vrele- je to jedna z foriem energie, ktorá je obsiahnutá v pohybe atómov v hmote. Energiu tohto pohybu meriame teplomerom, aj keď nie priamo.
Rovnako ako všetky ostatné formy energie, aj teplo sa môže prenášať z tela do tela. Stáva sa to vždy, keď existujú telesá rôznych teplôt. Zároveň nemusia byť ani v kontakte, keďže existuje viacero spôsobov prenosu tepla. menovite:
Tepelná vodivosť. Ide o prenos tepla priamym kontaktom dvoch telies. (Teleso môže byť jedno, ak jeho časti majú rôznu teplotu.) Navyše, čím väčší je teplotný rozdiel medzi telesami a čím väčšia je plocha ich kontaktu, tým viac tepla sa prenesie každú sekundu. Množstvo odovzdaného tepla navyše závisí od materiálu – napríklad väčšina kovov vedie teplo dobre, drevo a plast sú na tom oveľa horšie. Hodnota charakterizujúca túto schopnosť prenášať teplo sa nazýva aj tepelná vodivosť (správnejšie súčiniteľ tepelnej vodivosti), čo môže viesť k určitému zmätku.
Ak je potrebné zmerať tepelnú vodivosť akéhokoľvek materiálu, potom sa to zvyčajne vykonáva v nasledujúcom experimente: z materiálu, ktorý je predmetom záujmu, sa vyrobí tyč a jeden koniec sa udržiava na jednej teplote a druhý na inej, napr. napríklad nižšia teplota. Studený koniec nech je napríklad vložený do vody s ľadom - tak sa bude udržiavať konštantná teplota a meraním rýchlosti topenia ľadu možno posúdiť množstvo prijatého tepla. Vydelením množstva tepla (alebo skôr výkonu) teplotným rozdielom a prierezom tyče a vynásobením jej dĺžkou získame koeficient tepelnej vodivosti, ktorý sa meria, ako je uvedené vyššie, v J * m / K * m2 * s, to znamená vo W / K * m. Nižšie vidíte tabuľku tepelnej vodivosti niektorých materiálov.
| Materiál | Tepelná vodivosť, W/(m K) |
| diamant | 1001—2600 |
| Strieborná | 430 |
| Meď | 401 |
| oxid berýlium | 370 |
| Zlato | 320 |
| hliník | 202—236 |
| kremík | 150 |
| Mosadz | 97—111 |
| Chromium | 107 |
| železo | 92 |
| Platina | 70 |
| Cín | 67 |
| oxid zinočnatý | 54 |
| Oceľ | 47 |
| Oxid hlinitý | 40 |
| Kremeň | 8 |
| Žula | 2,4 |
| pevný betón | 1,75 |
| Čadič | 1,3 |
| sklo | 1-1,15 |
| Tepelné mazivo KPT-8 | 0,7 |
| Voda za normálnych podmienok | 0,6 |
| Stavebná tehla | 0,2—0,7 |
| Drevo | 0,15 |
| Ropné oleje | 0,12 |
| čerstvý sneh | 0,10—0,15 |
| sklenená vata | 0,032-0,041 |
| kamenná vlna | 0,034-0,039 |
| Vzduch (300 K, 100 kPa) | 0,022 |
Ako je možné vidieť, tepelná vodivosť sa líši o mnoho rádov. Diamant a niektoré oxidy kovov vedú teplo prekvapivo dobre (v porovnaní s inými dielektrikami), vzduch, sneh a teplovodivá pasta KPT-8 nevedú dobre.
Ale zvykli sme si myslieť, že vzduch vedie teplo dobre a vata nie, hoci to môže byť z 99% vzduch. Vec je konvekcia. Horúci vzduch je ľahší ako studený a „pláva“ nahor, čím vzniká neustála cirkulácia vzduchu okolo horúceho alebo veľmi studeného tela. Konvekcia zlepšuje prenos tepla rádovo: v jej neprítomnosti by bolo veľmi ťažké uvariť hrniec s vodou bez neustáleho miešania. A v rozsahu od 0°C do 4°C voda pri zohriatí zmršťuje, čo vedie ku konvekcii v opačnom smere ako je obvyklé. To vedie k tomu, že bez ohľadu na teplotu vzduchu je na dne hlbokých jazier vždy nastavená teplota 4°C.
Na zníženie prenosu tepla sa z priestoru medzi stenami termosky odčerpáva vzduch. Treba však poznamenať, že tepelná vodivosť vzduchu závisí len málo od tlaku až do 0,01 mm Hg, teda hraníc hlbokého vákua. Tento jav vysvetľuje teória plynov.
