Călduros- aceasta este una dintre formele de energie, care este conținută în mișcarea atomilor în materie. Măsurăm energia acestei mișcări cu un termometru, deși nu direct.
Ca toate celelalte forme de energie, căldura poate fi transferată de la corp la corp. Acest lucru se întâmplă ori de câte ori există corpuri cu temperaturi diferite. În același timp, nici nu trebuie să fie în contact, deoarece există mai multe modalități de a transfera căldura. Și anume:
Conductivitate termică. Acesta este transferul de căldură prin contact direct între două corpuri. (Corpul poate fi unul dacă părțile sale au temperaturi diferite.) În plus, cu cât diferența de temperatură dintre corpuri este mai mare și cu cât aria de contact a acestora este mai mare, cu atât mai multă căldură este transferată în fiecare secundă. În plus, cantitatea de căldură transferată depinde de material - de exemplu, majoritatea metalelor conduc bine căldura, în timp ce lemnul și plasticul sunt mult mai rele. Valoarea care caracterizează această capacitate de a transfera căldură se mai numește și conductivitate termică (mai corect, coeficientul de conductivitate termică), ceea ce poate duce la o oarecare confuzie.
Dacă este necesar să se măsoare conductibilitatea termică a oricărui material, atunci aceasta se realizează de obicei în următorul experiment: o tijă este făcută din materialul de interes și un capăt este menținut la o temperatură, iar celălalt la o altă temperatură, pt. de exemplu, temperatură mai scăzută. Să se pună, de exemplu, capătul rece în apă cu gheață - în acest fel se va menține o temperatură constantă, iar prin măsurarea vitezei de topire a gheții se poate judeca cantitatea de căldură primită. Împărțind cantitatea de căldură (sau mai degrabă puterea) la diferența de temperatură și secțiunea transversală a tijei și înmulțind cu lungimea acesteia, obținem coeficientul de conductivitate termică, care se măsoară, după cum urmează din cele de mai sus, în J * m / K * m 2 * s, adică în W / K * m. Mai jos vedeți un tabel de conductivitate termică a unor materiale.
| Material | Conductivitate termică, W/(m K) |
| Diamant | 1001—2600 |
| Argint | 430 |
| Cupru | 401 |
| oxid de beriliu | 370 |
| Aur | 320 |
| Aluminiu | 202—236 |
| Siliciu | 150 |
| Alamă | 97—111 |
| Crom | 107 |
| Fier | 92 |
| Platină | 70 |
| Staniu | 67 |
| oxid de zinc | 54 |
| Oţel | 47 |
| Oxid de aluminiu | 40 |
| Cuarţ | 8 |
| Granit | 2,4 |
| beton solid | 1,75 |
| Bazalt | 1,3 |
| Sticlă | 1-1,15 |
| Unsoare termică KPT-8 | 0,7 |
| Apă în condiții normale | 0,6 |
| Cărămidă de construcție | 0,2—0,7 |
| Lemn | 0,15 |
| Uleiuri de petrol | 0,12 |
| zapada proaspata | 0,10—0,15 |
| vată de sticlă | 0,032-0,041 |
| vată de piatră | 0,034-0,039 |
| Aer (300 K, 100 kPa) | 0,022 |
După cum se poate observa, conductivitatea termică diferă cu multe ordine de mărime. Diamantul și unii oxizi de metal conduc căldura surprinzător de bine (comparativ cu alți dielectrici), aerul, zăpada și pasta termică KPT-8 nu conduc căldura bine.
Dar suntem obișnuiți să ne gândim că aerul conduce bine căldura, iar vata nu, deși poate fi 99% aer. Lucrul este convecție. Aerul cald este mai ușor decât aerul rece și „plutește” în sus, dând naștere unei circulații constante a aerului în jurul unui corp fierbinte sau foarte rece. Convecția îmbunătățește transferul de căldură cu un ordin de mărime: în absența ei, ar fi foarte dificil să fierbi o oală cu apă fără a o amesteca constant. Și în intervalul de la 0°C la 4°C, apa când este încălzită se micsoreaza, ceea ce duce la convecție în sens invers față de cel obișnuit. Acest lucru duce la faptul că, indiferent de temperatura aerului, la fundul lacurilor adânci temperatura este întotdeauna setată la 4°C.
