet, puristimet ja erilaiset osat on valmistettu messingistä.
Korkean kestävyyden kupariseokset
Tällaisia johdinmateriaaleja käytetään pääasiassa vastusten, reostaattien, mittauslaitteiden ja sähkölämmityslaitteiden valmistuksessa. Yleisimmin käytettyjä kupariseoksia tähän tarkoitukseen ovat konstantaani ja manganiini. Ensimmäisen (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) resistiivisyys on 0,42-0,48 µOhm/m ja toisen (60 % Cu, 40 % Ni) 0,48-0,52 µOhm/m.
Suhde lämmönjohtavuuskertoimeen
Kupari - 59 500 000 S/m. Tämä indikaattori, kuten jo mainittiin, on oikea, mutta vain +20 o C:n lämpötilassa. Minkä tahansa metallin lämmönjohtavuuden ja ominaisjohtavuuden välillä on tietty suhde. Perustaa Wiedemann-Franzin lain. Se suoritetaan metalleille korkeissa lämpötiloissa ja se ilmaistaan seuraavalla kaavalla: K / γ \u003d π 2 / 3 (k / e) 2 T, jossa y on ominaisjohtavuus, k on Boltzmannin vakio, e on alkeisarvo veloittaa.
Tietysti samanlainen yhteys on metallin, kuten kuparin, kanssa. Sen lämmönjohtavuus ja sähkönjohtavuus ovat erittäin korkeat. Se on toisella sijalla hopean jälkeen molemmissa indikaattoreissa.
Kupari- ja alumiinijohtojen liitäntä
Viime aikoina yhä tehokkaampia sähkölaitteita on alettu käyttää jokapäiväisessä elämässä ja teollisuudessa. Neuvostoliiton aikana johdotukset valmistettiin pääasiassa halvasta alumiinista. Valitettavasti sen toimintaominaisuudet eivät enää vastaa uusia vaatimuksia. Siksi nykyään arjessa ja teollisuudessa ne muuttuvat usein kupariksi. Jälkimmäisten tärkein etu on tulenkestävyyden lisäksi, että niiden johtavuusominaisuudet eivät heikkene hapetusprosessin aikana.
Usein sähköverkkoja modernisoitaessa on kytkettävä alumiini- ja kuparijohdot. Et voi tehdä tätä suoraan. Itse asiassa alumiinin ja kuparin sähkönjohtavuus ei eroa liikaa. Mutta vain näille metalleille itselleen. Alumiinin ja kuparin hapetuskalvoilla on erilaisia ominaisuuksia. Tästä johtuen johtavuus risteyksessä vähenee merkittävästi. Alumiinin hapetuskalvo on paljon kestävämpi kuin kuparin. Siksi näiden kahden tyyppisten johtimien liittäminen tulisi tehdä yksinomaan erityisillä sovittimilla. Tällaisia voivat olla esimerkiksi puristimet, jotka sisältävät tahnaa, joka suojaa metalleja oksidin esiintymiseltä. Tätä sovittimien versiota käytetään yleensä ulkona. Haarapuristimia käytetään useammin sisätiloissa. Niiden suunnittelu sisältää erityisen levyn, joka sulkee pois suoran kosketuksen alumiinin ja kuparin välillä. Tällaisten johtimien puuttuessa kotioloissa johtojen suoran kiertämisen sijaan on suositeltavaa käyttää välilevyä ja mutteria "siltana".
Fyysiset ominaisuudet
Siten saimme selville, mikä on kuparin sähkönjohtavuus. Tämä indikaattori voi vaihdella tämän metallin muodostavien epäpuhtauksien mukaan. Kuparin kysyntää teollisuudessa määräävät kuitenkin myös sen muut hyödylliset fysikaaliset ominaisuudet, jotka voidaan saada alla olevasta taulukosta.
