Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 января 2022 года; проверки требуют 7 правок.
Молекулы имеют внутреннюю структуру, образованную атомами, которые могут совершать колебания внутри молекул. Кинетическая энергия, запасённая в этих колебаниях, отвечает не только за температуру вещества, но и за его теплоёмкость
Уде́льная теплоёмкость — это отношение теплоёмкости к массе, теплоёмкость единичной массы вещества (разная для различных веществ); физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу[1].
В Международной системе единиц (СИ) удельная теплоёмкость измеряется в джоулях на килограмм на кельвин, Дж/(кг·К)[2]. Иногда используются и внесистемные единицы: калория/(кг·°C) и т. д.
Удельная теплоёмкость обычно обозначается буквами c или С, часто с индексами.
На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C. Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объёме (CV), вообще говоря, различны.
Формула расчёта удельной теплоёмкости:
где
- c — удельная теплоёмкость(от лат. capacite – емкость, вместимость),
- Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении),
- m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества,
- ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.
Удельная теплоёмкость зависит от температуры, поэтому более корректной является следующая формула с малыми (формально бесконечно малыми) 
Значения удельной теплоёмкости некоторых веществ[править | править код]
Приведены значения удельной теплоёмкости при постоянном давлении (Cp).
| Вещество | Агрегатное состояние |
Удельная теплоёмкость, кДж/(кг·K) |
|---|---|---|
| Водород | газ | 14,304[3] |
| Аммиак | газ | 4,359—5,475 |
| Гелий | газ | 5,193[3] |
| Вода (300 К, 27 °C) | жидкость | 4,1806[4] |
| Литий | твёрдое тело | 3,582[3] |
| Этанол | жидкость | 2,438[5] |
| Лёд (273 К, 0 °C) | твёрдое тело | 2,11[6] |
| Водяной пар (373 К, 100 °C) | газ | 2,0784[4] |
| Нефтяные масла | жидкость | 1,670—2,010 |
| Бериллий | твёрдое тело | 1,825[3] |
| Азот | газ | 1,040[3] |
| Воздух (100 % влажность) | газ | 1,030 |
| Воздух (сухой, 300 К, 27 °C) | газ | 1,007[7] |
| Кислород (O2) | газ | 0,918[3] |
| Алюминий | твёрдое тело | 0,897[3] |
| Графит | твёрдое тело | 0,709[3] |
| Стекло кварцевое | твёрдое тело | 0,703 |
| Чугун | твёрдое тело | 0,554[8] |
| Алмаз | твёрдое тело | 0,502 |
| Сталь | твёрдое тело | 0,468[8] |
| Железо | твёрдое тело | 0,449[3] |
| Медь | твёрдое тело | 0,385[3] |
| Латунь | твёрдое тело | |
| Молибден | твёрдое тело | 0,251[3] |
| Олово (белое) | твёрдое тело | 0,227[3] |
| Ртуть | жидкость | 0,140[3] |
| Вольфрам | твёрдое тело | 0,132[3] |
| Свинец | твёрдое тело | 0,130[3] |
| Золото | твёрдое тело | 0,129[3] |
| Значения приведены для стандартных условий (T = +25 °C, P = 100 кПа), если это не оговорено особо. |
| Вещество | Удельная теплоёмкость кДж/(кг·K) |
|---|---|
| Древесина | 1,700 |
| Гипс | 1,090 |
| Асфальт | 0,920 |
| Талькохлорит | 0,980 |
| Бетон | 0,880 |
| Мрамор, слюда | 0,880 |
| Стекло оконное | 0,840 |
| Кирпич керамический красный | 0,840—0,880[10] |
| Кирпич силикатный | 0,750—0,840[10] |
| Песок | 0,835 |
| Почва | 0,800 |
| Гранит | 0,790 |
| Стекло кронглас | 0,670 |
| Стекло флинт | 0,503 |
| Сталь | 0,470 |
См. также[править | править код]
- Теплоёмкость
- Объёмная теплоёмкость
- Молярная теплоёмкость
- Теплоёмкость идеального газа
Примечания[править | править код]
- ↑ Для неоднородного (по химическому составу) образца удельная теплоемкость является дифференциальной характеристикой
, меняющейся от точки к точке. Зависит она в принципе и от температуры (хотя во многих случаях изменяется достаточно слабо при достаточно больших изменениях температуры), при этом строго говоря определяется — вслед за теплоёмкостью — как дифференциальная величина и по температурной оси, то есть строго говоря следует рассматривать изменение температуры в определении удельной теплоёмкости не на один градус (тем более не на какую-то более крупную единицу температуры), а на малое
- ↑ Кельвины (К) здесь можно заменять на градусы Цельсия (°C), поскольку эти температурные шкалы (абсолютная и шкала Цельсия) отличаются друг от друга лишь начальной точкой, но не величиной единицы измерения.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — P. 4-135. — 2828 p. — ISBN 1420090844.
- ↑ 1 2 CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — P. 6-2. — 2828 p. — ISBN 1420090844.
- ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — P. 15-17. — 2828 p. — ISBN 1420090844.
- ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — P. 6-12. — 2828 p. — ISBN 1420090844.
- ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — P. 6-17. — 2828 p. — ISBN 1420090844.
- ↑ 1 2 3 Paul Evans. Specific heat capacity of materials (англ.). The Engineering Mindset (16 октября 2016). Дата обращения: 14 июля 2019. Архивировано 14 июля 2019 года.
- ↑ Spezifische_Wärmekapazität. www.chemie.de. Дата обращения: 29 июня 2021. Архивировано 29 июня 2021 года.
- ↑ 1 2 Плотность и удельная теплоемкость кирпича: таблица значений Архивная копия от 22 марта 2019 на Wayback Machine.
Литература[править | править код]
- Таблицы физических величин. Справочник, под ред. И. К. Кикоина, М., 1976.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика.
- Лифшиц E. М. Теплоёмкость // под. ред. А. М. Прохорова Физическая энциклопедия. — М.: «Советская энциклопедия», 1998. — Т. 2.
Удельная теплоемкость чугуна
В таблице представлены значения средней удельной теплоемкости чугуна и энтальпия (теплосодержание) серых чугунов различного состава в зависимости от температуры.
Теплоемкость чугуна выражена в кДж/(кг·град) и указана в диапазоне от 100 до 1350°С.
Из таблицы видно, что с повышением температуры значения массовой теплоемкости чугуна и его энтальпия возрастают.
То же можно сказать и про энтальпию серых чугунов. Значения удельной теплоемкости чугунов и их энтальпия имеют различие в зависимости от состава чугуна. Например, при температуре 200°С теплоемкость чугуна в зависимости от состава изменяется от 290,1 до 460,5 Дж/(кг·град). При нагревании чугуна до температуры 1300°С эта величина увеличивается и становится равной 800…900 Дж/(кг·град).
Теплопроводность чугуна
В таблице даны значения теплопроводности чугуна в зависимости от температуры и состава. Также указана теплопроводность жидкого чугуна при температуре 1400°С.
Представлены значения теплопроводности для следующих марок чугуна: обыкновенный чугун, чугун молибденохромистый, молибденовый, хромоникелевый, марганцевоникелевый, чугун никельрезист, никросилал, хромоалюминиевый, медистый, обыкновенный чистый, серый чугун, отожженый ковкий чугун, жидкий чугун.
Теплопроводность чугуна дана в зависимости от температуры в диапазоне от 0 до 400°С. По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность чугуна уменьшается. Значения теплопроводности чугуна распространенных марок указаны также в этой таблице.
Плотность чугуна, температура плавления и коэффициент линейного расширения
В таблице представлена плотность чугуна различных сортов, а также температура плавления чугуна и его коэффициент теплового линейного расширения (КТлР).
Следует отметить что плотность чугуна в зависимости от сорта находится в диапазоне от 6600 до 7700 кг/м3. Температура плавления чугуна составляет от 1095 до 1315°С, а его КТлР от 10,5 до 18·10-6 1/град.
| Плотность чугуна, кг/м3 | |
|---|---|
| Серый чугун наименее плотный высокоуглеродистый | 6600-6950 |
| Серый чугун обычный средней плотности | 7000-7300 |
| Высококачественный чугун малоуглеродистый | 7400-7500 |
| Жаростойкий, жаропрочный | 7500-7600 |
| Чугун высоколегированный аустенитного класса | 7500-7700 |
| Температура плавления чугуна, °С | |
| Обычный серый чугун | 1095-1315 |
| Жаростойкий чугун | 1300 |
| Коэффициент линейного расширения чугуна (КТлР), 1/град | |
| Обычный серый при температуре 20…450°С | 10,5·10-6 |
| Обычный серый при температуре 20…750°С | 14·10-6 |
| Высоколегированный аустенитного класса при температуре 20…150°С | (16…18)·10-6 |
| Жаростойкий чугун при температуре 20…250°С | 16,7·10-6 |
| Жаростойкий чугун при температуре 250…750°С | 17,6·10-6 |
Источники:
- Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
- Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник.
Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.
Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.
Тепловые свойства чугуна
У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.
Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:
Теплоемкость
Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.
Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.
За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см3*ºС, для жидкого – 1,5 кал/см3*ºС.
Удельная теплоемкость чугуна равна 540 Дж/кг С.
Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы
Теплопроводность
В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.
Температуропроводность
Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см2*/сек.
О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.
Температура плавления
Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.
В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.
В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.
Температура плавления чугуна и других металлов
Удельная теплоемкость чугуна
В таблице представлены значения средней удельной теплоемкости чугуна и энтальпия (теплосодержание) серых чугунов различного состава в зависимости от температуры.
Теплоемкость чугуна выражена в кДж/(кг·град) и указана в диапазоне от 100 до 1350°С. Из таблицы видно, что с повышением температуры значения массовой теплоемкости чугуна и его энтальпия возрастают.
То же можно сказать и про энтальпию серых чугунов. Значения удельной теплоемкости чугунов и их энтальпия имеют различие в зависимости от состава чугуна. Например, при температуре 200°С теплоемкость чугуна в зависимости от состава изменяется от 290,1 до 460,5 Дж/(кг·град). При нагревании чугуна до температуры 1300°С эта величина увеличивается и становится равной 800…900 Дж/(кг·град).
Физические характеристики
Масса
Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.
Кроме этого линейное расширение металла и структура чугуна меняется в зависимости от состояния каждого показателя. То есть это зависимые величины.
Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см3, у белого — 7,5±0,2 г/см3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см3.
О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:
Объем
Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.
Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.