Ďalším spôsobom prenosu tepla je sálanie. Všetky telesá vyžarujú energiu vo forme elektromagnetických vĺn, ale len dostatočne zahriate (~600°C) vyžarujú vo viditeľnej oblasti. Výkon žiarenia aj pri izbovej teplote je dosť veľký - asi 40 mW s 1 cm 2 . V prepočte na plochu ľudského tela (~ 1m 2) to bude 400W. Zachraňuje nás len to, že v prostredí, na ktoré sme zvyknutí, vyžarujú približne rovnakou silou aj všetky telesá okolo nás. Výkon žiarenia, mimochodom, silne závisí od teploty (ako T 4), podľa zákona Štefan-Boltzmann. Výpočty ukazujú, že napríklad pri 0°С je sila tepelného žiarenia približne jedenapolkrát slabšia ako pri 27°С.
Na rozdiel od vedenia tepla sa žiarenie môže šíriť v úplnom vákuu – práve vďaka nemu prijímajú živé organizmy na Zemi energiu Slnka. Ak je prenos tepla sálaním nežiaduci, potom sa minimalizuje umiestnením nepriehľadných priečok medzi studené a horúce predmety, alebo sa zníži absorpcia žiarenia (a emisie, mimochodom, v rovnakej miere), pokrytím povrchu tenkým zrkadlom vrstva kovu, napríklad striebra.
- Údaje o tepelnej vodivosti sú prevzaté z Wikipédie a dostali sa tam z referenčných kníh, ako napríklad:
- "Fyzikálne množstvá" vyd. I. S. Grigorieva
- Príručka chémie a fyziky CRC
- Presnejší popis tepelnej vodivosti možno nájsť napríklad v učebnici fyziky v knihe „Všeobecná fyzika“ od D. V. Sivukhina (zväzok 2). Zväzok 4 obsahuje kapitolu o tepelnom žiarení (vrátane Stefanovho-Boltzmannovho zákona)
V mnohých odvetviach moderného priemyslu sa materiál ako meď veľmi používa. Elektrická vodivosť tohto kovu je veľmi vysoká. To vysvetľuje účelnosť jeho aplikácie predovšetkým v elektrotechnike. Meď robí vodiče s vynikajúcimi výkonnostnými charakteristikami. Samozrejme, tento kov sa používa nielen v elektrotechnike, ale aj v iných odvetviach. Jeho dopyt je okrem iného vysvetlený jeho vlastnosťami, ako je odolnosť proti koróznemu poškodeniu v mnohých agresívnych prostrediach, žiaruvzdornosť, ťažnosť atď.
Odkaz na históriu
Meď je kov známy človeku už od staroveku. Skoré zoznámenie ľudí s týmto materiálom sa vysvetľuje predovšetkým jeho širokým rozšírením v prírode vo forme nugetov. Mnohí vedci sa domnievajú, že to bola meď, ktorá bola prvým kovom, ktorý človek získal z kyslíkových zlúčenín. Kedysi sa skaly jednoducho nahrievali na ohni a prudko ochladzovali, v dôsledku čoho praskali. Neskôr sa získavanie medi začalo realizovať na ohniskách s pridávaním uhlia a fúkaním mechmi. Zlepšenie tejto metódy nakoniec viedlo k vzniku.Ešte neskôr sa tento kov začal získavať oxidačným tavením rúd.
Meď: elektrická vodivosť materiálu
V pokoji všetky voľné elektróny akéhokoľvek kovu krúžia okolo jadra. Keď sa pripojí vonkajší zdroj vplyvu, zoradia sa v určitom poradí a stanú sa nositeľmi prúdu. Stupeň schopnosti kovu prejsť cez seba sa nazýva elektrická vodivosť. Jednotkou jeho merania v medzinárodnom SI je siemens, definovaná ako 1 cm = 1 ohm -1.
Elektrická vodivosť medi je veľmi vysoká. Podľa tohto ukazovateľa prekonáva všetky dnes známe základné kovy. Len striebro prechádza prúdom lepšie ako ono. Index elektrickej vodivosti medi je 57x104 cm -1 pri teplote +20 °C. Vďaka tejto vlastnosti je tento kov v súčasnosti najbežnejším vodičom zo všetkých používaných na priemyselné a domáce účely.
Meď dokonale odoláva trvalo a tiež sa vyznačuje spoľahlivosťou a odolnosťou. Okrem iného sa tento kov vyznačuje aj vysokou teplotou topenia (1083,4 °C). A to zase umožňuje, aby meď pracovala dlhú dobu v zahriatom stave. Z hľadiska prevalencie ako prúdového vodiča môže tomuto kovu konkurovať iba hliník.
Vplyv nečistôt na elektrickú vodivosť medi
Samozrejme, v našej dobe sa na tavenie tohto červeného kovu používajú oveľa pokročilejšie techniky ako v staroveku. Avšak aj dnes je prakticky nemožné získať úplne čistú Cu. V medi sú vždy rôzne druhy nečistôt. Môže to byť napríklad kremík, železo alebo berýlium. Medzitým, čím viac nečistôt je v medi, tým nižšia je jej elektrická vodivosť. Napríklad na výrobu drôtov je vhodný iba dostatočne čistý kov. Podľa predpisov možno na tento účel použiť meď s množstvom nečistôt nepresahujúcim 0,1 %.
Veľmi často tento kov obsahuje určité percento síry, arzénu a antimónu. Prvá látka výrazne znižuje plasticitu materiálu. Elektrická vodivosť medi a síry je veľmi odlišná. Táto nečistota vôbec nevedie prúd. To znamená, že je to dobrý izolant. Síra však nemá takmer žiadny vplyv na elektrickú vodivosť medi. To isté platí pre tepelnú vodivosť. Pri antimóne a arzéne sa pozoruje opačný obraz. Tieto prvky môžu výrazne znížiť elektrickú vodivosť medi.
Zliatiny
Rôzne prísady môžu byť tiež použité špeciálne na zvýšenie pevnosti takého plastového materiálu, ako je meď. Znižujú tiež jeho elektrickú vodivosť. Ale na druhej strane ich použitie môže výrazne predĺžiť životnosť rôznych druhov výrobkov.
Najčastejšie sa Cd (0,9%) používa ako prísada, ktorá zvyšuje pevnosť medi. Výsledkom je kadmiový bronz. Jeho vodivosť je 90% vodivosti medi. Niekedy sa hliník používa aj ako prísada namiesto kadmia. Vodivosť tohto kovu je 65% vodivosti medi. Na zvýšenie pevnosti drôtov vo forme prísady možno použiť iné materiály a látky - cín, fosfor, chróm, berýlium. Výsledkom je bronz určitého stupňa. Kombinácia medi a zinku sa nazýva mosadz.
Vlastnosti zliatiny
Môže to závisieť nielen od množstva nečistôt prítomných v nich, ale aj od iných ukazovateľov. Napríklad, keď teplota ohrevu stúpa, schopnosť medi prechádzať prúdom klesá. Dokonca aj spôsob jeho výroby ovplyvňuje elektrickú vodivosť takéhoto drôtu. V každodennom živote a vo výrobe sa dajú použiť medené vodiče na mäkko žíhané aj natvrdo ťahané. V prvej odrode je schopnosť prechádzať prúdom vyššia.
Najviac však, samozrejme, na elektrickú vodivosť medi vplývajú použité prísady a ich množstvo. Nižšie uvedená tabuľka poskytuje čitateľovi komplexné informácie týkajúce sa prúdovej únosnosti najbežnejších zliatin tohto kovu.
Zliatina | Stav (O - žíhané, ťahané T-tvrdo) | Vodivosť (%) |
čistá meď | ||
Cínový bronz (0,75 %) | ||
Kadmium bronz (0,9%) | ||
Hliníkový bronz (2,5 % A1, 2 % Sn) | ||
Fosforový bronz (7 % Sn, 0,1 % P) | ||
Elektrická vodivosť mosadze a medi je porovnateľná. V prípade prvého kovu je však toto číslo, samozrejme, o niečo nižšie. Zároveň je však vyššia ako pri bronzoch. Mosadz je široko používaná ako vodič. Prenáša prúd horšie ako meď, no zároveň stojí menej. Najčastejšie sú kontakty, svorky a rôzne časti rádiových zariadení vyrobené z mosadze.
Vysoko odolné zliatiny medi
Takéto materiály vodičov sa používajú hlavne pri výrobe odporov, reostatov, meracích prístrojov a elektrických vykurovacích zariadení. Najčastejšie používané zliatiny medi na tento účel sú konštantán a manganín. Rezistivita prvého (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) je 0,42-0,48 µOhm/m a druhého (60 % Cu, 40 % Ni) je 0,48-0,52 µOhm/m.
Vzťah so súčiniteľom tepelnej vodivosti
Meď - 59 500 000 S/m. Tento indikátor, ako už bolo uvedené, je správny, ale iba pri teplote +20 o C. Existuje určitý vzťah medzi tepelnou vodivosťou akéhokoľvek kovu a špecifickou vodivosťou. Ustanovuje svoj Wiedemann-Franzov zákon. Vykonáva sa pre kovy pri vysokých teplotách a vyjadruje sa v nasledujúcom vzorci: K / γ \u003d π 2 / 3 (k / e) 2 T, kde y je špecifická vodivosť, k je Boltzmannova konštanta, e je elementárna poplatok.
Samozrejme, podobné spojenie existuje aj s kovom, akým je meď. Jeho tepelná vodivosť a elektrická vodivosť sú veľmi vysoké. V oboch týchto ukazovateľoch je po striebre na druhom mieste.
Spojenie medených a hliníkových drôtov
V poslednom čase sa v každodennom živote a priemysle začali používať elektrické zariadenia stále vyššieho výkonu. V sovietskych časoch sa elektroinštalácia vyrábala hlavne z lacného hliníka. Bohužiaľ, jeho prevádzkové vlastnosti už nezodpovedajú novým požiadavkám. Preto sa dnes v každodennom živote av priemysle veľmi často menia na meď. Hlavnou výhodou týchto, okrem ich žiaruvzdornosti, je, že ich vodivé vlastnosti sa počas oxidačného procesu neznižujú.
Pri modernizácii elektrických sietí sa často musia spájať hliníkové a medené drôty. Nemôžete to urobiť priamo. V skutočnosti sa elektrická vodivosť hliníka a medi príliš nelíši. Ale len pre tieto kovy samotné. Oxidačné filmy z hliníka a medi majú rôzne vlastnosti. Z tohto dôvodu je vodivosť na križovatke výrazne znížená. Oxidačný film hliníka je oveľa odolnejší ako ten z medi. Preto by sa pripojenie týchto dvoch typov vodičov malo vykonávať výlučne prostredníctvom špeciálnych adaptérov. Môžu to byť napríklad svorky obsahujúce pastu, ktorá chráni kovy pred vznikom oxidu. Táto verzia adaptérov sa zvyčajne používa vonku. Svorky na vetvy sa častejšie používajú v interiéri. Ich dizajn obsahuje špeciálnu dosku, ktorá vylučuje priamy kontakt medzi hliníkom a meďou. Pri absencii takýchto vodičov v domácich podmienkach sa namiesto priameho skrúcania drôtov odporúča použiť ako medziľahlý "most" podložku a maticu.
Fyzikálne vlastnosti
Zistili sme teda, aká je elektrická vodivosť medi. Tento indikátor sa môže líšiť v závislosti od nečistôt, ktoré tvoria tento kov. Dopyt po medi v priemysle však určujú aj jej ďalšie užitočné fyzikálne vlastnosti, ktoré možno získať z nižšie uvedenej tabuľky.
Parameter | Význam |
Kubický centrovaný na tvár, a=3,6074 Á |
|
Atómový polomer | |
Špecifické teplo | 385,48 j/(kg K) pri +20 o C |
Tepelná vodivosť | 394,279 W/(mK) pri +20 °C |
Elektrický odpor | 1,68 10-8 Ohm m |
Lineárny koeficient rozťažnosti | |
Tvrdosť | |
Pevnosť v ťahu |
Chemické vlastnosti
Podľa týchto charakteristík, meď, ktorej elektrická a tepelná vodivosť je veľmi vysoká, zaujíma strednú polohu medzi prvkami prvej triády ôsmej skupiny a alkalickými prvkami prvej skupiny periodickej tabuľky. Medzi jeho hlavné chemické vlastnosti patria:
sklon ku komplexnej formácii;
schopnosť dávať farebné zlúčeniny a nerozpustné sulfidy.
Najcharakteristickejší pre meď je dvojmocný stav. Nemá prakticky žiadnu podobnosť s alkalickými kovmi. Jeho chemická aktivita je tiež nízka. V prítomnosti CO 2 alebo vlhkosti sa na povrchu medi vytvorí zelený uhličitanový film. Všetky soli medi sú jedovaté. V mono- a divalentnom stave tvorí tento kov veľmi stabilné kovy amoniaku majú najväčší význam pre priemysel.
Rozsah použitia
Vysoká tepelná a elektrická vodivosť medi predurčuje jej široké uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach. Samozrejme, najčastejšie sa tento kov používa v elektrotechnike. Toto však zďaleka nie je jediná oblasť jeho použitia. Okrem iného možno meď použiť:
v šperkoch;
v architektúre;
pri montáži vodovodných a vykurovacích systémov;
v plynovodoch.
Na výrobu rôznych druhov šperkov sa používa hlavne zliatina medi a zlata. To umožňuje zvýšiť odolnosť šperkov voči deformácii a oderu. V architektúre možno meď použiť na obklady striech a fasád. Hlavnou výhodou tejto povrchovej úpravy je trvanlivosť. Napríklad strecha známej architektonickej pamiatky, katolíckej katedrály v nemeckom meste Hildesheim, je pokrytá plechmi z tohto konkrétneho kovu. Medená strecha tejto budovy už takmer 700 rokov spoľahlivo chráni jej vnútorný priestor.
Inžinierske komunikácie
Hlavnými výhodami medeného vodovodného potrubia sú tiež odolnosť a spoľahlivosť. Okrem toho je tento kov schopný poskytnúť vode špeciálne jedinečné vlastnosti, vďaka čomu je pre telo užitočný. Pre montáž plynovodov a vykurovacích systémov sú ideálne aj medené rúry - hlavne kvôli ich odolnosti voči korózii a ťažnosti. V prípade núdzového zvýšenia tlaku sú takéto vedenia schopné vydržať oveľa väčšie zaťaženie ako oceľové. Jedinou nevýhodou medených potrubí je ich vysoká cena.
Strana 3
Tepelná vodivosť smaltovaného povlaku, dokonca aj pri obyčajnom smalte, je pomerne nízka, - 0 8 - 1 0 wattov na meter stupňa. Pre porovnanie: tepelná vodivosť železa je 65; oceľ - 70 - 80; meď - 330 wattov na meter stupňa. V prítomnosti plynových bublín v sklovine, čo vedie k zníženiu jej zdanlivej hustoty, klesá tepelná vodivosť. Napríklad pri zdanlivej hustote smaltu 2,48 gramu na centimeter kubický je tepelná vodivosť 1,18 wattu na meter stupňa, potom pri zdanlivej hustote 2,20 gramu na centimeter kubický je tepelná vodivosť už 0,46 wattu na meter stupňa.
Kryštálová mriežka hliníka pozostáva, podobne ako u mnohých iných kovov, z plošne centrovaných kociek (pozri str. Tepelná vodivosť hliníka je dvakrát väčšia ako tepelná vodivosť železa a rovná sa polovici tepelnej vodivosti medi. Jeho elektrická vodivosť je oveľa vyššia ako elektrická vodivosť železa a dosahuje 60 % elektrickej vodivosti medi.
| Zloženie a mechanické vlastnosti niektorých chrómových liatin. |
Zliatina je veľmi náchylná na zmršťovacie dutiny. Tepelná vodivosť zliatiny je asi polovica tepelnej vodivosti železa, čo by sa malo brať do úvahy pri výrobe tepelných zariadení z chrómovej liatiny.
Pri oblúkovom zváraní medi je potrebné vziať do úvahy, že tepelná vodivosť medi je približne šesťkrát väčšia ako tepelná vodivosť železa. Pevnosť medi je tak znížená, že sa tvoria trhliny aj pri ľahkých nárazoch. Meď sa topí pri teplote 1083 C.
Modul pružnosti titánu je takmer polovičný v porovnaní so železom, je na rovnakej úrovni ako modul medených zliatin a je oveľa vyšší ako modul pružnosti hliníka. Tepelná vodivosť titánu je nízka: je to asi 7 % tepelnej vodivosti hliníka a 165 % tepelnej vodivosti železa. Toto je potrebné vziať do úvahy pri zahrievaní kovu na tvárnenie a zváranie. Elektrický odpor titánu je asi 6-krát väčší ako u železa a 20-krát väčší ako u hliníka.
Modul pružnosti titánu je takmer polovičný v porovnaní so železom, je na rovnakej úrovni ako modul medených zliatin a je oveľa vyšší ako modul pružnosti hliníka. Tepelná vodivosť titánu je nízka: je to asi 7% tepelnej vodivosti hliníka a 16-5% tepelnej vodivosti železa.
Tento materiál má vyhovujúcu mechanickú pevnosť a výnimočne vysokú chemickú odolnosť voči takmer všetkým, aj tým najagresívnejším chemickým činidlám, s výnimkou silných oxidačných činidiel. Okrem toho sa od všetkých ostatných nekovových materiálov líši vysokou tepelnou vodivosťou, viac ako dvojnásobnou tepelnou vodivosťou železa.
Všetky tieto požiadavky spĺňajú železo, uhlíkové a nízkolegované konštrukčné ocele s nízkym obsahom uhlíka: teplota topenia železa je 1535 C, teplota spaľovania je 1200 C, teplota topenia oxidu železa je 1370 C. Tepelný efekt oxidačných reakcií je pomerne vysoká: 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 a tepelná vodivosť železa je obmedzený.
Titán a jeho zliatiny sa vďaka svojim vysokým fyzikálnym a chemickým vlastnostiam stále viac využívajú ako konštrukčný materiál pre leteckú a raketovú techniku, chemické inžinierstvo, prístrojové vybavenie, stavbu lodí a strojárstvo, v potravinárskom a inom priemysle. Titán je takmer dvakrát ľahší ako oceľ, jeho hustota je 45 g/cm3, má vysoké mechanické vlastnosti, odolnosť proti korózii pri bežných aj vysokých teplotách a v mnohých aktívnych médiách je tepelná vodivosť titánu takmer štyrikrát menšia ako tepelná vodivosť. železa.
Jedným z takýchto riešení je, že rúrka navinutá na ochladzovanom povrchu sa na tento povrch iba privarí, potom sa spoj rúrky s plášťom potiahne epoxidovou živicou zmiešanou so železným práškom. Tepelná vodivosť zmesi je blízka tepelnej vodivosti železa. Výsledkom je dobrý tepelný kontakt medzi plášťom a rúrkou, čo zlepšuje chladiace podmienky plášťa.
Všetky tieto podmienky spĺňajú železo a uhlíkové ocele. Oxidy FeO a Fe304 sa topia pri teplotách 1350 a 1400 C. Tepelná vodivosť železa nie je v porovnaní s inými konštrukčnými materiálmi vysoká.
Pre kovy pracujúce pri nízkych teplotách je tiež veľmi dôležité, ako sa mení ich tepelná vodivosť s teplotou. Tepelná vodivosť ocele sa zvyšuje s klesajúcou teplotou. Čisté železo je veľmi citlivé na zmenu teploty. V závislosti od množstva nečistôt sa tepelná vodivosť železa môže dramaticky meniť. Čisté železo (99 7 %), obsahujúce 0 01 % C a 0 21 % O2, má tepelnú vodivosť 0 35 cal cm-1 s - 19C - pri - 173 C a 0,5 cal cm - x Xs - 10C - pri. -243 °C.
Spájkovanie pomocou spájkovačky, plynových horákov, ponorenie do roztavenej spájky a v peciach je najpoužívanejšie spájkovanie. Obmedzenia pri jeho použití sú spôsobené len tým, že spájkovačkou je možné spájkovať len tenkostenné diely pri teplote 350 C. Masívne diely pre svoju vysokú tepelnú vodivosť, ktorá je 6-násobkom tepelnej vodivosti železa, je možné spájať len s tenkými stenami. sú spájkované plynovými horákmi. Pre rúrkové medené výmenníky tepla sa používa spájkovanie ponorením do roztavených solí a spájok. Pri spájkovaní ponorením do tavenín soli sa spravidla používajú pece so soľným kúpeľom. Soli sú zvyčajne zdrojom tepla a majú taviaci účinok, takže pri spájkovaní nie je potrebné dodatočné tavenie. Pri ponornom spájkovaní sa predtavené diely zahrievajú v tavenine spájky, ktorá pri teplote spájkovania vyplní spojovacie medzery. Spájkovacie zrkadlo je chránené aktívnym uhlím alebo inertným plynom. Nevýhodou spájkovania v soľných kúpeľoch je v niektorých prípadoch nemožnosť odstránenia zvyškov soli alebo taviva.
Vysoká tepelná vodivosť medi a jej ďalšie užitočné vlastnosti boli jedným z dôvodov skorého vývoja tohto kovu človekom. A dodnes nachádzajú uplatnenie takmer vo všetkých oblastiach nášho života.
Trochu o tepelnej vodivosti
Vo fyzike sa tepelná vodivosť chápe ako pohyb energie v objekte od viac zahrievaných častíc k menej zahriatym. Vďaka tomuto procesu sa teplota predmetného objektu ako celku vyrovnáva. Hodnotu schopnosti viesť teplo charakterizuje súčiniteľ tepelnej vodivosti. Tento parameter sa rovná množstvu tepla, ktoré prejde materiálom s hrúbkou 1 meter cez povrchovú plochu 1 m2 za jednu sekundu pri jednotkovom teplotnom rozdiele.
Meď má tepelnú vodivosť 394 W / (m * K) pri teplote 20 až 100 ° C. Konkurovať mu môže len striebro. A pre oceľ a železo je toto číslo 9 a 6-krát nižšie (pozri tabuľku). Je potrebné poznamenať, že tepelná vodivosť výrobkov vyrobených z medi je do značnej miery závislá od nečistôt (to však platí aj pre iné kovy). Napríklad rýchlosť vedenia tepla klesá, ak látky ako:
- železo;
- arzén;
- kyslík;
- selén;
- hliník;
- antimón;
- fosfor;
- síra.
Ak do medi pridáte zinok, získate mosadz, ktorý má oveľa nižšiu tepelnú vodivosť. Súčasne pridanie ďalších látok do medi môže výrazne znížiť náklady na hotové výrobky a poskytnúť im také vlastnosti, ako je pevnosť a odolnosť proti opotrebovaniu. Napríklad mosadz sa vyznačuje vyššími technologickými, mechanickými a trecími vlastnosťami.
Keďže vysoká tepelná vodivosť sa vyznačuje rýchlym rozložením vykurovacej energie po celom objekte, meď sa široko používa v systémoch prenosu tepla. V súčasnosti sa z neho vyrábajú radiátory a potrubia do chladničiek, vysávačov a áut, ktoré rýchlo odvádzajú teplo. Tiež medené prvky sa používajú vo vykurovacích zariadeniach, ale už na vykurovanie.
Aby sa udržala tepelná vodivosť kovu na vysokej úrovni (a teda aby bola prevádzka medených zariadení čo najefektívnejšia), vo všetkých systémoch výmeny tepla sa používa nútené prúdenie vzduchu ventilátormi. Toto rozhodnutie je spôsobené tým, že so zvýšením teploty média výrazne klesá tepelná vodivosť akéhokoľvek materiálu, pretože prenos tepla sa spomaľuje.
Hliník a meď - čo je lepšie?
Hliník má v porovnaní s meďou jednu nevýhodu: jeho tepelná vodivosť je 1,5-krát menšia, konkrétne 201–235 W / (m * K). V porovnaní s inými kovmi sú však tieto hodnoty pomerne vysoké. Hliník, podobne ako meď, má vysoké antikorózne vlastnosti. Okrem toho má výhody ako:
- nízka hustota (špecifická hmotnosť je 3-krát menšia ako hustota medi);
- nízke náklady (3,5-krát menej ako meď).
Vďaka jednoduchým výpočtom sa ukazuje, že hliníkový diel môže byť takmer 10-krát lacnejší ako medený, pretože váži oveľa menej a je vyrobený z lacnejšieho materiálu. Táto skutočnosť spolu s vysokou tepelnou vodivosťou umožňuje použitie hliníka ako materiálu na riad a potravinovej fólie do rúry. Hlavnou nevýhodou hliníka je, že je mäkší, takže ho možno použiť len v zliatinách (napríklad dural).
Pre efektívny prenos tepla zohráva dôležitú úlohu rýchlosť prenosu tepla do okolia, a to aktívne podporuje fúkanie radiátorov. V dôsledku toho sa vyrovná nižšia tepelná vodivosť hliníka (v porovnaní s meďou) a zníži sa hmotnosť a náklady na zariadenie. Tieto dôležité výhody umožňujú hliníku postupne nahradiť meď z používania v klimatizačných systémoch.
V niektorých odvetviach, ako je rádio a elektronika, je meď nevyhnutná. Faktom je, že tento kov je vo svojej podstate veľmi plastický: môže byť vtiahnutý do extrémne tenkého drôtu (0,005 mm), ako aj vytvárať ďalšie špecifické vodivé prvky pre elektronické zariadenia. A vysoká tepelná vodivosť umožňuje medi veľmi efektívne odvádzať teplo, ktoré nevyhnutne vzniká pri prevádzke elektrických spotrebičov, čo je veľmi dôležité pre modernú vysoko presnú, no zároveň kompaktnú technológiu.
Použitie medi je relevantné v prípadoch, keď je potrebné urobiť povrchovú úpravu určitého tvaru na oceľovej časti. V tomto prípade sa používa medená šablóna, ktorá nie je spojená s prvkom, ktorý sa má zvárať. Použitie hliníka na tieto účely je nemožné, pretože sa roztaví alebo prepáli. Za zmienku tiež stojí, že meď je schopná pôsobiť ako katóda pri zváraní uhlíkovým oblúkom.