Pentru a reduce transferul de căldură, aerul este pompat din spațiul dintre pereții termosurilor. Dar trebuie remarcat faptul că conductivitatea termică a aerului depinde puțin de presiunea de până la 0,01 mm Hg, adică de limitele vidului profund. Acest fenomen este explicat prin teoria gazelor.
O altă metodă de transfer de căldură este radiația. Toate corpurile radiază energie sub formă de unde electromagnetice, dar numai cele suficient de încălzite (~600°C) radiază în domeniul vizibil. Puterea de radiație chiar și la temperatura camerei este destul de mare - aproximativ 40 mW s 1 cm 2 . În ceea ce privește suprafața corpului uman (~ 1m 2), aceasta va fi de 400W. Singurul lucru care ne salvează este că, în mediul cu care suntem obișnuiți, toate corpurile din jurul nostru radiază și ele cu aproximativ aceeași putere. Puterea de radiație, de altfel, depinde puternic de temperatură (cum ar fi T 4), conform legii Stefan-Boltzmann. Calculele arată că, de exemplu, la 0°С, puterea radiației termice este de aproximativ o dată și jumătate mai slabă decât la 27°С.
Spre deosebire de conducția căldurii, radiația se poate propaga într-un vid complet - datorită acesteia organismele vii de pe Pământ primesc energia Soarelui. Dacă transferul de căldură prin radiație este nedorit, atunci acesta este minimizat prin amplasarea de partiții opace între obiectele reci și fierbinți sau absorbția radiațiilor este redusă (și emisia, de altfel, în aceeași măsură), acoperind suprafața cu o oglindă subțire. strat de metal, de exemplu, argint.
- Datele despre conductibilitatea termică sunt preluate de pe Wikipedia și au ajuns acolo din cărți de referință, cum ar fi:
- „Cantități fizice” ed. I. S. Grigorieva
- CRC Manual de chimie și fizică
- O descriere mai riguroasă a conductivității termice poate fi găsită într-un manual de fizică, de exemplu, în „General Physics” de D.V. Sivukhin (Volumul 2). Volumul 4 are un capitol despre radiația termică (inclusiv legea Stefan-Boltzmann)
În multe ramuri ale industriei moderne, un material precum cuprul este foarte utilizat. Conductivitatea electrică a acestui metal este foarte mare. Aceasta explică oportunitatea aplicării sale în primul rând în inginerie electrică. Cuprul face conductoare cu caracteristici de performanță excelente. Desigur, acest metal este folosit nu numai în inginerie electrică, ci și în alte industrii. Cererea sa se explică, printre altele, prin calitățile sale precum rezistența la deteriorarea coroziunii într-o serie de medii agresive, refractaritatea, ductilitatea etc.
Referință istorică
Cuprul este un metal cunoscut omului din cele mai vechi timpuri. Cunoașterea timpurie a oamenilor cu acest material se explică în primul rând prin distribuția sa largă în natură sub formă de pepite. Mulți oameni de știință cred că cuprul a fost primul metal recuperat de om din compușii oxigenului. Pe vremuri, pietrele erau pur și simplu încălzite pe foc și se răceau brusc, drept urmare crăpau. Ulterior, recuperarea cuprului a început să fie efectuată pe incendii cu adaos de cărbune și suflare cu burduf. Îmbunătățirea acestei metode a dus în cele din urmă la crearea.Și mai târziu, acest metal a început să fie obținut prin topirea oxidativă a minereurilor.
Cupru: conductivitatea electrică a materialului
În repaus, toți electronii liberi ai oricărui metal se rotesc în jurul nucleului. Când o sursă externă de influență este conectată, ei se aliniază într-o anumită secvență și devin purtători de curent. Gradul de capacitate a unui metal de a-l trece prin el însuși se numește conductivitate electrică. Unitatea de măsură a acestuia în SI internațional este siemens, definită ca 1 cm = 1 ohm -1.
Conductivitatea electrică a cuprului este foarte mare. Conform acestui indicator, depășește toate metalele de bază cunoscute astăzi. Doar argintul trece curentul mai bine decât acesta. Indicele de conductivitate electrică al cuprului este de 57x104 cm -1 la o temperatură de +20 °C. Datorită acestei proprietăți, acest metal este în prezent cel mai comun conductor dintre toate cele utilizate în scopuri industriale și casnice.
Cuprul rezistă perfect permanent și se distinge, de asemenea, prin fiabilitate și durabilitate. Printre altele, acest metal se caracterizează și printr-un punct de topire ridicat (1083,4 ° C). Și acest lucru, la rândul său, permite cuprului să funcționeze mult timp în stare încălzită. În ceea ce privește prevalența ca conductor de curent, doar aluminiul poate concura cu acest metal.
