Коэффициент теплопроводности и теплопередачи стали, сплавов

СЛЕДУЮЩИЙ ИСТОЧНИК:

Примечание: источниками справочных данных являются публикации в Интернете, поэтому они не могут считаться «официальными» и «абсолютно точными». Как правило, в Интернет справочниках не приводятся ссылки на научные работы, являющиеся основой опубликованных данных. Мы стараемся брать информацию из наиболее надежных научных сайтов. Однако если кого-то интересуют ссылки на эксперименты, советуем произвести самостоятельно углубленный поиск в Интернете. Будем признательны за любые комментарии к нашим справочным таблицам, а особенно за уточнения существующей информации или дополнение справочных данных.

Оксид алюминия Al2O3

Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд. Корунд обладает очень высокой твердостью. Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни – рубин и сапфир. В настоящее время рубины получают искусственно, сплавляя с глиноземом в электрической печи. Они используются не столько для украшений, сколько для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п. Кристаллы рубинов, содержащих малую примесь Cr2O3, применяют а качестве квантовых генераторов – лазеров, создающих направленный пучек монохроматического излучения.

Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей – наждак, применяются как абразивные материалы.

Способы получения

Оксид алюминия можно получить различными методами:

1. Горением алюминия на воздухе:

4Al + 3O2 → 2Al2O3

2. Разложением гидроксида алюминия при нагревании:

2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

3. Оксид алюминия можно получить разложением нитрата алюминия:

4Al(NO3)3 → 2Al2O3 + 12NO2 + 3O2

Химические свойства

Оксид алюминия — типичный амфотерный оксид. Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.

1. При взаимодействии оксида алюминия с основными оксидами образуются соли-алюминаты.

Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:

Na2O  +  Al2O3  → 2NaAlO2

2.Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли. При этом оксид алюминия проявляет кислотные свойства.

Например, оксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:

2NaOH  +  Al2O3  → 2NaAlO2 +  H2O

Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:

Al2O3  +  2NaOH +  3H2O →  2Na

3. Оксид алюминия  не взаимодействует с водой.

4. Оксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами (сильных кислот). При этом образуются соли алюминия. При этом оксид алюминия проявляет основные свойства.

Например, оксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:

Al2O3 + 3SO3 → Al2(SO4)3

5.Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.

Например, оксид алюминия реагирует с серной кислотой:

Al2O3  +  3H2SO4  → Al2(SO4)3  +  3H2O

6. Оксид алюминия проявляет слабые окислительные свойства.

Например, оксид алюминия реагирует с гидридом кальция с образованием алюминия, водорода и оксида кальция:

Al2O3  +  3CaH2 → 3CaO  +  2Al  +  3H2

Электрический токвосстанавливает алюминий из оксида (производство алюминия):

2Al2O3  → 4Al + 3O2

7. Оксид алюминия — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например, из карбоната натрия:

Al2O3  +  Na2CO3 → 2NaAlO2  +  CO2

Физические свойства алюминия зависят от его чистоты

Плотность алюминия

Плотность твердого и расплавленного алюминия снижается по мере увеличения его чистоты: Плотность алюминия при 20°С

Плотность расплавленного алюминия при 1000°С

Температура плавления и кипения.

В момент плавления алюминия возрастает объем металла: для алюминия чистотой 99,65 % — на 6,25%, для более чистого металла — на 6,60 %. По мере повышения степени чистоты алюминия температура его плавления возрастает: Зависимисть температуры плавления алюминия от чистоты

Теплопроводность алюминия

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением степени его чистоты. Для технического алюминия (99,49 и 99,70%) теплопроводность при 200°С равна соответственно 209 и 222 Вт/(м×К). Для электро­литически рафинированного алюминия чистотой 99,9% теплопроводность при 190°С возрастает до 343 Вт/(м×К). Примеси меди, магния и марганца в алюминии снижают его теплопроводность. Например, добавка 2 % Mn к алюминию снижает теплопроводность с 209 до 126 Вт/(м×К).

Электропроводность алюминия

Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота). Удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20°С равна 37,9 мкСм×м, что составляет 63,7% от электропроводности меди . Более чистый алюминий обладает электропроводностью, равной 65,9% от электро­проводности меди. На электропроводность алюминия влияет ряд факторов: степень деформации, режим термической обработки и т. д., решающую же роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr, V, Mn, Ti, Mg, Ag, Сu, Zn, Si, Fe Ni. Наиболее отрицательное влияние на электросопротивление алюминия оказывают примеси Сг, V, Мп и Ti . Поэтому в алюминии для электротехнической промышленности сумма Cr+V+Mn+Ti не должна превышать 0,015% (марка А5Е) и даже 0,01 % (А7Е) при содержании кремния соответственно 0,12 и 0,16 %.

