Cálido- esta es una de las formas de energía contenida en el movimiento de los átomos en la materia. Medimos la energía de este movimiento con un termómetro, aunque no directamente.
Como todos los demás tipos de energía, el calor se puede transferir de un cuerpo a otro. Esto siempre sucede cuando hay cuerpos de diferentes temperaturas. Además, ni siquiera es necesario que estén en contacto, ya que existen varias formas de transferir calor. A saber:
Conductividad térmica. Esta es la transferencia de calor por contacto directo de dos cuerpos. (Sólo puede haber un cuerpo si sus partes tienen diferentes temperaturas). Además, cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre los cuerpos y mayor es el área de su contacto, más calor se transfiere cada segundo. Además, la cantidad de calor transferido depende del material; por ejemplo, la mayoría de los metales conducen bien el calor, pero la madera y el plástico lo hacen mucho peor. La cantidad que caracteriza esta capacidad de transferir calor también se llama conductividad térmica (más correctamente, coeficiente de conductividad térmica), lo que puede dar lugar a cierta confusión.
Si es necesario medir la conductividad térmica de un material, esto se suele realizar mediante el siguiente experimento: se fabrica una varilla del material de interés y se mantiene un extremo a una temperatura y el otro a otra diferente, por ejemplo. más baja, temperatura. Dejemos, por ejemplo, extremo frío se colocará en agua con hielo; de esta manera se mantendrá una temperatura constante y, midiendo la velocidad de fusión del hielo, se podrá juzgar la cantidad de calor recibido. Dividiendo la cantidad de calor (o mejor dicho, potencia) por la diferencia de temperatura y la sección transversal de la varilla y multiplicando por su longitud, obtenemos el coeficiente de conductividad térmica, medido, como se desprende de lo anterior, en J * m / K. * m 2 * s, es decir, en W / K*m. A continuación ves una tabla de la conductividad térmica de algunos materiales.
| Material | Conductividad térmica, W/(m·K) |
| Diamante | 1001—2600 |
| Plata | 430 |
| Cobre | 401 |
| Óxido de berilio | 370 |
| Oro | 320 |
| Aluminio | 202—236 |
| Silicio | 150 |
| Latón | 97—111 |
| Cromo | 107 |
| Hierro | 92 |
| Platino | 70 |
| Estaño | 67 |
| Óxido de zinc | 54 |
| Acero | 47 |
| Óxido de aluminio | 40 |
| Cuarzo | 8 |
| Granito | 2,4 |
| Hormigón macizo | 1,75 |
| Basalto | 1,3 |
| Vaso | 1-1,15 |
| Pasta térmica KPT-8 | 0,7 |
| Agua en condiciones normales | 0,6 |
| Ladrillo de construcción | 0,2—0,7 |
| Madera | 0,15 |
| Aceites de petróleo | 0,12 |
| Nieve fresca | 0,10—0,15 |
| Lana de vidrio | 0,032-0,041 |
| Lana de roca | 0,034-0,039 |
| Aire (300 K, 100 kPa) | 0,022 |
Como puede verse, la conductividad térmica difiere en muchos órdenes de magnitud. El diamante y algunos óxidos metálicos conducen el calor sorprendentemente bien (en comparación con otros dieléctricos); el aire, la nieve y la pasta térmica KPT-8 conducen mal el calor.
Pero estamos acostumbrados a pensar que el aire conduce bien el calor, pero el algodón no, aunque esté compuesto en un 99% por aire. La cosa es convección. El aire caliente es más ligero que el aire frío y “flota” hacia arriba, generando una circulación de aire constante alrededor de un cuerpo calentado o muy frío. La convección mejora la transferencia de calor en un orden de magnitud: sin ella, sería muy difícil hervir una cacerola con agua sin revolverla constantemente. Y en el rango de 0°C a 4°C agua cuando se calienta se encoge, lo que conduce a la convección en dirección opuesta a la habitual. Esto lleva al hecho de que, independientemente de la temperatura del aire, en el fondo de los lagos profundos la temperatura siempre se fija en 4°C.
Para reducir la transferencia de calor, se bombea aire desde el espacio entre las paredes de los termos. Pero cabe señalar que la conductividad térmica del aire depende poco de una presión de hasta 0,01 mm Hg, es decir, el límite del vacío profundo. Este fenómeno se explica por la teoría de los gases.
Otro método de transferencia de calor es la radiación. Todos los cuerpos emiten energía en forma ondas electromagnéticas, pero sólo aquellos que están suficientemente calentados (~600°C) emiten en el rango visible. La potencia de radiación, incluso a temperatura ambiente, es bastante alta: alrededor de 40 mW por 1 cm 2. En términos de superficie del cuerpo humano (~1m2), será de 400W. La única salvación es que en nuestro entorno habitual, todos los cuerpos que nos rodean también emiten aproximadamente con la misma potencia. La potencia de radiación, por cierto, depende en gran medida de la temperatura (como T 4), según la ley Stefan Boltzmann. Los cálculos muestran que, por ejemplo, a 0°C la potencia de la radiación térmica es aproximadamente una vez y media más débil que a 27°C.
A diferencia de la conductividad térmica, la radiación puede propagarse en el vacío total; es gracias a ella que los organismos vivos en la Tierra reciben la energía del Sol. Si la transferencia de calor por radiación no es deseable, se minimiza colocando particiones opacas entre los objetos fríos y calientes, o se reduce la absorción de radiación (y la emisión, por cierto, exactamente en la misma medida) cubriendo la superficie con una fina capa de espejo de metal, por ejemplo, plata.
