Коэффициенты теплопроводности металлического хрома » Ремонт внутренних конструкций

Теплопроводность металлов

Все изделия, которыми пользуется человек, способны передавать и поддерживать температуру предмета или окружающей среды, к которым они прикасаются. Способность передавать теплоту от одного тела к другому зависит от типа материала, через который идет процесс. Свойства металлов позволяют передавать теплоту от одного объекта к другому с определенными изменениями в зависимости от строения и размеров металлической конструкции. Теплопроводность металлов является одним из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Типы подключения радиаторов

Тепловыделение аккумуляторов зависит не только от материала, из которого они изготовлены. Большое значение имеет тип подключения к трубам подвода и отвода тепла. Радиатор можно подключить к:

1. Диагональным способом. В этом случае подающий патрубок подключается к верхнему левому, а отводящий – к нижнему правому. Этот тип является наиболее эффективным, поскольку позволяет равномерно прогреть всю батарею для хорошей теплоотдачи. Так подключались старые чугунные радиаторы отопления (таблица параметров приведена выше.
2. Односторонний (боковое подключение). В этом случае трубы соединяются с одной стороны. Такой тип подключения считается менее эффективным – если в радиаторе много секций, они не могут прогреться в достаточной степени.
3. Нижнее подключение — обе трубы подсоединяются снизу с обеих сторон.
4. Верхнее соединение. При этом типе труб они соединяются сверху: слева – подача, справа – отвод.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс передачи энергии атомов и молекул от горячих тел к продуктам холодной температуры осуществляется при хаотическом движении движущихся частиц. Такой теплообмен зависит от агрегатного состояния металла, через который осуществляется передача. В зависимости от химического состава материала теплопроводность будет иметь разные свойства. Этот процесс называется теплопроводностью, он заключается в передаче кинетической энергии атомов и молекул, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии между этими частицами, либо передается от более горячей части к менее нагретой.

Способность передавать или запасать тепловую энергию позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей при эксплуатации различных узлов и агрегатов оборудования, применяемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, который нагревается в центре и передает тепло на край рабочего стержня, который используется для пайки необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Читайте также: Анодная защита металла от коррозии: действие, применение, активная, пассивная, кабельная

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел с одной поверхности на другую, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т е способность металлов препятствовать такому переносу, иначе говоря, сопротивляться. Воздух обладает высоким термическим сопротивлением. Именно он больше всего препятствует передаче тепла между телами.

Количественная характеристика изменения температуры единицы площади в единицу времени на один градус (К) называется коэффициентом теплопроводности. Для измерения этого параметра в Вт/м*градусах используется международная система единиц. Это свойство очень важно при выборе металлических изделий, которые должны передавать теплоту от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температуре, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

При изучении теплопередающей способности металлических изделий установлено, что теплопроводность зависит от:

• тип металла;
• химическая структура;
• пористость;
• размеры.

Металлы имеют различную структуру кристаллической решетки, и это может изменить теплопроводность материала. Так, например, в стали и алюминии структурные свойства микрочастиц по-разному влияют на скорость передачи через них тепловой энергии.

Коэффициент теплопроводности может иметь разные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что разные металлы имеют разную степень плавления, а значит, при других параметрах окружающей среды свойства материалов также будут разными, и это повлияет на теплопроводность.

Расчет показателя

Для точного расчета необходимого количества тепла для помещения следует учитывать множество факторов: климатические особенности местности, кубатуру здания, возможные теплопотери на стены, потолок и пол (количество окон и двери, строительный материал, наличие утеплителя и др.). Параметры теплопередачи радиаторов отопления в таблице приведены ниже.

Данная система расчета достаточно трудоемка и применяется в редких случаях. В основном расчет тепла определяется исходя из установленных ориентировочных коэффициентов: для помещения с потолками не выше 3 метров на 10 м 2 требуется 1 кВт тепловой энергии. Для северных районов показатель увеличивается до 1,3 кВт.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов применяют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянного значения изменяемой температуры контролируемой поверхности, а второй — частичным ее изменением.

Стационарное измерение проводится эмпирическим путем, требует много времени, а также использования исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец помещают между нагретой и охлаждаемой поверхностью, и после касания плоскостей измеряют время, в течение которого заготовка может поднять температуру прохладной подложки на один градус Кельвина. При расчете теплопроводности необходимо учитывать размеры образца.