Influența impurităților asupra conductivității electrice a cuprului
Desigur, în timpul nostru, pentru a topi acest metal roșu se folosesc tehnici mult mai avansate decât în antichitate. Cu toate acestea, chiar și astăzi este practic imposibil să se obțină Cu complet pur. Există întotdeauna diferite tipuri de impurități în cupru. Poate fi, de exemplu, siliciu, fier sau beriliu. Între timp, cu cât sunt mai multe impurități în cupru, cu atât conductivitatea electrică este mai mică. Pentru fabricarea de fire, de exemplu, numai metalul suficient de pur este potrivit. Conform reglementărilor, cuprul cu o cantitate de impurități care nu depășește 0,1% poate fi folosit în acest scop.
Foarte des, acest metal conține un anumit procent de sulf, arsenic și antimoniu. Prima substanță reduce semnificativ plasticitatea materialului. Conductivitatea electrică a cuprului și a sulfului este foarte diferită. Această impuritate nu conduce deloc curentul. Adică este un bun izolator. Cu toate acestea, sulful nu are aproape niciun efect asupra conductivității electrice a cuprului. Același lucru este valabil și pentru conductibilitatea termică. Cu antimoniu și arsen, se observă imaginea inversă. Aceste elemente pot reduce semnificativ conductivitatea electrică a cuprului.
Aliaje
Diferiți aditivi pot fi, de asemenea, utilizați în mod specific pentru a crește rezistența unui astfel de material plastic precum cuprul. De asemenea, îi reduc conductivitatea electrică. Dar, pe de altă parte, utilizarea lor poate prelungi semnificativ durata de viață a diferitelor tipuri de produse.
Cel mai adesea, Cd (0,9%) este folosit ca aditiv care mărește rezistența cuprului. Rezultatul este bronzul cadmiu. Conductivitatea sa este de 90% cea a cuprului. Uneori, aluminiul este folosit și ca aditiv în loc de cadmiu. Conductivitatea acestui metal este de 65% din cea a cuprului. Pentru a crește rezistența firelor sub formă de aditiv, pot fi utilizate alte materiale și substanțe - staniu, fosfor, crom, beriliu. Rezultatul este bronz de un anumit grad. Combinația de cupru și zinc se numește alamă.
Caracteristicile aliajului
Poate depinde nu numai de cantitatea de impurități prezente în ele, ci și de alți indicatori. De exemplu, pe măsură ce temperatura de încălzire crește, capacitatea cuprului de a trece curentul prin el însuși scade. Chiar și modul în care este realizat afectează conductivitatea electrică a unui astfel de fir. În viața de zi cu zi și în producție, pot fi utilizați atât conductori de cupru moale recoapți, cât și cei trasi tare. În prima varietate, capacitatea de a trece curentul prin sine este mai mare.
Cu toate acestea, cea mai mare influență, desigur, aditivii utilizați și cantitatea acestora asupra conductivității electrice a cuprului. Tabelul de mai jos oferă cititorului informații cuprinzătoare cu privire la capacitatea de transport curent a celor mai comune aliaje ale acestui metal.
Aliaj | Stare (O - recoacet, trasat T-dur) | Conductivitate (%) |
cupru pur | ||
Bronz cu staniu (0,75%) | ||
Bronz cu cadmiu (0,9%) | ||
Bronz aluminiu (2,5% A1, 2% Sn) | ||
Bronz fosfor (7% Sn, 0,1% P) | ||
Conductivitatea electrică a alamei și a cuprului este comparabilă. Cu toate acestea, pentru primul metal, această cifră, desigur, este puțin mai mică. Dar în același timp este mai mare decât cea a bronzurilor. Alama este utilizată pe scară largă ca conductor. Transmite curent mai rău decât cuprul, dar în același timp costă mai puțin. Cel mai adesea, contactele, clemele și diversele piese pentru echipamentele radio sunt realizate din alamă.
Aliaje de cupru de înaltă rezistență
Astfel de materiale conductoare sunt utilizate în principal la fabricarea de rezistențe, reostate, instrumente de măsură și dispozitive electrice de încălzire. Cele mai frecvent utilizate aliaje de cupru în acest scop sunt constantanul și manganina. Rezistivitatea primei (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) este de 0,42-0,48 µOhm/m, iar a doua (60% Cu, 40% Ni) este de 0,48-0,52 µOhm/m.
Relația cu coeficientul de conductivitate termică
Cupru - 59.500.000 S/m. Acest indicator, așa cum am menționat deja, este corect, dar numai la o temperatură de +20 o C. Există o anumită relație între conductibilitatea termică a oricărui metal și conductibilitatea specifică. Își stabilește legea Wiedemann-Franz. Se efectuează pentru metale la temperaturi ridicate și se exprimă în următoarea formulă: K / γ \u003d π 2 / 3 (k / e) 2 T, unde y este conductivitatea specifică, k este constanta Boltzmann, e este elementară încărca.
Desigur, există o legătură similară cu un metal precum cuprul. Conductivitatea sa termică și conductibilitatea electrică sunt foarte mari. Este pe locul doi după argint la ambii indicatori.
Conexiune fire de cupru și aluminiu
Recent, echipamentele electrice de putere tot mai mare au început să fie folosite în viața de zi cu zi și în industrie. În vremea sovietică, cablajul era realizat în principal din aluminiu ieftin. Din păcate, caracteristicile sale operaționale nu mai corespund noilor cerințe. Prin urmare, astăzi în viața de zi cu zi și în industrie se schimbă foarte des în cupru. Principalul avantaj al acestora din urmă, pe lângă refractaritatea lor, este că proprietățile lor conductoare nu scad în timpul procesului oxidativ.
Adesea, la modernizarea rețelelor electrice, trebuie conectate fire de aluminiu și cupru. Nu poți face asta direct. De fapt, conductivitatea electrică a aluminiului și a cuprului nu diferă prea mult. Dar numai pentru aceste metale în sine. Filmele de oxidare din aluminiu și cupru au proprietăți diferite. Din această cauză, conductivitatea la joncțiune este semnificativ redusă. Pelicula de oxidare a aluminiului este mult mai rezistentă decât cea a cuprului. Prin urmare, conectarea acestor două tipuri de conductori ar trebui să se facă exclusiv prin adaptoare speciale. Acestea pot fi, de exemplu, cleme care conțin o pastă care protejează metalele de apariția oxidului. Această versiune a adaptoarelor este de obicei folosită în aer liber. Clemele de ramuri sunt mai des folosite în interior. Designul lor include o placă specială care exclude contactul direct dintre aluminiu și cupru. În absența unor astfel de conductori în condiții casnice, în loc să răsuciți direct firele, se recomandă utilizarea unei șaibe și a piuliței ca „punte” intermediară.
Proprietăți fizice
Astfel, am aflat care este conductivitatea electrică a cuprului. Acest indicator poate varia în funcție de impuritățile care alcătuiesc acest metal. Cu toate acestea, cererea de cupru în industrie este determinată și de celelalte proprietăți fizice utile ale acestuia, informații despre care pot fi obținute din tabelul de mai jos.
Parametru | Sens |
Cubic centrat pe față, a=3,6074 Å |
|
Raza atomică | |
Căldura specifică | 385,48 j/(kg K) la +20 o C |
Conductivitate termică | 394,279 W / (m K) la +20 ° C |
Rezistență electrică | 1,68 10-8 Ohm m |
Coeficientul de dilatare liniar | |
Duritate | |
Rezistență la tracțiune |
Proprietăți chimice
Conform acestor caracteristici, cuprul, a cărui conductivitate electrică și termică este foarte mare, ocupă o poziție intermediară între elementele primei triade din a opta grupă și elementele alcaline din primul grup din tabelul periodic. Principalele sale proprietăți chimice includ:
tendință de formare complexă;
capacitatea de a da compuși colorați și sulfuri insolubile.
Cea mai caracteristică a cuprului este starea divalentă. Practic nu are asemănări cu metalele alcaline. Activitatea sa chimică este, de asemenea, scăzută. În prezența CO 2 sau a umezelii, pe suprafața de cupru se formează o peliculă de carbonat verde. Toate sărurile de cupru sunt otrăvitoare. In stare mono- si bivalenta acest metal formeaza unele foarte stabile.Metalele de amoniac sunt de cea mai mare importanta pentru industrie.
Domeniul de utilizare
Conductivitatea termică și electrică ridicată a cuprului determină aplicarea sa largă în diverse industrii. Desigur, cel mai adesea acest metal este folosit în inginerie electrică. Cu toate acestea, aceasta este departe de singura zonă de aplicare. Printre altele, cuprul poate fi folosit:
în bijuterii;
în arhitectură;
la asamblarea sistemelor de instalații sanitare și de încălzire;
în conductele de gaz.
Pentru fabricarea diferitelor tipuri de bijuterii, se folosește în principal un aliaj de cupru și aur. Acest lucru vă permite să creșteți rezistența bijuteriilor la deformare și abraziune. În arhitectură, cuprul poate fi folosit pentru placarea acoperișurilor și fațadelor. Principalul avantaj al acestui finisaj este durabilitatea. De exemplu, acoperișul unui reper arhitectural binecunoscut, Catedrala Catolică din orașul german Hildesheim, este acoperit cu foi din acest metal special. Acoperișul din cupru al acestei clădiri își protejează în mod fiabil spațiul interior de aproape 700 de ani.
Comunicarea Ingineriei
Principalele avantaje ale instalațiilor sanitare din cupru sunt, de asemenea, durabilitatea și fiabilitatea. În plus, acest metal este capabil să confere apei proprietăți speciale unice, făcând-o utilă pentru organism. Pentru asamblarea conductelor de gaz și a sistemelor de încălzire, conductele de cupru sunt, de asemenea, ideale - în principal datorită rezistenței la coroziune și a ductilității. În cazul unei creșteri de urgență a presiunii, astfel de linii sunt capabile să reziste la o sarcină mult mai mare decât cele din oțel. Singurul dezavantaj al conductelor de cupru este costul lor ridicat.
Pagina 3
Conductivitatea termică a stratului de smalț, chiar și cu smalțul obișnuit, este destul de scăzută, - 0 8 - 1 0 wați pe metru grad. Pentru comparație: conductivitatea termică a fierului este de 65; oțel - 70 - 80; cupru - 330 wați pe metru grad. În prezența bulelor de gaz în smalț, ceea ce duce la o scădere a densității sale aparente, conductivitatea termică scade. De exemplu, cu o densitate aparentă a emailului de 2,48 grame pe centimetru cub, conductibilitatea termică este de 1,18 wați pe metru grad, apoi cu o densitate aparentă de 2,20 grame pe centimetru cub, conductivitatea termică este deja de 0,46 wați pe metru grad.
Rețeaua cristalină a aluminiului constă, ca și cea a multor alte metale, din cuburi centrate pe fețe (vezi p. Conductivitatea termică a aluminiului este de două ori conductivitatea termică a fierului și egală cu jumătate din conductibilitatea termică a cuprului. Conductivitatea sa electrică este mult mai mare decât conductivitatea electrică a fierului și atinge 60% din conductibilitatea electrică a cuprului.
| Compoziția și proprietățile mecanice ale unor fonte cu crom. |
Aliajul este foarte predispus la cavități de contracție. Conductivitatea termică a aliajului este de aproximativ jumătate din conductibilitatea termică a fierului, care trebuie luată în considerare la fabricarea echipamentelor termice din fontă cu crom.
Când sudați cu arc cu arc, trebuie luat în considerare faptul că conductivitatea termică a cuprului este de aproximativ șase ori mai mare decât conductivitatea termică a fierului. Cu puterea cuprului este atât de redusă încât se formează fisuri chiar și la impacturi ușoare. Cuprul se topește la o temperatură de 1083 C.
Modulul de elasticitate al titanului este aproape jumătate din cel al fierului, este la același nivel cu modulul aliajelor de cupru și este mult mai mare decât cel al aluminiului. Conductivitatea termică a titanului este scăzută: este de aproximativ 7% din conductibilitatea termică a aluminiului și 165% din conductibilitatea termică a fierului. Acest lucru trebuie luat în considerare la încălzirea metalului pentru formare și sudare. Rezistența electrică a titanului este de aproximativ 6 ori mai mare decât cea a fierului și de 20 de ori mai mare decât cea a aluminiului.
Modulul de elasticitate al titanului este aproape jumătate din cel al fierului, este la același nivel cu modulul aliajelor de cupru și este mult mai mare decât cel al aluminiului. Conductivitatea termică a titanului este scăzută: este de aproximativ 7% din conductibilitatea termică a aluminiului și 16-5% din conductibilitatea termică a fierului.
Acest material are o rezistență mecanică satisfăcătoare și o rezistență chimică excepțional de mare la aproape toți, chiar și la cei mai agresivi reactivi chimici, cu excepția agenților oxidanți puternici. În plus, se deosebește de toate celelalte materiale nemetalice prin conductivitatea termică ridicată, mai mult de două ori mai mare decât conductivitatea termică a fierului.