- Los datos sobre la conductividad térmica se tomaron de Wikipedia y se obtuvieron de libros de referencia como:
- "Cantidades físicas" ed. I. S. Grigorieva
- Manual CRC de química y física
- Se puede encontrar una descripción más rigurosa de la conductividad térmica en un libro de texto de física, por ejemplo, en "Física general" de D.V. Sivukhin (Volumen 2). En el volumen 4 hay un capítulo dedicado a la radiación térmica (incluida la ley de Stefan-Boltzmann)
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La conductividad térmica del revestimiento de esmalte, incluso con esmalte normal, es bastante baja: 0,8 - 1,0 vatios por metro grado. A modo de comparación: la conductividad térmica del hierro es 65; acero - 70 - 80; cobre - 330 vatios por metro grado. Si aparecen burbujas de gas en el esmalte, lo que provoca una disminución de su densidad aparente, la conductividad térmica disminuye. Por ejemplo, con una densidad aparente de esmalte de 2,48 gramos por centímetro cúbico, la conductividad térmica es igual a 1,18 vatios por metro grado, luego con una densidad aparente de 2,20 gramos por centímetro cúbico, la conductividad térmica ya es igual a 0,46 vatios por metro cúbico. grado del metro.
La red cristalina del aluminio consta, como muchos otros metales, de cubos centrados en las caras (ver página). La conductividad térmica del aluminio es el doble de la conductividad térmica del hierro e igual a la mitad de la conductividad térmica del cobre. Su conductividad eléctrica es mucho mayor que la conductividad eléctrica del hierro y alcanza el 60% de la conductividad eléctrica del cobre.
| Composición y propiedades mecánicas de algunas fundiciones al cromo. |
La aleación es muy propensa a la formación de cavidades de contracción. La conductividad térmica de la aleación es aproximadamente la mitad de la conductividad térmica del hierro, lo que debe tenerse en cuenta al fabricar equipos térmicos a partir de hierro fundido al cromo.
Al soldar cobre con arco, se debe tener en cuenta que la conductividad térmica del cobre es aproximadamente seis veces mayor que la conductividad térmica del hierro. La resistencia del cobre disminuye tanto que incluso con impactos leves se forman grietas. El cobre se funde a una temperatura de 1083 C.
El módulo de elasticidad del titanio es casi la mitad que el del hierro, está a la par del módulo de las aleaciones de cobre y es significativamente mayor que el del aluminio. La conductividad térmica del titanio es baja: aproximadamente el 7% de la conductividad térmica del aluminio y el 16-5% de la conductividad térmica del hierro. Esto debe tenerse en cuenta al calentar metal para tratamiento a presión y soldadura. La resistencia eléctrica del titanio es aproximadamente 6 veces mayor que la del hierro y 20 veces mayor que la del aluminio.
El módulo de elasticidad del titanio es casi la mitad que el del hierro, está a la par del módulo de las aleaciones de cobre y es significativamente mayor que el del aluminio. La conductividad térmica del titanio es baja: aproximadamente el 7% de la conductividad térmica del aluminio y el 16-5% de la conductividad térmica del hierro.
Este material tiene una resistencia mecánica satisfactoria y una resistencia química excepcionalmente alta a casi todos los reactivos químicos, incluso a los más agresivos, con excepción de los agentes oxidantes fuertes. Además, se diferencia de todos los demás materiales no metálicos por su alta conductividad térmica, más del doble que la conductividad térmica del hierro.
Todos estos requisitos los cumplen el hierro, el carbono y los aceros estructurales de baja aleación con bajo contenido de carbono: el punto de fusión del hierro es de 1535 C, la combustión es de 1200 C, el punto de fusión del óxido de hierro es de 1370 C. El efecto térmico de la oxidación Las reacciones son bastante altas: Fe 0 5O2 FeO 64 3 kcal / g -mol, 3Fe 2O2 Fe3O4 H - 266 9 kcal / g-mol, 2Fe 1 5O2 Fe2O3 198 5 kcal / g-mol, y la conductividad térmica del hierro es limitada. .
El titanio y sus aleaciones, por sus altas propiedades físicas, propiedades químicas Se utiliza cada vez más como material estructural para la tecnología de aviación y cohetes, ingeniería química, fabricación de instrumentos, construcción naval e ingeniería mecánica, en la industria alimentaria y otras industrias. El titanio es casi dos veces más ligero que el acero, su densidad es de 4,5 g/cm3, tiene altas propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión a temperaturas normales y altas y en muchos ambientes activos, la conductividad térmica del titanio es casi cuatro veces menor que la térmica. conductividad del hierro.
Una de estas soluciones es que una tubería enrollada sobre una superficie enfriada solo se suelda a esta superficie, después de lo cual la unión entre la tubería y la carcasa se recubre con resina epoxi mezclada con polvo de hierro. La conductividad térmica de la mezcla es cercana a la conductividad térmica del hierro. Como resultado, se crea un buen contacto térmico entre la carcasa y la tubería, lo que mejora las condiciones de enfriamiento de la carcasa.
Todas estas condiciones las cumplen el hierro y los aceros al carbono. Los óxidos FeO y Fe304 se funden a temperaturas de 1350 y 1400 C. La conductividad térmica del hierro no es alta en comparación con otros materiales estructurales.
Para los metales que operan a bajas temperaturas, también es muy importante cómo cambia su conductividad térmica con los cambios de temperatura. La conductividad térmica del acero aumenta al disminuir la temperatura. El hierro puro es muy sensible a los cambios de temperatura. Dependiendo de la cantidad de impurezas, la conductividad térmica del hierro puede cambiar drásticamente. El hierro puro (99,7%), que contiene 0,01% C y 0,21% O2, tiene una conductividad térmica de 0,35 cal cm-1 s - 19 C - a - 173 C y 0,85 cal cm - x Xc - 10 C. - a -243°C.
La soldadura más utilizada es con cautín, sopletes de gas, inmersión en soldadura fundida y en hornos. Las limitaciones en su uso se deben únicamente al hecho de que un soldador solo puede soldar piezas de paredes delgadas a una temperatura de 350 C. Piezas masivas, debido a su alta conductividad térmica, que es 6 veces mayor que la conductividad térmica del hierro. , se sueldan con sopletes de gas. Para los intercambiadores de calor tubulares de cobre se utiliza soldadura por inmersión en sales fundidas y soldaduras. Cuando se suelda por inmersión en sales fundidas, se suelen utilizar hornos de baño de sal. Las sales suelen servir como fuente de calor y tienen un efecto fundente, por lo que no se requiere fundente adicional durante la soldadura. En la soldadura por inmersión, las piezas previamente fundentes se calientan en soldadura fundida, que llena los espacios de las juntas a la temperatura de soldadura. Protección de espejo de soldadura Carbón activado o gas inerte. La desventaja de soldar en baños de sal es que, en algunos casos, es imposible eliminar las sales o el fundente residuales.
Introducción
La determinación de la conductividad térmica de los metales desempeña un papel importante en algunos campos, por ejemplo en la metalurgia, la ingeniería radioeléctrica, la ingeniería mecánica y la construcción. Actualmente, existen muchos métodos diferentes que pueden utilizarse para determinar la conductividad térmica de los metales.
Este trabajo está dedicado al estudio de la propiedad principal de los metales: la conductividad térmica, así como al estudio de métodos para estudiar la conductividad térmica.
El objeto del estudio es la conductividad térmica de los metales, así como diversos métodos de investigación de laboratorio.
El tema del estudio son los coeficientes de conductividad térmica de los metales.
Resultado planificado: producción. trabajo de laboratorio“Determinación del coeficiente de conductividad térmica de los metales” según el método calorimétrico.
Para lograr este objetivo, es necesario resolver las siguientes tareas:
Estudio de la teoría de la conductividad térmica de los metales;
Estudiar métodos para determinar el coeficiente de conductividad térmica;
Selección de equipos de laboratorio;
Determinación experimental del coeficiente de conductividad térmica de los metales;
Puesta en marcha del trabajo de laboratorio “Determinación del coeficiente de conductividad térmica de los metales”.
La obra consta de tres capítulos en los que se revelan las tareas asignadas.
Conductividad térmica de los metales.
ley de fourier
La conductividad térmica es la transferencia molecular de calor entre cuerpos o partículas de un mismo cuerpo en contacto directo con diferentes temperaturas, durante la cual se intercambia la energía del movimiento de partículas estructurales (moléculas, átomos, electrones libres).
La conductividad térmica está determinada por el movimiento térmico de las micropartículas del cuerpo.
La ley básica de la transferencia de calor por conductividad térmica es la ley de Fourier. Según esta ley, la cantidad de calor dQ transferida por conductividad térmica a través de un elemento de superficie dF perpendicular al flujo de calor durante el tiempo df es directamente proporcional al gradiente de temperatura, la superficie dF y el tiempo df.
El coeficiente de proporcionalidad l se llama coeficiente de conductividad térmica. El coeficiente de conductividad térmica es una característica termofísica de una sustancia que caracteriza la capacidad de una sustancia para conducir calor.
El signo menos en la fórmula (1) indica que el calor se transfiere en la dirección de disminución de la temperatura.
La cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie isotérmica se llama flujo de calor:
La ley de Fourier es aplicable para describir la conductividad térmica de gases, líquidos y sólidos; la diferencia estará únicamente en los coeficientes de conductividad térmica.
Coeficiente de conductividad térmica de los metales y su dependencia de los parámetros del estado de la sustancia.
El coeficiente de conductividad térmica es una característica termofísica de una sustancia que caracteriza la capacidad de una sustancia para conducir calor.
El coeficiente de conductividad térmica es la cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo a través de una unidad de área, perpendicular a grad t.
Para diferentes sustancias, el coeficiente de conductividad térmica es diferente y depende de la estructura, densidad, humedad, presión y temperatura. Estas circunstancias deben tenerse en cuenta al utilizar tablas de consulta.
Valor más alto tiene el coeficiente de conductividad térmica de los metales para los cuales. El metal con mayor conductividad térmica es la plata, seguido del cobre puro, el oro, el aluminio, etc. Para la mayoría de los metales, un aumento de temperatura conduce a una disminución del coeficiente de conductividad térmica. Esta dependencia se puede aproximar aproximadamente mediante la ecuación en línea recta
aquí l, l0 son, respectivamente, los coeficientes de conductividad térmica a una temperatura dada t y a 00C, β es el coeficiente de temperatura. El coeficiente de conductividad térmica de los metales es muy sensible a las impurezas.
Por ejemplo, cuando aparecen incluso trazas de arsénico en el cobre, su coeficiente de conductividad térmica disminuye de 395 a 142; para acero al 0,1% de carbono l = 52, al 1,0% - l = 40, al 1,5% de carbono l = 36.
El coeficiente de conductividad térmica también se ve afectado por el tratamiento térmico. Entonces, para el acero al carbono endurecido, l es entre un 10 y un 25% menor que para el acero blando. Por estas razones, los coeficientes de conductividad térmica de muestras de metales comerciales a las mismas temperaturas pueden variar significativamente. Cabe señalar que las aleaciones, a diferencia de los metales puros, se caracterizan por un aumento de la conductividad térmica al aumentar la temperatura. Desafortunadamente, todavía no ha sido posible establecer patrones cuantitativos generales que gobiernen la conductividad térmica de las aleaciones.
El coeficiente de conductividad térmica de los materiales de construcción y de aislamiento térmico (dieléctricos) es muchas veces menor que el de los metales y asciende a 0,02 - 3,0. Para la gran mayoría de ellos (la excepción es el ladrillo de magnesita), el coeficiente de conductividad térmica aumenta al aumentar la temperatura. En este caso, se puede utilizar la ecuación (3), teniendo en cuenta que para sólidos - dieléctricos, β>0.
Muchos materiales de construcción y de aislamiento térmico tienen una estructura porosa (ladrillo, hormigón, amianto, escoria, etc.). Para ellos y los materiales en polvo, el coeficiente de conductividad térmica depende significativamente de la densidad aparente. Esto se debe al hecho de que a medida que aumenta la porosidad, la mayor parte del volumen se llena con aire, cuyo coeficiente de conductividad térmica es muy bajo. Al mismo tiempo, cuanto mayor es la porosidad, menor es la densidad aparente del material. Por lo tanto, una disminución en la densidad aparente de un material, en igualdad de condiciones, conduce a una disminución en l.
Por ejemplo, en el caso del amianto, una disminución de la densidad aparente de 800 kg/m a 400 kg/m da como resultado una disminución de 0,248 a 0,105. La influencia de la humedad es muy grande. Por ejemplo, para ladrillo seco l = 0,35, para líquido 0,6 y para ladrillo húmedo l = 1,0.
Se debe prestar atención a estos fenómenos al determinar y realizar cálculos técnicos de conductividad térmica. El coeficiente de conductividad térmica de las gotas de líquido se encuentra en el rango de 0,08 a 0,7. Al mismo tiempo, para la gran mayoría de líquidos, el coeficiente de conductividad térmica disminuye al aumentar la temperatura. Las excepciones son el agua y la glicerina.
El coeficiente de conductividad térmica de los gases es aún menor.
El coeficiente de conductividad térmica de los gases aumenta al aumentar la temperatura. Dentro del rango de 20 mmHg. hasta 2000 en (bar), es decir en el área que se encuentra con mayor frecuencia en la práctica, no depende de la presión. Debe tenerse en cuenta que para una mezcla de gases (gases de combustión, atmósfera de hornos térmicos, etc.) es imposible determinar el coeficiente de conductividad térmica mediante cálculo. Por lo tanto, en ausencia de datos de referencia, un valor confiable de l sólo puede encontrarse experimentalmente.
En valor l< 1 - вещество называют тепловым изолятором.
Para resolver problemas de conductividad térmica, es necesario tener información sobre algunas propiedades macroscópicas (parámetros termofísicos) de una sustancia: coeficiente de conductividad térmica, densidad, capacidad calorífica específica.
Explicación de la conductividad térmica de los metales.
La conductividad térmica de los metales es muy alta. No se reduce a la conductividad térmica de la red, por lo que aquí debe actuar otro mecanismo de transferencia de calor. Resulta que en los metales puros la conductividad térmica se lleva a cabo casi en su totalidad debido al gas de electrones, y sólo en metales y aleaciones muy contaminados, donde la conductividad es baja, la contribución de la conductividad térmica de la red resulta ser significativa.
La característica numérica de la conductividad térmica de un material se puede determinar mediante la cantidad de calor que pasa a través de un material de cierto espesor en un tiempo determinado. La característica numérica es importante al calcular la conductividad térmica de varios productos perfilados.
Coeficientes de conductividad térmica de varios metales.
Para que se produzca la conducción térmica es necesario el contacto físico directo entre dos cuerpos. Esto significa que la transferencia de calor sólo es posible entre sólidos y líquidos estacionarios. El contacto directo permite que la energía cinética pase de las moléculas de la sustancia más cálida a la más fría. El intercambio de calor se produce cuando cuerpos de diferentes temperaturas entran en contacto directo entre sí.
Aquí se debe prestar atención al hecho de que las moléculas de un cuerpo caliente no pueden penetrar en un cuerpo frío. Sólo se transfiere energía cinética, lo que proporciona una distribución uniforme del calor. Esta transferencia de energía continuará hasta que los cuerpos en contacto se calienten uniformemente. En este caso se consigue el equilibrio térmico. Con base en este conocimiento, es posible calcular qué material aislante se necesitará para el aislamiento térmico de un edificio en particular.
Entre gran cantidad parámetros que caracterizan a los metales, existe la conductividad térmica. Su importancia es difícil de sobreestimar. Este parámetro se utiliza al calcular piezas y ensamblajes. Por ejemplo, transmisiones de engranajes. En general, toda una rama de la ciencia llamada termodinámica se ocupa de la conductividad térmica.
¿Qué es la conductividad térmica y la resistencia térmica?
La conductividad térmica de los metales se puede caracterizar de la siguiente manera: es la capacidad de los materiales (gas, líquido, etc.) para transferir el exceso de energía térmica de las áreas calentadas del cuerpo a las frías. La transferencia se lleva a cabo mediante partículas elementales que se mueven libremente, que incluyen átomos, electrones, etc.
El proceso de transferencia de calor en sí ocurre en cualquier cuerpo, pero el método de transferencia de energía depende en gran medida de estado de agregación cuerpos.
Además de esto, a la conductividad térmica se le puede dar otra definición: es un parámetro cuantitativo de la capacidad de un cuerpo para conducir energía térmica. Si comparamos redes térmicas y eléctricas, este concepto es similar al de conductividad eléctrica.
La capacidad de un cuerpo físico para impedir la propagación de vibraciones térmicas de las moléculas se denomina resistencia térmica. Por cierto, algunos están sinceramente equivocados al confundir este concepto con la conductividad térmica.
El concepto de coeficiente de conductividad térmica.
El coeficiente de conductividad térmica es un valor que es igual a la cantidad de calor transferido a través de una unidad de superficie en un segundo.
La conductividad térmica del metal se estableció en 1863. Fue entonces cuando se demostró que los electrones libres, de los cuales hay muchos en el metal, son los responsables de la transferencia de calor. Por eso la conductividad térmica de los metales es significativamente mayor que la de los materiales dieléctricos.
¿De qué depende la conductividad térmica?
La conductividad térmica es una magnitud física y depende en gran medida de los parámetros de temperatura, presión y tipo de sustancia. La mayoría de los coeficientes se determinan empíricamente. Se han desarrollado muchos métodos para esto. Los resultados se compilan en tablas de referencia, que luego se utilizan en diversos cálculos científicos y de ingeniería.
Los cuerpos tienen diferentes temperaturas y durante el intercambio de calor esta (temperatura) se distribuirá de manera desigual. En otras palabras, necesita saber cómo depende el coeficiente de conductividad térmica de la temperatura.
