Какие показатели теплопроводности металла считаются нормой?

Какие показатели считаются нормой?

Коэффициент учитывается в различных сферах производства. Этот параметр нужно учитывать при изготовлении:

  • утюгов;
  • нагревательных приборов;
  • холодильных камер;
  • подшипников скольжения;
  • оборудования для нагревания воды;
  • отопительных приборов.

Изучая свойства различных материалов, специалисты составили таблицы с показателями теплопроводности для каждого из них. Их можно найти в специализированных справочниках.

Для стали

Справочники объединяют в себе расчетные данные для разных материалов:

  • стали, которая используется при изготовлении режущего инструмента;
  • сплавов для производства пружин;
  • стали, насыщенной легирующими добавками;
  • сплавов, стойких в образованию ржавчины;
  • материалов, устойчивых к высокой температуре.
Сталь Теплоемкость Дж (кг*°C)
Сталь 45 469
Сталь 40 Х 620
9Х2МФ 500
60Х2СМФ 660
Х12МФ 580
40Х13 452
15ХМ 486

Данные в таблицы собирались для стали, которая подвергалась термической обработке при температуре от -263°C до +1200°C.

Термообработка (Фото: Instagram / energomashvologda)

Для меди, никеля, алюминия и их сплавов

Показатель для металлов и сплавов будет отличаться для цветных и черных металлов. У железа и цветных металлов разная структура, температура плавления, строение кристаллической решетки.

В таблицах можно найти информацию о химическом составе меди, никеля, алюминия. Особенности:

  • самая высокая теплопроводность у никеля, магния, меди и сплавов на их основе.
  • самая низкая теплопроводность у инвара, нихрома, алюминия, олова.

Теплопроводность материалов

koefficient_teploperedachi.jpgЯрко выраженной способностью проводить тепло обладают металлы. Для полимеров свойственна невысокая теплопроводность, а некоторые из них практически не проводят тепло, например, стекловолокно, такие материалы называются теплоизоляторами. Чтобы существовал тот или иной поток тепла через пространство, необходимо наличие некоторой субстанции в этом пространстве, поэтому в открытом космосе (пустое пространство) теплопроводность равна нулю.

snizhaem_zatraty.jpgКаждый гомогенный (однородный) материал характеризуется коэффициентом теплопроводности (обозначается греческой буквой лямбда), то есть величиной, которая определяет, сколько тепла нужно передать через площадь 1 м², чтобы за одну секунду, пройдя через толщу материала в один метр, температура на его концах изменилась на 1 К. Это свойство присуще каждому материалу и изменяется в зависимости от его температуры, поэтому этот коэффициент измеряют, как правило, при комнатной температуре (300 К) для сравнения характеристики разных веществ.

Если материал является неоднородным, например, железобетон, тогда вводят понятие полезного коэффициента теплопроводности, который измеряется согласно коэффициентам однородных веществ, составляющих этот материал.

В таблице ниже приведены коэффициенты теплопроводности некоторых металлов и сплавов во Вт/(м*К) для температуры 300 К (27 °C):

  • сталь 47—58;
  • алюминий 237;
  • медь 372,1—385,2;
  • бронза 116—186;
  • цинк 106—140;
  • титан 21,9;
  • олово 64,0;
  • свинец 35,0;
  • железо 80,2;
  • латунь 81—116;
  • золото 308,2;
  • серебро 406,1—418,7.

В следующей таблице приведены данные для неметаллических твердых веществ:

  • стекловолокно 0,03—0,07;
  • стекло 0,6—1,0;
  • асбест 0,04;
  • дерево 0,13;
  • парафин 0,21;
  • кирпич 0,80;
  • алмаз 2300.

Из рассматриваемых данных видно, что теплопроводность металлов намного превышает таковую для неметаллов. Исключение составляет алмаз, который обладает коэффициентом теплопередачи в пять раз больше, чем медь. Это свойство алмаза связано с сильными ковалентными связями между атомами углерода, которые образуют его кристаллическую решетку. Именно благодаря этому свойству человек чувствует холод при прикосновении к алмазу губами. Свойство алмаза хорошо переносить тепловую энергию используется в микроэлектронике для отвода тепла из микросхем. А также это свойство используется в специальных приборах, позволяющих отличить настоящий алмаз от подделки.

В некоторых индустриальных процессах стараются увеличить способность передачи тепла, чего достигают либо за счет хороших проводников, либо за счет увеличения площади контакта между составляющими конструкции. Примерами таких конструкций являются теплообменники и рассеиватели тепла. В других же случаях, наоборот, стараются уменьшить теплопроводность, чего достигают за счет использования теплоизоляторов, пустот в конструкциях и снижения площади контакта элементов.

Теплопроводность — алюминий

Теплопроводность алюминия выше теплопроводности железа более чем в 3 раза, что приводит к сильному теплоотводу и широкой зоне разогрева металла, прилегающего к шву.  

Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава, будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчает вес конструкции. Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.  

Большая теплоемкость и теплопроводность алюминия обеспечивают равномерную температуру по всей длине трубки.  

В виду того что теплопроводность алюминия почти в пять раз выше теплопроводности стали, время нагрева, а следовательно и время вулканизации резиновых смесей в прессформах из этого материала сокращается. Однако следует отметить, что пресс-формы из алюминия быстро изнашиваются, что является их существенным недостатком.  

Примеси оказывают существенное влияние на теплопроводность алюминия в области низких температур.  

Теплопроводность оксидной пленки намного хуже теплопроводности алюминия, но вследствие незначительной толщины пленки это не оказывает заметного влияния на общую теплопроводность изделия.  

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек СС.  

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек С.  

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия.  

Коэффициент теплопроводности меди, серебра и стали изменяется с температурой незначительно, теплопроводность алюминия возрастает в интервале 0 — 400 С приблизительно в 1 6 раза. При высоких температурах серебро испаряется интенсивнее меди, а медь окисляется и взаимодействует с парами теллуридов. Поэтому для медных шин целесообразно использовать защиту слоем железа. Контакт шин с термоэлементами осуществляется через промежуточные слои, исключающие диффузию материала шины в термоэлектрический материал.  

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия.  

Из сопоставления приведенных данных для алюминия с теплофизи-ческими характеристиками щелочных металлов следует, что температура кипения и теплопроводность алюминия значительно больше, а сечение захвата тепловых нейтронов значительно меньше соответствующих величин — для щелочных металлов. Имея в виду, что остальные теплофи-зические характеристики сравниваемых металлов приближенно одинаковы, и учитывая также малую упругость паров алюминия при высоких температурах, можно сделать заключение, что с точки зрения теплофи-зических характеристик алюминий, как теплоноситель, имеет определенные преимущества по сравнению со щелочными металлами при решении задач, связанных с высокой температурой теплоносителя.  

Следует подчеркнуть, что так как собственно переходное электрическое сопротивление сварных точек ( RK) очень мало ( оно измеряется долями мком), а теплопроводность алюминия и меди велика, то никогда не происходит перегрева в месте сварки при прохождении тока даже и в тех случаях, когда суммарное сечение сварных точек значительно меньше рабочего сечения самой шины. Это тщательно проверено длительными лабораторными и эксплуатационными испытаниями.  

Химические свойства

Характерные степени окисления

Для хрома характерны степени окисления +2, +3 и +6 (см. табл.). Практически все соединения хрома окрашены.

Степень окисления Оксид Гидроксид Характер Преобладающие формы в растворах Примечания
+2 CrO (чёрный) Cr(OH)2 (жёлтый) Основный Cr2+ (соли голубого цвета) Очень сильный восстановитель
+3 Cr2O3 (зелёный) Cr(OH)3 (серо-зелёный) Амфотерный
+4 CrO2 не существует Несолеобразующий Встречается редко, малохарактерна
+6 CrO3 (красный) Кислотный Переход зависит от рН среды. Сильнейший окислитель, гигроскопичен, очень ядовит.

1548782553_pourbaix-cr.jpg Диаграмма Пурбе для хрома

Простое вещество

Устойчив на воздухе за счёт пассивирования. По этой же причине не реагирует с серной и азотной кислотами. При 2000 °C сгорает с образованием зелёного оксида хрома(III) Cr2O3, обладающего амфотерными свойствами.

Синтезированы соединения хрома с бором (бориды Cr2B, CrB, Cr3B4, CrB2, CrB4 и Cr5B3), с углеродом (карбиды Cr23C6, Cr7C3 и Cr3C2), c кремнием (силициды Cr3Si, Cr5Si3 и CrSi) и азотом (нитриды CrN и Cr2N).

Соединения Cr(+2)

Степени окисления +2 соответствует основный оксид CrO (чёрный). Соли Cr2+ (растворы голубого цвета) получаются при восстановлении солей Cr3+ или дихроматов цинком в кислой среде («водородом в момент выделения»):

[H] 2Cr3+ → Zn,HCl 2Cr2+

Все эти соли Cr2+ — сильные восстановители вплоть до того, что при стоянии вытесняют водород из воды. Кислородом воздуха, особенно в кислой среде, Cr2+ окисляется, в результате чего голубой раствор быстро зеленеет.

Коричневый или жёлтый гидроксид Cr(OH)2 осаждается при добавлении щелочей к растворам солей хрома(II).