Toate aceste cerințe sunt îndeplinite de fier, carbon și oțeluri de structură slab aliate cu un conținut scăzut de carbon: punctul de topire al fierului este de 1535 C, temperatura de ardere este de 1200 C, punctul de topire al oxidului de fier este de 1370 C. Efectul termic a reacțiilor de oxidare este destul de mare: 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 și conductivitatea termică a fierului este limitat.
Titanul și aliajele sale, datorită proprietăților lor fizice și chimice ridicate, sunt din ce în ce mai folosite ca material structural pentru aviație și tehnologia rachetelor, inginerie chimică, instrumentare, construcții navale și inginerie mecanică, în industria alimentară și în alte industrii. Titanul este de aproape două ori mai ușor decât oțelul, densitatea sa este de 45 g/cm3, are proprietăți mecanice ridicate, rezistență la coroziune la temperaturi normale și ridicate și în multe medii active, conductivitatea termică a titanului este de aproape patru ori mai mică decât conductibilitatea termică. de fier.
O astfel de soluție este aceea că țeava înfășurată pe suprafața răcită este sudată numai pe această suprafață, după care îmbinarea țevii la coajă este acoperită cu rășină epoxidice amestecată cu pulbere de fier. Conductivitatea termică a amestecului este apropiată de cea a fierului. Rezultatul este un bun contact termic între carcasă și țeavă, ceea ce îmbunătățește condițiile de răcire ale carcasei.
Toate aceste condiții sunt îndeplinite de fier și oțeluri carbon. Oxizii FeO și Fe304 se topesc la temperaturi de 1350 și 1400 C. Conductivitatea termică a fierului nu este mare în comparație cu alte materiale structurale.
Pentru metalele care funcționează la temperaturi scăzute, este de asemenea foarte important modul în care conductivitatea lor termică se modifică odată cu temperatura. Conductivitatea termică a oțelului crește odată cu scăderea temperaturii. Fierul pur este foarte sensibil la schimbarea temperaturii. În funcție de cantitatea de impurități, conductivitatea termică a fierului se poate schimba dramatic. Fierul pur (99 7%), care conține 0 01% C și 0 21% O2, are o conductivitate termică de 0 35 cal cm-1 s - 19C - la - 173 C și 0 85 cal cm - x Xs - 10C - la -243 C.
Lipirea cu fier de lipit, arzatoare cu gaz, imersarea in lipit topit si in cuptoare este cea mai folosita lipire. Limitările în utilizarea sa sunt cauzate doar de faptul că numai piesele cu pereți subțiri pot fi lipite cu un fier de lipit la o temperatură de 350 C. Piese masive, datorită conductivității lor termice ridicate, care este de 6 ori conductivitatea termică a fierului, sunt lipite cu arzatoare pe gaz. Pentru schimbătoarele de căldură tubulare din cupru se utilizează lipirea prin imersare în săruri topite și lipituri. La lipirea prin scufundare în topituri de sare, de regulă, se folosesc cuptoare cu baie de sare. Sărurile sunt de obicei o sursă de căldură și au un efect de flux, astfel încât fluxul suplimentar nu este necesar la lipire. În lipirea în baie, piesele pre-fluxate sunt încălzite într-o topitură de lipit care umple golurile îmbinării la temperatura de lipit. Oglinda de lipit este protejată cu cărbune activ sau gaz inert. Dezavantajul lipirii în băile de sare este imposibilitatea în unele cazuri de îndepărtare a sării sau a reziduurilor de flux.
Conductivitatea termică ridicată a cuprului și celelalte caracteristici utile ale acestuia au fost unul dintre motivele dezvoltării timpurii a acestui metal de către om. Și până astăzi își găsesc aplicație în aproape toate domeniile vieții noastre.
Un pic despre conductivitate termică
În fizică, conductivitatea termică este înțeleasă ca mișcarea energiei într-un obiect de la particule mai încălzite la cele mai puțin încălzite. Datorită acestui proces, temperatura obiectului în cauză în ansamblu este nivelată. Valoarea capacității de a conduce căldura este caracterizată de coeficientul de conductivitate termică. Acest parametru este egal cu cantitatea de căldură care trece printr-un material de 1 metru grosime printr-o suprafață de 1 m2 timp de o secundă la o diferență de temperatură unitară.
Cuprul are o conductivitate termică de 394 W / (m * K) la o temperatură de 20 până la 100 ° C. Doar argintul poate concura cu el. Și pentru oțel și fier, această cifră este de 9, respectiv de 6 ori mai mică (a se vedea tabelul). Trebuie remarcat faptul că conductivitatea termică a produselor din cupru depinde în mare măsură de impurități (cu toate acestea, acest lucru se aplică și altor metale). De exemplu, viteza de conducere a căldurii scade dacă substanțe precum:
- fier;
- arsenic;
- oxigen;
- seleniu;
- aluminiu;
- antimoniu;
- fosfor;
- sulf.
Dacă adăugați zinc la cupru, obțineți alama, care are o conductivitate termică mult mai mică. În același timp, adăugarea altor substanțe la cupru poate reduce semnificativ costul produselor finite și le poate conferi astfel de caracteristici precum rezistența și rezistența la uzură. De exemplu, alama se caracterizează prin proprietăți tehnologice, mecanice și anti-fricțiune superioare.
Deoarece conductivitatea termică ridicată este caracterizată de distribuția rapidă a energiei de încălzire în întregul obiect, cuprul a fost utilizat pe scară largă în sistemele de transfer de căldură. În acest moment, din el sunt fabricate calorifere și țevi pentru frigidere, instalații de vid și mașini pentru a elimina rapid căldura. De asemenea, elementele din cupru sunt folosite in instalatiile de incalzire, dar deja pentru incalzire.
Pentru a menține conductivitatea termică a metalului la un nivel ridicat (și, prin urmare, pentru a face funcționarea dispozitivelor din cupru cât mai eficientă), în toate sistemele de schimb de căldură se utilizează fluxul de aer forțat de către ventilatoare. Această decizie se datorează faptului că, odată cu creșterea temperaturii mediului, conductivitatea termică a oricărui material scade semnificativ, deoarece transferul de căldură încetinește.
Aluminiu și cupru - care este mai bine?
Aluminiul are un dezavantaj în comparație cu cuprul: conductivitatea sa termică este de 1,5 ori mai mică, și anume 201–235 W / (m * K). Cu toate acestea, în comparație cu alte metale, aceste valori sunt destul de mari. Aluminiul, ca și cuprul, are proprietăți anticorozive ridicate. În plus, are avantaje precum:
- densitate scăzută (gravitatea specifică este de 3 ori mai mică decât cea a cuprului);
- cost redus (de 3,5 ori mai puțin decât cuprul).
Datorită calculelor simple, se dovedește că o piesă din aluminiu poate fi de aproape 10 ori mai ieftină decât o piesă din cupru, deoarece cântărește mult mai puțin și este realizată dintr-un material mai ieftin. Acest fapt, împreună cu o conductivitate termică ridicată, permite utilizarea aluminiului ca material pentru vase și folie alimentară pentru cuptoare. Principalul dezavantaj al aluminiului este că este mai moale, deci poate fi folosit doar în aliaje (de exemplu, duraluminiu).
Pentru un transfer eficient de căldură, rata transferului de căldură către mediu joacă un rol important, iar acest lucru este promovat activ prin suflarea caloriferelor. Ca rezultat, conductivitatea termică mai scăzută a aluminiului (față de cuprul) este nivelată, iar greutatea și costul echipamentului sunt reduse. Aceste avantaje importante permit aluminiului să înlocuiască treptat cuprul utilizat în sistemele de aer condiționat.
În unele industrii, cum ar fi radioul și electronica, cuprul este indispensabil. Faptul este că acest metal este în mod inerent foarte plastic: poate fi tras într-un fir extrem de subțire (0,005 mm), precum și să creeze alte elemente conductoare specifice pentru dispozitivele electronice. Iar conductivitatea termică ridicată permite cuprului să elimine foarte eficient căldura care apare inevitabil în timpul funcționării aparatelor electrice, ceea ce este foarte important pentru tehnologia modernă de înaltă precizie, dar în același timp compactă.
Utilizarea cuprului este relevantă în cazurile în care este necesară realizarea unei suprafețe de o anumită formă pe o piesă de oțel. În acest caz, se folosește un șablon de cupru, care nu este conectat la elementul de sudat. Utilizarea aluminiului în aceste scopuri este imposibilă, deoarece va fi topit sau ars. De asemenea, merită menționat faptul că cuprul este capabil să acționeze ca un catod în sudarea cu arc de carbon.
1 - roată dințată, 2 - șabloane de fixare, 3 - dinte roată dințată depus, 4 - șabloane de cupru
Dezavantajele conductivității termice ridicate a cuprului și a aliajelor sale
Cuprul este mult mai scump decât alama sau aluminiul. În același timp, acest metal are dezavantajele sale, direct legate de avantajele sale. Conductivitatea termică ridicată duce la necesitatea creării de condiții speciale în timpul tăierii, sudării și lipirii elementelor de cupru. Deoarece elementele de cupru trebuie încălzite mult mai concentrat în comparație cu oțelul. Preîncălzirea și încălzirea ulterioară a piesei sunt de asemenea necesare.
Nu uitați că țevile de cupru necesită o izolare atentă dacă constau dintr-un cablaj principal sau al sistemului de încălzire. Ceea ce duce la o creștere a costului de instalare a rețelei în comparație cu opțiunile atunci când sunt utilizate alte materiale.
Dificultăți apar și cu cuprul: acest proces va necesita arzătoare mai puternice. Când sudați metal cu o grosime de 8-10 mm, vor fi necesare două sau trei pistoleți. În timp ce o pistoletă este folosită pentru sudare, cealaltă încălzește piesa. În general, lucrările de sudare cu cupru necesită costuri crescute pentru consumabile.
De asemenea, trebuie spus despre necesitatea folosirii unor instrumente speciale. Așadar, pentru tăierea până la 15 cm grosime, veți avea nevoie de o freză care poate lucra cu oțel cu crom înalt de 30 cm grosime Mai mult, aceeași unealtă este suficientă pentru a lucra cu o grosime de doar 5 cm.
Tabelul arată densitatea fierului d, precum și valorile capacității sale termice specifice Cp, difuzivitate termică A, coeficient de conductivitate termică λ , rezistență electrică ρ , funcții Lorentz LL 0 la diferite temperaturi - în intervalul de la 100 la 2000 K.
Proprietățile fierului depind în mod semnificativ de temperatură: atunci când acest metal este încălzit, densitatea lui, conductivitatea termică și difuzivitatea termică scad, iar valoarea capacității termice specifice a fierului crește.
Densitatea fierului este de 7870 kg/m 3 la temperatura camerei. Când fierul este încălzit, densitatea acestuia scade. Deoarece fierul este elementul principal în compoziția oțelului, densitatea fierului determină și valoarea. Dependența densității fierului de temperatură este slabă - atunci când este încălzit, densitatea metalului scade și ia o valoare minimă de 7040 kg / m 3 la un punct de topire de 1810 K sau 1537 ° C.
Capacitatea termică specifică a fierului, conform tabelului, este de 450 J / (kg grade) la o temperatură de 27°C. În funcție de structură, capacitatea termică specifică a fierului solid se modifică diferit odată cu creșterea temperaturii. Valorile din tabel arată un maxim caracteristic al capacității termice a fierului în apropiere de T c și salturi în timpul tranzițiilor structurale și în timpul topirii.
În starea topită, proprietățile fierului suferă modificări. Deci, densitatea fierului lichid scade și devine egală cu 7040 kg / m 3. Capacitatea termică specifică a fierului în stare topită este de 835 J/(kg grade), în timp ce conductivitatea termică a fierului scade la 39 W/(m grade). În acest caz, rezistența electrică specifică a acestui metal crește și la 2000 K ia valoarea de 138·10 -8 Ohm·m.
Conductivitatea termică a fierului la temperatura camerei este de 80 W / (m deg). Odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea termică a fierului scade - are un coeficient de temperatură negativ în intervalul de temperatură 100-1042 K și apoi începe să crească ușor. Valoarea minimă a conductivității termice a fierului este de 25,4 W/(m grade) lângă punctul Curie. În timpul tranziției β-γ se observă o ușoară modificare a conductivității termice, care are loc și în timpul tranziției γ-δ.
Conductivitatea termică a fierului scade brusc pe măsură ce crește cantitatea de impurități., mai ales și . Fierul electrolitic foarte pur are cea mai mare conductivitate termică - conductivitatea sa termică la 27 ° C este de 95 W / (m deg).
Dependența conductibilității termice a fierului de temperatură este determinată și de gradul de puritate al acestui metal. Cu cât fierul de călcat este mai pur, cu atât conductivitatea termică este mai mare și cu atât scade mai mult în valoare absolută odată cu creșterea temperaturii.