Numerosos experimentos muestran que para muchos materiales la relación entre el coeficiente y la propia conductividad térmica es lineal.
La conductividad térmica de los metales está determinada por la forma de su red cristalina.
En muchos sentidos, el coeficiente de conductividad térmica depende de la estructura del material, el tamaño de sus poros y la humedad.
¿Cuándo se tiene en cuenta el coeficiente de conductividad térmica?
Los parámetros de conductividad térmica deben tenerse en cuenta al elegir materiales para encerrar estructuras: paredes, techos, etc. En habitaciones donde las paredes están hechas de materiales con alta conductividad térmica, hará bastante fresco en la estación fría. Decorar la habitación tampoco ayudará. Para evitar esto, las paredes deben ser bastante gruesas. Sin duda, esto conducirá a mayores costos de materiales y mano de obra.
Es por ello que la construcción de muros requiere el uso de materiales de baja conductividad térmica (lana mineral, poliestireno expandido, etc.).
Indicadores para acero
- En materiales de referencia sobre conductividad térmica. varios materiales Un lugar especial lo ocupan los datos presentados sobre aceros de diferentes grados.
Así, los materiales de referencia contienen datos experimentales y calculados para los siguientes tipos de aleaciones de acero:
resistente a la corrosión y temperaturas elevadas; - destinado a la producción de resortes y herramientas de corte;
- saturado con aditivos de aleación.
Las tablas resumen los indicadores recopilados para aceros en el rango de temperatura de -263 a 1200 grados.
Los indicadores promedio son para:
- aceros al carbono 50 – 90 W/(m×grados);
- aleaciones resistentes a la corrosión, al calor y al calor clasificadas como martensíticas: de 30 a 45 W/(m×deg);
- aleaciones clasificadas como austeníticas de 12 a 22 W/(m×deg).
Estos materiales de referencia contienen información sobre las propiedades del hierro fundido.
Coeficientes de conductividad térmica de aleaciones de aluminio, cobre y níquel.
Al realizar cálculos relacionados con aleaciones y metales no ferrosos, los diseñadores utilizan materiales de referencia, colocado en mesas especiales.
Presentan materiales sobre la conductividad térmica de metales y aleaciones no ferrosos, además de estos datos, información sobre; composición química aleaciones Los estudios se llevaron a cabo a temperaturas de 0 a 600 °C.
Según la información recopilada en estos materiales tabulares, está claro que los metales no ferrosos con alta conductividad térmica incluyen aleaciones a base de magnesio y níquel. Los metales con baja conductividad térmica incluyen nicromo, invar y algunos otros.
La mayoría de los metales tienen buena conductividad térmica, algunos tienen más y otros menos. Los metales con buena conductividad térmica incluyen el oro, el cobre y algunos otros. Los materiales con baja conductividad térmica incluyen estaño, aluminio, etc.
La alta conductividad térmica puede ser tanto una ventaja como una desventaja. Todo depende del ámbito de aplicación. Por ejemplo, una alta conductividad térmica es buena para utensilios de cocina. Se utilizan materiales con baja conductividad térmica para crear conexiones permanentes de piezas metálicas. Existen familias enteras de aleaciones a base de estaño.
Desventajas de la alta conductividad térmica del cobre y sus aleaciones.
El cobre tiene un valor mucho mayor que el aluminio o el latón. Pero mientras tanto, este material tiene una serie de desventajas que están asociadas a sus aspectos positivos.
La alta conductividad térmica de este metal obliga a crear condiciones especiales para su procesamiento. Es decir, las palanquillas de cobre deben calentarse con mayor precisión que las de acero. Además, a menudo se realiza un calentamiento previo o auxiliar antes de iniciar el tratamiento.
No debemos olvidar que las tuberías de cobre implican que se realizará un cuidadoso aislamiento térmico. Esto es especialmente cierto en aquellos casos en los que el sistema de suministro de calefacción se ensambla a partir de estas tuberías. Esto aumenta significativamente el costo del trabajo de instalación.
Surgen ciertas dificultades cuando se utiliza soldadura con gas. Para realizar el trabajo, se requiere una herramienta más poderosa. A veces, para procesar cobre con un espesor de 8 a 10 mm, puede ser necesario utilizar dos o incluso tres sopletes. En este caso, uno de ellos suelda el tubo de cobre y el resto se ocupa de calentarlo. Además, trabajar con cobre requiere más consumibles.
Trabajar con cobre requiere el uso de herramientas especializadas. Por ejemplo, al cortar piezas de bronce o latón con un espesor de 150 mm, necesitará un cortador que pueda trabajar con acero con una gran cantidad de cromo. Si se utiliza para procesar cobre, el espesor máximo no excederá los 50 mm.
¿Es posible aumentar la conductividad térmica del cobre?
No hace mucho, un grupo de científicos occidentales llevó a cabo una serie de estudios para aumentar la conductividad térmica del cobre y sus aleaciones. Para su trabajo utilizaron películas hechas de cobre con una fina capa de grafeno depositada en su superficie. Para aplicarlo se utilizó la tecnología de deposición de gas. Durante la investigación se utilizaron numerosos instrumentos que fueron diseñados para confirmar la objetividad de los resultados obtenidos.
Los resultados de la investigación han demostrado que el grafeno tiene una de las conductividades térmicas más altas. Después de aplicarlo a un sustrato de cobre, la conductividad térmica disminuyó ligeramente. Pero, durante este proceso, el cobre se calienta y los granos que contiene aumentan y, como resultado, aumenta la permeabilidad de los electrones.
Cuando se calentaba el cobre, pero sin aplicar este material, los granos conservaban su tamaño.
Uno de los propósitos del cobre es eliminar el exceso de calor de los dispositivos electrónicos y diagramas electricos. El uso de la deposición de grafeno solucionará este problema de forma mucho más eficaz.