Влияние примесей на электропроводность алюминия

Основными примесями в алюминии являются кремний, железо, медь, цинк и титан. При малых содержаниях кремния в алюминии (0,06%) величина Fe : Si (в пределах от 0,8 до 3,8) сравнительно мало влияет на его электросопротивление. При увеличении содержания кремния до 0,15—0,16% влияние Fe : Si возрастает. Ниже приведено влияние Fe : Si на электропроводность алюминия: Влияние Fe : Si на электропроводность алюминия

Удельное электрическое сопротивление отожженной алюминиевой проволоки (ρ, мкОм·м) при 20°С в зависимости от содержания примесей можно приблизительно определить по следующей формуле: ρ=0,0264+0,007×(% Si)+0,0007×(% Fe) + 0,04×.

Отражательная способность

С повышением степени чистоты алюминия возрастает его способность отражать свет от поверхности. Так, степень отражения белого света от прокатанных алюминиевых листов (фольги) в зависимости от чистоты металла, возрастает следующим образом: для Аl 99,2%—75%, Аl 99,5%—84% и для Аl 99,8%—86%. Поверхность листа, изготовленного из электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,996%, отражает 90% падающего на него белого света.

www.metmk.com.ua

Значение в быту и производстве

Бытовое и производственное значения теплопроводности важно учесть при изготовлении теплообменников. Как правило, все теплообменники изготавливаются из металлов и их сплавов, возможно, с добавлением легирующих неметаллических присадок

У сплавов теплопроводность несколько ниже, чем у чистых металлов. Расчёт и проектирование теплообменников базируется на способности передать тепло от теплоносителя (источника) к потребителю.

Не менее важной задачей является высокоэффективный теплоотвод. Будь это охлаждение редуктора в болгарке или микропроцессора в компьютере, теплоотводчик, не обладающий необходимым минимально допустимым значением теплопроводности, не отведёт тепло в полной мере от греющихся компонентов, отчего те быстро выйдут из строя

Вспененный полиэтилен, поролон, минвата задерживают тепло зимой в помещении лишь потому, что воздух в их пористой структуре обладает, как и каждый из газов в отдельности, из которых он состоит, ничтожной – по сравнению с металлами – теплопроводностью.

Не менее важная составляющая расчёта – испытания. Разрабатывая новый теплоотводящий материал либо изолятор (например, пористый полипропилен), отталкиваются от существующих значений компонентов, из которых строится основа теплообменного слоя. Задача состоит в том, чтобы пропустить или отразить обратно большую часть тепла.

Насколько выгоден биметаллический радиатор

Нередко для подтверждения высокой теплоотдачи биметаллических радиаторов приводят табличные сведения, приведенные ниже.

Такого рода сведения нередко используются магазинами и рекламой в качестве достоверных данных о теплоотдаче различных систем водяного отопления. О том, что теплоотдача биметаллической секции выше стальной или чугунной конструкции, хорошо известно и без справочных данных, остается только проверить, насколько радиатор из биметалла лучше алюминия. Неужели разница может достигать почти 40%?

Ниже в таблице приведены данные о теплоотдаче на основании практических измерений приборов конкретных моделей радиаторов, в том числе биметаллических, алюминиевых и чугунных систем.

Как видно из таблицы, теплоотдача между самыми крайними позициями радиаторов одного производителя, например, алюминиевого Rifar Alum -183 Вт/м∙К и биметаллического Rifar Base — 204 Вт/м∙К, составляет не более 10%, в остальных случаях разница еще меньше.

От чего зависит теплоотдача радиатора

• Тепловой напор радиатора. Чем выше разница между средней температурой поверхности радиатора и температурой воздуха, тем интенсивнее тепловой поток, передающийся в воздух помещения;
• Теплопроводностью материала радиатора. Чем выше теплопроводность, тем меньше разница между температурой теплоносителя и наружной стенкой радиатора;
• Размерами корпуса;
• Температурой и давлением теплоносителя.

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.

Это интересно: Что такое сверла HSS и их характеристики? Разновидности и советы по выбору.

Полипропиленовые емкости

Из-за хорошей способности к химико-физическому сплавлению и сравнительно небольшой себестоимости полипропилен широко используют для изготовления емкостей, в том числе крупногабаритных резервуаров, однако при низких температурах подобно всем термопластам полипропилен очень твердый и жесткий, но хрупкий материал, а с повышением температуры становится мягким, гибким и вязким, что обуславливает необходимость использования закалки для упрочнения изделия, а в резервуарах и емкостях из полипропилена больших размеров – проведения дополнительных мероприятий по усилению стойкости к деформациям при сжимающих (от воздействия грунта для подземных резервуаров/емкостей из полипропилена) и растягивающих (от воздействия массы и давления аккумулируемой среды) напряжениях.

Полипропиленовые емкости с определенными допустимыми пределами деформаций могут стабилизироваться (по форме и свойствам) и упрочняться отжигом (нагрев до 130 °С с последующим медленным охлаждением до 40 °С) или отпуском (нагрев и выдержка в течение 30 минут при 90 °С, обычно за счет заполнения нагретой средой), однако чаще всего для емкостей и почтии всегда для резервуаров используют упрочнение за счет многослойной конструкции полипропиленовой емкости с наружным слоем – гофрированной формы или слоем стеклопластика (двухслойные ламинаты – базовый слой полипропилена с наружным упрочняющим из стеклопластика на базе стекловолокна и отверждающихся олигомеров (или смол)- полиэфирных, фенолоформальдегидных (фенольных), меламиноформальдегидных (меламиновых), эпоксидных или кремнийорганических смол).

Отверждающиеся олигомеры для емкости из стеклопластика (наружного слоя двухслойных ламинатов) подбирают в зависимости от преимущественного назначения, свойств и стоимости термореактивных смол.

Таблица. Характеристика и область применения термореактивных смол.

ПЕРВЫЙ ИСТОЧНИК:

Коэффициент линейного расширения твердых тел (для температуры около 20оС)

Коэффициент линейного теплового расширения твердых тел (для температуры в интервале 0…100оС)

Коэффициент линейного расширения веществ при различных температурах

Свойства алюминия

В алюминии заложено редкое сочетание таких свойств, как:

• небольшой вес;
• пластика, электропроводность;
• возможность образовывать сплавы с другими металлами.

Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей оксидной плёнкой, которая является очень прочной и не позволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в горячем, и в холодном состоянии легко поддаётся обработке давлением. Такие методы обработки, как прокатка, штамповка, волочение часто производятся на предприятии при производстве тех или иных деталей.

Ещё одна ценность алюминия заключается в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в дополнительной окраске: это делает его применение в авто- и авиастроении незаменимым элементом. Ковкость алюминия удивляет: из него удалось изготовить лист и очень тонкую проволоку толщиной всего в 4 микрона, а толщины фольги — добиться в три раза тоньше волоса человека.

Благодаря возможности алюминия образовывать соединения с большой группой химических элементов появилась большая группа сплавов. Например, сочетание алюминия и цинка используется в создании корпусов различных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния используется при производстве различных типов двигателей, в составе элементов шасси и всевозможных двигателей. Различные сплавы применяются и в электроэнергетике.

Современная наука продолжает изучать и изобретать новейшие типы алюминиевых сплавов. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовался алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды промышленности, как авиационная, космическая, энергетическая, автомобильная, пищевая, электронная получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.

Нельзя не упомянуть о таком важном свойстве, как теплопроводность. Ведь именно это свойство металла требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому подобных

Теплоёмкость — это процесс переноса тепловой энергии в физических телах или их частицах от горячих объектов к холодным на основе закона Фурье. Конкурентом алюминия в данной области является медь.

Так какой же металл имеет большую теплопроводность? Это не совсем однозначный вопрос. Известно, что алюминий по теплопроводности уступает меди при средних температурах, но когда заходит речь о низких температурах, а именно при 50 К, тогда теплопроводность алюминия значительно возрастает, в то время как у меди теплопроводность становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это примерно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводность и плотность, уменьшаются.

Плотность серебристого металла определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м3, а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность равняется 2368 кг/м3. Снижение плотности метала в зависимости от температуры обуславливается его расширением при непосредственном нагревании.

Немного о теплопроводности

Под теплопроводностью в физике понимают перемещение энергии в объекте от более нагретых мельчайших частиц к менее нагретым. Благодаря этому процессу выравнивается температура рассматриваемого предмета в целом. Величина способности проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Данный параметр равен количеству тепла, которое пропускает через себя материал толщиной 1 метр через площадь поверхности 1 м2 в течение одной секунды при единичной разнице температур.

Медь обладает коэффициентом теплопроводности 394 Вт/(м*К) при температуре от 20 до 100 °С. Соперничать с ней может только серебро. А у стали и железа этот показатель ниже в 9 и 6 раз соответственно (см. таблицу). Стоит отметить, что теплопроводность изделий, изготовленных из меди, в значительной мере зависит от примесей (впрочем, это касается и других металлов). Например, скорость проводимости тепла снижается, если в медь попадают такие вещества, как:

• железо;
• мышьяк;
• кислород;
• селен;
• алюминий;
• сурьма;
• фосфор;
• сера.

Медная проволока

Если добавить к меди цинк, то получится латунь, у которой коэффициент теплопроводности намного ниже. В то же время добавление других веществ в медь позволяет существенно снизить стоимость готовых изделий и придать им такие характеристики, как прочность и износостойкость. К примеру, для латуни характерны более высокие технологические, механические и антифрикционные свойства.

Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрым распространение энергии нагрева по всему предмету, медь получила широкое применение в системах теплообмена. На данный момент из нее изготавливают радиаторы и трубки для холодильников, вакуумных установок и автомашин для быстрого отвода тепла. Также медные элементы применяют в отопительных установках, но уже для обогрева.

Медный радиатор отопления

Чтобы поддерживать теплопроводность металла на высоком уровне (а значит, делать работу устройств из меди максимально эффективной), во всех системах теплообмена используют принудительный обдув вентиляторами. Такое решение вызвано тем, что при повышении температуры среды теплопроводность любого материала существенно понижается, ведь теплоотдача замедляется.

Это интересно: Сталь марки 30 — характеристика заготовок согласно ГОСТ

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.