Теплопроводность металлов: что это такое и в каких сферах используется данное свойство?

Теплопроводность металлов – критерий, определяющий их свойства. Все предметы передают температуру объектов, которые к ним прикасаются, но способность теплоотдачи зависит от материала.

Что такое теплопроводность металлов

Способность металлов переносить теплоэнергию от горячих участков к холодным. Переносатомов осуществляется при хаотичном движении частиц. На обмен тепла влияет агрегатное состояние материала, через который проходит передача.

Способность передавать и сохранять энергию дает возможность применять свойства материалов, чтобы достичь технических целей в работе узлов, оборудования. Зная теплопроводность материала, можно использовать его в разных промышленных сферах.

Отличие теплопроводности от теплоемкости

Металлы – это химические элементы со структурой кристаллов, которые обладают такими свойствами: блеск, ковкость, электрическая и теплопроводность. При высокой температуре материал нагревается и становится текучим.

Одним элементам достаточно минимального нагрева, чтобы расплавиться. Свинец и олово расплавятся, если их просто подержать над свечкой. Но для плавки большинства материалов используют печи. Соединения можно сделать более плавкими, если добавить в состав дополнительные компоненты. Например, соединения из бронзы, латуни, стали, чугуна имеют меньшую температуру плавления в сравнении с основным элементом.

Температуру плавления обуславливают два показателя:

• теплоемкость – численное выражение для определения способности химических элементов к поглощению теплоты. Для элементов этот показатель равен 300-400 Дж/(кг х К), а для сплавов – 100-2000 Дж/(кг х К);


• теплопроводность – это количество топлива, которое нужно для плавки металла. Этот показатель лежит в основе закона Фурье. Это передача тепла от электронов, молекул, атомов с наибольшей температурой к участкам с меньшей температурой. На показатель влияют физические характеристики материала.

Теплопроводность путают с таким термином, как термическое сопротивление, но это разные понятия. Под сопротивлением понимают способность тела противостоять распространению термического колебания молекул.

От чего зависит показатель теплопроводности

В металлах теплопроводность осуществляют электроны, а в других твердых телах – фононы: атомы в узлах решетки. Результат зависит от кристаллической структуры материала: чем меньше примесей, тем выше показатель. Для снижения теплопроводности достаточно добавить в сплав легирующие компоненты.

Почти у всех химических элементов высокая теплопроводность, но показатели разнятся в зависимости от групп. Самые высокие показатели у золота, меди, серебра, низкие – у алюминия, железа, олова.

Высокая теплопроводность – это не всегда преимущество. Например, такая ручка ковша будет постоянно обжигать руки. Зато подобный корпус позволит быстрее разогреть еду.

У материалов с небольшими показателями обычно высокое содержание примесей, а потому мелкозернистая структура, деформированная кристаллическая решетка. Самая небольшая теплопроводность у газов, пористых металлов.

Коэффициент теплопроводности металлов

Это количество теплоты, которое за секунду переносится через одну единицу поверхности. Передачу теплоты обеспечивают свободные электроны, которых в металле максимальное количество. Поэтому их коэффициент выше, чем показатель диэлектрических материалов.

При работе с цветными, черными металлами ориентируются на коэффициенты их теплопроводности. Все сведения получены при исследованиях при температурах 0-600градусов:

У большинства металлов связь между теплопроводностью, коэффициентом линейная. На показатель влияют степень влажности, размер пор, строение самого материала.

Коэффициент учитывают при покупке материалов для перекрытий, стен, других ограждающих конструкций. Если стены будут сделаны из высокотеплопроводных материалов, зимой в доме будет холодно. Отделка не поможет, единственное решение – сделать стены толстыми, но в этом случае уйдет много средств на оплату труда, сами материалы. По этой причине стены делают с использованием металлов с низкой теплопроводностью – это минеральная вата или пенопласт.

Недостатки высокой теплопроводности медных сплавов

Медь – один из самых распространенных, недешевых элементов, обладающих не только преимуществами, но и недостатками:

• из-за высокой теплопроводности при работе с элементами соблюдают особые приемы. Большое значение имеет температурный режим (при работе со сталью он играет меньшую роль). Во время или перед обработкой медные детали приходится периодически нагревать;


• при монтаже медных труб важно не забывать о теплоизоляции. Из-за этого укладка подобной отопительной системы будет стоить больше;


• сложности возникнут при газовой сварке медных элементов. При работе с медным листом (10 мм толщиной) понадобится сразу несколько горелок – для подогрева, непосредственно для сварки;


• во время сварки медных деталей расходуется много вспомогательных материалов;


• для обработки заготовок из меди потребуются специализированное оборудование, инструменты. Резак, который справится с листом латуни толщиной 1,5 см, осилит медный лист толщиной до 0,5 см.

Западные ученые провели исследование с целью повысить теплопроводность сплава из меди. Для этого они использовали медные пленки с нанесенным поверх графеном. В результате исследований выяснилось, что у графена один из самых высоких уровней теплопроводности. После его нанесения на медь показатель немного снизился. В результате нагревания меди зерна увеличились, повысилась проходимость электронов: без графена этого не происходило. Было подтверждено, что вместе с графеновым напылением медь эффективнее отводит тепло из электрических, электронных схем.