Efecto de la concentración de carbono
Los aceros con bajo contenido de carbono tienen una alta conductividad térmica. Es por eso que se utilizan materiales de esta clase para la fabricación de tuberías y accesorios. La conductividad térmica de este tipo de aceros se encuentra en el rango de 47-54 W/(m×K).
Importancia en la vida cotidiana y la producción.
Aplicación de la conductividad térmica en la construcción.
Cada material tiene su propio índice de conductividad térmica. Cuanto menor sea su valor, menor será el nivel de intercambio de calor entre el ambiente externo e interno. Esto significa que un edificio construido con un material con baja conductividad térmica será cálido en invierno y fresco en verano.
Al construir varios edificios, incluidos los residenciales, es imposible prescindir del conocimiento sobre la conductividad térmica de los materiales de construcción. Al diseñar estructuras de edificios, es necesario tener en cuenta datos sobre las propiedades de materiales como el hormigón, el vidrio, la lana mineral y muchos otros. Entre ellos, la conductividad térmica máxima pertenece al hormigón, mientras que para la madera es 6 veces menor.
Sistemas de calefacción
La tarea clave de cualquier sistema de calefacción es la transferencia de energía térmica del refrigerante al local. Para dicha calefacción se utilizan baterías o radiadores. Son necesarios para transferir energía térmica a las habitaciones.
- Un radiador de calefacción es una estructura interior que mueve el refrigerante. Las principales características de este producto incluyen:
el material del que está hecho; - tipo de construcción;
- dimensiones, incluido el número de secciones;
- Indicadores de transferencia de calor.
La transferencia de calor es el parámetro clave. La cuestión es que determina la cantidad de energía que se transfiere del radiador a la habitación. Cuanto mayor sea este indicador, menor será la pérdida de calor.
Existen tablas de referencia que determinan los materiales óptimos para su uso en sistemas de calefacción. De los datos contenidos en ellos, queda claro que la mayoría material efectivo considerado cobre. Pero, debido a su elevado precio y ciertas dificultades tecnológicas asociadas al procesamiento del cobre, su aplicabilidad no es tan alta.
Por eso se utilizan cada vez más modelos fabricados en acero o aleaciones de aluminio. A menudo se utiliza una combinación de diferentes materiales, como acero y aluminio.
Cada fabricante de radiadores, al marcar productos terminados, debe indicar una característica como la potencia de salida de calor.
En el mercado de sistemas de calefacción se pueden adquirir radiadores de hierro fundido, acero, aluminio y bimetálicos.
Métodos para estudiar los parámetros de conductividad térmica.
Al estudiar los parámetros de conductividad térmica, hay que recordar que las características de un metal en particular o sus aleaciones dependen del método de producción. Por ejemplo, los parámetros de un metal producido por fundición pueden diferir significativamente de las características de un material fabricado mediante métodos de pulvimetalurgia. Las propiedades del metal en bruto son fundamentalmente diferentes de las que han sido sometidas a un tratamiento térmico.
La inestabilidad térmica, es decir, la transformación de las propiedades individuales del metal después de la exposición a altas temperaturas, es común a casi todos los materiales. Por ejemplo, los metales, después de una exposición prolongada a diferentes temperaturas, son capaces de alcanzar niveles diferentes recristalización, y esto se refleja en los parámetros de conductividad térmica.
Podemos decir lo siguiente: al realizar estudios de parámetros de conductividad térmica, es necesario utilizar muestras de metales y sus aleaciones en un estado tecnológico estándar y específico, por ejemplo, después del tratamiento térmico.
Por ejemplo, existen requisitos para la molienda de metal para realizar investigaciones utilizando métodos de análisis térmico. De hecho, tal requisito existe en varios estudios. También existen requisitos similares, como la producción de placas especiales y muchos otros.
La estabilidad no térmica de los metales plantea una serie de limitaciones al uso de métodos de investigación termofísica. El hecho es que este método de investigación requiere calentar las muestras al menos dos veces, en un cierto rango de temperatura.
Uno de los métodos se llama relajación dinámica. Está diseñado para realizar mediciones masivas de la capacidad calorífica de los metales. En este método se registra la curva de transición de la temperatura de la muestra entre sus dos estados estacionarios. Este proceso es consecuencia de un salto en la potencia térmica introducida en la muestra de prueba.
Este método se puede llamar relativo. Utiliza muestras de prueba y comparación. Lo principal es que las muestras tengan la misma superficie emisora. Al realizar una investigación, la temperatura que afecta a las muestras debe cambiar en pasos y, al alcanzar los parámetros especificados, es necesario mantenerla durante un cierto tiempo. La dirección del cambio de temperatura y su paso deben seleccionarse de tal manera que la muestra destinada a la prueba se caliente de manera uniforme.
En estos momentos, los flujos de calor serán iguales y la relación de transferencia de calor se determinará como la diferencia en las tasas de fluctuaciones de temperatura.
A veces, durante estos estudios, se utiliza la fuente de calentamiento indirecto de la muestra de prueba y comparativa.
Se pueden crear cargas térmicas adicionales en una de las muestras en comparación con la segunda muestra.
¿Qué método de medición de la conductividad térmica es mejor para su material?
Existen métodos para medir la conductividad térmica como LFA, GHP, HFM y TCT. Se diferencian entre sí por los tamaños y parámetros geométricos de las muestras utilizadas para probar la conductividad térmica de los metales.
Estas abreviaturas se pueden descifrar como:
- GHP (método de zona de guardia caliente);
- HFM (método de flujo de calor);
- TCT (método del hilo caliente).
Los métodos anteriores se utilizan para determinar los coeficientes de varios metales y sus aleaciones. Al mismo tiempo, con estos métodos se estudian otros materiales, por ejemplo, cerámicas minerales o materiales refractarios.
Las muestras de metal sobre las que se realiza la investigación tienen unas dimensiones totales de 12,7 × 12,7 × 2.
