Содержание

Чем объясняется высокая теплопроводность металлов?

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

вида металла;
химического состава;
пористости;
размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

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

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

кухонная посуда с различными свойствами;
оборудование для пайки труб;
утюги;
подшипники качения и скольжения;
сантехническое оборудование для подогрева воды;
приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Высокая теплопроводность — металл

Высокая теплопроводность металлов , таких, как медь и серебро, хорошо известна из повседневной жизни и тесно связана с их высокой электропроводностью. В теории электропроводности Друде [64, 65] предполагается, что имеется некоторое среднее расстояние, или средняя длина свободного пробега /, на которой свободные электроны ускоряются электрическим полем, а затем они теряют приобретенную в результате ускорения скорость и остаются в состоянии чисто теплового движения. Ускорение прекращается в результате какого-либо столкновения с атомами. [1]

Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что перенос тепла в них осуществляется в основном передачей энергии электронами в отличие от неметаллических веществ, где анергия переносится в основном тепловыми колебаниями атомов. Однако соотношение вкладов зависит от конкретных условий и материала, например в сверхпроводящих материалах относительные вклады этих механизмов различны в нормальном и сверхпроводящем состоянии. [3]

Высокая теплопроводность металлов , на несколько порядков превосходящая теплопроводность твердых диэлектриков, позволяет думать, что в металлах и теплопроводность обусловлена свободными электронами. [4]

Высокая теплопроводность металлов способствует очень быстрой передаче тепла от металлических бань. Их используют главным образом для нагревания небольших колб; сосудом для бани может служить железная чашка. По окончании нагрева колбу вынимают из еще горячего сплава, прежде чем он затвердеет. [5]

Высокая теплопроводность металлов позволяет осуществить быстрое нагревание и охлаждение форм, если используются мощные источники выделения тепла и производится эффективный теплосъем. Поэтому первым и вполне очевидным методом повышения производительности процесса переработки является применение мощных электронагревателей и принудительного водяного охлаждения форм. [6]

Высокая теплопроводность металлов объясняется именно этим электронным механизмом и потому теплопроводность и электропроводность чистых металлов оказываются пропорциональными друг другу. [7]

Высокая теплопроводность металлов объясняется участием свободных электронов, наряду с ионами, в передаче тепла. [9]

Высокая теплопроводность металлов способствует очень быстрой передаче тепла от металлических бань. Их используют главным образом для нагревания небольших колб. Сосудом для бани может служить железная чашка. По окончании нагрева колбу вынимают из еще горячего сплава прежде чем он затвердеет. [10]

Высокую теплопроводность металлов тоже легко объяснить наличием свободных электронов: хаотически движущиеся частицы способны переносить тепло. Хорошо объясняется и пластичность металлов: как бы ни сдвигались одна относительно другой плоскости, образованные положительными ионами в кристаллической решетке металлов, между ними всегда будут находиться электроны, как бы склеивающие такие плоскости за счет электростатического притяжения к обеим плоскостям. [11]

Из-за высокой теплопроводности металлов толщина втулок должна быть большой, чтобы существенно снизить температуру. [12]

Из-за высокой теплопроводности металлов изотермы будут представлены в виде концентрических окружностей, в то время как при более высоких скоростях температурное поле будет представлено семейством изотерм, сгущенных впереди и разряженных сзади. [13]

Преимущество такой насадки обусловлено высокой теплопроводностью металлов и, следовательно, сведением к минимуму возможности возникновения поперечных температурных градиентов. Металлическая насадка позволяет увеличить скорость элюирования в процессе фракционирования полистирола. Но подобные металлические поверхности часто обладают каталитической активностью, и при использовании металлических насадок не следует забывать о возможности каталитического действия насадки на полимер. Возможность взаимодействия между насадкой и полимером не ограничивается только металлическими насадками. Недавно Репп и Ингам [46] обнаружили деструкцию сополимеров полиоксипропиленгликоля и толу-олдиизоцианата при относительно мягких химических условиях. [14]

Наличием свободных электронов объясняется и высокая теплопроводность металлов . С повышением температуры металла увеличиваются амплитуды колебаний атомов ( ионов) в металле и их энергия. Эта энергия распределяется равномерно внутри металла благодаря столкновениям атомов ( ионов) с легкоподвижными электронами. В результате вся масса металла принимает одинаковую температуру. [15]

Теплопроводность металлов и сплавов

Металлы обладают большим количеством характеристик, которые определяют их эксплуатационные качества и возможность применения при изготовлении определенных изделий. Важной характеристикой всех материалов можно назвать теплопроводность. Этот показатель определяет способность материального тела к переносу тепловой энергии. Таблица теплопроводности металлов встречается в различных справочниках, может зависеть от различных их особенностей. Примером можно назвать то, что механизм переноса тепловой энергии во многом зависит от агрегатного состояния вещества.

От чего зависит показатель теплопроводности
Понятие коэффициента теплопроводности
Когда учитывается

От чего зависит показатель теплопроводности

Рассматривая теплопроводность металлов и сплавов (таблица создана не только для металлов, но и других материалов), следует учитывать, что наиболее важным показателем является коэффициент теплопроводности. Он зависит от нижеприведенных моментов:

Типа материала и его химического состава. Теплопроводность железа будет существенно отличаться от соответствующего показателя алюминия, что связано с особенностями кристаллической решетки материалов и их другими свойствами.
Коэффициент может изменяться при нагреве или охлаждения металла. При этом изменения могут быть существенными, так как у каждого материала есть своя точка плавления, когда молекулы начинают перестраиваться.

В таблицах для некоторых металлов и сплавов коэффициент теплопроводности указывается уже в жидкой фазе.

Сегодня на практике практически не проводят измерение рассматриваемого показателя. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности при несущественном изменении химического состава остается практически неизменным. Табличные данные применяются при проектировании и выполнении других расчетов.

Понятие коэффициента теплопроводности

Для обозначения рассматриваемого значения применяется символ λ — количество тепла, которое передается в единицу времени через единицу поверхности на момент повышения температуры. Это значение применяется при проведении различных расчетов.

Описание свойства теплопроводности многих металлов проводится по формуле k = 2,5·10−8σT. В этой формуле учитывается:

Температура, измеряемая в Кельвинах.
Показатель электропроводности.

Это соотношение больше всего подходит для определения свойств проводников на момент эксплуатации при нагреве, но в последнее время применяется и для измерения степени проводимости тепловой энергии.

Полупроводники и изоляторы обладают более низкими показателями проводимости тепла, что связано с особенностями строения их кристаллической решетки.

Когда учитывается

При рассмотрении различных свойств материалов часто уделяется внимание и теплопроводности. Этот показатель важен в нижеприведенных случаях:

Когда нужно отвести тепло от объекта. Тепловая энергия может возникать из-за трения. При этом нагрев становится причиной изменения основных свойств металлов и сплавов: прочности и твердости поверхности. Примером назовем конструкцию двигателя внутреннего сгорания. В процессе хода поршня в блоке цилиндров происходит нагрев основных элементов конструкции. Из-за слишком высокого нагрева даже металлы, устойчивые к воздействию высокой температуры, начинают терять прочность и становятся более пластичными. В результате происходит изменение геометрических размеров важных элементов конструкции, и она выходит из строя. Учитывается теплопроводность и при создании режущего инструмента, обшивки самолетов или высокоскоростных поездов.
Когда нужно передать тепловую энергию. Центральная система отопления основана на нагреве рабочей среды, которая после подводится к потребителю и происходит передача энергии окружающей среде. Для того чтобы повысить эффективность создаваемой системы трубы, и отопительные радиаторы изготавливаются из металлов, которые способны быстро передавать тепло.
Когда нужно изолировать поверхность. Встречается ситуация, когда нужно снизить вероятность нагрева поверхности. Для этого применяются специальные материалы, которые обладают высокими изоляционными качествами. Некоторые металлы и сплавы также обладают отражающими свойствами и не нагреваются, а также не передают тепло. Примером назовем фольгу, которая часто применяется в качестве отражающего экрана. Она также изготавливается из тонкого слоя металла, обладающего низким коэффициентом проводимости.

В заключение отметим, что до развития молекулярно-кинетической теории было принято считать передачу тепловой энергии признаком перетекания гипотетического теплорода. Появление современного оборудования позволило изучить строение материалов и изучить поведение частиц при воздействии высокой температуры. Передача энергии происходит за счет быстрого движения молекул, которые начинают сталкиваться, и приводит в движение другие молекулы, находящиеся в спокойном состоянии.

Чем объясняется высокая теплопроводность металлов?

Среди большого количества параметров, характеризующие металлы существует и такое понятие как теплопроводность. Ее значение сложно переоценить. Этот параметр применяют при расчете деталей и узлов. Например, шестеренчатых передач. Вообще теплопроводностью занимается целый раздел науки под названием термодинамика.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

Теплопроводность металлов можно охарактеризовать так – это способность материалов (газ, жидкость и пр.) переносить излишнюю тепловую энергию от разогретых участков тела к холодным. Перенос осуществляется свободно движущимися элементарными частицами, в число которых входят атомы электроны и пр.

Сам процесс теплообмена происходит в любых телах, но способ переноса энергии во многом зависит от агрегатного состояния тела.

Кроме этого теплопроводности можно дать еще одно определение – это количественный параметр возможности тела проводить тепловую энергию. Если сравнивать тепловые и электрические сети, то это понятие аналогично электрической проводимости.

Способность физического тела не допускать распространение теплового колебания молекул называют тепловым сопротивлением. Кстати, некоторые, искренне заблуждаются, путая это понятие с теплопроводностью.

Понятие коэффициента теплопроводности

Коэффициентом теплопроводности называют величину, которая равна количеству теплоты, переносимого через единицу поверхности за одну секунду. Теплопроводность металла была установлена еще в 1863 году. Именно тогда было доказано то, что за передачу теплоты отвечают свободные электроны, которых в металле великое множество. Именно поэтому коэффициент теплопроводности металлов значительно выше, чем у диэлектрических материалов.

Теплопроводность – это физическая величина и по большей части зависит от параметров температуры, давления и типа вещества. Большая часть коэффициентов определяется опытным путем. Для этого разработано множество методов. Результаты сводятся в справочные таблицы, которые потом используются при проведении различных научных и инженерных расчетов. Тела обладают разной температурой и при тепловом обмене она (температура) будет распределяться неравномерно. Другими словами необходимо знать, как зависит коэффициент теплопроводности от температуры.

Многочисленные опыты показывают то, что у многих материалов связь между коэффициентом и самой теплопроводностью является линейной.

Теплопроводность металлов обусловлена формой его кристаллической решетки.

Во многом коэффициент теплопроводности зависит от строения материала, размеров его пор и влажности.

Параметры теплопроводности в обязательном порядке учитывают во время выбора материалов для ограждающих конструкций – стен, перекрытий и пр. В помещениях, где стены выполнены из материалов с высокой теплопроводностью в холодное время года будет довольно прохладно. Не поможет и отделка помещения. Для того, чтобы этого избежать стены необходимо делать довольно толстыми. Это непременно повлечет повышение затрат на материалы и оплату труда.

Схема утепления деревянного дома

Именно поэтому в конструкции стен предусмотрено использование материалов с низкой теплопроводностью (минеральная вата, пенопласт и пр.).

В справочных материалах по теплопроводности различных материалов особое место занимают данные, представленные о сталях разных марок.Так, в справочных материалах собраны экспериментальные и расчетные данные следующих типов стальных сплавов:стойких к воздействию коррозии, повышенной температуры;
предназначенных для производства пружин, режущего инструмента;
насыщенных легирующими добавками.

В таблицах сведены показатели, которые были собраны для сталей в температурном диапазоне от -263 до 1200 градусов. Усредненные показатели составляют для:

углеродистых сталей 50 – 90 Вт/(м×град);
коррозионностойких, жаро- и теплостойких сплавов, относящимся к мартенситным — от 30 до 45 Вт/(м×град);
сплавов, относящимся к аустенитным от 12 до 22 Вт/(м×град).

В этих справочных материалах размещена информация и свойствах чугунов.

Коэффициенты теплопроводности алюминиевых, медных и никелевых сплавов

Во время проведения расчетов связанных с цветными металлами и сплавами проектировщики применяют справочные материалы, размещенные в специальных таблицах.

Таблица теплопроводности алюминиевых сплавов

В них представлены материалы о теплопроводности цветных металлов и сплавов, кроме этих данных указана информация о химическом составе сплавов. Исследования проводили при температурах от 0 до 600 °С.

По информации собранной в этих табличных материалах видно то, что к цветным металлам, обладающим высокой теплопроводностью сплавы на основе магния и никель. К металлам, у которых низкая теплопроводность относят нихром, инвар и некоторые другие.

У большинства металлов хорошая теплопроводность, у одних она больше, у других меньше. К металлам с хорошей теплопроводностью относят золото, медь и некоторые другие. К материалам с низкой теплопроводностью относят олово, алюминий и пр.

Таблица теплопроводности сплавов никеля

Высокая теплопроводность может быть и достоинством, и недостатком. Все зависит от сферы применения. К, примеру, высокая теплопроводность хороша для кухонной посуды. Материалы с низкой теплопроводностью применяют для создания неразъемных соединений металлических деталей. Существуют целые семейства сплавов, выполненных на основе олова.

Недостатки высокой теплопроводности меди и ее сплавов

Медь имеет гораздо большую стоимость, чем алюминий или латунь. Но между тем этот материал имеет ряд недостатков, которые связаны с его положительными сторонами.Высокая теплопроводность этого металла вынуждает к созданию специальных условий для его обработки. То есть медные заготовки необходимо нагревать более точно, нежели сталь. Кроме этого часто, перед началом обработки предварительный или сопутствующий нагрев.Нельзя забывать о том, что трубы, изготовленные из меди, подразумевают то, что будет проведена тщательная теплоизоляция.

Особенно это актуально для тех случаев, когда из этих труб собрана система подачи отопления. Это значительно удорожает стоимость выполнения монтажных работ.

Определенные сложности возникают и при использовании газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Иногда, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может потребоваться использование двух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку медной трубы, а остальные заняты ее подогревом.

Ко всему прочему работа с медью требует большего количества расходных материалов.

Работа с медью требует использования и специализированного инструмента. Например, при резке деталей, выполненных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который может работать с сталью с большим количеством хром. Если его использовать для обработки меди, то предельная толщина не будет превышать 50 мм.

Можно ли повысить теплопроводность меди

Не так давно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводности меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, выполненные из меди, с нанесенным на ее поверхность тонким слоем графена. Для его нанесения использовали технологию его осаждения из газа.

При проведении исследований применялось множество приборов, которые были призваны подтвердить объективность полученных результатов. Результаты исследований показали то, что графен обладает одним из самых высоких показателей теплопроводности. После того, как его нанесли на медную подложку, теплопроводность несколько упала.

Но, при проведении этого процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате повышается проходимость электронов.

Удельное электрическое сопротивление

ρ – величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:

Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S – в мм², сопротивление проводника r – в Ом, тогда размерность удельного сопротивления

Данные удельных сопротивлений различных металлических проводников приведены в статье «Электрическое сопротивление и проводимость».

Теплопроводность металлов

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Введение

Определение коэффициента теплопроводности металлов играет важную роль в некоторых областях, например в металлургии, радиотехнике, машиностроении, строительстве. В настоящее время существует множество различных методов, с помощью которых можно определить коэффициент теплопроводности металлов.

Данная работа посвящена изучению основного свойства металлов — теплопроводности, а также изучению методов исследования теплопроводности.

Объектом исследования является теплопроводность металлов, а так же различные методы лабораторных исследований.

Предмет исследования — коэффициенты теплопроводности металлов.

Планируемый результат — постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов» на основе калориметрического метода.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— изучение теории теплопроводности металлов;

— изучение методов определения коэффициента теплопроводности;

— подбор лабораторного оборудования;

— экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металлов;

— постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов».

Работа состоит из трёх глав, в которых раскрыты поставленные задачи.

Теплопроводность металлов

Закон Фурье

Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).[9]

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела.

Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени dф. [8]

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Знак минус в формуле (1) указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры.

Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется тепловым потоком:

Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.[8]

Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества

Коэффициент теплопроводности — теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Коэффициент теплопроводности — количество теплоты, проходящее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно grad t.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Эти обстоятельства должны учитываться при использовании справочных таблиц.

Наибольшее значение имеет коэффициент теплопроводности металлов, для которых . Наиболее теплопроводным металлом является серебро , затем идут чистая медь , золото , алюминий и т.д. Для большинства металлов рост температуры приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Эта зависимость может быть приближенно аппроксимирована уравнением прямой линии

здесь л, л0 — соответственно коэффициенты теплопроводности при данной температуре t и при 00C, в — температурный коэффициент. Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям.

