Теплопроводность графита и меди - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Теплопроводность графита и меди

Физические свойства углерода C (графита). Теплопроводность графита

Физические свойства графита при температуре от 20 до 800 °С

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.

Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

  • теплопроводность графита, Вт/(м·град);
  • сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
  • модуль упругости графита, МН/м 2 ;
  • удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
  • коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

  • коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
  • удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Теплопроводность графита в зависимости от плотности

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Теплопроводность графита в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается.

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .

Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости

В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе ламповой сажи.
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

Теплопроводность графита и меди

text-align:center;line-height:normal”>
“За статью проголосовало 559 человек”

text-align:center;line-height:normal”>
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГРАФИТОВОГО ЭЛЕКТРОДА

text-align:right;line-height:normal”>
Кузьменко Никита Андреевич

text-align:right;line-height:normal”>
Самофалов Дмитрий Сергеевич

text-align:right;line-height:normal”>
Акульшина Ирина Игоревна

text-align:right;line-height:normal”>
студенты кафедры ММ СТИ НИТУ МИСиС, РФ, г. Старый Оскол

text-align:right;line-height:normal”>
Тимофеева Анна Стефановна

text-align:right;line-height:normal”>
научный руководитель, канд. техн. наук, доцент каф. ММ СТИ НИТУ МИСиС, РФ, г. Старый Оскол

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
В настоящее время имеет широкое распространение такая отрасль промышленности как электрометаллургия. Одним из агрегатов, выплавляющим сталь является дуговая сталеплавильная печь. Доля выплавленной в мире электростали с каждым годом возрастает. Рост связан как с увеличением количества печей так и с их вместимостью. Расплавление шихты в этом металлургическом агрегате происходит за счет электрической энергии, которая подается на электроды, находящиеся в рабочем пространстве печи. При прохождении по электродам тока между ними возникает дуговой разряд. Электрическая дуга горит непрерывно в процессе плавки и имеет температуру порядка 6000 °С [1, с. 442] в виду чего выделяется большое количество тепла в рабочее пространство печи и происходит расплавление шихтовых материалов. Работа электродов происходит в тяжелейших условиях высоких температур. Поэтому в электропечах применяют неметаллические графитовые электроды.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Графитовые электроды имеют цилиндрическую форму. Их получают путем спекания смеси из пекового кокса, термоантрацита, коксика, графитированных отходов, каменноугольного пека и каменноугольной смолы с последующей графитизацией при температуре 2700—2900 ◦ С в течение 100 и более часов, после чего они приобретают необходимые свойства которые являются различными у разных электродов.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
К графитовым электродам предъявляются следующие требования:

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
1. Низкая теплопроводность.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙К)) является физическим параметром, характеризующим способность тела проводить теплоту или интенсивность переноса теплопроводности в веществе и в общем случае зависит от температуры, количества подводимого или отводимого теплоты, давления, пористости, влажности и рода вещества. Значения коэффициента теплопроводности вещества необходимо для аналитического описания процесса теплопроводности в нем.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Нами были выточены из остатков, действующих на производстве электродов экспериментальные графитовые электроды длиной 200мм и диаметром 35мм (рис. 1).

text-align:center;line-height:150%”>

text-align:center;line-height:normal”>
Рисунок 1. Экспериментальные электроды для определения свойств графита

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Определение теплопроводности проводилось с использованием метода динамического λ — калориметра на приборе ИТ- λ-400 (рис. 2).

Читайте также:  Как отличить медь от других металлов

text-align:center;line-height:150%”>

text-align:center;line-height:normal”>
Рисунок 2. Прибор для измерения теплопроводности ИТ-λ-400

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
В основе работы прибора лежит процесс монотонного нагрева образца и фиксации перепада температуры.

line-height:150%”>
В данной работе исследовали влияние температуры (от 25 0 С до 225 0 С) графита на электропроводность. Для определения теплопроводности и теплоемкости изготовлены цилиндрики из графита (по инструкции к прибору) размерами: H=8 мм D=15 мм.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Для определения тепловой проводимости тепломера Кт провели серию экспериментов с образцом из стекла из кварца марки КВ ГОСТ 15130-69 и определили проводимость по следующей формуле:

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
(1)

justify;line-height:150%”>
где: П — перепад температуры на образце, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Пт — перепад температуры на рабочем слое тепломера,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
мкВ;λкв — коэффициент теплопроводности образца из кварца,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Вт/(м·К); hкв — высота образца из кварца, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
S — площадь контакта,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
м;σс поправка учитывающая теплоемкость испытуемого образца, рассчитываемая по формуле 2.