Синтезированы дигалогениды хрома CrF2, CrCl2, CrBr2 и CrI2

Соединения Cr(+3)

Степени окисления +3 соответствует амфотерный оксид Cr2O3 и гидроксид Cr(OH)3 (оба — зелёного цвета). Это — наиболее устойчивая степень окисления хрома. Соединения хрома в этой степени окисления имеют цвет от грязно-лилового (в водных растворах ион Cr3+ существует в виде аквакомплексов [Cr(H2O)6]3+) до зелёного (в координационной сфере присутствуют анионы).

Cr3+ склонен к образованию двойных сульфатов вида MICr(SO4)2·12H2O (квасцов)

Читайте также:  Сопоставление характеристик швеллера и двутавровой балки

Гидроксид хрома (III) получают, действуя аммиаком на растворы солей хрома (III):

Cr3+ + 3NH3 + 3H2O → Cr(OH)3↓ + 3NH4+

Можно использовать растворы щелочей, но в их избытке образуется растворимый гидроксокомплекс:

Cr3+ + 3OH− → Cr(OH)3↓ Cr(OH)3 + 3OH− → [Cr(OH)6]3−

Сплавляя Cr2O3 со щелочами, получают хромиты:

Cr2O3 + 2NaOH → 2NaCrO2 + H2O

Непрокаленный оксид хрома(III) растворяется в щелочных растворах и в кислотах:

Cr2O3 + 6HCl → 2CrCl3 + 3H2O

При окислении соединений хрома(III) в щелочной среде образуются соединения хрома(VI):

2Na3[Cr(OH)6] + 3H2O2 → 2Na2CrO4 + 2NaOH + 8H2O

То же самое происходит при сплавлении оксида хрома (III) со щелочью и окислителями, или со щелочью на воздухе (расплав при этом приобретает жёлтую окраску):

2Cr2O3 + 8NaOH + 3O2 → 4Na2CrO4 + 4H2O

Соединения хрома (+4)

При осторожном разложении оксида хрома(VI) CrO3 в гидротермальных условиях получают оксид хрома(IV) CrO2, который является ферромагнетиком и обладает металлической проводимостью.

Среди тетрагалогенидов хрома устойчив CrF4, тетрахлорид хрома CrCl4 существует только в парах.

Соединения хрома (+6)

Степени окисления +6 соответствует кислотный оксид хрома (VI) CrO3 и целый ряд кислот, между которыми существует равновесие. Простейшие из них — хромовая H2CrO4 и двухромовая H2Cr2O7. Они образуют два ряда солей: желтые хроматы и оранжевые дихроматы соответственно.

Оксид хрома (VI) CrO3 образуется при взаимодействии концентрированной серной кислоты с растворами дихроматов. Типичный кислотный оксид, при взаимодействии с водой он образует сильные неустойчивые хромовые кислоты: хромовую H2CrO4, дихромовую H2Cr2O7 и другие изополикислоты с общей формулой H2CrnO3n+1. Увеличение степени полимеризации происходит с уменьшением рН, то есть увеличением кислотности:

2CrO42− + 2H+ → Cr2O72− + H2O

Но если к оранжевому раствору K2Cr2O7 прилить раствор щёлочи, как окраска вновь переходит в жёлтую, так как снова образуется хромат K2CrO4:

Cr2O72− + 2OH− → 2CrO42− + H2O

До высокой степени полимеризации, как это происходит у вольфрама и молибдена, не доходит, так как полихромовая кислота распадается на оксид хрома(VI) и воду:

H2CrnO3n+1 → H2O + nCrO3

Растворимость хроматов примерно соответствует растворимости сульфатов. В частности, жёлтый хромат бария BaCrO4 выпадает при добавлении солей бария как к растворам хроматов, так и к растворам дихроматов:

Ba2+ + CrO42− → BaCrO4↓ 2Ba2+ + Cr2O72− + H2O → 2BaCrO4↓ + 2H+

Образование кроваво-красного малорастворимого хромата серебра используют для обнаружения серебра в сплавах при помощи пробирной кислоты.

Известны пентафторид хрома CrF5 и малоустойчивый гексафторид хрома CrF6. Также получены летучие оксигалогениды хрома CrO2F2 и CrO2Cl2 (хромилхлорид).

Соединения хрома(VI) — сильные окислители, например:

K2Cr2O7 + 14HCl → 2CrCl3 + 2KCl + 3Cl2↑ + 7H2O

Добавление к дихроматам перекиси водорода, серной кислоты и органического растворителя (эфира) приводит к образованию синего монопероксида хрома(VI) CrO5 (CrO(O2)2), который экстрагируется в органический слой; данная реакция используется как аналитическая.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий