У каждого металла есть ряд параметров, характеризующие его как материал. Их нужно учитывать при изготовления различных предметов, заготовок, повышения эксплуатационных характеристик. Один из главных параметров — теплопроводность металлов. Этот показатель учитывают производители при изготовлении термодатчиков, радиаторов, холодильных установок.
Определение и значение
Теплопроводность — способность материалов переносить энергию тепла от разогретых поверхностей к холодным участкам. Теплопроводящими могут быть жидкости, газы, твердые вещества. Это способность тела проводить тепловую энергию через себя, передавать ее другим предметам.
Коэффициент теплопроводности — величина, равняющаяся количеству теплоты, которая переносится через определенную площадь поверхности за 1 секунду.
Впервые этот параметр был установлен в 1863 году. Ученые доказали, что передача теплоты осуществляется за счет движения свободных электронов. В металлических заготовках их больше, чем в предметах из другим материалов.
Какие факторы влияют на показатель?
Чтобы понять, как повысить или понизить показатель разных видов металла, нужно знать какие факторы влияют на этот параметр:
- размеры изделия, площадь поверхности;
- форму заготовки;
- химический состав;
- пористость материала;
- вид материала;
- изменение температуры воздействия.
Также внимание нужно уделить строению кристаллической решетки.
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.
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.
Можно ли повысить показатель?
Ученые провели эксперимент по увеличение параметра с использованием графена. Они наносили слой графена на медные поверхности. Для этого применялась технология осаждения графеновых частиц из газа.
Показатель теплопроводности медной заготовки увеличился, поскольку зерна в структуре стали больше. Благодаря этому повысилась проходимость свободных электронов. При нагревании меди без графенового напыления размер зерен не был увеличен.
Также внимание нужно уделить влиянию концентрации углерода на показатель. У стали с высоким содержанием углерода он выше. Благодаря этому из высокоуглеродистой стали изготавливаются трубы, запорная арматура.
Методы изучения и измерения
Прежде чем начинать изучение и измерение показателя теплопроводности нужно выбрать материал, узнать технологию его какой технологии получения. Например, металлические заготовки одинакового размера, формы, изготовленные литьем или порошковой металлургии будут отличаться основными параметрами. То же самое касается сырых металлов в сравнении с тем, которые прошли термическую обработку.
Чтобы получить точные данные, нужно выбирать заготовки прошедшие одинаковые этапы обработки. Они должны быть одного размера, формы, похожи по химическому составу.
Специалисты выделяют ряд актуальных методик измерения коэффициента теплопроводности, применяемыми предприятиями:
- TCT (Методика разогретой проволоки).
- HFM (Методика теплового потока).
- GHP (Технология раскаленной охранной зоны).
- Релакционно-динамический способ. С его помощью проводятся массовые измерения технических характеристик. При измерении нужно выбирать заготовки с одинаковой отражающей способностью поверхностей.
При изготовлении различных предметов, деталей, оборудования из металла, специалисты учитывают отдельные технические характеристики. Например, при производстве теплообменников, радиаторов, систем охлаждения, нагрева воды, главный параметр — коэффициент теплопроводности. На него влияет химическое строение материала, кристаллическая решетка, пористость, форма, размеры заготовки.