О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.
Плотность
Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см3. Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.
Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.
Температурный коэффициент линейного расширения металлов, твердых веществ, жидкостей (Таблица)
Температурный коэффициент линейного расширения металлов и сплавов
В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ металлов и сплавов в интервале от 0 до 100 °С (если не указана иная температура).
| Металл, сплав | Коэффициента линейного расширения ɑ, 10-6°С-1 |
| Алюминий | 2,4 |
| Бронза | 13-21 |
| Вольфрам (в интервале температур от 0 до 200 °С) | 4,5 |
| Дуралюмин (при t = 20 °С) | 23 |
| Золото | 14 |
| Железо | 12 |
| Инвар* | 1,5 |
| Иридий | 6,5 |
| Константан | 42339 |
| Латунь | 17-19 |
| Манганин | 18 |
| Медь | 17 |
| Нейзильбер | 18 |
| Никель | 14 |
| Нихром (от 20 до 100 °С) | 14 |
| Олово | 26 |
| Платина | 9,1 |
| Платинит** (при t = 20 °С) | 41920 |
| Платина-иридий*** (от 20 до 100 °С) | 8,8 |
| Свинец | 29 |
| Серебро | 20 |
| Сталь углеродистая | 43009 |
| Цинк | 32 |
| Чугун (от 20 до 100 °С). | 41952 |
| * Этот сплав имеет весьма малый температурный коэффициент линейного расширения. Используется для изготовления деталей точных измерительных приборов.
** Проводниковый материал, коэффициент линейного расширения которого такой же, как и у стекла; применяется при изготовлении электрических ламп. *** Из этого сплава изготовлены прототипы килограмма и метра. |
Температурный коэффициент линейного расширения твердых веществ
В таблице приведены средние значения температурного коэффициента линейного расширения ɑ твердых веществ в интервале от 0 до 100 °С (если не указана иная температура).
| Вещество | Коэффициента линейного расширения ɑ, 10-6°С-1 |
| Алмаз | 1,2 |
| Бетон (при t = 20 °С) | 41913 |
| Гранит (при t = 20 °С) | 8 |
| Графит | 7,9 |
| Древесина (при t = = 20 °С): | |
| — вдоль волокон | 5,5-5,5 |
| — поперек волокон | 34-60 |
| Кварц плавленый (при * = 40 °С) | 0,4 |
| Кирпич (при t = 20 °С) | 41885 |
| Лед (в интервале температур от —20 до 0 °С) | 51 |
| Парафин (от 16 до 48 °С) | 70* |
| Дуб (от 2 до 34 °С): | |
| — вдоль волокон | 4,9 |
| — поперек волокон | 54,4 |
| Сосна (от 2 до 34 °С): | |
| — вдоль волокон | 5,4 |
| — поперек волокон | 34 |
| Стекло лабораторное | 41885 |
| Стекло оконное (от 20 до 200 °С) | 10 |
| Фарфор | 2,5-4,0 |
| Шифер (при t = 20 °С) | 10 |
| * коэффициент объемного расширения парафина. |
Температурный коэффициент обьемного расширения жидкостей
В таблице приведены средние значения температурного коэффициента обьемного расширения β жидкостей при температуре 20 °С (если не указана иная).
| Жидкость | Коэффициента обьемного расширения β, 10-6°С-1 |
| Бензин | 1240 |
| Вода | 200 |
| Вода (в интервале от 10 до 20 °С) | 150 |
| Вода (от 20 до 40 °С) | 302 |
| Воздух жидкий (от -259 до -253 °С) | 12600 |
| Глицерин | 505 |
| Керосин | 960 |
| Кислород (от -205 до -184 °С) | 3850 |
| Нефть | 900 |
| Раствор соли (6%) | 300 |
| Ртуть | 181 |
| Серная кислота | 570 |
| Скипидар | 940 |
| Спирт | 1080 |
| Эфир | 1600 |
| Хлор (в интервале температур от -101 до -34,1 °С) | 1410 |
| Примечание. Связь между коэффициентами объемного (β) и линейного (а) расширений определяется следующим соотношением: β = 3а |
Механические особенности
Предел прочности
Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.
Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.
- При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
- Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
- Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.
Пластичность
Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.
- В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
- В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.
Упругость
Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.
Металл при нагревании расширяется или сжимается?
В таблице представлены значения коэффициента температурного расширения металлов (коэффициент линейного расширения металлов) в зависимости от температуры.
Значения коэффициента температурного расширения металлов даны для следующих металлов: алюминий Al, бериллий Be, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, железо Fe, золото Au, иридий Ir, кадмий Cd, кобальт Co, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, никель Ni, олово Sn, платина Pt, родий Rh, свинец Pb, серебро Ag, сурьма Sb, титан Ti, хром Cr, цинк Zn.
Коэффициент линейного теплового расширения металлов в таблице приведен со множителем 106. Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 106, это значение составляет 22,8·10-6 1/град.
Следует отметить, что к металлам с низким коэффициентом расширения относятся такие металлы, как вольфрам, молибден, сурьма, титан и хром. Наименьшее линейное удлинение при нагревании испытывает вольфрам — коэффициент линейного расширения этого металла составляет величину от 4,3·10-6 при 0°С до 5,8·10-6 1/град при температуре 2100°С.
Металлом, который максимально хорошо расширяется при нагреве, является цинк — его коэффициент температурного расширения имеет значение от 22·10-6 до 34·10-6 1/град. Также хорошо расширяются при нагревании такие металлы, как алюминий, кадмий и магний.
Примечание: температурные коэффициенты линейного расширения сталей (более 300 марок) представлены в этой статье.
Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.
Тепловое расширение металла
Известно, что все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.
Таким образом, длина l0 какой-то детали после нагрева на температуруt° составит:
где а — коэффициент линейного расширения.
При наблюдении за изменением объема детали используют коэффициент объемного расширения, который определяется как утроенный коэффициент линейного расширения.
Материалы, имеющие большой коэффициент расширения, применяются в приборостроении для деталей автоматически действующих механизмов. При определенной температуре такие детали, удлиняясь, могут включать либо размыкать электрическую цепь.
Минимальный коэффициент линейного расширения имеет сплав Fe — Ni, называемый инваром. Его коэффициент расширения в 8 раз меньше железа.
Теплопроводность металлов
Различные детали теплотехнической аппаратуры — радиаторы автомобилей и самолетов, внутренние стенки рабочих камер холодильных установок, стенки котлов и т.д. — должны обладать способностью хорошо проводить тепло.
Детали и инструменты, подвергающиеся в процессе работы местным разогревай, также должны быстро отдавать это тепло, чтобы не (наступало оплавление.
Способность проводить тепло называется теплопроводностью
Лучшей теплопроводностью обладают чистые металлы, такие, как:
Удельное сопротивление
Удельное электрическое сопротивление – это величина, определяющая электросопротивление эталонного образца материала. Для обозначения этой величины используется греческая буква «р». Формула для расчета:
p=(R*S)/l.
Эта величина измеряется в Ом*м. Найти её можно в справочниках, в таблицах удельного сопротивления или в сети интернет.
Свободные электроны по металлу двигаются внутри кристаллической решётки. На сопротивление этому движению и удельное сопротивление проводника влияют три фактора:
- Материал. У разных металлов различная плотность атомов и количество свободных электронов;
- Примеси. В чистых металлах кристаллическая решётка более упорядоченная, поэтому сопротивление ниже, чем в сплавах;
- Температура. Атомы не находятся на своих местах неподвижно, а колеблются. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний, создающая помехи движению электронов, и выше сопротивление.
На следующем рисунке можно увидеть таблицу удельного сопротивления металлов.
Удельное сопротивление металлов
Интересно. Есть сплавы, электросопротивление которых падает при нагреве или не меняется.
Проводимость и электросопротивление
Так как размеры кабелей измеряются в метрах (длина) и мм² (сечение), то удельное электрическое сопротивление имеет размерность Ом·мм²/м. Зная размеры кабеля, его сопротивление рассчитывается по формуле:
R=(p*l)/S.
Кроме электросопротивления, в некоторых формулах используется понятие «проводимость». Это величина, обратная сопротивлению. Обозначается она «g» и рассчитывается по формуле:
g=1/R.
Проводимость жидкостей
Проводимость жидкостей отличается от проводимости металлов. Носителями зарядов в них являются ионы. Их количество и электропроводность растут при нагревании, поэтому мощность электродного котла растёт при нагреве от 20 до 100 градусов в несколько раз.
Интересно. Дистиллированная вода является изолятором. Проводимость ей придают растворенные примеси.
Электросопротивление проводов
Самые распространенные металлы для изготовления проводов – медь и алюминий. Сопротивление алюминия выше, но он дешевле меди. Удельное сопротивление меди ниже, поэтому сечение проводов можно выбрать меньше. Кроме того, она прочнее, и из этого металла изготавливаются гибкие многожильные провода.
В следующей таблице показывается удельное электросопротивление металлов при 20 градусах. Для того чтобы определить его при других температурах, значение из таблицы необходимо умножить на поправочный коэффициент, различный для каждого металла. Узнать этот коэффициент можно из соответствующих справочников или при помощи онлайн-калькулятора.
Сопротивление проводов
Выбор сечения кабеля
Поскольку у провода есть сопротивление, при прохождении по нему электрического тока выделяется тепло, и происходит падение напряжения. Оба этих фактора необходимо учитывать при выборе сечения кабелей.
Выбор по допустимому нагреву
При протекании тока в проводе выделяется энергия. Её количество можно рассчитать по формуле электрической мощности:
P=I²*R.
В медном проводе сечением 2,5мм² и длиной 10 метров R=10*0.0074=0.074Ом. При токе 30А Р=30²*0,074=66Вт.
Эта мощность нагревает токопроводящую жилу и сам кабель. Температура, до которой он нагревается, зависит от условий прокладки, числа жил в кабеле и других факторов, а допустимая температура – от материала изоляции. Медь обладает большей проводимостью, поэтому меньше выделяемая мощность и необходимое сечение. Определяется оно по специальным таблицам или при помощи онлайн-калькулятора.
Таблица выбора сечения провода по допустимому нагреву
Допустимые потери напряжения
Кроме нагрева, при прохождении электрического тока по проводам происходит уменьшение напряжения возле нагрузки. Эту величину можно рассчитать по закону Ома:
U=I*R.
Справка. По нормам ПУЭ оно должно составлять не более 5% или в сети 220В – не больше 11В.
Поэтому, чем длиннее кабель, тем больше должно быть его сечение. Определить его можно по таблицам или при помощи онлайн-калькулятора. В отличие от выбора сечения по допустимому нагреву, потери напряжения не зависят от условий прокладки и материала изоляции.
В сети 220В напряжение подаётся по двум проводам: фазному и нулевому, поэтому расчёт производится по двойной длине кабеля. В кабеле из предыдущего примера оно составит U=I*R=30A*2*0.074Ом=4,44В. Это немного, но при длине 25 метров получается 11,1В – предельно допустимая величина, придётся увеличивать сечение.
Максимально допустимая длина кабеля данного сечения
Электросопротивление других металлов
Кроме меди и алюминия, в электротехнике используются другие металлы и сплавы:
- Железо. Удельное сопротивление стали выше, но она прочнее, чем медь и алюминий. Стальные жилы вплетаются в кабеля, предназначенные для прокладки по воздуху. Сопротивление железа слишком велико для передачи электроэнергии, поэтому при расчёте сечения жилы не учитываются. Кроме того, оно более тугоплавкое, и из него изготавливаются вывода для подключения нагревателей в электропечах большой мощности;
- Нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (железо, хром и алюминий). Они обладают низкой проводимостью и тугоплавкостью. Из этих сплавов изготавливаются проволочные резисторы и нагреватели;
- Вольфрам. Его электросопротивление велико, но это тугоплавкий металл (3422 °C). Из него изготавливаются нити накала в электролампах и электроды для аргонно-дуговой сварки;
- Константан и манганин (медь, никель и марганец). Удельное сопротивление этих проводников не меняется при изменениях температуры. Применяются в претензионных приборах для изготовления резисторов;
- Драгоценные металлы – золото и серебро. Обладают самой высокой удельной проводимостью, но из-за большой цены их применение ограничено.
Гидродинамические свойства
Динамическая вязкость
Вязкость становится меньше, если в чугуне увеличивается количество марганца. Так же замечено уменьшение вязкости при снижении содержания серной примеси и прочих неметаллических оставляющих.
На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).
Поверхностное натяжение
Это показатель равен 900±100 дин/см2. Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.
Токсичность
Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.
Химические свойства
Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.
Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.
Теплоемкость чугуна и стали
Теплофизические свойства чугуна
Коэффициент линейного расширения α, удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).
| Температура, °C | α, 1/°C | c, Дж/(кг∗°C) | λ, Вт/(м∗°C) |
|---|---|---|---|
| 60 | 10,0 | 502 | 54,4 |
| 160 | 11,0 | 523 | 50,2 |
| 260 | 13,1 | 553 | 48,1 |
| 360 | 13,7 | 586 | 46,0 |
| 510 | 15,9 | 620 | — |
Таблица 1. Теплофизические свойства серого чугуна в зависимости от температуры
Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:
| Структурная составляющая | α 100 200, 1/°C | c 100 0,Дж/(кг∗°C) | λ0 100 Вт/(м∗°C) |
| Феррит | 12,0-12,6 | 460-470 | 72,8-75,5 |
| Аустенит | 18-19 | 502 | 41,8 |
| Цементит | 6,0-6,5 | 615 | 49,0 |
| Перлит | 10,0-11,6 | 486 | 50,3-51,9 |
| Графит | 1,4-3,7 | 795 | 355,8 |
Таблица 2. Теплофизические свойства структурных составляющих чугуна
Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.
На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.
Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.
Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.
В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.
Коэффициент линейного расширения α
Коэффициент линейного расширения α. Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,
Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается : и достигает минимума при 35—37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.
Удельная теплоемкость чугуна
Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Feα→Feλ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.
Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).
Теплопроводность чугуна.
Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.
Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).
Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.
Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.
Дамир.рф
Ванны и батареи физика
Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.
Чугунная батарея остывает дольше.
Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!
Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.
Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?
И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.
Масса секции батарей:
| Металл секции | Масса секции, кг |
|---|---|
| алюминий | 0,5 — 1,5 |
| биметалл (сталь с алюминием) | 1,5 |
| чугун | 3,7 — 5,9 |
Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.
Чугунная ванна сохраняет тепло.
Чугунная ванна:
| Масса | 100 кг |
| Коэффициент удельной теплоёмкости чугуна | 540 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость самой ванны из чугуна | 100 кг * 540 Дж/(кг*К) = 54 кДж/К |
Стальная ванна:
| Масса | 30 кг |
| Коэффициент удельной теплоёмкости стали | 720 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость самой ванны из стали | 30 кг * 720 Дж/(кг*К) = 21,6 кДж/К |
То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.
Теплоёмкость воды в ванне:
| Объем | 100 литров = 0,1 куб. м |
| Плотность воды | 1000 кг/куб. м |
| Коэффициент удельной теплоёмкости воды | 4183 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость воды в ванне | 0,1 куб. м * 1000 кг/куб. м * 4183 Дж/(кг*К) = 418,3 кДж/К |
Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.
Похожие статьи:
- Посуда из фарфора
- Энергия боеприпасов
- Декорирование фарфора
- Я подарю тебе звезду
- Немецкий фарфор
Металлическая посуда глазами физика
Возвращаясь к теме металлической посуды, покажу в цифрах физику процессов.
Теплопроводимость.
Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.
Коэффициенты теплопроводности из справочника:
| Металл | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) |
|---|---|
| Медь | 390 |
| Алюминий | 236 |
| Сталь | 47 |
| Чугун | 42 |
Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.
Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.
Теплоёмкость.
Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).
Удельная теплоёмкость.
Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).
Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.
Значения удельной теплоёмкости из справочника:
| Металл | Удельная теплоёмкость, Дж/(кг*К) |
|---|---|
| Алюминий | 930 |
| Чугун | 540 |
| Сталь | 460 |
| Медь | 385 |
Приблизительные массы металлических сковород:
| Сковорода | Масса, кг |
|---|---|
| Алюминиевая сковорода с ручкой (диаметр 260 мм) | 0,65 |
| Чугунная сковорода с ручкой (черный чугун; диаметр 250 мм; глубина 40 мм) | 2,10 |
Вывод: чугунная посуда массой 2,1кг будет почти в два раза (1,9 раза) больше отдавать тепла, чем алюминиевая посуда массой 0,65кг. И наоборот, чугунная посуда требует в два раза больше энергии для прогрева, чем алюминиевая посуда.
Иными словами, для поддержания (сохранения) температуры готовки чугунная посуда подходит лучше. А для разогрева еды будет более пригодна алюминиевая посуда.
Теплоемкость стали от температуры. Теплофизические свойства чугуна
Удельная теплоемкость — важный параметр, определяющий характеристики стали. Он показывает количество тепла, которое нужно затратить на нагрев килограмма сплава на 1 градус. На теплоемкость влияют разные особенности стали, что особо важно при
Под удельной теплоемкостью стали понимается количество тепла, необходимое для увеличения температуры одного килограмма вещества ровно на один градус. В равной степени может использоваться и шкала Цельсия, и Кельвина.
На теплоемкость влияют многочисленные факторы:
- агрегатное состояние нагреваемого вещества;
- атмосферное давление;
- способ нагрева;
- тип стали.
В частности высоколегированные стали содержат большие объемы углеродов, относятся к тугоплавким. Соответственно, чтобы нагреть на один градус необходимо больше тепла, чем стандартные 460 Дж/(кг*К). Низколегированные стали нагреваются быстрее и легче. Максимальное количество тепла и энергии необходимо для нагрева жаропрочных материалов, с антикоррозийной обработкой.
Расчет теплоемкости производится для каждого конкретного случая. Необходимо учитывать и то, что с повышением температуры нагреваемого вещества меняется его теплоемкость.
Удельная теплоемкость важна при проведении индукционной закалки или отпуске деталей из стали, чугуна, композитных материалов. При повышении температуры изделия на определенное количество градусов в структуре происходят фазовые изменения, соответственно, меняется и удельная теплоемкость. Для дальнейшего нагрева потребуются большие/меньшие объемы тепла.
Удельная теплоемкость характеризует не только процесс нагрева стали или композитных материалов, но и их охлаждение. Каждый материал при остывании отдает определенное количество тепла и/или энергии. Удельная теплоемкость позволяет рассчитать, какое количество тепла будет получено при остывании одного килограмма металла на один градус. На теплоотдачу влияют площадь охлаждаемого материала, наличие/отсутствие дополнительной вентиляции.
Как рассчитывают удельную теплоемкость
Рассчитывают удельную теплоемкость чаще по шкале Кельвина. Но благодаря лишь разнице в точке отсчета, показатель можно перевести в градусы Цельсия.
Параметр удельной теплоемкости определяет количество топлива, нужного для нагрева детали до заданной точки. От этого зависит тип и марка стали. Высоколегированный сплав имеет более высокое значение параметра при одинаковой температуре. Низколегированные и углеродистые стали — меньше.
Пример:
Для сравнения, сталь Г13 имеет теплоемкость 0,520 кДж/(кг*град) при температуре в 100оС. Этот сплав высоколегированный, то есть содержит больше хрома, никеля, кремния и других дополнительных элементов. Углеродистая сталь марки 20 при аналогичной температуре имеет удельную теплоемкость 0,460 кДж/(кг*град).
Таким образом, удельная теплоемкость зависит не только от температуры, но и от вида стали. Высоколегированные стали менее устойчивы к образованию трещин, хуже поддается сварке. Тугоплавкость у таких материалов повышена. Эти показатели прямо влияют на , которые делают из разных марок стали. Устойчивость, легкость, прочность — важнейшие критерии, которые определяются качеством такого сплава.
В таблицах можно наблюдать показатели удельной теплоемкости высоколегированных сталей Г13 и Р18, а также ряда низколегированных сплавов. Диапазоны температур — 50:650оС.
α , удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).
Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:
где x 1 , х 2 , . х n — α или c структурных составляющих (табл. 2);
a 1 , a 2 , . a n — количественное содержание их.
Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.
На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.
Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.
Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.
В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.
| Чугун | α 20 100 ∗10 6 , 1/°C | c 20 100 , Дж/(кг∗°C) | c 20 1000 , Дж/(кг∗°C) | λ 20 100 , Вт/(м∗°C) |
|---|---|---|---|---|
| Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85): | ||||
| СЧ10-СЧ18 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 46,0-54,4 |
| СЧ20-СЧ30 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 41,8-50,2 |
| СЧ35 | 11,5-12,0 | 502-544 | 628-670 | 37,6-46,0 |
| Высокопрочный (ГОСТ 7293-85): | ||||
| ВЧ 35-ВЧ 45 | 11,5-12,5 | 460-502 | 586-628 | 37,6-46,0 |
| ВЧ 60-ВЧ 80 | 10-11 | 502-523 | 628-670 | 33,5-41,9 |
| ВЧ 100 | 9-10 | 523-565 | 628-670 | 29,3-37,6 |
| Ковкий (ГОСТ 7769-82): | ||||
| КЧ 30-6/КЧ 37-12 | 10,5-11,0 | 460-511 | 586-628 | 54,4-62,8 |
| КЧ 45-5/КЧ 65-3 | 10,3-10,8 | 527-544 | 628-670 | 50,2-54,4 |
| Легированный (ГОСТ 7769-82) | ||||
| никелевый ЧН20Д2Ш | 17-19 | — | 460-502 | 17,4 |
| с 35-37% Ni | 1,5-2,5 | — | — | — |
| хромистый: | ||||
| ЧХ16 | — | — | — | 32,5 *1 |
| ЧХ22 | — | — | — | 25,5 *1 |
| ЧХ28 | 9-10 | — | — | 17,4 *1 |
| ЧХ32 | 9-10 | — | — | 19,8 *1 |
| кремнистый: | ||||
| ЧС5 | 14-17 *2 | — | — | 21,0 *3 |
| ЧС15, ЧС17 | 4,7 *1 | — | — | 10,5 |
| алюминиевый: | ||||
| ЧЮ22Ш | 17,5 *1 | — | — | 15,1-28,0 *3 |
| ЧЮ30 | 22-23 *2 | — | — | — |
| *1 В интервале 20-200 °C. | ||||
| *2 В интервале 20-900 °C. | ||||
| *3 В интервале 20-500 °C. |
Таблица 3. Теплофизические свойства чугуна
Коэффициент линейного расширения α
Коэффициент линейного расширения α . Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,
Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α ; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается: и достигает минимума при 35-37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.
Удельная теплоемкость чугуна
Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Fe α →Fe λ ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.
Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).
Теплопроводность чугуна.
Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства , зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.
Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).
Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.
Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.
Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.
Чугунная батарея остывает дольше.
Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!
Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.
Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?
И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.
Масса секции батарей:
Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.
Чугунная ванна сохраняет тепло.
То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.
Теплоёмкость воды в ванне:
Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.
Металлическая посуда глазами физика
Возвращаясь к теме металлической посуды , покажу в цифрах физику процессов.
Теплопроводимость.
Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.
Коэффициенты теплопроводности из справочника:
Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.
Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.
Теплоёмкость.
Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).
Удельная теплоёмкость.
Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).
Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.
Значения удельной теплоёмкости из справочника:
Что лучше: алюминий или чугун?
Немного о физических свойствах металлов:
1. Теплопроводность — это способность вещества передавать тепло (энергию движущихся молекул) от одной части тела к другой. Чем выше значение теплопроводности, тем быстрее происходит нагрев металла.
Коэффициент теплопроводности алюминия = 200-220 Вт/м/К
Коэффициент теплопроводности чугуна = 50-70 Вт/м/К
2. Теплоемкость вещества — это количество теплоты поглощаемое веществом при нагревании на 1 градус. Чем больше значение теплоемкости, тем больше тепла запасает в себе 1 кг вещества.
Теплоемкость алюминия = 920 Дж/кг/К
Теплоемкость чугуна = 540 Дж/кг/К
3. Плотность вещества — это масса вещества приходящаяся на единицу объема. Чем больше значение плотности, тем тяжелее тело при равных размерах.
Плотность алюминия = 2700 кг/куб.м
Плотность чугуна = 7000 кг/куб.м
Судя по табличным данным чугун обладает значительно меньшей теплопроводностью, следовательно чугунная посуда нагревается медленнее алюминиевой. Сравнив остальные свойства металлов получим, что плотность чугуна больше в 2,5 раза, а теплоемкость меньше лишь в 1,7 раза. Таким образом, если взять два совершенно одинаковых (по форме и объему) казана из алюминия и чугуна и нагреть их до одинаковых температур, то чугунный казан будет остывать намного дольше (так как масса чугуна намного больше, теплопроводность намного меньше, а количество запасённого тепла чуть меньше, чем у алюминия).
Преимущества алюминия :
- посуда имеет малый вес.
- очень доступный и распространенный металл, поэтому цена на алюминиевую посуду ниже;
- долговечна.
Преимущества чугуна:
- чугунная посуда не тускнеет, не деформируется и не боится царапин;
- при правильном обращении чугунная посуда практически вечна.
Недостатки алюминия :
- из-за высокой теплопроводимости в ней легко пригорают продукты, а следы нагара трудно удаляются с ее поверхности;
- тонкостенная алюминиевая посуда легко деформируется и теряет свой первоначальный привлекательный внешний вид;
- посуда покрывается плёнкой оксида алюминия и начинает темнеть, но это не влияет на вкус пищи в процессе приготовления;
- нельзя хранить пищу в алюминиевой посуде долгое время (> 3 часов), так как посуда окисляется и меняет вкус еды.
Недостатки чугуна:
- склонность к ржавчине, поэтому после мойки ее следует тщательно вытирать или просушивать на плите, а затем смазывать маслом;
- большой вес;
- как и в алюминевой посуде нельзя хранить пищу долгое время (> 3 часов).
Достаточно физики! Пора готовить!
Чугунную посуду рекомендуют для приготовления птицы, тушеных овощей и мяса, а также для приготовления плова.
В алюминиевых кастрюлях хорошо варить макароны, каши и овощи, а вот тушить мясо, готовить борщ и кислые щи в них не следует.
Не следует использовать алюминиевую и чугунную посуду для хранения готовой пищи, для соления и квашения, поскольку в ней пища окисляется и теряет свои вкусовые качества.
Таким образом, чтобы ответить на вопрос: «Что лучше: чугунная или алюминиевая посуда?», нужно решить детскую задачку, про «Кто победит – кит или слон?». Алюминиевая и чугунная посуда отличаются по большому перечню характеристик и просто не смогут друг друга заменить. Сложно приготовить в алюминиевой посуде вкусный плов, а в чугунной посуде — макароны по-флотски.
Теплоемкость нержавеющей стали
Удельная теплоемкость стали распространенных марок
В сводной таблице представлена удельная теплоемкость стали распространенных марок: углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, а также чугуна при различной температуре.
Приведены значения средней удельной теплоемкости низколегированных сталей, углеродистых сталей при различных температурах, указана теплоемкость высоколегированных сталей с особыми свойствами в зависимости от температуры.
По данным таблицы видно, что значение удельной теплоемкости стали с ростом температуры увеличивается. Следует отметить, что теплоемкость стали при комнатной температуре находится в диапазоне от 440 до 550 Дж/(кг·град); удельная теплоемкость стали в таблице представлена в интервале температуры от 20 до 1000°С.
Удельная теплоемкость стали при различных температурах
| Марка стали | Температура, °С | Теплоемкость стали, Дж/(кг·град) |
| 02Х17Н11М2 | 20…400…600…800 | 470…560…610…650 |
| 02Х22Н5АМ3 | 20…100…200…300…400 | 480…500…530…550…590 |
| 03Х24Н6АМ3 (ЗИ130) | 20…100…200…300…400 | 480…500…530…550…570 |
| 05ХН46МВБЧ (ДИ65) | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 445…465…480…490…500…510…515…520 |
| 06Х12Н3Д | 100…200…300…400 | 523…544…577…594 |
| 07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП288) | 100…200…300…400…500…600…700 | 440…500…550…590…630…670…710 |
| 08 | 100…200…400…600 | 465…477…510…565 |
| 08кп | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 482…498…514…533…555…584…626…695…695 |
| 08Х13 (0Х13, ЭИ496) | 20 | 462 |
| 08Х14МФ | 20…100…200…300…400…500…600 | 460…473…502…540…574…682…754 |
| 08Х17Т (0Х17Т, ЭИ645) | 20 | 462 |
| 08Х17Н13М2Т (0Х17Н13М2Т) | 20 | 504 |
| 08Х18Н10 (0Х18Н10) | 20 | 504 |
| 08Х18Н10Т (0Х18Н10Т, ЭИ914) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…494…515…536…549…561…574…595 |
| 08ГДНФЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 483…500…517…529…554…571…613…697…693 |
| 09Х14Н19В2БР1 (ЭИ726) | 20 | 502 |
| 015Х18М2Б-ВИ (ЭП882-ВИ) | 100…200…300…400 | 473…519…578…636 |
| 1Х14Н14В2М (ЭИ257) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…486…515…536…544…557…590…624 |
| 4Х5МФ1С (ЭП572) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 431…477…519…565…620…703…888…766…749 |
| 10 | 100…200…400…600 | 465…477…510…565 |
| 10кп | 100…200…400…600 | 466…479…512…567 |
| 10Х12Н3М2ФА(Ш) (10Х12Н3М2ФА-А(Ш)) | 100…200…300…400…500 | 510…538…562…588…627 |
| 10Х13Н3М1Л | 20 | 495 |
| 10Х17Н13М2Т (Х17Н13М2Т, ЭИ448) | 20 | 504 |
| 10Х17Н13М3Т (Х17Н13М3Т, ЭИ432) | 20 | 504 |
| 10Х18Н9Л | 100 | 504 |
| 10ГН2МФА, 10ГН2МФА-ВД, 10ГН2МФА-Ш | 100…200…300…400 | 469…553…599…628 |
| 12МХ | 20…200…300…400…500…600…700 | 498…519…569…595…653…733…888 |
| 12X1МФ (ЭИ575) | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 507…597…607…643…695…783…934…1025 |
| 12Х13 (1Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 473…487…506…527…554…586…636…657…666 |
| 12Х13Г12АС2Н2 (ДИ50) | 100…200…300…400…500…600…700 | 523…559…602…613…648…668…690 |
| 12Х18Н9 (Х18Н9) | 20 | 504 |
| 12Х18Н9Т (Х18Н9Т) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 469…486…498…511…519…528…532…544…548 |
| 12Х18Н12Т (Х18Н12Т) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…494…515…540…548…561…574…595 |
| 14Х17Н2 (1Х17Н2, ЭИ268) | 20 | 462 |
| 15 | 100…200…400…500 | 469…481…523…569 |
| 15Г | 100…300…500 | 496…538…592 |
| 15К | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 15кп | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 465…486…515…532…565…586…620…691 |
| 15Л | 100…200…400…600 | 469…477…515…570 |
| 15Х2НМФА-А, 15Х2НМФА-А класс 1 | 100…200…300…400 | 490…515…540…569 |
| 15Х11МФБЛ (1Х11МФБЛ, Х11ЛА) | 100…200…300…400…500…600 | 494…528…574…641…741…867 |
| 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439) | 20 | 462 |
| 15ХМ | 100 | 486 |
| 17Х18Н9 | 20 | 504 |
| 18Х11МНФБ (2Х11МНФБ, ЭП291) | 100…200…300…400…500…600 | 490…540…590…666…766…900 |
| 18ХГТ | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 495…508…525…537…567…588…626…705 |
| 20 | 100…200…400…500 | 469…481…536…569 |
| 20Г | 100…200…400…500 | 469…481…536…569 |
| 20ГСЛ | 100…200…400…500 | 469…482…536…569 |
| 20К | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 20Л | 100…200…400…600 | 469…481…536…570 |
| 20кп | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 486…498…514…533…555…584…636…703…695 |
| 20ХМЛ | 100…200…300…400…500 | 498…572…588…612…660 |
| 20ХМФЛ | 100…200…300…400…500…600 | 498…574…590…615…666…741 |
| 20Х3МВФ (ЭИ415, ЭИ579) | 100…200…300…400…500…600 | 502…561…611…657…716…754 |
| 20Х23Н13 (Х23Н13, ЭИ319) | 20 | 538 |
| 20Х23Н18 (Х23Н18, ЭИ417) | 20 | 538 |
| 20ХН3А | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 494…507…523…536…565…586…624…703 |
| 22К | 100…200…400…500 | 469…481…519…569 |
| 25 | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 25Л | 100…200…400…600 | 469…481…519…570 |
| 25Х1МФ | 20 | 461 |
| 25Х2М1Ф (ЭИ723) | 100…200…300…400…500…600 | 536…574…607…632…674…733 |
| 25ХГСА | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 496…504…512…533…554…584…622…693 |
| 30 | 100…200…300…400…500 | 469…481…544…523…762 |
| 30Г | 100…200…300…400…500 | 469…481…544…599…762 |
| 30Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…570 |
| 30Х13 (3Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 473…486…504…525…532…586…641…679…691 |
| 30ХГТ | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 495…508…525…537…567…588…626…705 |
| 30Х | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 482…496…513…532…555…583…620…703…687…678 |
| 30ХН2МФА (30ХН2МВА) | 20…100…200…300…400 | 466…508…529…567…588 |
| 30ХН3А | 100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 494…504…518…536…558…587… 657…703…695…687 |
| 33ХС | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 466…508…529…563…599…622…634…664 |
| 35 | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 35Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…574 |
| 35ХГСЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 496…504…512…533…554…584…622…693…689 |
| 35ХМЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 479…500…512…529…550…580…617…689…685 |
| 36Х18Н25С2 (4Х18Н25С2, ЭЯ3С) | 20 | 515 |
| 40 | 100…200…300…400…600 | 469…481…519…523…574 |
| 40Г | 100…200…400…600 | 486…481…490…574 |
| 40Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…574 |
| 40Х10С2М (4Х10С2М, ЭИ107) | 300…400…500 | 532…561…586 |
| 40Х13 (4Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 452…477…502…528…553…578…620…666…691 |
| 40ХЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 491…508…525…538…569…588…626…701…689 |
| 45 | 100…200…400…500 | 469…482…524…574 |
| 45Г2 | 100…200 | 444…427 |
| 45Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…569 |
| 45Х14Н14В2М (ЭИ69) | 300…400…500…600 | 507…511…523…528 |
| 50 | 300…400…500 | 561…641…787 |
| 50Г | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 487…500…517…533…559…584…609…676 |
| 50Л | 100…200…400…600 | 478…511…511…569 |
| 55 | 100…200…400…500 | 477…486…523…569 |
| 60 | 100…200…400…600 | 481…486…528…565 |
| ХН35ВТ (ЭИ612) | 100…200…300…400…500…600 | 511…544…569…590…595…595 |
| ХН64ВМКЮТЛ (ЗМИ3) | 20…100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 430…450…470…490…515…540…565… 590…625…650…1008 |
| ХН65ВКМБЮТЛ (ЭИ539ЛМУ) | 20…100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 424…436…480…493…505…518…548… 596…650…692…710 |
| ХН65ВМТЮЛ (ЭИ893Л) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 425…430…440…470…500…510…550…615…650 |
| ХН65КМВЮТЛ (ЖС6К) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 380…400…420…445…470…485…515…560…610…660 |
| ХН70БДТ (ЭК59) | 100…200…300…400 | 450…475…500…505 |
| ХН70КВМЮТЛ (ЦНК17П) | 20 | 440 |
| ХН80ТБЮА (ЭИ607А) | 100…200…300…400…500…600 | 494…547…607…678…749…829 |
| Х15Н60-Н | 20 | 460 |
| Х20Н80-Н | 20 | 460 |
| Х23Ю5Т | 20…800 | 480…750 |
| Х27Ю5Т | 20…800 | 500…690 |
| А12 | 100…300…400…600 | 469…477…515…569 |
| Р6М5 | 100…200…300…400…500…600…700 | 440…470…500…550…580…670…900 |
| Р18 | 100…200…300…400…500…600…700 | 420…450…470…510…550…610…690 |
| У8, У8А | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 477…511…528…548…565…594…624…724…724…703 |
| У12, У12А | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 469…503…519…536…553…720…611…712…703…699 |
Теплоемкость нержавеющей стали
1.3.2. Теплоемкость, теплопроводность материалов.
Теплоемкость , это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании .
Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу объема материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг·К)]. Эта величина экстенсивная, т.е. можно говорить о теплоемкости отдельной молекулы или атома, затем их просуммировать и получить теплоемкость одного грамма или одного моля вещества. Значение теплоемкости зависит от природы материала. Самая высокая теплоемкость у воды 4.2 ·10 3 Дж/(кг·К) или 4.2 кДж/(кГ·К). У подавляющего большинства материалов удельная теплоемкость порядка 1 кДж/(кг·К). Теплоемкость зависит от температуры. Вблизи нуля Кельвина она мала, в рабочем диапазоне температур — слабо меняется с ростом температуры.
Какие-либо скачки теплоемкости связаны со структурной перестройкой тел, например с растянутым плавлением у таких веществ, как парафин. Здесь можно упомянуть пример с парафиновой прогревающей повязкой, когда тепло долго сохраняется за счет высокой теплоемкости парафина и повязка греет длительное время.
Теплоемкость газов хорошо изучена теоретически. Для газов даже введено два типа теплоемкости: при постоянном давлении Cp и при постоянном объеме Cv. Обычно рассматривают теплоемкость, приходящуюся на одну молекулу. Тогда для одноатомного газа Cp=5/2 kT, а Cv=3/2 kT. Почему при постоянном давлении труднее нагревать молекулы? Ясно, что при этом газ расширяется, значит, нужна дополнительная энергия, чтобы нагревать газ при постоянном давлении. Отметим, что для многоатомных газов теплоемкость выше, т.к. при нагревании требуется энергия для вращения молекул, колебаний и т.п.
Приведем выражение для тепловой энергии материала:
Материал чугун: основные свойства и важные характеристики
Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.
Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.
Тепловые свойства чугуна
У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.
Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:
Теплоемкость
Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.
Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.
За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см 3 *ºС, для жидкого – 1,5 кал/см 3 *ºС.
Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы
Теплопроводность
В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.
Температуропроводность
Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см 2* /сек.
О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.
Температура плавления
Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.
В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.
В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.
Температура плавления чугуна и других металлов
Физические характеристики
Масса
Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.
Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см 3 , у белого — 7,5±0,2 г/см 3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см 3 .
О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:
Объем
Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.
Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.
О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.
Плотность
Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см 3 . Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.
Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.
Механические особенности
Предел прочности
Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.
Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.
- При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
- Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
- Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.
Пластичность
Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.
- В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
- В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.
Упругость
Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.
Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.
Ударная вязкость
Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:
- когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
- когда содержание феррита увеличивается;
- когда уменьшается содержание графита.
Предел выносливости
Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.
Гидродинамические свойства
Динамическая вязкость
Вязкость становится меньше, если в чугуне увеличивается количество марганца. Так же замечено уменьшение вязкости при снижении содержания серной примеси и прочих неметаллических оставляющих.
На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).
Поверхностное натяжение
Это показатель равен 900±100 дин/см 2 . Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.
Токсичность
Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.
Электрические характеристики
Электропроводность чугуна оценивают с помощью закона Курнакова. Электросопротивление некоторых видов приведено ниже:
- белый чугун — 70±20 Мк·ои·см.
- серый чугун — 80±40 Мк·ои·см.
- ковкий чугун — 50±20 Мк·ои·см.
Технологические особенности
Жидкотекучесть может быть определенная различными методами. Этот показатель зависит от формы и свойств чугуна.
Жидкотекучесть становится больше, когда:
- увеличивается перегрев;
- уменьшается вязкость;
- становится меньше затвердевание.
Так же жидкотекучесть зависит от теплоты плавления и теплоемкости.
Химические свойства
Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.
Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.
Влияние примесей на характеристики металла
Промышленный чугун содержит примеси. Эти примеси сильно сказываются на свойствах, характеристиках и структуре чугуна.
- Так, марганец тормозит процесс графитизации. Выделение графита приостанавливается, в результате чугун приобретает способность отбеливаться.
- Сера ухудшает литейные и механические характеристики.
- Сульфиды в основном образуются в сером чугуне.
- Фосфор улучшает литейные свойства, увеличивает износостойкость и повышает твердость. Однако на этом фоне чугун все же остается хрупким.
- Кремний больше всех влияет на структуру материала. В зависимости от количества кремня получаются белый и ферритный чугун.
Для получения определенных характеристик в чугун часто вводят специальные примеси при его изготовлении. Такие материалы получили название легированные чугуны. В зависимости от добавленного элемента чугуны могут называться алюминиевыми, хромистыми, серными. В основном элементы вводят с целю получить износостойкий, жаропрочный, немагнитный и коррозионностойкий материал.
В данном видео будет приведено сравнение свойств чугуна и стали:
Удельная теплоемкость чугуна
В таблице представлены значения средней удельной теплоемкости чугуна и энтальпия (теплосодержание) серых чугунов различного состава в зависимости от температуры.
Теплоемкость чугуна выражена в кДж/(кг·град) и указана в диапазоне от 100 до 1350°С. Из таблицы видно, что с повышением температуры значения массовой теплоемкости чугуна и его энтальпия возрастают.
То же можно сказать и про энтальпию серых чугунов. Значения удельной теплоемкости чугунов и их энтальпия имеют различие в зависимости от состава чугуна. Например, при температуре 200°С теплоемкость чугуна в зависимости от состава изменяется от 290,1 до 460,5 Дж/(кг·град). При нагревании чугуна до температуры 1300°С эта величина увеличивается и становится равной 800…900 Дж/(кг·град).
Влияние химических элементов на свойства металла
Чтобы понимать, как влияют примеси на характеристики и свойства чугуна, необходимо разобраться со структурой его отдельных видов:
- Белый — форма углерода в этой разновидности представляет собой карбид. На изломе виднеется белый цвет. Считается хрупким и ломким материалом, который редко используется в промышленности без добавок.
- Серый чугун. Пластинки графита в этом материале насыщают его углеродом. Чтобы использовать материал при производстве деталей для промышленного оборудования, изменяется форма зерен с помощью плавки.
- Ковкий — графитные зерна в этой разновидности металла имеют вид хлопьев.
Высокопрочный чугун получается после добавления в сплав магния. Чтобы улучшить характеристики этого металла, используются примеси.
Примеси
Каждая примесь, добавляемая к железу и углероду, изменяет свойства готового материала. Влияние добавок на качество чугуна:
- Магний. Позволяет сделать шаровидные зерна в материале. Это увеличивает показатели прочности и твердости заготовки.
- Марганец. Замедляет процесс графитизации. Металл белее на изломах.
- Кремний. Увеличивает графитизацию материала. Максимальное количество кремния в заготовке — 3,5%. От его количества зависит показатель прочности.
- Сера. Количество этой примеси снижается для улучшения жидкотекучести.
- Фосфор. Практически не влияет на процесс графитизации. Улучшает жидкотекучесть. При добавлении фосфора в сплав, улучшается износоустойчивость и прочность.
В чугун могут добавляться легированные материалы.
Теплопроводность чугуна
В таблице даны значения теплопроводности чугуна в зависимости от температуры и состава. Также указана теплопроводность жидкого чугуна при температуре 1400°С.
Представлены значения теплопроводности для следующих марок чугуна: обыкновенный чугун, чугун молибденохромистый, молибденовый, хромоникелевый, марганцевоникелевый, чугун никельрезист, никросилал, хромоалюминиевый, медистый, обыкновенный чистый, серый чугун, отожженый ковкий чугун, жидкий чугун.
Теплопроводность чугуна дана в зависимости от температуры в диапазоне от 0 до 400°С. По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность чугуна уменьшается. Значения теплопроводности чугуна распространенных марок указаны также в этой таблице.
Достаточно физики! Пора готовить!
Чугунную посуду рекомендуют для приготовления птицы, тушеных овощей и мяса, а также для приготовления плова. В алюминиевых кастрюлях хорошо варить макароны, каши и овощи, а вот тушить мясо, готовить борщ и кислые щи в них не следует. Не следует использовать алюминиевую и чугунную посуду для хранения готовой пищи, для соления и квашения, поскольку в ней пища окисляется и теряет свои вкусовые качества.
Таким образом, чтобы ответить на вопрос: «Что лучше: чугунная или алюминиевая посуда?», нужно решить детскую задачку, про «Кто победит – кит или слон?». Алюминиевая и чугунная посуда отличаются по большому перечню характеристик и просто не смогут друг друга заменить. Сложно приготовить в алюминиевой посуде вкусный плов, а в чугунной посуде — макароны по-флотски.
Источник
Плотность чугуна, температура плавления и коэффициент линейного расширения
В таблице представлена плотность чугуна различных сортов, а также температура плавления чугуна и его коэффициент теплового линейного расширения (КТлР).
Следует отметить что плотность чугуна в зависимости от сорта находится в диапазоне от 6600 до 7700 кг/м3. Температура плавления чугуна составляет от 1095 до 1315°С, а его КТлР от 10,5 до 18·10-6 1/град.
Плотность чугуна, температура плавления и коэффициент расширения
| Плотность чугуна, кг/м3 | |
| Серый чугун наименее плотный высокоуглеродистый | 6600-6950 |
| Серый чугун обычный средней плотности | 7000-7300 |
| Высококачественный чугун малоуглеродистый | 7400-7500 |
| Жаростойкий, жаропрочный | 7500-7600 |
| Чугун высоколегированный аустенитного класса | 7500-7700 |
| Температура плавления чугуна, °С | |
| Обычный серый чугун | 1095-1315 |
| Жаростойкий чугун | 1300 |
| Коэффициент линейного расширения чугуна (КТлР), 1/град | |
| Обычный серый при температуре 20…450°С | 10,5·10-6 |
| Обычный серый при температуре 20…750°С | 14·10-6 |
| Высоколегированный аустенитного класса при температуре 20…150°С | (16…18)·10-6 |
| Жаростойкий чугун при температуре 20…250°С | 16,7·10-6 |
| Жаростойкий чугун при температуре 250…750°С | 17,6·10-6 |
Источники:
- Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
- Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник.
3.7. Теплопроводность
Коэффициент теплопроводности λ обозначает количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности при единичном температурном градиенте, т. е. при перепаде температур в один градус на единицу длины стенки по нормали к тепловому потоку.
Размерность коэффициента теплопроводности: Вт/(м · К).
В табл. 3.7.1 приведены коэффициенты теплопроводности металлов и сплавов.
Для каждого значения λ указана температура, которой это значение соответствует. В тех случаях, когда такое указание отсутствует, данные относятся к комнатной температуре.
Таблица 3.7.1
Коэффициенты теплопроводности металлов и сплавов
Состав сплавов указан в массовых долях (кроме особо оговоренных случаев).
| Металл или сплав, масс. % | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
| Алюминий 99 | 18 | 211 |
| 30 | 208,1 | |
| 100 | 205,2 | |
| 400 | 318,2 | |
| 600 | 422,9 | |
| Висмут | –186 | 10,47 |
| –77 | 10,76 | |
| 0 | 7,411 | |
| 100 | 6,866 | |
| 96 Bi + 3,5 Pb (объемн.) | 44 | 5,401 |
| 90 Bi + 3,5 Sn (объемн.) | 44 | 5,401 |
| 80 Bi + 20 Sb | 0 | 6,364 |
| 100 | 8,583 | |
| 50 Bi + 50 Sn | 12,5 | 23,45 |
| 50 Bi + 25 Pb + 25 Sn | 20 | 16,24 |
| 48 Bi + 26 Pb + 13 Sn + 13 Cd | 7 | 13,36 |
| Вольфрам | 0 | 160,4 |
| 2227 | 148,2 | |
| Железо | ||
| кованое чистое | 0 | 59,45 |
| 100 | 56,94 | |
| 99,92 (армко) | 20 | 73,27 |
| 100 | 67,41 | |
| Золото | 0 | 311,5 |
| 97 | 312,3 | |
| 90 Au + 10 Pd | 25 | 97,97 |
| 50 Au + 50 Pd | 25 | 36,01 |
| Иридий | 17 | 59,03 |
| Кадмий | 0 | 92,65 |
| 100 | 85,62 | |
| Калий | 5 | 97,97 |
| 20,7 | 97,13 | |
| 57,6 | 90,85 | |
| 62,9 K + 37,1 Na | 6,0 | 22,99 |
| 42,9 | 25,92 | |
| Кобальт (97,12 Co + 0,24 C + 1,4 Fe + 1,1 Ni + 0,14 Si) | 30 | 487,8 |
| Латунь | ||
| красная | 0 | 103 |
| 100 | 118,5 | |
| желтая | 0 | 85,45 |
| 100 | 106,3 | |
| Литий | 0 | 71,18 |
| 101,3 | 75,36 | |
| Магний | 0–100 | 157,4 |
| 92 Mg + 8 Al | 20–200 | 62,8–79,55 |
| 92 Mg + 8 Cu | 20–200 | 125,6–132,3 |
| 88 Mg + 10 Al + 2 Si | 20–200 | 121,4–133,1 |
| Марганец | 18 | 21,77 |
| Медь | –183 | 465,2 |
| 0 | 385,2 | |
| 100 | 385,2 | |
| 99,37 Cu + 0,63 P | 30 | 104,7 |
| 98,02 Cu + 1,98 P | 30 | 52,34 |
| 96 Cu + 3 Si + 1 Mn (эвердюр) | 20 | 33,08 |
| 84 Cu + 4 Ni + 12 Mn (манганин) | 18 | 21,73 |
| 100 | 26,42 | |
| 60 Cu + 40 Ni | 18 | 22,61 |
| 100 | 26,8 | |
| 54 Cu + 46 Ni | 18 | 20,26 |
| 89 Cu + 11 Zn | 18 | 115,1 |
| 87 Cu + 13 Zn | 18 | 126 |
| 82 Cu + 18 Zn | 18 | 131 |
| 68 Cu + 32 Zn | 18 | 108,9 |
| 62 Cu + 22 Zn + 15 Ni | 18 | |
| 52 Cu + 26 Zn + 22 Ni | 0 | 29,31 |
| 100 | 36,43 | |
| 95 Cu + 5 Al (бронза алюминиевая) | 20 | 82,48 |
| 90 Cu + 10 Sn | 20 | 41,87 |
| 75 Cu + 25 Sn (бронза оловянная) | 20 | 25,54 |
| 92,8 Cu + 5 Sn + 2 Zn + 0,15 P (бронза фосфористая) | 20 | 79,13 |
| Молибден | 17 | 144,9 |
| Натрий | 5,7 | 134,4 |
| 21,2 | 132,7 | |
| 88,1 | 120,6 | |
| Никель 99 | –160 | 54,01 |
| 18 | 58,62 | |
| Ni + (2÷3) Co | 300 | 52,75 |
| 79,5 Ni + 13 Cr + 6,5 Fe (никонель) | 70 | 15,07 |
| Олово | –170 | 81,64 |
| 0 | 64,06 | |
| 100 | 59,45 | |
| 91 Sn + 8,9 Zn | 44 | 65,73 |
| Палладий | 100 | 76,2 |
| 90 Pd + 10 Pt | 25 | 56,1 |
| 50 Pd + 50 Pt | 25 | 36,84 |
| 90 Pd + 10 Ag | 25 | 47,73 |
| 50 Pd + 50 Ag | 25 | 31,82 |
| Платина | –252,8 | 389,4 |
| –183 | 76,2 | |
| 0–200 | 69,92 | |
| 90 Pt + 10 Ir | 17 | 30,98 |
| 90 Pt + 10 Rh | 17 | 30,14 |
| 90 Pt + 10 Pd | 25 | 43,12 |
| Родий | 17 | 87,92 |
| Ртуть | ||
| твердая | –269,3 | 167,5 |
| –44,2 | 27,8 | |
| жидкая | 0 | 8,081 |
| 50 | 8,75 | |
| Свинец | 18 | 34,62 |
| 100 | 34,12 | |
| Серебро 99,9 | –160 | 417,8 |
| 0 | 458,9 | |
| 10–97 | 403,2 | |
| Серебро 99,98 | 18 | 421,2 |
| 100 | 415,3 | |
| 90 Ag + 10 Pd | 25 | 141,1 |
| 90 Ag + 10 Pt | 25 | 97,97 |
| 70 Ag + 30 Pt | 25 | 30,98 |
| Сталь | См. табл. 3.7.2 | |
| Сурьма | 0 | 18,42 |
| 0–30 | 17,58 | |
| 100 | 16,75 | |
| 70 Sb + 30 Bi | 0 | 9,797 |
| 100 | 11,76 | |
| 66,7 Sb + 33,3 Cd | 0 | 1,252 |
| 50 Sb + 50 Cd | 0 | 2,173 |
| Тантал | 17 | 54,43 |
| 1827 | 82,9 | |
| Цинк | –170 | 117,2 |
| 18 | 111 | |
| 100 | 109,7 | |
| 70 Zn + 30 Sn | 44 | 93,78 |
| Чугун | 18 | 45,64 |
| 100 | 45,22 | |
| Металл или сплав, масс. % | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
В табл. 3.7.2–3.7.7 приведены коэффициенты теплопроводности некоторых сталей, чистых веществ в твердом состоянии, термоизоляционных, строительных и некоторых других материалов, жидкометаллических теплоносителей, чистых органических жидкостей и хладагентов в жидком состоянии.
Таблица 3.7.2
Коэффициенты теплопроводности λ (Вт/(м · К)) некоторых сталей
| Группа стали | Температура, °С | |||||||
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | |
| Углеродистая: марка 15 | 54,4 | 50,2 | 46,1 | 41,9 | 37,7 | 33,5 | ||
| марка 30 | 50,2 | 46,1 | 41,9 | 37,7 | 33,5 | 29,3 | ||
| Молибденовая | 41,9 | |||||||
| Хромистая | 22,4 | 21,2 | 23,5 | 22 | ||||
| Хромомолибденовая: Х10С2М (ЭИ107) | 18,4 | 0 | 21,7 | 24,7 | 22 | |||
| 12 ХМ | 37,7 | 35,6 | 33,5 | |||||
| Хромоникелевая | 16,9 | 19,2 | 21,5 | 24,4 | 26,7 | 29,7 | 32,6 | 36,1 |
| Хромоникельвольфрамовая | 15,5 | 0 | 18,1 | 21,2 | 22 |
Таблица 3.7.3
Коэффициенты теплопроводности некоторых чистых веществ в твердом состоянии
| Название | Формула | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
| Алюминия оксид: | Al2O3 | ||
| порошок | 46,8 | 0,678 | |
| плавленый | 650–1350 | 3,349 | |
| Графит (плотность 1580 кг/м3): | С | ||
| ¦оси | 50 | 44,17 | |
| + оси | 142 | 17,84 | |
| 555 | 116,8 | ||
| Графит (порошок, плотность 700 кг/м3) | С | 40 | 1,193 |
| Кадмия оксид (прессов. порошок) | CdO | 46,5 | 0,682 |
| Калия иодид | KI | 0 | 5,024 |
| Калия хлорид | KCl | 0 | 6,95 |
| Кобальта(III) оксид (прессов. порошок) | Со2О3 | 48,5 | 0,419 |
| Кремния карбид (карборунд) | SiC | 650–1350 | 15,57 |
| Кремния диоксид (кварц): | SiO2 | ||
| ¦оси | 0 | 13,61 | |
| 100 | 9,002 | ||
| + оси | 0 | 7,247 | |
| 100 | 5,581 | ||
| Магния оксид (прессов. порошок, плотность 797 кг/м3) | MgO | 47,6 | 0,607 |
| Меди(II) оксид (прессов. порошок) | CuO | 45,6 | 1,013 |
| Натрия хлорид | NaCl | 0 | 1,116 |
| Нафталин | С10Н8 | 0 | 0,377 |
| 1-Нафтол | С10Н8О | 35 | 0,293 |
| 2-Нафтол | С10Н8О | 35 | 0,335 |
| Никеля(III) оксид (прессов. порошок, плотность 1445 кг/м3) | Ni2O3 | 46,2 | 0,938 |
| Сера: | S | ||
| ромбическая | 0 | 0,293 | |
| пластическая | 20–100 | 0,264 | |
| Серебра бромид | AgBr | 0 | 1,03 |
| Серебра хлорид | AgCl | 0 | 1,089 |
Таблица 3.7.4
Коэффициенты теплопроводности термоизоляционных, строительных и некоторых других материалов
| Материал | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
| Асбестовая ткань | 20 | 0,279 |
| Асбестовое волокно | 0 | 0,112 |
| 100 | 0,121 | |
| Асбестовый картон | 100 | 0,144 |
| Асфальт | 20 | 0,744 |
| Базальт | 20 | 2,175 |
| Бетон | 20 | 0,922 |
| Боксит | 600 | 0,557 |
| Войлок шерстяной | 40 | 0,073 |
| Гипс | 0 | 1,297 |
| Глина огнеупорная | 300–600 | 0,875–0,925 |
| Гранит | 20 | 3,419 |
| Дерево: | ||
| береза (10,8 % влажности), + волокнам | 29 | 0,172 |
| дуб (плотность 825 кг/м3), + волокнам | 15 | 0,209 |
| дуб (плотность 819 кг/м3), ¦ волокнам | 20 | 0,349 |
| Диатомитовая земля | 20 | 0,055 |
| Древесный уголь | 81 | 0,076 |
| Известняк | 0 | 2,07 |
| Известь глинистая | 20 | 3,256 |
| Каменный уголь | 20 | 0,186 |
| Картон гофрированный | 0,064 | |
| Кирпич: | ||
| изоляционный | 100 | 0,14 |
| огнеупорный | 200 | 1,006 |
| строительный | 20 | 0,233–0,291 |
| Клинкер | 30 | 0,163 |
| Кокс порошкообразный | 100 | 0,191 |
| Лед | 0 | 2,25 |
| –95 | 3,954 | |
| Магнезит | 1000 | 1,663 |
| Мрамор: | ||
| белый | 3,268 | |
| черный | 30 | 2,861 |
| Накипь котельная | 65 | 1,31–3,14 |
| Оникс | 30 | 2,34 |
| Опилки древесные | 20 | 0,07 |
| Парафин | 20 | 0,267 |
| Песок: | ||
| сухой | 20 | 0,326 |
| влажный | 20 | 1,13 |
| Песчаник (плотность 2259 кг/м3) | 40 | 1,84 |
| Портландцемент | 30 | 0,302 |
| Пробка гранулированная | 20 | 0,038 |
| Пробковая пластина | 30 | 0,042 |
| Резина мягкая | 20 | 0,167 |
| Сланец | 100 | 1,49 |
| Слюда | 0,582 | |
| Снег: | ||
| свежевыпавший | 0,105 | |
| уплотненный | 0,048 | |
| Стеклянная вата | 0 | 0,037 |
| Текстолит | 20 | 0,645–0,93 |
| Торфоплиты | 50 | 0,064 |
| Фарфор | 95 | 1,04 |
| Фибра (пластины) | 20 | 0,049 |
| Флюорит | 0 | 10,4 |
| Шерсть минеральная | 50 | 0,047 |
| Шлакобетон | 0,93 | |
| Шлаковая вата | 100 | 0,07 |
| Штукатурка | 20 | 0,779 |
| Хлопок (плотность 81 кг/м3) | 0 | 0,057 |
| Эбонит | 0 | 0,158 |
| Материал | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
Таблица 3.7.5
Коэффициенты теплопроводности λ (Вт/(м · К)) некоторых жидкометаллических теплоносителей
| Теплоноситель | Температура, °С | |||||||||
| 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 |
| Висмут (Tпл = 271,3 °С; Tкип = 1560 °С) | 14,7 | 15,6 | 16,5 | 17,3 | 18,3 | |||||
| Калий (Tпл = 63,6 °С; Tкип = 776 °С) | 46,5 | 46,4 | 45,9 | 44,9 | 43,4 | 39,5 | 34,9 | 30,9 | 28,3 | |
| Литий (Tпл = 180 °С; Tкип = 1350 °С) | 46,1 | 46,3 | 46,6 | 47,1 | 47,6 | 48 | 48,5 | |||
| Натрий (Tпл = 97,8 °С; Tкип = 900 °С) | 86,1 | 84,1 | 81,6 | 78,7 | 75,5 | 68,7 | 63,8 | 60,6 | 59,1 | |
| Олово (Tпл = 231,9 °С; Tкип = 2720 °С) | 30,7 | 31,6 | 33,6 | 35,5 | 37,4 | 39,4 | ||||
| Ртуть (Tпл = –38,9 °С; Tкип = 356,6 °С) | 7,79 | 8,43 | 9,07 | 9,71 | 10,4 | 11 | 11,6 | 12,6 | 13,3 | |
| Свинец (Tпл = 327,3 °С; Tкип = 1751 °С) | 15,1 | 15,5 | 15,9 | 17,7 | ||||||
| Сплав натрий—калий: 25 % Na + 75 % K (Tпл = 11 °С; Tкип = 784 °С) | 22,7 | 23,3 | 23,8 | 24,5 | 25,1 | 25,8 | 27,1 | 28,4 | 29,7 | 30,9 |
| Сплав свинец—висмут: 44 % Pb + 55,5 % Bi (Tпл = 123,5 °С; Tкип = 1670 °С) | 11,2 | 11,7 | 12,2 | 12,7 | 13,7 | 14,7 | 15,8 | 16,7 |
Таблица 3.7.6
Коэффициенты теплопроводности чистых органических жидкостей
| Название | Формула | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
| Анилин | С6H7N | 16,5 | 0,1774 |
| Ацетальдегид | С2H4O | 21 | 0,1712 |
| Ацетон | С3Н6О | 16 | 0,1902 |
| Бензол | С6Н6 | 16 | 0,1902 |
| Бромбензол | С6Н5Br | 20 | 0,1115 |
| 2-Бромбутан | C4H9Br | 12 | 0,1164 |
| 1-Бромпентан | С5H11Br | 18 | 0,0984 |
| 1-Бромпропан | С3Н7Br | 12 | 0,1076 |
| Бромэтан | С2Н5Br | 30 | 0,1198 |
| Бутан-1-ол | С4H10O | 20 | 0,1534 |
| Бутилацетат | С6Н12О2 | 20 | 0,1369 |
| Гексан | С6Н14 | 30–100 | 0,1376 |
| Гексан-1-ол | С6H14O | 30–100 | 0,1615 |
| Гептан | С7Н16 | 30 | 0,1404 |
| Гептан-1-ол | С7H16O | 70–100 | 0,1625 |
| Глицерин | С3Н8О3 | 20 | 0,2943 |
| Декан | С10Н22 | 30 | 0,1402 |
| Диизопропиловый эфир | С6Н14О | 20 | 0,1097 |
| Дифтордихлорметан (фреон-12) | СCl2F2 | 20 | 0,08248 |
| Дифторхлорметан (фреон-22) | СНClF2 | 20 | 0,09295 |
| Дихлорметан (хлористый метилен) | СН2Cl2 | 0 | 0,1218 |
| 1,2-Дихлорпропан | С3Н6Cl2 | 20–50 | 0,1254 |
| 1,2-Дихлорэтан (хлористый этилен) | С2Н4Cl2 | 20 | 0,1264 |
| Диэтиловый эфир | С4Н10О | 30 | 0,1375 |
| N,N-Диэтилэтанамин (триэтиламин) | С6Н15N | 20 | 0,121 |
| Изомасляная кислота | С4Н8О2 | 12 | 0,1424 |
| Изопропилацетат | С5Н10О2 | 20 | 0,1344 |
| 1-Изопропил-4-метилбензол (n-цимол) | С10Н14 | 30 | 0,1347 |
| 2-Изопропил-5-метилфенол (тимол) | С10H14O | 13 | 0,1311 |
| Иодбензол | С6Н5I | 30–100 | 0,1203 |
| 2-Иодбутан | С4Н9I | 12 | 0,08709 |
| 1-Иодпентан | С5H11I | 12 | 0,08499 |
| 1-Иодпропан | С3Н7I | 12 | 0,09211 |
| Иодэтан | С2Н5I | 30 | 0,111 |
| м-Крезол | С7Н8О | 20 | 0,1499 |
| n-Крезол | С7Н8О | 20 | 0,1444 |
| о-Ксилол | С8Н10 | –20÷80 | 0,1428 |
| м-Ксилол | С8Н10 | 25 | 0,1577 |
| Масляная кислота | С4Н8О2 | 12 | 0,1507 |
| Мезитилен | С11Н12 | 20 | 0,1359 |
| Метанол | СН4О | 20 | 0,2023 |
| Метилацетат | С3Н6О2 | 12 | 0,1612 |
| 3-Метилбутан-1-ол | С5H12O | 0 | 0,1478 |
| (3-Метилбутил)ацетат | С7Н14О2 | 20 | 0,1298 |
| 2-Метилпропан-1-ол | С4H10O | 20 | 0,1424 |
| 1-Метил-3-хлорбензол | С7Н7Сl | 20 | 0,1298 |
| Метилциклогексан | С7Н14 | 30 | 0,1278 |
| Муравьиная кислота | СН2О2 | 12 | 0,2713 |
| Нитробензол | С6Н5NO2 | 30–100 | 0,1636 |
| Нитрометан | СН3NO2 | 30 | 0,2153 |
| Нонан | С9Н20 | 30–100 | 0,1413 |
| Нонан-1-ол | С9H20O | 30–100 | 0,1681 |
| Октан | С8Н18 | 30 | 0,1452 |
| Октан-1-ол | С8H18O | 30–100 | 0,1663 |
| Олеиновая кислота | С18Н34О2 | 26,5 | 0,2309 |
| Пальмитиновая кислота | С16Н32О2 | 72,5 | 0,1715 |
| Пентан | С5H12 | 30 | 0,1349 |
| Пентан-1-ол | С5H12O | 30–100 | 0,1622 |
| Пентахлорэтан | С2НCl5 | 20 | 0,1254 |
| Пентилацетат | С7Н14О2 | 20 | 0,1292 |
| Пропан-1,2-диол | С3Н8О2 | 20–80 | 0,2009 |
| Пропан-1-ол | С3H8O | 12 | 0,1562 |
| Пропан-2-ол | С3H8O | 20 | 0,1408 |
| Проп-2-ен-1-ол | С3Н6O | 30 | 0,1798 |
| Пропилацетат | С5Н10О2 | 12 | 0,1369 |
| Пропилформиат | С4Н8О2 | 12 | 0,1537 |
| Пропионовая кислота | С3Н6О2 | 12 | 0,1633 |
| Стеариновая кислота | С18Н36О2 | 72,5 | 0,1601 |
| 1,1,2,2-Тетрафтор-1,2-дихлорэтан (фреон-114) | С2Cl2F4 | 30 | 0,0775 |
| Тетрахлорметан | СCl4 | 20 | 0,1034 |
| 1,1,2,2-Тетрахлорэтан | С2H2Cl4 | 20 | 0,1139 |
| Тетрахлорэтилен | ССl2=CCl2 | 20 | 0,1619 |
| Толуол | С7Н8 | 20 | 0,1349 |
| 1,1,2-Трифтор-1,2,2-трихлорэтан (фреон-113) | С2Cl3F3 | 30 | 0,09085 |
| Трихлорэтилен | СНCl=CCl2 | 20 | 0,1162 |
| Уксусная кислота | С2Н4О2 | 20 | 0,172 |
| Уксусный ангидрид | С4H6O3 | 21 | 0,2213 |
| Фтордихлорметан (фреон-21) | СНCl2F | 0,108 | |
| Фтортрихлорметан (фреон-11) | CCl3F | 20 | 0,09546 |
| Хлорбензол | C6H5Cl | 30–100 | 0,1447 |
| 2-Хлорбутан | C4H9Cl | 12 | 0,1164 |
| Хлорметан | СН3Сl | –15÷30 | 0,1925 |
| Хлороформ | СНСl3 | 20 | 0,103 |
| 1-Хлорпентан | С5H11Cl | 12 | 0,1185 |
| 1-Хлорпропан | С3Н7Cl | 12 | 0,1185 |
| Этанол | С2H6O | 20 | 0,1673 |
| Этилацетат | С4Н8О2 | 16 | 0,1491 |
| Этилбензол | С8Н10 | 20 | 0,1323 |
| Этиленгликоль | С2Н6О2 | 20 | 0,2611 |
| Название | Формула | T, °С | λ, Вт/(м · К) |
Таблица 3.7.7
Коэффициенты теплопроводности λ (Вт/(м · К)) некоторых хладагентов в жидком состоянии
| Хладагент | Формула | Температура, °С | ||||||
| –30 | –20 | –10 | 0 | 10 | 20 | 30 | ||
| Аммиак | NH3 | 0,57 | 0,57 | 0,558 | 0,547 | 0,518 | ||
| Дифтордихлорметан (фреон-12) | СCl2F2 | 0,106 | 0,101 | 0,097 | 0,092 | 0,087 | 0,083 | 0,078 |
| Серы диоксид | SO2 | 0,223 | 0,207 | 0,212 | 0,205 | 0,199 | 0,193 | |
| Углерода диоксид | СО2 | 0,151 | 0,14 | 0,128 | 0,116 | 0,093 | 0,07 | |
| Фтортрихлорметан (фреон-11) | CCl3F | 0,12 | 0,115 | 0,11 | 0,106 | 0,101 | 0,095 | 0,091 |
| Хлорметан | СН3Cl | 0,188 | 0,179 | 0,171 | 0,162 | 0,154 |
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.
Источник
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.
Значение в быту и производстве
Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:
- 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.
- 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.
- 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.
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.
Влияние концентрации углерода
Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:
- 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).
- 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.
- У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.
Область применения
Существует много отраслей производства, где применяется вольфрам. Основная сфера применения — производство сплавов. Этот металл повышает твёрдость, прочность, упругость и улучшает способность растягиваться у различных видов стали.
Обычно его готовят в двух формах: ферровольфрам — сплав железа и вольфрама, он обычно содержит около 70−80% вольфрама. Ферровольфрам смешивается с другими металлами и сплавами (обычно со сталью) для производства специализированных соединений. И также он производится в порошкообразной форме. В дальнейшем его добавляют к другим металлам с целью получения новых соединений с улучшенными характеристиками .
Около 90% всех вольфрамовых сплавов используются в горнодобывающей промышленности, строительстве, а также электротехническом и металлообрабатывающем оборудовании. Эти сплавы используются для изготовления многих вещей: нагревательные элементы в печах (благодаря хорошей теплопроводности), деталей для самолётов и космических аппаратов; оборудования, используемого в телевизионной, радиолокационной и радиотехнике; высокопрочных свёрл; металлорежущих инструментов и аналогичного оборудования.
Небольшое количество вольфрама используется в лампах накаливания. Очень тонкий провод, который образует нить в лампах, сделан именно из него. Электрический ток проходит через эту нить и нагревает её, что заставляет её испускать свет. Он не плавится благодаря тому, что температура плавления вольфрама высока.
Также он используется, в таких приборах и элементах, как:
- электроды для сварки;
- противовесы;
- магниты;
- рентгеновские аппараты;
- обмотки и нагревательные элементы электроплит;
- катоды радиоламп и электронных приборов (торированный вольфрам);
- магнетроны в микроволновых печах;
- химические катализаторы.
Кроме того, он применяется при металлообработке и добыче полезных ископаемых, а также для производства пигментов для красок.
Способы плавления
Способов плавления два — внешний и внутренний. Каждый из способов по своему эффективен. Во время применений внешнего способа плавления, на металл или сплав воздействуют теплом с наружи, на пример в печи. А в случае с внутренним, через металл пропускается высокий разряд электрического тока или воздействуют электромагнитным полем.
На фото индукционный электромагнитный нагреватель металла для кузнечного дела.
Теплопроводимость.
Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.
Коэффициенты теплопроводности из справочника:
| Металл | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) |
| Медь | 390 |
| Алюминий | 236 |
| Сталь | 47 |
| Чугун | 42 |
Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.
Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.