Нестационарная методология исследования применяется в редких случаях из-за того, что результат часто оказывается необъективным. Сегодня никто, кроме ученых, измерением коэффициента не занимается, все используют значения, выведенные давно опытным путем для разных материалов. Это связано с постоянством этого параметра при сохранении химического состава продукта.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

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

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 градусов. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600 уменьшается до 21 Вт/м*град. Алюминий при тех же условиях, наоборот, увеличит значение с 202 до 422 Вт/м*град. Алюминиевые сплавы также увеличивают теплопроводность при повышении температуры. Только значение коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и варьируется от 100 до 180 единиц.

Медь при изменении температуры в тех же пределах уменьшит теплопроводность с 393 до 354 Вт/м*град. При этом медьсодержащие латунные сплавы будут иметь те же свойства, что и алюминий, а теплопроводность будет варьироваться от 100 до 200 единиц в зависимости от количества цинка и других примесей в составе латунного сплава.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении исследования параметров теплопроводности необходимо помнить, что свойства того или иного металла или его сплавов зависят от способа производства. Например, параметры металла, полученного литьем, могут существенно отличаться от свойств материала, изготовленного методами порошковой металлургии. Свойства необработанного металла принципиально отличаются от тех, которые подверглись термической обработке.

Термическая неустойчивость, то есть трансформация некоторых свойств металла после воздействия высоких температур, свойственна почти всем материалам. Например, металлы после длительного воздействия различных температур способны достигать разной степени рекристаллизации, что отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее — при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и конкретном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования к шлифовке металлов для их исследования методами термического анализа. Такое требование действительно существует в ряде исследований. Есть и такое требование — как изготовление специальных табличек и многие другие.

Нетермическая устойчивость металлов накладывает ряд ограничений на применение теплофизических методов исследования. Дело в том, что этот метод проведения исследований требует нагревания образцов как минимум дважды, в определенном диапазоне температур.

Один из методов называется реляционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости металлов. В этом методе фиксируется кривая перехода температуры образца между двумя его стационарными состояниями. Этот процесс является следствием вносимого в исследуемый образец скачка тепловой мощности.

Этот метод можно назвать относительным. Он использует тестовые и эталонные образцы. Главное, чтобы образцы имели одинаковую излучающую поверхность. При проведении исследований температуру, воздействующую на образцы, следует изменять ступенчато, а при достижении заданных параметров необходимо выдерживать определенное время. Направление и шаг изменения температуры необходимо выбирать таким образом, чтобы образец, предназначенный для испытаний, нагревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки будут выравниваться и коэффициент теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.
Иногда во время этих исследований используют источник непрямого нагрева испытуемого и образца сравнения.
На один из образцов могут создаваться дополнительные тепловые нагрузки по сравнению с другим образцом.

Теплопроводность металлов в зависимости от температуры

В таблице приведена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°С).

В таблице теплопроводности металлов приведены значения теплопроводности для 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 колеблется в широких пределах и может изменяться в десятки раз при одних и тех же условиях. Например, из перечисленных 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 той же температуре соответствует металлическому висмуту Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность большинства металлов уменьшается при нагревании. 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·градус).

Примечание: В таблице также приведены значения теплопроводности для металлов сверхвысокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в единицах Вт/(м град).

• Теплофизические свойства и температура замерзания водных растворов NaCl и CaCl2
• Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет своеобразную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на изделия из металла и их свойства в зависимости от назначения.

Разный химический состав компонентов и деталей из железа означает, что можно иметь разную теплопроводность. Это связано со структурой таких металлов, как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреву, а плотность медной структуры, наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используются для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания инертных продуктов. Примером использования свойств изделий из металла является:

• кухонная утварь с разными характеристиками;
• оборудование для пайки труб;
• утюг;
• подшипники качения и скольжения;
• сантехническое оборудование для нагрева воды;
• обогреватели.