Parametri | Merkitys |
Kasvokeskeinen kuutio, a=3,6074 Å |
|
Atomin säde | |
Ominaislämpö | 385,48 j/(kg K) +20 o C:ssa |
Lämmönjohtokyky | 394,279 W / (m K) +20 °C:ssa |
Sähkövastus | 1,68 10-8 ohmia m |
Lineaarinen laajenemiskerroin | |
Kovuus | |
Vetolujuus |
Kemialliset ominaisuudet
Näiden ominaisuuksien mukaan kupari, jonka sähkö- ja lämmönjohtavuus on erittäin korkea, on väliasemassa kahdeksannen ryhmän ensimmäisen triadin elementtien ja jaksollisen järjestelmän ensimmäisen ryhmän alkalisten alkuaineiden välillä. Sen tärkeimpiä kemiallisia ominaisuuksia ovat:
taipumus kompleksin muodostumiseen;
kyky antaa värillisiä yhdisteitä ja liukenemattomia sulfideja.
Kuparille ominaisin on kaksiarvoinen tila. Sillä ei käytännössä ole yhtäläisyyksiä alkalimetallien kanssa. Sen kemiallinen aktiivisuus on myös alhainen. CO 2:n tai kosteuden läsnä ollessa kuparin pinnalle muodostuu vihreä karbonaattikalvo. Kaikki kuparisuolat ovat myrkyllisiä. Yksi- ja kaksiarvoisessa tilassa tämä metalli muodostaa erittäin stabiileja.Ammoniakkimetallit ovat teollisuuden kannalta merkittävimpiä.
Käyttöalue
Kuparin korkea lämmön- ja sähkönjohtavuus määrää sen laajan käytön eri teollisuudenaloilla. Tietenkin useimmiten tätä metallia käytetään sähkötekniikassa. Tämä ei kuitenkaan ole kaukana sen ainoasta sovellusalueesta. Kuparia voidaan käyttää muun muassa:
koruissa;
arkkitehtuurissa;
putki- ja lämmitysjärjestelmiä koottaessa;
kaasuputkissa.
Erilaisten korujen valmistukseen käytetään pääasiassa kuparin ja kullan seosta. Tämän avulla voit lisätä korujen kestävyyttä muodonmuutoksia ja hankausta vastaan. Arkkitehtuurissa kuparia voidaan käyttää kattojen ja julkisivujen verhoukseen. Tämän viimeistelyn tärkein etu on kestävyys. Esimerkiksi tunnetun arkkitehtonisen maamerkin, katolisen katedraalin, Saksan Hildesheimin kaupungissa, katto on päällystetty tätä nimenomaista metallia olevilla levyillä. Tämän rakennuksen kuparikatto on suojannut sisätiloja luotettavasti lähes 700 vuoden ajan.
Tekninen viestintä
Kupariputkiston tärkeimmät edut ovat myös kestävyys ja luotettavuus. Lisäksi tämä metalli pystyy antamaan vedelle erityisiä ainutlaatuisia ominaisuuksia, mikä tekee siitä hyödyllisen keholle. Kaasuputkien ja lämmitysjärjestelmien kokoonpanoon kupariputket ovat myös ihanteellisia - pääasiassa niiden korroosionkestävyyden ja sitkeyden vuoksi. Paineen hätätilanteessa tällaiset linjat kestävät paljon suuremman kuormituksen kuin teräsputket. Kupariputkien ainoa haittapuoli on niiden korkea hinta.
Sivu 3
Emalipinnoitteen lämmönjohtavuus on tavallisellakin emalilla melko alhainen, - 0 8 - 1 0 wattia metriasteella. Vertailun vuoksi: raudan lämmönjohtavuus on 65; teräs - 70 - 80; kupari - 330 wattia per metriaste. Kun emalissa on kaasukuplia, mikä johtaa sen näennäisen tiheyden vähenemiseen, lämmönjohtavuus laskee. Esimerkiksi emalin näennäistiheydellä 2,48 grammaa kuutiosenttimetriä kohden lämmönjohtavuus on 1,18 wattia kuutiosenttimetriä kohden, sitten näennäistiheydellä 2,20 grammaa kuutiosenttimetriä kohden lämmönjohtavuus on jo 0,46 wattia kuutiosenttimetriä kohti.
Alumiinin kidehila koostuu monien muiden metallien tavoin kasvokeskeisistä kuutioista (ks. s. Alumiinin lämmönjohtavuus on kaksi kertaa raudan lämmönjohtavuus ja puolet kuparin lämmönjohtavuudesta. Sen sähkönjohtavuus on paljon korkeampi kuin raudan sähkönjohtavuus ja saavuttaa 60 % kuparin sähkönjohtavuudesta.
| Joidenkin kromivalurautojen koostumus ja mekaaniset ominaisuudet. |
Seos on erittäin altis kutistuville onteloille. Seoksen lämmönjohtavuus on noin puolet raudan lämmönjohtavuudesta, mikä tulee ottaa huomioon valmistettaessa lämpölaitteita kromivaluraudasta.
Kuparin kaarihitsauksessa tulee ottaa huomioon, että kuparin lämmönjohtavuus on noin kuusi kertaa suurempi kuin raudan lämmönjohtavuus. Kuparin lujuus vähenee niin paljon, että halkeamia syntyy jopa kevyissä iskuissa. Kupari sulaa 1083 C:n lämpötilassa.
Titaanin kimmomoduuli on lähes puolet raudan kimmomoduulista, on samalla tasolla kupariseosten kimmomoduulin kanssa ja on paljon korkeampi kuin alumiinin. Titaanin lämmönjohtavuus on alhainen: se on noin 7 % alumiinin lämmönjohtavuudesta ja 165 % raudan lämmönjohtavuudesta. Tämä on otettava huomioon kuumennettaessa metallia muovausta ja hitsausta varten. Titaanin sähkövastus on noin 6 kertaa suurempi kuin raudan ja 20 kertaa suurempi kuin alumiinin.
Titaanin kimmomoduuli on lähes puolet raudan kimmomoduulista, on samalla tasolla kupariseosten kimmomoduulin kanssa ja on paljon korkeampi kuin alumiinin. Titaanin lämmönjohtavuus on alhainen: se on noin 7 % alumiinin lämmönjohtavuudesta ja 16-5 % raudan lämmönjohtavuudesta.
Tällä materiaalilla on tyydyttävä mekaaninen lujuus ja poikkeuksellisen korkea kemiallinen kestävyys lähes kaikkia, jopa kaikkein aggressiivisimpia kemiallisia reagensseja vastaan, voimakkaita hapettimia lukuun ottamatta. Lisäksi se eroaa kaikista muista ei-metallisista materiaaleista korkealla lämmönjohtavuudellaan, joka on yli kaksi kertaa raudan lämmönjohtavuus.
Kaikki nämä vaatimukset täyttävät rauta-, hiili- ja niukkaseosteiset rakenneteräkset, joiden hiilipitoisuus on alhainen: raudan sulamispiste on 1535 C, palamislämpötila 1200 C, rautaoksidin sulamispiste 1370 C. Lämpövaikutus Hapettumisreaktioiden määrä on melko korkea: Fe 0 5O2 FeO 64 3 kcal / g -mol, 3Fe 2O2 Fe3O4 H - 266 9 kcal / g-mol, 2Fe 1 5O2 Fe2O3 198 5 kcal / g-mol ja raudan lämmönjohtavuus on rajoitettu.
Titaania ja sen seoksia käytetään korkeiden fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi yhä enemmän rakennemateriaalina lento- ja rakettiteknologiassa, kemiantekniikassa, instrumentointi-, laivan- ja koneenrakennuksessa, elintarvike- ja muilla teollisuudenaloilla. Titaani on lähes kaksi kertaa kevyempi kuin teräs, sen tiheys on 45 g/cm3, sillä on korkeat mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävyys normaaleissa ja korkeissa lämpötiloissa ja monissa aktiivisissa väliaineissa titaanin lämmönjohtavuus on lähes neljä kertaa pienempi kuin raudan. .
Eräs tällainen ratkaisu on, että jäähdytetylle pinnalle kierretty putki vain hitsataan tähän pintaan, minkä jälkeen putken ja vaipan liitos pinnoitetaan epoksihartsilla, johon on sekoitettu rautajauhetta. Seoksen lämmönjohtavuus on lähellä raudan lämmönjohtavuutta. Tuloksena on hyvä lämpökontakti vaipan ja putken välillä, mikä parantaa vaipan jäähdytysolosuhteita.
Rauta- ja hiiliteräkset täyttävät kaikki nämä ehdot. FeO ja Fe304 oksidit sulavat 1350 ja 1400 C lämpötiloissa. Raudan lämmönjohtavuus ei ole korkea verrattuna muihin rakennemateriaaleihin.
Matalissa lämpötiloissa toimiville metalleille on myös erittäin tärkeää, miten niiden lämmönjohtavuus muuttuu lämpötilan mukaan. Teräksen lämmönjohtavuus kasvaa lämpötilan laskiessa. Puhdas rauta on erittäin herkkä lämpötilan muutoksille. Epäpuhtauksien määrästä riippuen raudan lämmönjohtavuus voi muuttua dramaattisesti. Puhtaan raudan (99 7 %), joka sisältää 0,01 % C ja 0,21 % O2, lämmönjohtavuus on 0,35 cal cm-1 s - 19C - lämpötilassa - 173 C ja 0,85 cal cm - x Xs - 10 C - at -243 C.
Juottaminen juotosraudalla, kaasupolttimilla, upotus sulaan juotteeseen ja uuneihin on yleisimmin käytetty juotos. Sen käytön rajoituksia aiheuttaa vain se, että vain ohutseinäisiä osia voidaan juottaa juotosraudalla 350 C:n lämpötilassa. Massiiviset osat korkeasta lämmönjohtavuudestaan johtuen, joka on 6 kertaa raudan lämmönjohtavuus, juotetaan kaasupolttimilla. Putkimaisissa kuparilämmönvaihtimissa käytetään juottamista upottamalla sulaan suolaan ja juotteeseen. Kun juotetaan upottamalla suolasulaihin, käytetään yleensä suolakylpyuuneja. Suolat ovat yleensä lämmönlähteitä ja niillä on sulatusvaikutus, joten juotettaessa ei tarvita ylimääräistä sulatusta. Kastojuotuksessa esisulatetut osat kuumennetaan juotossulassa, joka täyttää liitosraot juotoslämpötilassa. Juotospeili on suojattu aktiivihiilellä tai inertillä kaasulla. Suolakylvyissä juottamisen haittana on mahdottomuus joissakin tapauksissa poistaa suolaa tai sulatejäämiä.
Kuparin korkea lämmönjohtavuus ja sen muut hyödylliset ominaisuudet olivat yksi syy siihen, että ihminen kehitti tämän metallin varhaisessa vaiheessa. Ja tähän päivään asti niillä on käyttöä melkein kaikilla elämämme aloilla.
Hieman lämmönjohtavuudesta
Lämmönjohtavuus ymmärretään fysiikassa energian liikkumisena esineessä kuumemmista hiukkasista vähemmän kuumennettuihin hiukkasiin. Tämän prosessin ansiosta koko kohteen lämpötila tasoittuu. Lämmönjohtamiskyvyn arvoa kuvaa lämmönjohtavuuskerroin. Tämä parametri on yhtä suuri kuin lämmön määrä, joka kulkee 1 metrin paksuisen materiaalin läpi 1 m2:n pinta-alan läpi sekunnin ajan yksikkölämpötilaerolla.
Kuparin lämmönjohtavuus on 394 W / (m * K) lämpötilassa 20 - 100 ° C. Vain hopea voi kilpailla sen kanssa. Ja teräksen ja raudan osalta tämä luku on 9 ja 6 kertaa pienempi (katso taulukko). On huomattava, että kuparista valmistettujen tuotteiden lämmönjohtavuus riippuu suurelta osin epäpuhtauksista (tämä pätee kuitenkin myös muihin metalleihin). Esimerkiksi lämmönjohtavuus laskee, jos aineet kuten:
- rauta;
- arseeni;
- happi;
- seleeni;
- alumiini;
- antimoni;
- fosfori;
- rikki.
Jos lisäät sinkkiä kupariin, saat messinkiä, jolla on paljon pienempi lämmönjohtavuus. Samanaikaisesti muiden aineiden lisääminen kupariin voi vähentää merkittävästi valmiiden tuotteiden kustannuksia ja antaa niille sellaisia ominaisuuksia kuin lujuus ja kulutuskestävyys. Esimerkiksi messingille on ominaista korkeammat teknologiset, mekaaniset ja kitkaa vähentävät ominaisuudet.
Koska korkealle lämmönjohtavuudelle on ominaista lämpöenergian nopea jakautuminen koko kohteeseen, kuparia on käytetty laajalti lämmönsiirtojärjestelmissä. Tällä hetkellä siitä valmistetaan lämpöpatterit ja putket jääkaappiin, tyhjiölaitoksiin ja autoihin lämmön nopeaa poistamista varten. Myös kuparielementtejä käytetään lämmitysasennuksissa, mutta jo lämmitykseen.
Metallin lämmönjohtavuuden säilyttämiseksi korkealla tasolla (ja siten kuparilaitteiden toiminnan tehostamiseksi mahdollisimman tehokkaaksi), kaikissa lämmönvaihtojärjestelmissä käytetään puhaltimien pakotettua ilmavirtausta. Tämä päätös johtuu siitä, että väliaineen lämpötilan noustessa minkä tahansa materiaalin lämmönjohtavuus laskee merkittävästi, koska lämmönsiirto hidastuu.
Alumiini ja kupari - kumpi on parempi?
Alumiinilla on yksi haitta kupariin verrattuna: sen lämmönjohtavuus on 1,5 kertaa pienempi, nimittäin 201–235 W / (m * K). Muihin metalleihin verrattuna nämä arvot ovat kuitenkin melko korkeat. Alumiinilla, kuten kuparilla, on korkeat korroosionesto-ominaisuudet. Lisäksi sillä on etuja, kuten:
- alhainen tiheys (ominaispaino on 3 kertaa pienempi kuin kuparin);
- alhaiset kustannukset (3,5 kertaa vähemmän kuin kupari).
Yksinkertaisten laskelmien ansiosta käy ilmi, että alumiiniosa voi olla lähes 10 kertaa halvempi kuin kupari, koska se painaa paljon vähemmän ja on valmistettu halvemmasta materiaalista. Tämä tosiasia yhdessä korkean lämmönjohtavuuden kanssa mahdollistaa alumiinin käytön astioiden materiaalina ja uunien elintarvikefolion. Alumiinin suurin haitta on, että se on pehmeämpi, joten sitä voidaan käyttää vain seoksissa (esimerkiksi duralumiini).
Tehokkaan lämmönsiirron kannalta lämmönsiirtonopeudella ympäristöön on tärkeä rooli, ja sitä edistetään aktiivisesti puhaltamalla pattereita. Tämän seurauksena alumiinin alempi lämmönjohtavuus (kupariin verrattuna) tasoittuu ja laitteiden paino ja kustannukset pienenevät. Näiden tärkeiden etujen ansiosta alumiini voi vähitellen korvata kuparin käytöstä ilmastointijärjestelmissä.
Joillakin teollisuudenaloilla, kuten radio- ja elektroniikkateollisuudessa, kupari on välttämätön. Tosiasia on, että tämä metalli on luonnostaan erittäin muovinen: se voidaan vetää erittäin ohueksi langaksi (0,005 mm) sekä luoda muita erityisiä johtavia elementtejä elektronisille laitteille. Ja korkea lämmönjohtavuus sallii kuparin poistaa erittäin tehokkaasti sähkölaitteiden käytön aikana väistämättä esiintyvän lämmön, mikä on erittäin tärkeää nykyaikaiselle erittäin tarkkalle, mutta samalla kompaktille tekniikalle.
Kuparin käyttö on merkityksellistä tapauksissa, joissa teräsosaan on tehtävä tietyn muotoinen pinnoite. Tässä tapauksessa käytetään kuparista mallia, jota ei ole liitetty hitsattavaan elementtiin. Alumiinin käyttö näihin tarkoituksiin on mahdotonta, koska se sulaa tai palaa läpi. On myös syytä mainita, että kupari pystyy toimimaan katodina hiilikaarihitsauksessa.
1 - hammaspyörä, 2 - kiinnitysmallit, 3 - kiinnitetty hammaspyörän hammas, 4 - kuparimalleja
Kuparin ja sen seosten korkean lämmönjohtavuuden haitat
Kupari on paljon kalliimpaa kuin messinki tai alumiini. Samaan aikaan tällä metallilla on haittoja, jotka liittyvät suoraan sen etuihin. Korkea lämmönjohtavuus johtaa tarpeeseen luoda erityisolosuhteet kuparielementtien leikkaamisen, hitsauksen ja juottauksen aikana. Koska kuparielementtejä on lämmitettävä paljon keskittyneemmin kuin teräs. Usein tarvitaan myös osan esi- ja jälkilämmitystä.
