Що це? Теплопровідність металів визначається здатністю проводити тепло від більш нагрітих ділянок до менш прогрітих. Перенесення може здійснюватися молекулами, атомами та елементарними частинками.
Де використовується? Здатність металу передавати теплову енергію враховується в машинобудуванні, при виробництві побутових приладів, наприклад, під час виготовлення решіток радіаторів, кухонного посуду, елементів холодильних установок.
Металами називають хімічні елементи з кристалічною структурою, що мають низку відмінних властивостей, таких як ковкість, характерний блиск, висока електро- і теплопровідність. За значної температури вони нагріваються, стаючи текучими. Деякі з цих речовин плавляться при відносно невеликому нагріванні. Наприклад, шматочок олова або свинцю можна розплавити, потримавши над свічкою.
Для розплавлення інших використовують спеціальні печі. Щоб знизити температуру плавлення, до їхнього складу додають спеціальні компоненти, отримуючи більш плавні сполуки. У низки сортів сталі, бронзи, чавуну або латуні такий поріг значно нижчий, ніж у основного металу.
Розберемося, що визначає температуру плавлення. Усі метали і сплави мають тією чи іншою мірою теплоємність і теплопровідність. Чисельним вираженням здатності матеріалу поглинати теплоту слугує питома теплоємність, тобто кількість поглинаємої енергії на одиницю маси при нагріванні на 1 °С.
У більшої частини металів цей показник коливається в діапазоні від 300 до 400 Дж/(кг*К), а у сплавів може варіюватися від 100 до 2 000 Дж/(кг*К). Теплопровідністю визначається, зокрема, кількість палива, необхідного для плавки того чи іншого обсягу металу.
Теплопровідність металів описується законом Фур'є. Вона проявляється в передачі теплової енергії від атомів, молекул або електронів з більшою температурою до частин з меншою під час їхнього хаотичного руху. Величина цього показника залежить від агрегатного стану, структури та інших фізичних характеристик матеріалу.
Перенесення енергії (теплопровідність) у металах здійснюється електронами. В інших твердих тілах це явище відбувається за рахунок коливання атомів або молекул, що знаходяться у вузлах решітки, які називають фононами. У металів величина цього показника залежить від його кристалічної структури. Чим менше вона спотворена домішками, тим вища здатність до передачі тепла. Як уже згадувалося, для зниження теплопровідності до складу сплаву вводять легуючі елементи.
Усі метали вирізняються відносно високою теплопровідністю, але вона може суттєво різнитися у різних представників цієї групи. До тих, що добре проводять теплову енергію, належать золото, срібло і мідь. Дещо нижчий цей показник у олова, алюмінію і заліза.
Здатність проводити тепло може бути як позитивною, так і негативною характеристикою для застосування в тій чи іншій галузі. Наочно демонструє сказане приклад кухонного посуду. Якщо ручка сковороди виконана з металу з високою теплопровідністю, вона обпікатиме руки. А ось сковорідка повинна швидко нагрівати їжу до високої температури, тому її корпус зазвичай виготовляють з металу або сплаву, що добре проводить тепло.
Метали з низькою теплопровідністю зазвичай відрізняє висока концентрація домішок, які спотворюють кристалічну решітку і роблять структуру дрібнозернистою. Що менший розмір зерен, то гірше передається тепло. Дисперсна суміш різних фазових станів (евтектиків і евтектоїдів) у структурі металу знижує його здатність проводити теплову енергію порівняно з основою сплаву. Гранично низьку теплопровідність мають пористі матеріали і газ.
У довідкових матеріалах з теплопровідності різних металів особливе місце займають значення цього показника для різних сортів сталі.
Довідники містять розраховані й емпіричні дані, що стосуються основних типів сталі:
У таблицях зібрані значення теплопровідності металів при температурі в діапазоні від -263 °С до +1 200 °С. Спеціалізовані довідники містять усереднені дані для:
Під час виготовлення ланок і арматури для трубопроводів використовують низьковуглецеві сплави, що мають високу теплопровідність, яка коливається від 47 до 54 Вт/(м×К).
Для розрахунків, що стосуються різних кольорових, чорних металів та їхніх сплавів, під час проєктування користуються таблицями зі спеціальної довідкової літератури, де містяться значення, визначені при температурі від 0 до +600 °С.
Теплопровідність металів і сплавів:
Метали, які погано проводять теплову енергію, зокрема, сплави на основі олова використовують у нероз'ємних з'єднаннях.
За відносно високої вартості мідь вирізняють як переваги, так і пов'язані з ними недоліки. Висока питома теплопровідність цього металу зумовлює необхідність використання особливих технологічних прийомів. При термообробці мідних заготовок доводиться набагато точніше дотримуватися температурного режиму, ніж при роботі зі сталлю. Також часто потрібно нагрівати деталі перед обробкою або в процесі.
Під час укладання мідних труб важливо пам'ятати про теплоізоляцію, особливо під час облаштування опалювальних систем, що істотно підвищує вартість монтажу.
Не менш складне і газове зварювання деталей з міді. Щоб працювати з мідним листом завтовшки від 8 до 10 мм, знадобиться кілька пальників, з яких одним буде безпосередньо проводитися зварювання, а решта потрібні для підігріву. Крім того, для зварювання елементів з цього металу витрачається значно більше допоміжних матеріалів.
Обробка мідних заготовок пов'язана із застосуванням спеціалізованих інструментів і обладнання. Для різання латуні або міді товщиною в 1,5 см потрібен різак, яким можна працювати з хромованою сталлю. При обробці мідної заготовки такий інструмент впорається з товщиною не більше 0,5 см.
Опалювальні системи використовуються для того, щоб переносити в приміщення теплову енергію від теплоносіїв. З цією метою будівлі обладнують опалювальними радіаторами або батареями.
Опалювальні радіатори являють собою конструкцію для переміщення теплоносіїв. Головні характеристики таких елементів залежать від:
Ключовим параметром буде саме тепловіддача, яка визначає кількість теплової енергії, що передається опалювальною системою в приміщення. Чим цей показник нижчий, тим більші тепловтрати.
Користуючись спеціальною довідковою літературою, можна визначити матеріали, використання яких оптимальне для тих чи інших систем опалення. Вивчаючи дані, можна зробити висновок, що найефективніше працюватиме опалювальний радіатор із міді. Однак важливо пам'ятати, що її висока вартість і складності під час обробки зводять нанівець переваги цього металу. Саме з цієї причини застосування міді, як правило, недоцільне.
Як матеріал для виготовлення елементів опалювальних систем нерідко використовують сталеві або алюмінієві сплави. Також популярні поєднання різних металів. Біметалеві радіатори часто виконуються з алюмінію і сталі.
Маркування опалювальних батарей і радіаторів обов'язково містить вказівку потужності тепловіддачі.
Сучасний ринок систем опалення пропонує широкий вибір чавунних, сталевих, алюмінієвих і біметалевих радіаторів.
Вивчаючи теплопровідність різних металів, важливо враховувати залежність характеристик конкретних матеріалів від технології їх отримання. Так, литий метал за своїми параметрами завжди буде значно відрізнятися від матеріалів, для виготовлення яких використовувалися методи порошкової металургії. А сирий метал завжди докорінно змінює характеристики під час термічної обробки.
Практично всі метали тією чи іншою мірою мають термічну нестабільність, а отже, їхні властивості можуть змінюватися під впливом високої температури. Наприклад, причиною зміни параметрів теплопровідності може бути рекристалізація, рівень якої може по-різному змінюватися під час тривалої термообробки.
Зі сказаного можна зробити висновок про те, що для дослідження теплопровідних властивостей металу або сплаву слід брати зразки в певному стандартному стані, наприклад, після термічної обробки.
Також застосування для дослідження методів термічного аналізу вимагає подрібнення досліджуваного матеріалу. Ціла низка дослідницьких методик передбачає дотримання низки обов'язкових умов. Часто для вивчення необхідно використовувати спеціально виготовлені металеві пластини або виконати іншу підготовку зразків.
Багато обмежень при використанні теплових методів дослідження фізичних характеристик пов'язані з термічною нестабільністю металу, оскільки для аналізу зразок може піддаватися неодноразовому нагріванню протягом необхідного часу.
Нерідко для дослідження характеристик матеріалу використовують релаксаційно-динамічний метод, призначений для масового вимірювання параметрів теплоємності металу. Тут визначають температурні криві зразків під час їхнього переходу з одного стаціонарного стану в інший. Для проведення вимірювань у заготовках викликаються температурні стрибки під впливом енергії джерела тепла.
Це відносний метод, побудований на різниці параметрів випробуваного зразка з порівняльним. Необхідною умовою під час проведення випробувань є наявність в обох зразків випромінювальних поверхонь однакової площі. Під час дослідження на метал впливають ступінчасто мінливою температурою, на кожному етапі дотримуючись певних часових відрізків. Важливо підібрати крок і напрямок впливу, щоб домогтися максимально рівномірного прогрівання заготовок.
При вирівнюванні теплових потоків співвідношення теплопровідності визначається різницею швидкості зміни температури. Часто під час дослідження використовують додаткові джерела тепла, щоб підігрівати обидва зразки. Також можливе створення додаткових термічних навантажень на одну із заготовок.
Існуючі методики вимірювання параметрів теплопровідності (LFA, GHP, HFM і TCT) різняться розміром і геометрією досліджуваних зразків.
Ці абревіатури означають застосування:
Зазначеними методами досліджують метали і сплави, щоб визначити коефіцієнти їхньої теплопровідності. Також вони можуть бути застосовані для роботи з вогнетривкими матеріалами або мінералокерамікою.
Вкрай важливо брати до уваги коефіцієнт теплопровідності виробів, якщо їхня експлуатація передбачає можливий перегрів при взаємному терті. Завдяки здатності до відведення надлишкового тепла, здатного викликати перегрів і руйнування деталей, може бути істотно збільшений термін служби редукторів, шестерних передач, роздавальних валів і багатьох інших механізмів.
Знаючи особливість передачі тепла тими чи іншими матеріалами, можна вибрати для них оптимальну сферу застосування.