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
(2)

justify;line-height:150%”>
где: С — полная теплоемкость испытуемого образца из кварца, Дж/К;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Сс— полная теплоемкость стержня тепломера

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Данные, полученные при измерении приведены в таблице 1.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Зная тепловую проводимость тепломера, можно провести расчет теплового сопротивления тепломера Rк. При определении теплового сопротивления провели ряд экспериментов с образцом из меди. Расчет проводили по формуле 3:

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
(3)

justify;line-height:150%”>
где: П — перепад температуры на образце, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Пт — перепад температуры на рабочем слое тепломера, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
λм — коэффициент теплопроводности образца из меди, Вт/(м·К);

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
hм — высота образца из меди, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
S — площадь контакта, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
σс поправка учитывающая теплоемкость испытуемого образца, рассчитываемая по формуле 2;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Кт— тепловая проводимость тепломера рассчитанная по формуле 1.

text-align:center;line-height:normal”>
Определение тепловой проводимости тепломера КТ

text-align:center;line-height:normal”>
П, мкВ

text-align:center;line-height:normal”>
Пt, мкВ

text-align:center;line-height:normal”>
λкв, Вт/(м·К)

text-align:center;line-height:normal”>
С(t), Дж/(кг·К)

text-align:center;line-height:normal”>
См(t), Вт/(кг·К)

Графитовый термоинтерфейс от Panasonic

Силовые модули, такие как IGBT транзисторные сборки, диодные и тиристорные модули, имеют высокое тепловыделение. Для отвода тепла традиционно используются радиаторы, которые часто оказываются самыми габаритными изделиями силового блока. Кроме того, модули обычно монтируются на радиатор с помощью термопасты, которая не только не обеспечивает электроизоляцию, но и вызывает проблемы при обслуживании и демонтаже.

Компания Panasonic Industrial разработала инновационное решение — искусственный графитовый материал PGS, который обеспечивает теплоотвод с эффективностью в 8 раз превышающей алюминиевые и в 5 раз медные радиаторы — от 400 до 1950 Вт/(м*К). Но не спешите удивляться высокой эффективности. Кроме этого новый материал сверхлегкий, сверхплоский (до 10мкм), может гнуться и вырезаться под компонент любого размера. Теплоотвод осуществляется как в проекции X-Y, так и Z. Другими словами, обычные материалы отводят тепло (передают от источника нагрева к радиатору), а PGS листы рассеивают его.

Однако любой теплоотвод имеет свои ограничения. Они есть и у PGS пленки. Это анизотропный материал, который отлично проводит тепло в проекции X-Y, а вот по оси Z его теплопередача составляет всего лишь 20 Вт. Он сделан из высокоориентированной графитовой полимерной пленки, чья структура близка к одиночному кристаллу. Шестигранная структура кристалла графита унифицировано расположена в 2D структуре. Материал идеально подходит для использования в качестве радиаторов и теплоизоляторов в тех приложениях, где использование стандартных радиаторов невозможно по причине их больших габаритных размеров. Кроме того, его можно использовать в качестве дополнительного средства теплоотвода наряду со стандартными компонентами. Материал является гибким, поэтому из него можно вырезать объект любой требуемой формы. Основными преимуществами PGS материала являются низкое термосопротивление, высокая теплопроводность и простота применения.

Материал

Искусственные гибкие графитовые листы были разработаны компанией Panasonic, за это изобретение компания была удостоена нескольких премий, в частности, Inchimura-Industrial Award, Okochi-Memorial Award и др. В основе материала лежит обычный углерод, который представлен в природе в виде алмаза, графита или углеродной сажи. Пиролитический графит образуется в процессе спекания, полимерная пленка нагревается до состояния расщепления в камере без доступа воздуха. Первый обжиг преобразует полимер в углерод, второй обжиг образует шестиугольную углеродистую цепочку графита.

Искусственный графит отличается малым весом, высокой стабильностью и стойкостью к воздействиям окружающей среды..

Кристаллическая решетка графита организована по плоскостному принципу, шестиугольные ячейки атомов находятся в одной плоскости, что делает структуру слоистой. Отсюда вытекает мягкость материала, обеспечивающая конформность термопрокладки.