Älä unohda, että kupariputket vaativat huolellisen eristyksen, jos ne koostuvat pää- tai lämmitysjärjestelmän kaapeleista. Mikä johtaa verkon asennuskustannusten nousuun verrattuna vaihtoehtoihin, kun käytetään muita materiaaleja.
Vaikeuksia syntyy myös kuparin kanssa: tämä prosessi vaatii tehokkaampia polttimia. Hitsattaessa metallia, jonka paksuus on 8–10 mm, tarvitaan kaksi tai kolme poltinta. Kun yhtä poltinta käytetään hitsaukseen, toinen lämmittää osaa. Yleensä hitsaustyöt kuparilla vaativat lisäkustannuksia kulutusosista.
On myös sanottava tarpeesta käyttää erikoistyökaluja. Eli 15 cm:n paksuiseen leikkaamiseen tarvitset leikkurin, joka pystyy työskentelemään 30 cm paksuisen kromiteräksen kanssa.Lisäksi sama työkalu riittää vain 5 cm:n paksuiseen leikkaamiseen.
Taulukosta näkyy raudan tiheys d, sekä sen ominaislämpökapasiteetin arvot Cp, lämpödiffuusio a, lämmönjohtavuuskerroin λ , sähkövastus ρ , Lorentzin toiminnot L/L 0 eri lämpötiloissa - alueella 100 - 2000 K.
Raudan ominaisuudet riippuvat merkittävästi lämpötilasta: kun tätä metallia kuumennetaan, sen tiheys, lämmönjohtavuus ja lämpödiffuusivuus pienenevät ja raudan ominaislämpökapasiteetin arvo kasvaa.
Raudan tiheys on 7870 kg / m 3 huoneenlämpötilassa. Kun rautaa kuumennetaan, sen tiheys pienenee. Koska rauta on pääaine teräksen koostumuksessa, raudan tiheys määrää myös arvon. Raudan tiheyden riippuvuus lämpötilasta on heikko - kun sitä kuumennetaan, metallin tiheys pienenee ja ottaa vähintään 7040 kg / m 3 sulamispisteessä 1810 K tai 1537 ° C.
Raudan ominaislämpökapasiteetti taulukon mukaan on 450 J / (kg astetta) 27°C:n lämpötilassa. Kiinteän raudan ominaislämpökapasiteetti muuttuu rakenteesta riippuen eri tavalla lämpötilan noustessa. Taulukon arvot osoittavat raudan lämpökapasiteetin ominaismaksimin lähellä Tc:tä ja hyppyjä rakennemuutosten ja sulamisen aikana.
Sulassa raudan ominaisuudet muuttuvat. Joten nestemäisen raudan tiheys pienenee ja tulee yhtä suureksi kuin 7040 kg / m 3. Raudan ominaislämpökapasiteetti sulassa tilassa on 835 J/(kg deg), kun taas raudan lämmönjohtavuus laskee arvoon 39 W/(m deg). Tässä tapauksessa tämän metallin ominaissähkövastus kasvaa ja 2000 K:ssä se saa arvon 138·10 -8 ohm·m.
Raudan lämmönjohtavuus huoneenlämpötilassa on 80 W / (m deg). Lämpötilan noustessa raudan lämmönjohtavuus laskee - sillä on negatiivinen lämpötilakerroin lämpötila-alueella 100-1042 K, ja sitten se alkaa kasvaa hieman. Raudan lämmönjohtavuuden minimiarvo on 25,4 W/(m deg) lähellä Curie-pistettä. β-γ-siirtymän aikana havaitaan pieni muutos lämmönjohtavuudessa, mikä tapahtuu myös γ-δ-siirtymän aikana.
Raudan lämmönjohtavuus laskee jyrkästi epäpuhtauksien määrän kasvaessa., erityisesti ja . Erittäin puhtaalla elektrolyyttisellä raudalla on korkein lämmönjohtavuus - sen lämmönjohtavuus 27 °C:ssa on 95 W / (m deg).
Raudan lämmönjohtavuuden riippuvuus lämpötilasta määräytyy myös tämän metallin puhtausasteella. Mitä puhtaampi rauta on, sitä korkeampi on sen lämmönjohtavuus ja sitä enemmän sen absoluuttinen arvo pienenee lämpötilan noustessa.