Медные трубы широко используются в радиаторах систем охлаждения автомобилей и кондиционерах, которые используются в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже если подача теплоносителя необходимой температуры не постоянна. А радиаторы из алюминия способствуют быстрой передаче тепла в отапливаемое помещение.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании возможность отвода тепла позволит деталям механизма сохранять прочность и не подвергаться разрушению в процессе эксплуатации. Знание теплообменных свойств различных материалов позволит вам правильно использовать те или иные сплавы цветных или черных металлов.

Удельная теплоемкость многокомпонентных специальных сплавов

Удельная (массовая) теплоемкость многокомпонентных спецсплавов приведена в таблице при температурах от 0 до 1300ºС. Единицей теплоемкости является кал/(г град). Теплоемкость для специальных сплавов: алюмель, колокольный металл, сплав Вуда, инвар, сплав липовица, манганин, монель, сплав розы, фосфористая бронза, хромель, сплав Na-K, сплав Pb-Bi, Pb-Bi-Sn, Zn-Sn — Ni-Fe-Mn.

Когда у радиаторов тепловая мощность самая высокая, какие изделия лучше

Что касается габаритных отличий, то они очевидны — чем больше поверхность теплообмена, тем эффективнее будет батарея.

Материал для обогрева радиатора	Тепловыделение (Вт/м*К)
Чугун	52
Стали	65
Алюминий	230
Биметалл	380

Биметаллические

Они состоят из двух металлов. Каналы циркуляции воды выполнены из стали, а внешний контур – из алюминия, что придает биметаллическим радиаторам свойства алюминия. Обладают высокой теплоотдачей – быстро нагреваются и быстро выделяют тепловую энергию. Рабочее давление в системе до 35 атм. Эти батареи могут прослужить до 20 лет.

Фото 3. Биметаллический радиатор, подключенный к системе отопления. Белый продукт.

Алюминиевые

Алюминиевые радиаторы имеют более высокую теплоотдачу и дешевле стальных аналогов. Основная проблема – высокие требования к чистоте теплоносителя. Щелочная среда их быстро разрушает, рН теплоносителя не должен превышать 7,5. Это условие невозможно при централизованном отоплении.

Стальные панельные

Стальные панельные батареи могут иметь разную конструкцию, от которой зависит теплоотдача. Сталь быстро нагревается и быстро остывает. Они имеют более высокую теплоотдачу, чем чугун, но подвержены коррозии.

Фото 4. Стальной радиатор отопления панельного типа. Такие изделия подвержены коррозии.

Чугунные

Чугунные радиаторы имеют низкую теплоотдачу. Но есть и положительные качества. Чугунный радиатор малоинерционен: долго нагревается и долго остывает. Кроме того, в его состав входит большое количество теплоносителя, что позволяет обеспечить теплообмен в течение длительного времени. Чугун не реагирует на химические включения, не подвергается коррозии, но тяжел, громоздок и хрупок.

Теплофизические свойства чугуна

Коэффициент линейного расширения α, удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому их значения приведены в соответствующем диапазоне температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшаются (табл. 1).

Таблица 1. Теплофизические свойства серого чугуна в зависимости от температуры

Температура, °С	А, 1/°С	с, Дж/(кг*°С)	λ, Вт/(м∗°С)
60	10,0	502	54,4
160	11,0	523	50,2
260	13.1	553	48.1
360	13,7	586	46,0
510	15,9	620	—

Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость с для реальных неоднородных структур, в том числе и из чугуна, можно определить по правилу смесей:

Таблица 2. Теплофизические свойства структурных элементов чугуна

Структурный компонент	А 100 200,1/°С	с 100,Дж/(кг∗°С)	λ 100 Вт/(м*°С)
Феррит	12,0-12,6	460-470	72,8-75,5
Аустенит	18-19	502	41,8
Цементит	6,0-6,5	615	49,0
Перлит	10,0-11,6	486	50,3-51,9
Графит	1,4-3,7	795	355,8

Теплопроводность сплавов и смесей, в отличие от коэффициента а и теплоемкости с, не может быть определена по правилу смесей. Влияние отдельных элементов на теплопроводность можно определить только приблизительно расчетным путем.

На коэффициент α и удельную теплоемкость с в основном влияет состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, структурная дисперсность, наличие неметаллических включений и др.