Еще одна положительная черта искусственного графита — он не выделяет силоксан при нагреве. Этим «страдают» кремнийорганические материалы (стандартные силиконовые прокладки), поэтому по международным стандартам они запрещены к применению в медицинской и оптической промышленности, а также при работе с датчиками. Мы уже упомянули, что разработка искусственного графита позволило добавить материалу свойства электроизолятора. Дополнительным «бонусом» применения графитовых подложек является и экранирование от электромагнитных помех.

Теплопроводность

Параметры теплопроводности графитового материала не могут не удивлять, от 400 до 1860 Вт/м*К. Помимо теплопроводности, материал обладает и хорошей скоростью как передачи тепла, так и охлаждения.

Сравнение теплопроводности алюминия, меди и PGS-листов

Другой эксперимент показывает рассеивание тепла тех же материалов: PGS, меди и алюминия. Здесь наглядно видно, что графитовые листы более равномерно распределяют тепло по всему радиатору, защищая источник тепла от перегрева.

Для тестов использовался резистивный элемент 12Вт на радиаторе 90×90мм

Термосопротивление

Термосопротивление показывает степень «непроводимости» тепла материалом. Материалы с более низким термосопротивлением будут более эффективно отводить тепло. Термосопротивление графитового материала лучше традиционной теплопроводной пасты, даже при наличии у него ламинирующего и клеевого слоя. Измерения проводились на тестере термоинтерфейсов TIM Tester (производитель ANALYSIS TECH, стандарт ASTMD5470). Типичный уровень термосопротивления составляет 0.2K•см.кв /Вт (при приложенном давлении 600 кПа). Принципиальное значение для эффективной работы термоинтерфейса имеет приложенное давление, поэтому материал должен использоваться только как прокладка для винтового крепления силового модуля к радиатору или корпусу. Коэффициент сжатия термоинтерфейса составляет 40%. Максимальная эффективность подложек достигается при максимальном сжатии.

Другой важный момент — долговременная стабильность термосопротивления. Графитовый материал Panasonic показывает стабильно низкое термосопротивление во всем периоде эксплуатации. Многим инженерам известна такая ситуация: металлические пластины силовых модулей при нагреве расширяются и сжимаются при охлаждении, при этом происходит «выдавливание» пасты за пределы подложки. При охлаждении модуля паста не занимает образовавшиеся пустоты, в результате чего ее термосопротивление в процессе эксплуатации значительно ухудшается.

В таблице приводятся результаты тестов после 120 циклов термоциклирования от −40 до +100С

Теплопроводящий материалПервоначальное состояниеПосле 120 циклов термоциклирования
Паста
PGS материал

Эксплуатационные характеристики

PGS материал от Panasonic удобен в монтаже и логистике. В отличие от пасты, он выпускается в листовом исполнении и легче подлежит складскому учету. Также графитовые листы удобны в случае ремонта или обслуживания силового блока. Модуль можно демонтировать, а затем повторно установить на ту же подложку. Кроме того, рабочий диапазон температур данного материала можно признать максимально широким среди всех термоматериалов, от −50 до +400°С.

Читайте также:  Страны лидеры по запасам медной руды

Также графитовые листы отличаются высокой гибкостью, что позволяет их использовать на поверхностях с любым рельефом. Сгибание материала не отражается на его теплопроводных свойствах.

Эластичность или конформность

Искусственный графит нельзя в полной мере назвать конформным материалом (т.е. материалом, который заполняет все неровности поверхности). Для его монтажа в любом случае требуется прижим, винтовое крепление или зажим. Это обеспечит защиту от воздушных ям. Графитовые теплопроводящие интерфейсы выпускаются в двух модификациях: стандартные (EYGA) и мягкие (EYGS). Преимущество мягких материалов заключается в их способности эффективно работать даже с неровными поверхностями. При винтовом зажиме материал равномерно распределяется внутри полости, обеспечивая максимальный отвод тепла. Кроме того, материал является очень гибким. Он допускает более 100 тысяч циклов сгибания на угол 90 градусов (при радиусе сгиба 5мм). При увеличении угла сгиба или уменьшении радиуса сгиба количество циклов может уменьшаться до 3000 минимум.

Модельный ряд

Искусственный графит, как и любой другой теплопроводящий материал, обладает некоторыми недостатками, например, электропроводностью или плохой конформностью (способностью заполнять неровности рельефа). Для минимизации влияния этих недостатков выпускаются различные модификации графитовых подложек:

  • стандартные EYGA
  • повышенной мягкости EYGS
  • с эластомером EYGE

Кроме того, подложки стандартного исполнения выпускаются с различными дополнительными верхними и нижними слоями: на клеевой акриловой основе (суффиксы -А, -М, -F), с ламинирующим слоем из полиэстера (суффиксы -P, -D), с высокотемпературными защитными слоями (суффикс -V).

Толщина, МКМ101725405070100
Теплопроводность, ВТ/МКX-Y190017501600135013001000700
Z10111820202026
Термодиффузия, КВ.СМ/C10-1210-119-109-108-108-108-10
ПлотностьЛ, Г/КУБ.СМ2.132.101.951.801.701.210.85
Удельная теплоемкость при 50С0.850.850.850.850.850.850.85
Термосопротивление, °С400400400400400400400
Сила прижатия, МПАX-Y40403025202020
Z0.10.10.10.40.40.40.4
Тест на сгибание, R5/180°, РАЗ30000 и более
Электропроводность, С/СМ20000

Особенности применения

Графитовые термоинтерфейсы не отличаются стойкостью к химическим воздействиям, поэтому на них не должны попадать растворители, соленая вода, газы, а также прямые солнечные лучи. Также не рекомендуется дотрагиваться до прокладок в рабочем состоянии, это может привести к ожогу. Кроме того, графитовый материал не стоек к механическим воздействиям, поэтому следует избегать царапин и соприкосновения с трущимися поверхностями.

Следующим важным моментом является правильность ориентирования термолистов. Напомним, что искусственный графит является анизотропным материалом и хорошо проводит тепло по X-Y оси и плохо по Z оси.

Стандартные графитовые листы серии EYGA используются в нагревателях сидений, подогреве руля, серверных стойках центров обработки данных. Листы на мягкой компрессионной основе EYGS получили широкое применение для теплоотвода силовых модулей.

При использовании материала в силовой электронике инженеры компании Panasonic предлагают удобный инструмент для подбора оптимального термоинтерфейса в зависимости от типа используемого силового модуля (доступны производители Mitsubishi, Semikron, Fuji, Infineon, Hitachi, Littlefuse).

Мягкие термоинтерфейсы EYGS выпускаются как в стандартных листах, так и уже готовыми для применения под конкретные модули, в этом случае подложки имеют винтовые отверстия (от 2 до 12) различного диаметра.

Источник: Компания «ПЛАТАН»

Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди

Перед тем как работать с различными металлами и сплавами, следует изучить всю информацию, касающуюся их основных характеристик. Сталь является самым распространенным металлом и применяется в различных отраслях промышленности. Важным ее показателем можно назвать теплопроводность, которая варьируется в широком диапазоне, зависит от химического состава материала и многих других показателей.

Что такое теплопроводность

Данный термин означает способность различных материалов к обмену энергией, которая в этом случае представлена теплом. При этом передача энергии проходит от более нагретой части к холодной и происходит за счет:

  1. Молекул.
  2. Атомов.
  3. Электронов и других частиц структуры металла.

Теплопроводность нержавеющей стали будет существенно отличаться от аналогичного показателя другого металла — например, коэффициент теплопроводности меди будет иным, нежели у стали.

Для обозначения этого показателя используется специальная величина, именуемая коэффициентом теплопроводности. Она характеризуется количеством теплоты, которое может пройти через материал за определенную единицу времени.

Показатели для стали

Теплопроводность может существенно отличаться в зависимости от химического состава металла. Коэффициент данной величины у стали и меди будет разным. Кроме этого, при повышении или уменьшении концентрации углерода изменяется и рассматриваемый показатель.

Существуют и другие особенности теплопроводности:

  1. Для стали, которая не имеет примесей, значение составляет 70 Вт/(м* К).
  2. У углеродистых и высоколегированных сталей проводимость намного ниже. За счет увеличения концентрации примесей она существенно снижается.
  3. Само термическое воздействие также может оказывать воздействие на структуру металла. Как правило, после нагрева структура меняет значение проводимости, что связано с изменением кристаллической решетки.

Коэффициент теплопроводности алюминия значительно выше, что связано с более низкой плотностью этого материала. Теплопроводность латуни также отличается от соответствующего показателя стали.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

  1. Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
  2. Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
  3. У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

  1. При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях. При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю.
  2. При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод. Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии.
  3. При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.
Читайте также:  Самодельная газовая горелка для пайки меди

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов – один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector