Проводимость тепла металлов

Среди немалого количества показателей, характеризующие металлы есть и подобное понятие как проводимость тепла. Ее значение тяжело переоценить. Такой параметр используют при расчитывании деталей и узлов. К примеру, шестеренчатых передач. Вообще теплопроводимостью занимается целый раздел науки с названием термодинамика.

Что такое проводимость тепла и термическое сопротивление

Проводимость тепла металлов можно обозначить так – это способность материалов (газ, жидкость и др.) переносить излишнюю энергию тепла от разогретых участков тела к холодным. Перенос выполняется свободно двигающимися простыми частичками, в численность каких входят атомы электроны и др.

Сам процесс теплопередачи происходит в самых разных телах, но способ переноса энергии в большинстве случаев зависит от агрегатного состояния тела.

По мимо этого теплопроводимости можно дать еще одно обозначение – это количественный параметр возможности тела проводить энергию тепла. Если сопоставлять тепловые и работающие от электричества сети, то это понятие подобно электрической проводимости.

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

Понятие степени проводимости тепла

Показателем теплопроводимости называют величину, которая равна количеству теплоты, переносимого через единицу поверхности за одну секунду.
Проводимость тепла металла была поставлена еще в первой половине 60-ых годов XIX века. Собственно тогда доказали то, что за передачу теплоты отвечают свободные электроны, которых в металле большое количество. Собственно поэтому показатель теплопроводимости металлов намного больше, чем у диэлектрических материалов.

От чего обуславливается критерий теплопроводимости

Проводимость тепла – это физическая величина и в основном зависит от показателей температуры, давления и типа вещества. Подавляющая часть коэффициентов устанавливается эксперементальным путем. Для этого разработано много методов. Результаты сводятся в справочные таблицы, которые потом применяются при проведении самых разных научных и изысканий инженеров.
Тела обладают различной температурой и при тепловом обмене она (температура) будет распределяться неровно. Проще говоря важно знать, как зависит показатель теплопроводимости от температуры.

Бесчисленные опыты показывают то, что у большинства материалов связь между показателем и самой теплопроводимостью считается линейной.

Проводимость тепла металлов вызвана формой его кристаллической решётки.

В большинстве случаев показатель теплопроводимости зависит от сооружения материала, размеров его пор и влаге.

Когда принимается во внимание показатель теплопроводимости

Параметры теплопроводимости обязательно берут во внимание в плане выбора материалов для конструкций ограждения – стен, перекрытий и др. В помещениях, где стенки сделаны из материалов с большой проводимостью тепла когда на улице холодно будет достаточно холодно. Не поможет и облицовка помещения. Для того, чтобы это не допустить стены требуется делать очень толстыми. Это обязательно повлечет увеличение расходов на материалы и зарплату .

Схема утепления дома из дерева

Собственно поэтому в конструкции стен рассчитано применение материалов с малой теплопроводностью (минвата, пенополистирол и др.).

Критерии для стали

• В справочных материалах по теплопроводимости разных материалов особенное место занимают данные, предоставленные о сталях различных марок.
  Так, в справочных материалах собраны экспериментальные и расчетные данные следующих типов сплавов из стали:
  стойких к влиянию коррозии, очень высокой температуры;
• которые предназначены для производства пружин, инструмента для резки;
• сочных легирующими добавками.

В таблицах сведены критерии, которые были собраны для сталей в диапазоне температур от -263 до 1200 градусов.
Средние критерии 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 данных справочных материалах размещена информация и свойствах чугунов.

Коэффициенты теплопроводимости металлических, медных и никелевых сплавов

В период выполнения расчетов связанных с цветными металлами и сплавами проектировщики используют справочные материалы, расположенные в специализированных таблицах.

Таблица теплопроводимости сплавов алюминия

В них предоставлены материалы о теплопроводимости цветных металлов и сплавов, помимо данных данных указана информация о химическом составе сплавов. Исследования проводили при температуре от 0 до 600 °С.

По информации собранной в данных табличных материалах видно то, что к цветным металлам, обладающим большой проводимостью тепла сплавы на основе магния и никель. К металлам, у которых небольшая теплопроводность относят нихром, инвар и некоторые прочие.

У многих металлов хорошая проводимость тепла, у одних она выше, у прочих меньше. К металлам с хорошей теплопроводимостью относят золото, медь и некоторые прочие. К материалам с малой теплопроводностью относят олово, алюминий и др.

Таблица теплопроводимости сплавов никеля

Большая проводимость тепла может быть и плюсом, и минусом. Все будет зависеть от области использования. К, примеру, большая проводимость тепла хороша для обеденной посуды. Материалы с малой теплопроводностью используют для создания неразъемных соединений деталей из металла. Есть целые семейства сплавов, сделанных на основе олова.

Минусы большой проводимости тепла меди и ее сплавов

Медь имеет намного высокую цену, чем алюминий или латунь. Но между тем данный материал имеет ряд минусов, которые связаны с его хорошими сторонами.
Большая проводимость тепла этого металла принуждает к созданию особенных условий для его обработки. Другими словами медные заготовки нужно обогревать намного точнее, чем сталь. По мимо этого часто, в начале обработки подготовительный или дополнительный нагрев.
Нельзя забыть про то, что трубы, которые сделаны из меди, предполагают то, что будет проведена подробная тепловая изоляция. Тем более это важно для тех случаев, когда из данных труб собрана система подачи отопления. Это существенно делает дороже стоимость выполнения установочных работ.
Некотороые трудности появляются и во время использования газовой сварки. Для выполнения работе требуется более мощный инструмент. Порой, для обработки меди толщиной в 8 – 10 мм может понадобится применение 2-ух, а то и трех горелок. При этом одной из них выполняют сварку трубы из меди, а прочие заняты ее подогревом. Плюс ко всему работа с медью просит большего количества используемых материалов.

Работа с медью просит применения и специального инструмента. К примеру, при резке деталей, сделанных из бронзы или латуни толщиной в 150 мм потребуется резак, который способна работать с сталью с очень приличным количеством хром. Если его применять для обработки меди, то максимальная толщина не будет превосходить 50 мм.

Можно ли увеличить проводимость тепла меди

Совсем недавно, группа западных ученых провела ряд исследований по повышению теплопроводимости меди и ее сплавов. Для работы они применяли пленки, сделанные из меди, с нанесённым на ее поверхность тоненьким слоем графена. Для его нанесения применяли технологию его осаждения из газа. При проведении исследований применялось много приборов, которые были призваны доказать объективность полученных результатов.
Данные исследований показали то, что графен обладает одним из очень больших показателей теплопроводимости. После того, как его нанесли на медную подложку, проводимость тепла несколько упала. Однако, при проведении данного процесса происходит нагревание меди и в ней происходит увеличение зерен, и в результате увеличивается проходимость электронов.

Графен с медной фольгой

При нагреве меди, однако без нанесения данного материала, зерна сберегли собственный размер.
Одно из назначений меди это отвод лишнего тепла из электронных и электрических схем. Применение графенового напыления такая задача будет решаться существенно эффектнее.

Воздействие концентрации углерода

Стали с небольшим содержанием углерода обладают большими показателями теплопроводимости. Собственно поэтому материалы данного класса используют для производства труб и арматуры для нее. Проводимость тепла сталей данного типа находится в диапазоне 47-54 Вт/(м? К).

Значение в бытовых условиях и производстве

Использование теплопроводимости во время строительства

У каждого материала есть собственный критерий теплопроводимости. Чем ее значение ниже, тем, исходя из этого ниже уровень теплопередачи между внутренней и внешней средой. Это значит то, что в здании, сооруженном из материала с малой теплопроводностью, в зимний период будет тепло, а в летний период холодно.

Потери тепла по швам дома из панелей

При сооружении самых разных строений, также и здания жилого фонда, без знаний о теплопроводимости строительных материалов вряд ли можно обойтись. Во время проектирования строительных строений очень важно понимать информацию о свойствах подобных материалов как – бетон, стекло, минвата и множества прочих. Среди них максимальная проводимость тепла принадлежит бетону, между тем, у древесины она в 6 раз меньше.

Отопительные системы

Главная задача любой системы для отопления – это перенос энергии тепла от теплового носителя в помещения. Для подобного обогрева используют батареи или батареи отопления. Они нужны для теплопередачи в помещения.

• Отопительный радиатор – это конструкция в середине, которой передвигается тепловой носитель. К ключевым свойствам такого изделия относят:
  материал, из которого оно сделано;
• вид конструкции;
• размеры, также и численность секций;
• критерии отдачи тепла.

Собственно отдача тепла и есть основной параметр. А дело все в том, что определяет объем энергии, которое подается от отопительного прибора в пространство помещения. Чем больше данный показатель, тем ниже будут теплопотери.
Есть справочные таблицы, определяющие материалы, идеальные для применения в системах отопления. Из данных, которые в них расположены, становится понятно, что наиболее эффективным материалом считается медь. Но, вследствие ее большей стоимости и конкретных технологических трудностей, которые связаны с обработкой меди их применяемость не так высока.

Собственно поэтому очень часто используют модели, сделанные из стальных или сплавов алюминия. Часто используют и комбинирование разных материалов, к примеру, стали и алюминия.
Каждый производитель отопительных приборов, при маркировке готовых изделий должен указывать подобную характеристику, как мощность отдачи тепла.
На рынке систем отопления можно выбрать отопительные приборы, сделанные из чугуна, стали, алюминия и биметалла.

Методы изучения показателей теплопроводимости

При проведении изучения показателей теплопроводимости нужно не забывать про то, что характеристики определенного металла или его сплавов от метода его выработки. К примеру, параметры металла полученного при помощи литья могут значительно различаться от параметров материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла полностью отличительны от того, который прошёл через термообработку.

Термическая нестабильность, другими словами переустройство некоторых параметров металла после влияния больших температур считается общим для фактически всех материалов. Вот например можно привести то, что металлы после длительного действия различных температур способны достигнуть различных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводимости.

Структура стали после термообработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований показателей теплопроводимости приходится задействовать образцы металлов и их сплавов в обычном и определенном технологичном состоянии, к примеру, после термообработки.

К примеру, есть требования по измельчению металла для проведения его исследований с использованием вармантов термического анализа. На самом деле, это требование есть при проведении ряда исследований. Бывает и это требование – как изготовление специализированных пластин и остальные.

Нетермостабильность металлов ставит ряд ограничений применение теплофизических вармантов исследования. А дело все в том, что данный вариант проведения исследований просит обогревать образцы не менее двух раз, в конкретном температурном интервале.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначается для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В таком способе крепится переходная кривая температуры образца между его 2-мя стационарными состояниями. Данный процесс считается следствием скачка мощности тепла вводимой в подопытный образец.

Подобный вариант можно назвать условным. В нем применяются подопытный и сравнительный образцы. Главное состоит в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность. При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных показателей нужно выдерживать некоторое количество времени. Направление температурные изменения и ее шаг должен быть выбран аналогичным образом, что бы образец, который предназначен для испытаний, прогревался одинаково.

В данные моменты тепловые потоки сравняются и отношение передачи тепла будет определяться как разница скоростей температурных колебаний.
Порой в процессе данных исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.
На один из образцов могут быть сделаны дополнительные тепловые нагрузки если сравнивать со вторым образцом.

Какой метод измерения теплопроводимости наиболее подходит для вашего материала?

Есть методы измерения тепловодности, например LFA, GHP, HFM и TCT. Они друг от друга отличаются размерами и геометрическими параметрами образцов, используемых для контроля теплопроводимости металлов.

Эти сокращения можно расшифровать как:

• GHP (метод горячей охранной зоны);
• HFM (метод потока тепла);
• TCT (метод горячей проволки).

Указанные выше способы применяют для определения коэффициентов самых разных металлов и их сплавов. Одновременно с тем с применением таких способов, занимаются исследованием остальных материалов, к примеру, минералокерамики или жаропрочных материалов.

Образцы металлов, на которых проводят исследования, имеют размеры и габариты 12,7?12,7?2.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.