1 - ozubené koleso, 2 - upevňovacie šablóny, 3 - uložený zub ozubeného kolesa, 4 - medené šablóny
Nevýhody vysokej tepelnej vodivosti medi a jej zliatin
Meď je oveľa drahšia ako mosadz alebo hliník. Zároveň má tento kov svoje nevýhody, ktoré priamo súvisia s jeho výhodami. Vysoká tepelná vodivosť vedie k potrebe vytvorenia špeciálnych podmienok pri rezaní, zváraní a spájkovaní medených prvkov. Pretože medené prvky sa musia zahrievať oveľa koncentrovanejšie v porovnaní s oceľou. Často sa vyžaduje aj predhrievanie a dohrievanie dielu.
Nezabudnite, že medené rúry vyžadujú starostlivú izoláciu, ak pozostávajú z hlavného vedenia alebo vedenia vykurovacieho systému. Čo vedie k zvýšeniu nákladov na inštaláciu siete v porovnaní s možnosťami pri použití iných materiálov.
Ťažkosti vznikajú aj pri medi: tento proces si bude vyžadovať výkonnejšie horáky. Pri zváraní kovu s hrúbkou 8–10 mm budú potrebné dva alebo tri horáky. Zatiaľ čo jeden horák sa používa na zváranie, druhý ohrieva súčiastku. Vo všeobecnosti zváracie práce s meďou vyžadujú zvýšené náklady na spotrebný materiál.
Malo by sa tiež povedať o potrebe použitia špeciálnych nástrojov. Takže na rezanie do hrúbky 15 cm budete potrebovať frézu, ktorá dokáže pracovať s vysokochrómovou oceľou s hrúbkou 30 cm, navyše rovnaký nástroj stačí na prácu s hrúbkou len 5 cm.
V tabuľke je uvedená hustota železa d, ako aj hodnoty jeho mernej tepelnej kapacity Cp, tepelná difúznosť a, súčiniteľ tepelnej vodivosti λ , elektrický odpor ρ , Lorentzove funkcie L/L 0 pri rôznych teplotách - v rozsahu od 100 do 2000 K.
Vlastnosti železa výrazne závisia od teploty: pri zahrievaní tohto kovu klesá jeho hustota, tepelná vodivosť a tepelná difúznosť a zvyšuje sa hodnota mernej tepelnej kapacity železa.
Hustota železa je 7870 kg / m3 pri izbovej teplote. Keď sa železo zahrieva, jeho hustota klesá. Keďže železo je hlavným prvkom v zložení ocele, hustota železa tiež určuje hodnotu. Závislosť hustoty železa na teplote je slabá - pri zahrievaní sa hustota kovu znižuje a má minimálnu hodnotu 7040 kg / m3 pri teplote topenia 1810 K alebo 1537 ° C.
Špecifická tepelná kapacita železa podľa tabuľky je 450 J / (kg deg) pri teplote 27°C. V závislosti od štruktúry sa merná tepelná kapacita pevného železa mení so zvyšujúcou sa teplotou rôzne. Hodnoty v tabuľke ukazujú charakteristické maximum tepelnej kapacity železa v blízkosti T c a skoky pri štrukturálnych prechodoch a pri tavení.
V roztavenom stave sa vlastnosti železa menia. Hustota tekutého železa teda klesá a rovná sa 7040 kg / m3. Merná tepelná kapacita železa v roztavenom stave je 835 J/(kg deg), pričom tepelná vodivosť železa klesá na 39 W/(m deg). V tomto prípade sa špecifický elektrický odpor tohto kovu zvyšuje a pri 2000 K nadobúda hodnotu 138·10 -8 Ohm·m.
Tepelná vodivosť železa pri izbovej teplote je 80 W / (m deg). So zvyšujúcou sa teplotou tepelná vodivosť železa klesá - má negatívny teplotný koeficient v teplotnom rozmedzí 100-1042 K a potom začína mierne rásť. Minimálna hodnota tepelnej vodivosti železa je 25,4 W/(m deg) v blízkosti Curieho bodu. Pri prechode β-γ sa pozoruje mierna zmena tepelnej vodivosti, ktorá prebieha aj pri prechode γ-δ.
Tepelná vodivosť železa prudko klesá so zvyšujúcim sa množstvom nečistôt., najmä a . Veľmi čisté elektrolytické železo má najvyššiu tepelnú vodivosť – jeho tepelná vodivosť pri 27°C je 95 W/(m deg).
Závislosť tepelnej vodivosti železa od teploty je určená aj stupňom čistoty tohto kovu. Čím je železo čistejšie, tým je jeho tepelná vodivosť vyššia a v absolútnej hodnote s rastúcou teplotou viac klesá.