En muchos sectores de la industria moderna se utiliza mucho un material como el cobre. La conductividad eléctrica de este metal es muy alta. Esto explica la conveniencia de su uso principalmente en ingeniería eléctrica. El cobre produce conductores con excelentes características de rendimiento. Por supuesto, este metal se utiliza no sólo en la ingeniería eléctrica, sino también en otras industrias. Su demanda se explica, entre otras cosas, por sus cualidades como resistencia a la corrosión en diversos ambientes agresivos, refractariedad, ductilidad, etc.
Referencia histórica
El cobre es un metal. persona conocida desde la antigüedad. El conocimiento temprano de las personas con este material se explica principalmente por su amplia distribución en la naturaleza en forma de pepitas. Muchos científicos creen que el cobre fue el primer metal recuperado por el hombre a partir de compuestos de oxígeno. Érase una vez, las rocas simplemente se calentaban sobre el fuego y se enfriaban bruscamente, provocando que se agrietaran. Posteriormente la reducción del cobre comenzó a realizarse al fuego con adición de carbón y soplado con fuelle. La mejora de este método finalmente condujo a la creación de este metal comenzó a producirse mediante el método de fundición oxidativa de minerales.
Cobre: conductividad eléctrica del material.
En estado de reposo, todos los electrones libres de cualquier metal giran alrededor del núcleo. Cuando se conecta una fuente de influencia externa, se alinean en una secuencia determinada y se convierten en portadores de corriente. El grado en que un metal puede atravesarse a sí mismo se llama conductividad eléctrica. Su unidad de medida en el SI Internacional es Siemens, definida como 1 cm = 1 ohm -1.
La conductividad eléctrica del cobre es muy alta. En este indicador supera a todos los metales básicos conocidos en la actualidad. Sólo la plata pasa la corriente mejor que ella. La conductividad eléctrica del cobre es de 57x104 cm -1 a una temperatura de +20 °C. Debido a esta propiedad, este metal es este momento Es el conductor más común de todos los utilizados con fines industriales y domésticos.
El cobre resiste muy bien el estrés y también es fiable y duradero. Este metal también se caracteriza, entre otras cosas, por un alto punto de fusión (1083,4 °C). Y esto, a su vez, permite que el cobre funcione durante mucho tiempo en estado calentado. En términos de prevalencia como conductor de corriente, sólo el aluminio puede competir con este metal.
La influencia de las impurezas en la conductividad eléctrica del cobre.
Por supuesto, hoy en día se utilizan técnicas mucho más avanzadas para fundir este metal rojo que en la antigüedad. Sin embargo, aún hoy es casi imposible obtener Cu completamente puro. El cobre siempre contiene varios tipos de impurezas. Podría tratarse, por ejemplo, de silicio, hierro o berilio. Mientras tanto, cuantas más impurezas tenga el cobre, menor será su conductividad eléctrica. Para la fabricación de alambres, por ejemplo, sólo es adecuado un metal suficientemente puro. Según normativa, para este fin se puede utilizar cobre con una cantidad de impurezas no superior al 0,1%.
Muy a menudo este metal contiene un cierto porcentaje de azufre, arsénico y antimonio. La primera sustancia reduce significativamente la ductilidad del material. La conductividad eléctrica del cobre y el azufre es muy diferente. Esta impureza no conduce corriente en absoluto. Es decir, es un buen aislante. Sin embargo, el azufre prácticamente no tiene ningún efecto sobre la conductividad eléctrica del cobre. Lo mismo se aplica a la conductividad térmica. Con el antimonio y el arsénico se observa el cuadro opuesto. Estos elementos pueden reducir significativamente la conductividad eléctrica del cobre.
Aleaciones
Se pueden utilizar varios tipos de aditivos específicamente para aumentar la resistencia de un material tan dúctil como el cobre. También reducen su conductividad eléctrica. Pero su uso puede prolongar significativamente la vida útil de varios tipos de productos.
Muy a menudo, el cadmio (0,9%) se utiliza como aditivo para aumentar la resistencia del cobre. El resultado es bronce al cadmio. Su conductividad es el 90% de la del cobre. A veces también se utiliza aluminio como aditivo en lugar de cadmio. La conductividad de este metal es el 65% de la del cobre. Para aumentar la resistencia de los cables, se pueden utilizar otros materiales y sustancias en forma de aditivos: estaño, fósforo, cromo, berilio. El resultado es bronce de cierta calidad. La combinación de cobre y zinc se llama latón.
Características de la aleación
Puede depender no sólo de la cantidad de impurezas presentes en ellos, sino también de otros indicadores. Por ejemplo, a medida que aumenta la temperatura de calentamiento, disminuye la capacidad del cobre para pasar corriente a través de sí mismo. Incluso el método de fabricación afecta la conductividad eléctrica de dicho cable. En la vida cotidiana y en la producción, se pueden utilizar tanto conductores de cobre recocido blando como conductores de cobre trefilado. La primera variedad tiene una mayor capacidad para pasar corriente a través de sí misma.
Sin embargo, los aditivos utilizados y su cantidad tienen la mayor influencia sobre la conductividad eléctrica del cobre. La siguiente tabla proporciona al lector información completa sobre la capacidad de carga actual de las aleaciones más comunes de este metal.
Aleación | Condición (O - recocido, T - estirado en duro) | Conductividad eléctrica (%) |
Cobre puro | ||
Bronce al estaño (0,75%) | ||
Bronce cadmio (0,9%) | ||
Bronce de aluminio (2,5% A1, 2% Sn) | ||
Bronce fosforado (7% Sn, 0,1% P) | ||
La conductividad eléctrica del latón y el cobre es comparable. Sin embargo, para el primer metal esta cifra es, por supuesto, ligeramente inferior. Pero al mismo tiempo es superior al de los bronces. El latón se utiliza bastante como conductor. Pasa la corriente peor que el cobre, pero al mismo tiempo cuesta menos. La mayoría de las veces, los contactos, abrazaderas y diversas piezas de los equipos de radio están hechos de latón.
Aleaciones de cobre de alta resistencia
Estos materiales conductores se utilizan principalmente en la fabricación de resistencias, reóstatos, instrumentos de medición y dispositivos de calefacción eléctrica. Las aleaciones de cobre más utilizadas para este fin son el Constantan y el Manganin. La resistividad del primero (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) es de 0,42-0,48 μOhm/m, y la del segundo (60% Cu, 40% Ni) es de 0,48-0,52 μOhm/m.
Relación con el coeficiente de conductividad térmica.
Cobre: 59.500.000 S/m. Este indicador, como ya se mencionó, es correcto, sin embargo, solo a una temperatura de +20 o C. Existe una cierta conexión entre el coeficiente de conductividad térmica de cualquier metal y la conductividad específica. Está establecido por la ley Wiedemann-Franz. Se realiza para metales a altas temperaturas y se expresa en la siguiente fórmula: K/γ = π 2 / 3 (k/e) 2 T, donde y es la conductividad específica, k es la constante de Boltzmann, e es la carga elemental .
Por supuesto, existe una conexión similar para un metal como el cobre. Su conductividad térmica y conductividad eléctrica son muy altas. En ambos indicadores ocupa el segundo lugar después de la plata.
Conexión de cables de cobre y aluminio.
EN Últimamente En la vida cotidiana y en la industria se empezaron a utilizar equipos eléctricos de potencia cada vez mayor. Durante la época soviética, el cableado se fabricaba principalmente de aluminio barato. Desafortunadamente, sus características de rendimiento ya no cumplen con los nuevos requisitos. Por eso, hoy en día, en la vida cotidiana y en la industria, muy a menudo se cambia al cobre. La principal ventaja de estos últimos, además de su refractariedad, es que durante el proceso de oxidación sus propiedades conductoras no disminuyen.
A menudo, al modernizar las redes eléctricas, es necesario conectar cables de aluminio y cobre. Esto no se puede hacer directamente. En realidad, la conductividad eléctrica del aluminio y el cobre no difiere demasiado. Pero sólo para estos metales. Las películas oxidantes de aluminio y cobre tienen propiedades diferentes. Debido a esto, la conductividad en la unión se reduce significativamente. La película de oxidación del aluminio tiene una resistencia mucho mayor que la del cobre. Por tanto, la conexión de estos dos tipos de conductores debe realizarse exclusivamente mediante adaptadores especiales. Podrían ser, por ejemplo, abrazaderas que contengan una pasta que proteja los metales de la aparición de óxido. Esta opción de adaptador se suele utilizar en exteriores. Los compresores ramales se utilizan con mayor frecuencia en interiores. Su diseño incluye una placa especial que elimina el contacto directo entre el aluminio y el cobre. Si tales conductores no están disponibles en casa, en lugar de torcer los cables directamente, se recomienda utilizar una arandela y una tuerca como "puente" intermedio.
Propiedades físicas
Así, descubrimos qué conductividad eléctrica tiene el cobre. Este indicador puede variar dependiendo de las impurezas contenidas en el metal. Sin embargo, la demanda de cobre en la industria también está determinada por sus otras propiedades útiles. propiedades físicas, información sobre la cual se puede obtener en la siguiente tabla.
Parámetro | Significado |
Cúbica centrada en las caras, a=3,6074 Å |
|
Radio atómico | |
Calor especifico | 385,48 J/(kg·K) a +20 o C |
Conductividad térmica | 394,279 W/(m·K) a +20 o C |
Resistencia eléctrica | 1,68 10-8 ohmios·m |
Coeficiente de expansión lineal | |
Dureza | |
Resistencia a la tracción |
Propiedades químicas
Según estas características, el cobre, cuya conductividad eléctrica y térmica es muy alta, ocupa una posición intermedia entre los elementos de la primera tríada del octavo grupo y los elementos alcalinos del primer grupo de la tabla periódica. Entre sus principales propiedades químicas se encuentran:
tendencia a formar complejos;
capacidad de producir compuestos coloreados y sulfuros insolubles.
El más característico del cobre es el estado divalente. Prácticamente no tiene similitud con los metales alcalinos. Su actividad química también es baja. En presencia de CO 2 o humedad, se forma una película de carbonato verde en la superficie del cobre. Todas las sales de cobre son sustancias tóxicas. En estado mono y divalente, este metal forma compuestos de amoníaco muy estables y de gran importancia para la industria.
Ámbito de uso
La alta conductividad térmica y eléctrica del cobre determina su uso generalizado en una amplia variedad de industrias. Por supuesto, este metal se utiliza con mayor frecuencia en ingeniería eléctrica. Sin embargo, esta está lejos de ser la única área de aplicación. El cobre se puede utilizar, entre otras cosas:
en joyería;
en arquitectura;
al montar sistemas de plomería y calefacción;
en gasoductos.
Para la producción de varios tipos. joyas Se utiliza principalmente una aleación de cobre y oro. Esto le permite aumentar la resistencia de las joyas a la deformación y la abrasión. En arquitectura, el cobre se puede utilizar para revestir tejados y fachadas. La principal ventaja de este acabado es la durabilidad. Por ejemplo, el techo de un monumento arquitectónico muy conocido, la catedral católica de la ciudad alemana de Hildesheim, está revestido con láminas de este metal. El tejado de cobre de este edificio protege de forma fiable su interior desde hace casi 700 años.
Comunicación de ingeniería
Las principales ventajas de las tuberías de agua de cobre son también la durabilidad y la fiabilidad. Además, este metal es capaz de conferir propiedades especiales únicas al agua, haciéndola beneficiosa para el organismo. Para el montaje de gasoductos y sistemas de calefacción. tubos de cobre También son ideales, principalmente por su resistencia a la corrosión y su ductilidad. En caso de un aumento de presión urgente, estas líneas pueden soportar una carga mucho mayor que las de acero. El único inconveniente de las tuberías de cobre es su elevado coste.