Теплопроводность многих металлов следует соотношению k = 2,5·10 -8 σT , где Т обозначает температуру в °К, а σ — электропроводность в единицах (ом·см) -1 . Это соотношение, которое лучше всего оправдывается для хороших проводников электричества и при высоких температурах, можно применять и для определения коэффициентов теплопроводности.
Соотношение kpcp=const , где р обозначает плотность, а с р — удельную теплоемкость при постоянном давлении, было предложено Стормом для того, чтобы объяснить температурные изменения этих величин для некоторых металлов и сплавов.
Таблица коэффициент теплопроводности металлов
Элементы с металлической электропроводностью (числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе)
Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
Источник: infotables.ru
Производство Золота на примере ОАО Южуралзолото . Золото
Теплопроводность металлов: что это такое и в каких сферах используется данное свойство?
Теплопроводность металлов – критерий, определяющий их свойства. Все предметы передают температуру объектов, которые к ним прикасаются, но способность теплоотдачи зависит от материала.
Что такое теплопроводность металлов
Способность металлов переносить теплоэнергию от горячих участков к холодным. Переносатомов осуществляется при хаотичном движении частиц. На обмен тепла влияет агрегатное состояние материала, через который проходит передача.
Способность передавать и сохранять энергию дает возможность применять свойства материалов, чтобы достичь технических целей в работе узлов, оборудования. Зная теплопроводность материала, можно использовать его в разных промышленных сферах.
Отличие теплопроводности от теплоемкости
Металлы – это химические элементы со структурой кристаллов, которые обладают такими свойствами: блеск, ковкость, электрическая и теплопроводность. При высокой температуре материал нагревается и становится текучим.
Одним элементам достаточно минимального нагрева, чтобы расплавиться. Свинец и олово расплавятся, если их просто подержать над свечкой. Но для плавки большинства материалов используют печи. Соединения можно сделать более плавкими, если добавить в состав дополнительные компоненты. Например, соединения из бронзы, латуни, стали, чугуна имеют меньшую температуру плавления в сравнении с основным элементом.
Температуру плавления обуславливают два показателя:
АО, № 128: ЗОЛОТО. Так никому и не нужно. Уникальные индикаторы эмоций
- теплоемкость – численное выражение для определения способности химических элементов к поглощению теплоты. Для элементов этот показатель равен 300-400 Дж/(кг х К), а для сплавов – 100-2000 Дж/(кг х К);
- теплопроводность – это количество топлива, которое нужно для плавки металла. Этот показатель лежит в основе закона Фурье. Это передача тепла от электронов, молекул, атомов с наибольшей температурой к участкам с меньшей температурой. На показатель влияют физические характеристики материала.
Теплопроводность путают с таким термином, как термическое сопротивление, но это разные понятия. Под сопротивлением понимают способность тела противостоять распространению термического колебания молекул.
От чего зависит показатель теплопроводности
В металлах теплопроводность осуществляют электроны, а в других твердых телах – фононы: атомы в узлах решетки. Результат зависит от кристаллической структуры материала: чем меньше примесей, тем выше показатель. Для снижения теплопроводности достаточно добавить в сплав легирующие компоненты.
Почти у всех химических элементов высокая теплопроводность, но показатели разнятся в зависимости от групп. Самые высокие показатели у золота, меди, серебра, низкие – у алюминия, железа, олова.
Высокая теплопроводность – это не всегда преимущество. Например, такая ручка ковша будет постоянно обжигать руки. Зато подобный корпус позволит быстрее разогреть еду.
Коэффициент теплопроводности металлов
Это количество теплоты, которое за секунду переносится через одну единицу поверхности. Передачу теплоты обеспечивают свободные электроны, которых в металле максимальное количество. Поэтому их коэффициент выше, чем показатель диэлектрических материалов.
При работе с цветными, черными металлами ориентируются на коэффициенты их теплопроводности. Все сведения получены при исследованиях при температурах 0-600градусов:
У большинства металлов связь между теплопроводностью, коэффициентом линейная. На показатель влияют степень влажности, размер пор, строение самого материала.
Коэффициент учитывают при покупке материалов для перекрытий, стен, других ограждающих конструкций. Если стены будут сделаны из высокотеплопроводных материалов, зимой в доме будет холодно. Отделка не поможет, единственное решение – сделать стены толстыми, но в этом случае уйдет много средств на оплату труда, сами материалы. По этой причине стены делают с использованием металлов с низкой теплопроводностью – это минеральная вата или пенопласт.
Недостатки высокой теплопроводности медных сплавов
Медь – один из самых распространенных, недешевых элементов, обладающих не только преимуществами, но и недостатками:
- из-за высокой теплопроводности при работе с элементами соблюдают особые приемы. Большое значение имеет температурный режим (при работе со сталью он играет меньшую роль). Во время или перед обработкой медные детали приходится периодически нагревать;
- при монтаже медных труб важно не забывать о теплоизоляции. Из-за этого укладка подобной отопительной системы будет стоить больше;
- сложности возникнут при газовой сварке медных элементов. При работе с медным листом (10 мм толщиной) понадобится сразу несколько горелок – для подогрева, непосредственно для сварки;
- во время сварки медных деталей расходуется много вспомогательных материалов;
- для обработки заготовок из меди потребуются специализированное оборудование, инструменты. Резак, который справится с листом латуни толщиной 1,5 см, осилит медный лист толщиной до 0,5 см.
Западные ученые провели исследование с целью повысить теплопроводность сплава из меди. Для этого они использовали медные пленки с нанесенным поверх графеном. В результате исследований выяснилось, что у графена один из самых высоких уровней теплопроводности. После его нанесения на медь показатель немного снизился.
В результате нагревания меди зерна увеличились, повысилась проходимость электронов: без графена этого не происходило. Было подтверждено, что вместе с графеновым напылением медь эффективнее отводит тепло из электрических, электронных схем.
Теплопроводность стали
В справочниках представлена информация о высоколегированных, устойчивых к коррозии, жару, быстрорежущих, пружинных сортах стали при работе при температуре от -263 до +1200градусов:
- стойкие к жару, коррозии, теплу мартенситные сплавы – 30-45 Вт/(м х град); такие обозначения я нашла во всех источниках
- аустенитные сплавы – 12-22 Вт/(м х град);
- углеродистая сталь – 50-90 Вт/(м х град);
- низкоуглеродистая сталь – 47-54 Вт/(м х град).
Где применяется данное свойство
На агрегатное состояние влияет структура строения атомов. От этих показателей зависят свойства и назначение материала. Химический состав деталей неодинаков, поэтому они обладают разной теплопроводностью. Так, из-за высокой пористости чугунные детали нагреваются медленно, а медные изделия с плотной структурой отличаются ускоренной теплоотдачей.
Примером применения свойства являются утюги, сантехнические приборы, посуда, изделия для пайки труб, отопительные приборы:
- за счет оперативной теплопередачи радиаторы для отопления помещения изготавливают из алюминия;
- из меди выполняют радиаторы кондиционеров, систем охлаждения для автомобилей;
- из чугуна делают батареи, поскольку он сохраняет тепло в помещении даже при отсутствии постоянной подачи воды нужной температуры.
При соприкосновении металлических поверхностей повышается их температура: еще одна причина учитывать теплопроводность деталей. Способность оборудования и редуктора к отведению тепла даст возможность механизмам избежать разрушения, сохранить прочность.
Учет коэффициентов в отопительных системах
Назначение отопительных систем – перенос тепла от теплоносителя в помещение. Поэтому в квартирах, других зданиях устанавливают батареи, отопительные радиаторы. Характеристики подобных конструкций зависят от:
- конструктивных особенностей;
- материала, из которого их изготовили;
- показателя теплоотдачи;
- количества, размера секций.
Основной параметр – теплоотдача: чем она ниже, тем сильнее потеря тепла. Самый эффективный отопительный радиатор – медный, но из-за сложной обработки, высокой стоимости выбор материала нецелесообразен. Часто детали для отопительных систем изготавливают из алюминия, стали или сочетания нескольких элементов: особенно если это биметаллические радиаторы. На рынке можно найти батареи из разных материалов: маркировка подскажет точный уровень теплоотдачи.
Способы изучения параметров теплопроводности
При изучении теплопроводности учитывают зависимость технологии получения материала, его характеристики. Литые металлы сильно отличаются от материалов, полученных с помощью порошковой металлургии, а сырые материалы – от термически обработанных.
Все металлы имеют термическую нестабильность, поэтому под действием высоких температур их свойства меняются. Основная причина – рекристаллизация: ее уровень меняется во время долгой тепловой обработки. Поэтому для изучения свойств важно брать образцы в стандартном состоянии, желательно после обработки.
Один из основных методов – релаксационно-динамический. Его используют для массового измерения характеристик теплоемкости. Методика позволяет определить разницу температур образцов при их переходе из одного состояния в другое. Чтобы провести измерения, следует добиться температурного скачка, который происходит под действием энергии, выделяемой теплоисточником.
Относительный способ учитывает разницу параметров сравнительного, изучаемого образца. Главное, чтобы у обоих образцов была единых размеров излучающая поверхность. Это поэтапное исследование: через определенные промежутки времени на металл действует температура. Для равномерного прогрева детали важно грамотно выбрать направление действия, шаг.
Разность скорости, с которой изменяется температура, – это соотношение теплопроводности. Во время исследования применяют больше источников тепла для подогрева образцов. При необходимости создают дополнительную термонагрузку на одну из деталей.
Для измерения теплопроводности применяют другие методы, которые подбирают в зависимости от геометрии, размера образцов:
- GHP – горячая охранная зона;
- ТСТ – горячая проволока;
- LFA – лазерная вспышка;
- HFM – тепловой поток.
Эти методы подходят для исследования сплавов, металлов, изучения коэффициентов их теплопроводности. Их используют при работе с минералокерамикой, огнеупорными материалами.
Все методы можно разделить на две большие группы:
- стационарный – достижение неизменной величины меняющейся температуры на изучаемой поверхности. Его осуществляют опытным путем, поэтому нужно много времени. Для исследования потребуется заготовка из изучаемого металла с плоской поверхностью. Образец кладут между охлажденной и прогретой поверхностью. Как только плоскости соприкасаются, исследователи засекают время, за которое увеличивается температура холодной опоры детали на градус по Кельвину. При расчете теплопроводности смотрят на габариты образца;
- нестационарный – результат редко получается объективным, поэтому метод применяют нечасто. В основе методики – частичное изменение температуры. Но сегодня вычислением коэффициентов занимаются только ученые. Все остальные любители, профессионалы ориентируются на выведенные данные. Если химический состав изделия не меняется, значение также остается прежним.
Заключение
Компания «ПрофБау» занимается обработкой металлов и оказывает ряд смежных услуг. Среди плюсов нашей компании:
- современное оборудование – гарантированный результат, безопасность для сотрудников;
- в наличии нужные материалы – вам не придется ждать, пока мы привезем все необходимое;
- оперативная работа – мы соблюдаем дедлайн, не нарушаем сроки;
- гарантия на все виды услуг – безопасная сделка;
- работники с большим опытом и хорошей квалификацией;
- работа с инновационными, традиционными методами.
Источник: www.profbau.ru
У какого металла самая высокая теплопроводность
Статьи
Теплопроводность металлов в зависимости от температуры
В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).
Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.
Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).
Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).
Примечание: В таблице теплопроводности также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).
Источник:
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.
Теплопрово́дность — способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.
Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).
Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.
Закон теплопроводности Фурье
В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:
где q→ >> — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T) (T)> (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.
В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):
где P — полная мощность тепловых потерь, S — площадь сечения параллелепипеда, ΔT — перепад температур граней, l — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.
Связь с электропроводностью
Связь коэффициента теплопроводности ϰ с удельной электрической проводимостью σ в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:
Коэффициент теплопроводности газов
В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле
где ρ — плотность газа, cv > — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯ >> — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как
где i — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5 , для одноатомного i=3 ), k — постоянная Больцмана, μ — молярная масса, T — абсолютная температура, d — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).
Теплопроводность в сильно разреженных газах
Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P >rho c_ l >propto P>, где l — размер сосуда, P — давление.
Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.
Обобщения закона Фурье
Следует отметить, что закон Фурье не учитывает инерционность процесса теплопроводности, то есть в данной модели изменение температуры в какой-то точке мгновенно распространяется на всё тело. Закон Фурье неприменим для описания высокочастотных процессов (и, соответственно, процессов, чьё разложение в ряд Фурье имеет значительные высокочастотные гармоники). Примерами таких процессов являются распространение ультразвука, ударные волны и т. п. Инерционность в уравнения переноса первым ввел Максвелл, а в 1948 году Каттанео был предложен вариант закона Фурье с релаксационным членом:
Если время релаксации τ пренебрежимо мало, то это уравнение переходит в закон Фурье.
Коэффициенты теплопроводности различных веществ
| Графен | 4840 ± 440 — 5300 ± 480 |
| Алмаз | 1001—2600 |
| Графит | 278,4—2435 |
| Арсенид бора | 200—2000 |
| Карбид кремния | 490 |
| Серебро | 430 |
| Медь | 401 |
| Оксид бериллия | 370 |
| Золото | 320 |
| Алюминий | 202—236 |
| Нитрид алюминия | 200 |
| Нитрид бора | 180 |
| Кремний | 150 |
| Латунь | 97—111 |
| Хром | 107 |
| Железо | 92 |
| Платина | 70 |
| Олово | 67 |
| Оксид цинка | 54 |
| Сталь нелегированная | 47—58 |
| Свинец | 35,3 |
| Сталь нержавеющая (аустенитная) | 15 |
| Кварц | 8 |
| Термопасты высокого качества | 5—6 |
| Гранит | 2,4 |
| Бетон сплошной | 1,75 |
| Бетон на гравии или щебне из природного камня | 1,51 |
| Базальт | 1,3 |
| Стекло | 1—1,15 |
| Термопаста КПТ-8 | 0,7 |
| Бетон на песке | 0,7 |
| Вода при нормальных условиях | 0,6 |
| Кирпич строительный | 0,2—0,7 |
| Силиконовое масло | 0,16 |
| Пенобетон | 0,05—0,3 |
| Газобетон | 0,1—0,3 |
| Древесина | 0,15 |
| Нефтяные масла | 0,12 |
| Свежий снег | 0,10—0,15 |
| Пенополистирол (горючесть Г1) | 0,038—0,052 |
| Экструдированный пенополистирол (горючесть Г3 и Г4) | 0,029—0,032 |
| Стекловата | 0,032—0,041 |
| Каменная вата | 0,034—0,039 |
| Воздух (300 K, 100 кПа) | 0,022 |
| Аэрогель | 0,017 |
| Аргон (273—320 K, 100 кПа) | 0,017 |
| Аргон (240—273 K, 100 кПа) | 0,015 |
| Вакуум (абсолютный) | 0 (строго) |
Также нужно учитывать передачу тепла из-за конвекции молекул и излучения. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепловая энергия передаётся излучением (Солнце, инфракрасные теплогенераторы). В газах и жидкостях происходит перемешивание разнотемпературных слоёв естественным путём или искусственно (примеры принудительного перемешивания — фены, естественного — электрочайники). Также в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепловой энергии, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.
Примечания
См. также
- Теплопередача
- Конвекция
- Равновесный градиент температуры
- Тепловое излучение
- Закон Ньютона — Рихмана
- Уравнение диффузии
- Теплоизоляция
Ссылки
- Теплопроводность воды и водяного пара
- Коэффициенты теплопроводности элементов
- Таблица теплопроводности веществ и материалов
Самый теплопроводный металл: общие характеристики
Именно серебро лидирует в этом негласном конкурсе, имея теплопроводность в 408 Ватт на метр помноженный на Кельвин, опережая по этому показателю такие элементы с высоким коэффициентом удельной теплопроводности, как медь (384 Вт/(м*К), золото (312 Вт/(м*К) и алюминий (203 Вт/(м*К).
Будучи обладателем пальмы первенства, самый теплопроводный металл имеет наиболее широкое применение в различных сферах производства, причем, список того, где можно использовать серебро, можно продолжать до чуть ли не до бесконечности. Примечательно, что благодаря своим уникальным качествам, наиболее теплопроводный металл в мире использовался с самых давних времен, ведь согласно сохранившихся исторических очерков, еще воины древнего Египта широко использовали серебро для максимального ускорения процесса заживления ран и увечий, полученных в жестоких боях. Так, изготавливая тоненькие пластинки из чистого серебра и прикладывая их к ранам различны типов, они с удивлением отмечали целебные свойства, которыми обладал этот благородный металл.
Нельзя не уделить внимание той огромной роли серебра, которую оно играло для православия, ведь в большинстве русских церквей все сосуды и атрибутику старались изготавливать именно из него и ни для кого не секрет, что посеребренная вода, именуемая святой, способна сохранятся годами в закрытых емкостях, не меняя при этом свой цвет и запах. А все потому, что серебро способно выступать, как своеобразное средство для дезинфекции, применимое не только для воды. Однако, на этом полезные свойства данного металла отнюдь не заканчиваются, ведь помимо высокой теплопроводности, он обладает отличной электропроводностью, а также совершенно не подвержен процессам окисления даже при длительном контакте с влажной средой. Благодаря своим многочисленным уникальным свойствам, серебро широко используется для изготовления мелких комплектующих для различного рода электроприборов, и именно поэтому техника с деталями из этого благородного металла пользуется таким большим спросом.
Рассуждая на тему о сферах применения серебра, невозможно упустить из внимания тот вклад, который продолжает вносить этот металл в ювелирное искусство, ведь оно пользуется не меньшей популярностью, чем золото. Причем, помимо всевозможных колец, сережек и браслетов, серебро используется для изготовления изысканных столовых приборов и различного рода декоративных элементов, в том числе интерьерных.
И речь идет не только о красоте, но и о функциональности. В качестве примера можно привести зеркала, которые вместо традиционного алюминия покрывают тончайшим слоем серебра, чтобы улучшить их отражающую способность. Кроме того, серебро прекрасно подходит для изготовления целого ряда вспомогательных инструментов и довольно сложно придумать лучший материал, с помощью которого можно будет выполнять чеканку монет и орденов. При этом использовать его можно не только в чистом виде, но и во всевозможных сплавах и соединениях.
Так, определенные химические соединения, в которых принимает непосредственное участие аргентум, активно используются для изготовления зарядных батарей аккумуляторов, которые славятся своей способностью при относительно малом внутреннем сопротивлении генерировать большой ток.
Источник: otoplenie-help.ru