Теплопроводность металлов

Теплопроводность металлов во многом определяет, какими свойствами они станут обладать. Предметы способны к передаче температуры соприкасающихся с ними объектов, однако теплоотдача обусловлена конкретным видом материала.

Теплопроводность металлов – что это?

Под теплопроводностью понимают перенос тепловой энергии металлами к холодным областям от горячих. Он зависит от агрегатного состояния вещества, при участии которого осуществляется такой процесс.

Благодаря этому свойству можно пользоваться определенными материалами при производстве оборудования, узлов. Владея знаниями о теплопроводности, можно выполнять разнообразные производственные задачи.

Разница между теплопроводностью и теплоемкостью

Металлы являются химическими элементами, характеризующимися:

• электро-, теплопроводностью;
• нагреванием, текучестью при высокой t;
• ковкостью;
• блеском.

Чтобы усилить способность металлов к плавлению, в изначальный состав можно вводить специальные добавки.

Показатели, определяющие температурный уровень, необходимый для плавления:

Нужно учитывать, что теплопроводность и термическое сопротивление не являются одинаковыми понятиями. Сопротивление представляет собой имеющуюся у тела способность не позволять совершаемому молекулами термическому колебанию распространяться далее.

Что влияет на показатель теплопроводности

Для возникновения у металлов теплопроводности требуется участие электронов. Для остальных твердых тел их функции выполняют фононы. Величина показателя определяется кристаллической структурой материала (теплопроводность возрастает по мере уменьшения количества примесей).

Высокая теплопроводность свойственна основной массе химических элементов. Конкретные показатели определяются принадлежностью материала к той или иной группе. Наиболее теплопроводными являются медь и благородные металлы (золото, серебро), наименьший уровень у железа, алюминия, олова.

Высокая теплопроводность не может рассматриваться как несомненный плюс. Например, посуда для приготовления пищи, изготовленная из металлов с высокой теплопроводностью, ускоряет процесс готовки, но обжигает при случайном касании рукой.

Для материалов с незначительной теплопроводностью характерен крупный объем примесей, что делает их структуру мелкозернистой, провоцирует деформацию кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности металлов

Представляет собой количество теплоты, переносимое за секундный интервал через единицу поверхности. Теплота может передаваться благодаря многочисленным свободным электронам, присущим металлу.

Работая с металлами, отталкиваются от коэффициентов их теплопроводности. В условиях t от 0 до 600 градусов удалось установить следующие значения:

Помимо строения материала, на коэффициент теплопроводности влияет его влажность и наличие пор.

Обращать внимание на коэффициент следует в процессе выбора изделий, которые станут использоваться для несущих конструкций — стен, перекрытий, ограждений. Например, если в основе стены окажется высокотеплопроводный материал, зимой не удастся сохранять тепло в помещении. Исправить подобную ситуацию можно при помощи утолщенных стен, однако подобное решение слишком затратное. Гораздо разумнее делать ограждающие конструкции с применением пенопласта или минеральной ваты, характеризующихся низкой теплопроводностью.

Теплопроводность сплавов меди

Такой широко применяемый элемент, как медь, обладает высокой теплопроводностью. Ему свойственны как преимущества, так и некоторые минусы:

1. При работе с этим металлом особо важен температурный режим (больше, чем для стали). Медные элементы нужно нагревать перед и в процессе обработки.
2. Осуществляя монтажные работы с трубами из меди, нужно уделять внимание теплоизоляции. Это повышает стоимость отопительной системы.
3. Когда сваривают медные элементы, возникают некоторые сложности. Обрабатывая лист 10-миллиметровой толщины, нужно использовать горелку как для подогрева, так и для сварки.
4. Работа с деталями из меди требует специального оснащения. Так, инструмент, способный резать лист латуни в 1,5 см, подойдет для медного аналога не толще 0,5 см.
5. Сварка медных составляющих предусматривает использование большого количества вспомогательных материалов.

Исследователи из других стран выяснили, как можно повысить теплопроводность медного сплава. С этой целью учеными применялись медные пленки, содержащие в верхней части графен. Во время нагрева медного элемента возросла его зернистость и, следовательно, проходимость электронов (при отсутствии графена подобного не наблюдалось). Удалось подтвердить, что при наличии графенового напыления тепло отводится медью более эффективно.

Теплопроводность стали

Сведения о стойких к жару и коррозии разновидностях стали в условиях t от –263 до +1200 градусов:

Сфера применения

Показатели теплопроводности важны при производстве многих товаров народного потребления – бытовой техники, сантехнических конструкций, отопительных приборов и др.:

• медь используют при создании охлаждающих автомобильных систем, различных моделей кондиционеров;
• алюминий становится основой для производства радиаторов, обогревающих жилые и производственные помещения;
• чугун, сохраняющий тепло даже при непостоянном поступлении нагретой воды, выступает главным материалом для изготовления батарей.

Учитывать теплопроводность металлов необходимо также по причине повышения температурного показателя в процессе контакта между их поверхностями. Способность редуктора и оборудования отводить тепло сохраняет механизмы прочными, препятствует их разрушению.

Учет коэффициентов в отопительных системах

От систем отопления требуется переносить внутрь зданий производимое теплоносителем тепло. Это обеспечивается благодаря установке в помещениях отопительных радиаторов, батарей.

На характеристики таких изделий влияют:

• свойства материала;
• особенности конструкции;
• размеры, число секций;
• уровень способности к теплоотдаче.

Наиболее качественным считается отопительный радиатор из меди, однако такое решение непрактично, поскольку обладает высокой ценой и требует проведения сложной обработки. В большинстве случаев при изготовлении составляющих для систем отопления задействуют сталь, алюминий или комбинацию оптимально сочетающихся материалов (такой подход особенно актуален для биметаллических радиаторов).

Способы изучения параметров теплопроводности

Металлы термически нестабильны, склонны менять свои свойства под влиянием повышенной температуры. Такое явление обусловлено рекристаллизацией, меняющейся при продолжительном воздействии теплом. Поэтому, чтобы изучать свойства, целесообразно пользоваться образцами металлов, уже прошедшими обработку и находящимися в стабильном состоянии.

В основном применяют релаксационно-динамический метод, позволяющий измерить разницу температур при переходе образцов из исходного состояния в новое. Для выполнения измерений обеспечивают скачок температуры, к которому приводит поступающая из теплоисточника энергия. При использовании относительного способа принимается во внимание разница параметров образцов (изучаемого, сравнительного).

Соотношение теплопроводности – это разность скорости, с которой происходит изменение температуры. Проводя исследование, увеличивают численность источников тепла, позволяющих подогревать образцы. Если требуется, на какой-либо из элементов обеспечивается дополнительная термонагрузка.

Чтобы рассчитать теплопроводность, пользуются и другими методами, подбираемыми с учетом величины и геометрии образцов:

• HFM (тепловой поток);
• GHP (горячая охранная зона);
• ТСТ (горячая проволока);
• LFA (лазерная вспышка).

Перечисленные выше методы позволяют исследовать металлы, сплавы, изучать коэффициенты присущей им теплопроводности. Такие подходы актуальны при выполнении работ с обладающими огнеупорностью материалами, минералокерамикой.

Методы представлены двумя крупными группами – стационарными и нестационарными. При использовании первого варианта устойчивый показатель меняющейся температуры достигается на исследуемой поверхности. Для проведения таких опытов нужны значительные временные затраты. Второе решение применяют реже, поскольку результат не всегда объективен. Данный подход основан на частичном изменении температурного показателя.

Компания «Технологии приборостроения» осуществляет профессиональную обработку различных видов металлов, сплавов и неметаллических материалов с разными коэффициентами теплопроводности. Среди наиболее значимых преимуществ сотрудничества с нами:

• применение передового оснащения, гарантирующего нужный результат;
• работа грамотных, ответственных профессионалов;
• использование ведущих мировых инноваций и традиционных подходов;
• оперативность, точное соблюдение сроков;
• гарантия на оказываемые услуги;
• выгодные расценки.

Чтобы заказать услугу, свяжитесь с нами по телефону или заполните форму заявки на сайте. Наши менеджеры всегда готовы ответить на возникшие вопросы.