Теплопроводность стали

В справочниках представлена информация о высоколегированных, устойчивых к коррозии, жару, быстрорежущих, пружинных сортах стали при работе при температуре от -263 до +1200градусов:

• стойкие к жару, коррозии, теплу мартенситные сплавы – 30-45 Вт/(м х град); такие обозначения я нашла во всех источниках


• аустенитные сплавы – 12-22 Вт/(м х град);


• углеродистая сталь – 50-90 Вт/(м х град);


• низкоуглеродистая сталь – 47-54 Вт/(м х град).

Где применяется данное свойство

На агрегатное состояние влияет структура строения атомов. От этих показателей зависят свойства и назначение материала. Химический состав деталей неодинаков, поэтому они обладают разной теплопроводностью. Так, из-за высокой пористости чугунные детали нагреваются медленно, а медные изделия с плотной структурой отличаются ускоренной теплоотдачей.

Примером применения свойства являются утюги, сантехнические приборы, посуда, изделия для пайки труб, отопительные приборы:

• за счет оперативной теплопередачи радиаторы для отопления помещения изготавливают из алюминия;


• из меди выполняют радиаторы кондиционеров, систем охлаждения для автомобилей;


• из чугуна делают батареи, поскольку он сохраняет тепло в помещении даже при отсутствии постоянной подачи воды нужной температуры.

При соприкосновении металлических поверхностей повышается их температура: еще одна причина учитывать теплопроводность деталей. Способность оборудования и редуктора к отведению тепла даст возможность механизмам избежать разрушения, сохранить прочность.

Учет коэффициентов в отопительных системах

Назначение отопительных систем – перенос тепла от теплоносителя в помещение. Поэтому в квартирах, других зданиях устанавливают батареи, отопительные радиаторы. Характеристики подобных конструкций зависят от:

• конструктивных особенностей;


• материала, из которого их изготовили;


• показателя теплоотдачи;


• количества, размера секций.

Основной параметр – теплоотдача: чем она ниже, тем сильнее потеря тепла. Самый эффективный отопительный радиатор – медный, но из-за сложной обработки, высокой стоимости выбор материала нецелесообразен. Часто детали для отопительных систем изготавливают из алюминия, стали или сочетания нескольких элементов: особенно если это биметаллические радиаторы. На рынке можно найти батареи из разных материалов: маркировка подскажет точный уровень теплоотдачи.

Способы изучения параметров теплопроводности

При изучении теплопроводности учитывают зависимость технологии получения материала, его характеристики. Литые металлы сильно отличаются от материалов, полученных с помощью порошковой металлургии, а сырые материалы – от термически обработанных.

Все металлы имеют термическую нестабильность, поэтому под действием высоких температур их свойства меняются. Основная причина – рекристаллизация: ее уровень меняется во время долгой тепловой обработки. Поэтому для изучения свойств важно брать образцы в стандартном состоянии, желательно после обработки.

Один из основных методов – релаксационно-динамический. Его используют для массового измерения характеристик теплоемкости. Методика позволяет определить разницу температур образцов при их переходе из одного состояния в другое. Чтобы провести измерения, следует добиться температурного скачка, который происходит под действием энергии, выделяемой теплоисточником. Относительный способ учитывает разницу параметров сравнительного, изучаемого образца. Главное, чтобы у обоих образцов была единых размеров излучающая поверхность. Это поэтапное исследование: через определенные промежутки времени на металл действует температура. Для равномерного прогрева детали важно грамотно выбрать направление действия, шаг.

Разность скорости, с которой изменяется температура, – это соотношение теплопроводности. Во время исследования применяют больше источников тепла для подогрева образцов. При необходимости создают дополнительную термонагрузку на одну из деталей.

Для измерения теплопроводности применяют другие методы, которые подбирают в зависимости от геометрии, размера образцов:

• GHP – горячая охранная зона;


• ТСТ – горячая проволока;


• LFA – лазерная вспышка;


• HFM – тепловой поток.

Эти методы подходят для исследования сплавов, металлов, изучения коэффициентов их теплопроводности. Их используют при работе с минералокерамикой, огнеупорными материалами.

Все методы можно разделить на две большие группы:

• стационарный – достижение неизменной величины меняющейся температуры на изучаемой поверхности. Его осуществляют опытным путем, поэтому нужно много времени. Для исследования потребуется заготовка из изучаемого металла с плоской поверхностью. Образец кладут между охлажденной и прогретой поверхностью. Как только плоскости соприкасаются, исследователи засекают время, за которое увеличивается температура холодной опоры детали на градус по Кельвину. При расчете теплопроводности смотрят на габариты образца;


• нестационарный – результат редко получается объективным, поэтому метод применяют нечасто. В основе методики – частичное изменение температуры. Но сегодня вычислением коэффициентов занимаются только ученые. Все остальные любители, профессионалы ориентируются на выведенные данные. Если химический состав изделия не меняется, значение также остается прежним.

Заключение

Компания «ПрофБау» занимается обработкой металлов и оказывает ряд смежных услуг. Среди плюсов нашей компании:

• современное оборудование – гарантированный результат, безопасность для сотрудников;


• в наличии нужные материалы – вам не придется ждать, пока мы привезем все необходимое;


• оперативная работа – мы соблюдаем дедлайн, не нарушаем сроки;


• гарантия на все виды услуг – безопасная сделка;


• работники с большим опытом и хорошей квалификацией;


• работа с инновационными, традиционными методами.

Компания «ПрофБау» ценит каждого заказчика. На https://www.profbau.ru/services узнайте подробности об услугах. Оставляйте заявки для обратной связи, звоните по номеру +7 (495) 138-25-25. Будем рады ответить на ваши вопросы.