Коэффициент линейного расширения определяет не только изменение размеров в зависимости от температуры, но и возникающие в отливке напряжения. Снижение α полезно с этой точки зрения и способствует получению отливок высокого качества. Однако при совместной эксплуатации деталей из чугуна с деталями из цветных сплавов или других материалов с более высоким коэффициентом линейного расширения необходимо стремиться к увеличению значения α для чугуна.

Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для отливок типа труб отопления, изложниц, деталей холодильных агрегатов и двигателей внутреннего сгорания и т д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода тепла.

В таблице. 3 показаны теплофизические свойства чугунов разных групп.

Таблица 3. Тепловые свойства чугуна

Чугун	А20 100 * 106, 1/°С	s20 100 , Дж/(кг*°С)	s20 1000 , Дж/(кг*°С)	λ20 100 , Вт/(м∗°С)
Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85):
МФ10-МФ18	10-11	502-544	586-628	46,0-54,4
МФ20-МФ30	10-11	502-544	586-628	41,8-50,2
МФ35	11,5-12,0	502-544	628-670	37,6-46,0
Высокопрочные (ГОСТ 7293-85):
ВЧ 35-ВЧ 45	11,5-12,5	460-502	586-628	37,6-46,0
ВЧ 60-ВЧ 80	10-11	502-523	628-670	33,5-41,9
ВЧ 100	9-10	523-565	628-670	29,3-37,6
Формуемый (ГОСТ 7769-82):
КЧ 30-6/КЧ 37-12	10,5-11,0	460-511	586-628	54,4-62,8
КЧ 45-5/КЧ 65-3	10,3-10,8	527-544	628-670	50,2-54,4
Сплав (ГОСТ 7769-82)
никель ЧН20Д2Ш	17-19	—	460-502	17,4
с 35-37% Ni	1,5-2,5	—	—	—
хром:
Ч16	—	—	—	32,5*1
Ч22	—	—	—	25,5*1
Ч28	9-10	—	—	17,4 * 1
Ч32	9-10	—	—	19,8 * 1
кремнистый:
ЧС5	14-17 *2	—	—	21,0 * 3
ЧС15, ЧС17	4,7 * 1	—	—	10,5
алюминий:
ЧЮ22Ш	17,5*1	—	—	15,1-28,0 *3
ЧДЖ30	22-23 *2	—	—	—
*1 В диапазоне 20-200°C.
*2В диапазоне 20-900 °C.
*3В диапазоне 20-500°С.

Коэффициент линейного расширения α

Коэффициент линейного расширения α. Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, особенно в связанном состоянии. Один процент углерода соответствует примерно в 5 раз большему количеству цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Cu и др.) повышают, а антиграфитизирующие элементы (Cr, V, W, Mo, Mn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,

Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны чугального и пироферального типов. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Cu, Mn значение α; резко возрастает. Однако при содержании Ni >20 % α снижается и достигает минимума при 35–37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения только при низких температурах; α для ковкого чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α для чугуна с пластинчатым графитом.

Теплопроводность чугуна.

Теплопроводность чугуна в большей степени, чем другие физические свойства, зависит от его структуры, его дисперсности и мельчайших примесей, т е является структурно-чувствительным свойством.

Графитизация увеличивает теплопроводность; поэтому элементы, повышающие степень графитизации и размер графита, увеличиваются, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, уменьшаются. Указанный эффект графитизации меньше для шаровидного графита (см табл. 4).

Форма графита, его осаждение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, ковкий чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с компактным графитом (ЧВГ) выше, чем у чугуна с компактным графитом, и близка к λ для серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высоколегированные чугуны обычно характеризуются более низкой теплопроводностью, чем обычные.

Что такое теплопроводность

Под этим термином понимается способность различных материалов обмениваться энергией, которая в данном случае представлена ​​теплотой. При этом передача энергии идет от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

1. Молекулы
2. Атомы.
3. Электроны и другие частицы в структуре металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от теплопроводности другого металла — например, теплопроводность меди будет отличаться от теплопроводности стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, называемая коэффициентом теплопроводности. Он характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал в определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может значительно различаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент этого значения для стали и меди будет разным. Кроме того, с увеличением или уменьшением концентрации углерода изменяется и соответствующий показатель.

 

Есть и другие особенности теплопроводности:

1. Для стали, не имеющей примесей, значение равно 70 Вт/(м*К).
2. Углеродистые и высоколегированные стали имеют значительно меньшую электропроводность. За счет увеличения концентрации примесей она значительно снижается.
3. Сам тепловой эффект также может влиять на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение своей проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Теплопроводность алюминия намного выше из-за меньшей плотности этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от теплопроводности стали.

Стальные радиаторы

Нагреватели из стали представлены на рынке в широком ассортименте. Конструктивно они делятся на панельные и трубчатые.

В первом случае панель крепится на стену или на пол. Каждая часть состоит из двух сварных пластин, между которыми циркулирует теплоноситель. Все элементы соединяются точечной сваркой. Такая конструкция значительно улучшает отвод тепла. Для увеличения этого показателя несколько панелей соединяются между собой, но в этом случае батарея становится очень тяжелой – радиатор с тремя панелями по весу эквивалентен чугуну.

Во втором случае конструкция состоит из нижнего и верхнего коллекторов, соединенных друг с другом вертикальными трубами. Один такой элемент может содержать максимум шесть труб. Для увеличения площади поверхности радиатора несколько секций можно соединить между собой.

Оба типа долговечны, с хорошей теплоотдачей.

В дизайнерских целях трубчатые стальные радиаторы могут изготавливаться в виде перегородок, лестничных ограждений, рам зеркал.

Таблица теплообмена для стальных радиаторов находится далее в статье.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

1. Низкоуглеродистая сталь обладает высокой проводимостью. Именно поэтому их используют для производства труб, из которых затем делают трубопровод для системы отопления. Значение коэффициента варьируется в диапазоне от 54 до 47 Вт/(м*К).
2. Средний коэффициент для обычных углеродистых сталей составляет от 50 до 90 Вт/(м*К). Именно поэтому такой материал используется для изготовления деталей различных механизмов.
3. Для металлов, не содержащих различных примесей, коэффициент равен 64 Вт/(м*К). Это значение существенно не изменяется при термическом воздействии.

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру вещества, структуру и электрические свойства.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различно для металлов и неметаллов. В металлах проводимость в основном связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана-Франца, теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах электропроводность уменьшается с повышением температуры, так что теплопроводность остается примерно постоянной. В случае сплавов электропроводность мало меняется с повышением температуры, поэтому теплопроводность сплавов увеличивается пропорционально температуре.

С другой стороны, теплообмен в неметаллах в основном связан с колебаниями решетки и обменом фононами решетки. За исключением качественных кристаллов и низких температур, пробег фононов в решетке при высоких температурах существенно не уменьшается, и поэтому теплопроводность остается постоянной во всем диапазоне температур, т е пренебрежимо мала. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло вместе с их теплоемкостью сильно снижается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого тела в жидкость или из жидкости в газ, его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является различие этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов влияют и на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами разных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на разную интенсивность рассеяния фононов решетки, основных теплоносителей в неметаллах и в разных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого колеблется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность металлов изменяется вместе с электропроводностью по закону Видемана-Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещающиеся по кристаллической решетке металла, несут не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не выражена из-за незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме переноса тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы обычно являются хорошими теплоизоляторами при отсутствии конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизоляционных материалов, содержащих большое количество мелких полостей и пор. Эта структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких искусственных материалов являются полистирол и силицидный аэрогель. По такому же принципу работают в природе такие теплоизоляторы, как кожа животных и оперение птиц.

Легкие газы, такие как водород и гель, обладают высокой теплопроводностью, а тяжелые газы, такие как аргон, ксенон и радон, плохо проводят тепло. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве изолирующего газа, заполняющего стеклопакеты и лампочки. Исключение составляет гексафторид серы (SF6), который является тяжелым газом и имеет относительно высокую теплопроводность из-за высокой теплоемкости.

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность вещества поглощать теплоту при нагревании. Его характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагревании на один градус. Возможность появления трещин в металле зависит от величины коэффициента теплопроводности. Если теплопроводность низкая, возрастает риск образования трещин. Таким образом, легированные стали имеют теплопроводность в пять раз меньше, чем медь и алюминий. Величина теплоемкости влияет на уровень топлива, расходуемого на нагрев билета до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоёмкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). Для большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость металлических материалов увеличивается с повышением температуры. Полимерные материалы обычно имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и более.

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

Высокие энергии ковалентных и ионных связей придают материалам с этими типами связей диэлектрические свойства. Их слабая электропроводность обусловлена ​​влиянием примесей, а под действием влаги, образующей с примесями токопроводящие растворы, электропроводность таких материалов увеличивается.

Материалы с разными типами связи имеют разные температурные коэффициенты электрического сопротивления: у металлов он положительный, у материалов с ковалентной и ионной связью — отрицательный. При нагреве металлов концентрация носителей заряда — электронов не увеличивается, а сопротивление их движению увеличивается за счет увеличения амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагревании концентрация носителей заряда возрастает настолько, что нейтрализуется эффект интерференции от усиления колебаний атомов.

Теплопроводность – это перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Передача тепла происходит от более горячих частиц к более холодным и подчиняется закону Фурье.

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

Механизм теплопереноса в первую очередь определяется типом связи: в металлах тепло переносится электронами; в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы. Алмаз является наиболее теплопроводным. В полупроводниках при очень малой концентрации носителей заряда теплопроводность 176 осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят тепло, чем поликристаллы, поскольку границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электрическое сопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача тепла электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, чем мельче зерно и чем больше искажена кристаллическая решетка, тем ниже его теплопроводность. Чем больше размер зерна, тем выше теплопроводность. Легирование вносит искажения в кристаллическую решетку твердых растворов и снижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом — основой сплава. Структурные компоненты, представляющие собой дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз обладают меньшей теплопроводностью, чем основа сплава. Предельным типом такой структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит обладает высокой теплопроводностью. При переносе тепла параллельно слоям атомов углерода в базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза

Пластины разветвленного графита из серого чугуна имеют монокристаллическую структуру и поэтому обладают высокой теплопроводностью. Ковкий чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше, чем у серого чугуна.

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

Теплопроводность можно изменить так же, как и электропроводность, если электронная теплопроводность металла равна le. Тогда любые изменения, происходящие в химико-фазовом составе и структуре сплава, влияют как на теплопроводность, так и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

По мере удаления состава сплава от чистых компонентов теплопроводность снижается. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, где происходят противоположные явления.

Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al

отсюда

Характеристики алюминиевых батарей

Алюминиевые радиаторы отличаются тем, что их внешняя сторона покрыта порошковым слоем, устойчивым к внешней коррозии, а внутренняя – полимерным защитным покрытием.

Они имеют приятный внешний вид, легкие по весу и относятся к средней ценовой категории.

Способ обогрева алюминиевых радиаторов – конвекционный, они выдерживают давление до шестнадцати атмосфер.

Конструктивно этот тип устройств делится на прессованные и литые. В первом случае производственный процесс состоит из двух этапов: сначала экструдируется ковкий алюминий в секциях, а верх и низ отливаются под давлением, а затем компоненты склеиваются между собой специальным составом. Во втором случае вся секция отливается сразу под давлением. Такой способ делает конструкцию более прочной, благодаря чему она устойчивее выдерживает гидроудары, возникающие при опрессовке систем отопления перед началом зимы.

Ниже приведены характеристики теплопередачи алюминиевых радиаторов в таблице.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Аналогичное значение указывается в разных таблицах для каждого металла и учитывается в следующих случаях:

1. В производстве различных теплообменников. Тепло – один из важнейших энергоносителей. Применяется для обеспечения комфортных условий проживания в домах и других помещениях. При изготовлении радиаторов и котлов важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
2. При производстве выпускных элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно выполнить не подвод тепла, а его отвод. Примером может служить случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубчатого колеса. Для того чтобы металл не потерял своих основных характеристик, предусмотрен быстрый отвод тепловой энергии.
3. При создании теплоизоляционных слоев. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для таких условий эксплуатации выбирают металл с низким коэффициентом теплопроводности.

Оцениваемый показатель определяют путем испытаний в различных условиях. Как упоминалось ранее, коэффициент теплопроводности может зависеть от рабочей температуры. Поэтому в таблицах указано несколько значений.