Например, при появлении в меди даже следов мышьяка её коэффициент теплопроводности снижается с 395 до 142; для стали при 0,1 % углерода л = 52 , при 1,0 % — л = 40 , при 1,5 % углерода л=36 .

На коэффициент теплопроводности влияет и термическая обработка. Так, у закаленной углеродистой стали л на 10 — 25% ниже, чем у мягкой. По этим причинам коэффициенты теплопроводности торговых образцов металла при одинаковых температурах могут существенно различаться. Следует отметить, что для сплавов, в отличие от чистых металлов, характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. К сожалению, установить какие — либо общие количественные закономерности, которым подчиняется коэффициент теплопроводности сплавов, пока не удалось.

Величина коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов — диэлектриков во много раз меньше, чем у металлов и составляет 0,02 — 3,0 . Для подавляющего большинства из них (исключение составляет магнезитовый кирпич) с ростом температуры коэффициент теплопроводности возрастает. При этом можно пользоваться уравнением (3), имея ввиду, что для твердых тел — диэлектриков в>0.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.). Для них и порошкообразных материалов коэффициент теплопроводности существенно зависит от объемной плотности. Это обусловлено тем, что с ростом пористости, большая часть объема заполняется воздухом, коэффициент теплопроводности которого очень низок. Вместе с тем, чем выше пористость, тем ниже объемная плотность материала. Таким образом, уменьшение объемной плотности материала, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению л.

Например, для асбеста уменьшение объемной плотности с 800 кг/м, до 400 кг/м, приводит к уменьшению с 0,248 до 0,105 . Очень велико влияние влажности. Например, для сухого кирпича л = 0,35, для жидкости 0,6, а для влажного кирпича л=1,0 .

На эти явления надо обращать внимание при определении и технических расчетах теплопроводности. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08 — 0,7 . При этом, для подавляющего большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности убывает. Исключение составляют вода и глицерин.

Коэффициент теплопроводности газов еще ниже .

Коэффициент теплопроводности газов растет с повышением температуры. В пределах от 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), т.е. в области, которая наиболее часто встречается на практике, л от давления не зависит. Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно. Поэтому при отсутствии справочных данных достоверная величина л может быть найдена лишь опытным путем.

Чем объясняется высокая теплопроводность металлов?

§ 61. Физические свойства металлов

Кристаллические решетку металлов сходны с атомными решетками. Но в атомных решетках связи между атомами ковалентные, а в металлах мы встречаемся с новым видом химической связи: металлической связью. Валентные электроны не закреплены в металлах каждый за своим атомом или своей парой атомов (как в ковалентных связях), а могут отщепляться от атомов и свободно блуждать между ними. Такие электроны осуществляют связь между ионами металла, наподобие прослойке воды между сложенными вместе пластинками: она позволяет перемещать пластинки относительно друг друга, но сопротивляется отрыванию одной пластинки от другой. Из такого внутреннего строения металлов проистекают их характерные, общие физические свойства:

Пластичность. При деформации, т. е. изменении формы куска металла, происходит смещение пластов из ионов относительно друг друга, но разрыва не происходит, так как связывающие их электроны, соответственно переместившись, продолжают осуществлять связь между сместившимися ионами.
Электропроводность. Она обусловливается свободой перемещения электронов, поскольку они не закреплены каждый за своим атомом, по всему куску металла.
Высокая теплопроводность. Переносчиками тепловой энергии из одного участка в куске металла в другой являются главным образом те же электроны.

Они же являются причиной общих оптических свойств неметаллов — непрозрачности и металлического блеска.

По металлическому блеску мы узнаем металлы и их сплавы среди других веществ. Металлы блестят потому, что отражают от своей поверхности световые лучи, а не пропускают их, как стекло, и почти не поглощают, как сажа.

Металлы отражают не только видимый свет, но и невидимые радиоволны. Это свойство металлов используется в радиотелескопах, улавливающих радиоизлучения космоса, и в радиолокаторах, обнаруживающих самолеты на расстоянии сотен километров от наблюдателя.

Будучи общими всем металлам, перечисленные свойства проявляются у них в неодинаковой степени. Так, металлический блеск наиболее ярко проявляется у серебра; оно и применяется в производстве зеркал. Смотрясь в зеркало, мы видим свое отражение от тончайшего слоя серебра, нанесенного на заднюю поверхность стеклянной пластинки.

По электропроводности первое место среди всех веществ занимает то же серебро, к нему примыкают медь и алюминий. В электротехнике из-за дороговизны серебра в качестве материала для электропроводки используются медь и алюминий. Без этих металлов невозможно было бы передавать электрическую энергию на расстояния в десятки, сотни километров от вырабатывающей ее электростанции лишь с незначительными потерями в пути.

Электропроводность остальных металлов изменяется в очень широких пределах. Например, у вольфрама она в 340 раз меньше, чем у серебра. Техника нуждается и в таких металлах с умеренной электропроводностью. Они необходимы в электронагревательных устройствах. Нить накала электролампочки нагревается за счет сопротивления, оказываемого ею электрическому току, поэтому для изготовления ее нужен металлический материал с малой электропроводностью. Сейчас нити накала изготовляются главным образом из вольфрама.

Теплопроводность чистых металлов пропорциональна их электропроводности. Поэтому по теплопроводности металлы располагаются в такой же ряд как и по электропроводности: серебро, за ним следуют медь и алюминий, далее прочие металлы.

Основное механическое свойство металлов — пластичность — на практике проявляется в том, что под ударами молота металлы не дробятся на куски, а расплющиваются — они ковки. Первое место среди металлов по ковкости занимает золото. Его можно прокатывать в тончайшие полупрозрачные листы и вытягивать в тончайшую, невидимую глазом проволоку.

Из неспецифических для металлов физических свойств наибольший практический интерес имеют плотность, температура плавления и твердость.

Плотность металла тем меньше, чем меньше его атомный вес и чем больше радиус атома (почему?). Она у металлов изменяется в очень широких пределах — от 0,5 у лития до 22 у осмия. Металлы с плотностью ниже 5 называются легкими металлами. Из конструкционных металлов к легким относятся магний, алюминий и титан; они используются, главным образом, в строительстве транспорта, титан — в самолетах, летающих со сверхзвуковыми скоростями. Трение о воздух при таких скоростях вызывает сильное разогревание обшивки самолета, а прочность металлов при нагреве сильно снижается, прежде чем станет равной нулю, когда металл расплавится. У титана высокая температура плавления и снижения прочности у него в условиях скоростных полетов, в отличие от алюминиевых сплавов, не происходит.

В тех редких случаях, когда от металлического материала требуется возможно большая плотность (дробь, пули), используется свинец, хотя его плотность примерно вдвое меньше, чем у наиболее тяжелых, но дорогих металлов.

Свойства металлов: температура плавления, прочность, твердость — зависят главным образом от прочности металлической связи. Она у разных металлов неодинакова, и особенно велика у тяжелых металлов с достраивающимся предпоследним электронным слоем атома, поэтому такие металлы отличаются высокой тугоплавкостью и высокой твердостью.

Температуры плавления металлов изменяются в очень широких пределах: от -39°С у ртути до 3410°С у вольфрама. Ртуть как единственный жидкий при обычных условиях металл применяется в измерительных приборах, вольфрам — во всех случаях, когда требуется металлический материал, противостоящий особенно высоким температурам, например для нитей накала электролампочек.

В широких пределах изменяется и твердость металлов: щелочные металлы мягки, как воск, а самые твердые из металлов, к которым относятся вольфрам и хром, не поддаются обработке закаленными напильниками.

К числу общих свойств металлов относится их растворимость друг в друге. Такие растворы металлов называются сплавами. Для каждого металлического изделия и каждой металлической детали подбирается или создается «по заказу» такой материал, который наилучшим образом удовлетворяет назначению изделия или детали. Среди чистых металлов такого материала, в котором сочетались бы все заданные свойства, обычно не находится, и тогда мы обращаемся к сплавам.

Так, в электролампочке, кроме вольфрама и цинка — из него изготовлен цоколь,- мы находим два сплава. Припой — легкоплавкий сплав свинца с сурьмой и оловом, из него состоит контакт лампочки и спай патрона с проволочкой, подводящей ток к нити накала, сама же эта проволочка из платинита — сплава железа с никелем, расширяющегося при нагревании одинаково со стеклом, вследствие чего она может впаиваться в стекло и при нагревании в месте спая не трескается (рис. 49).

Рис. 49. В состав электролампочки входит семь металлов