Chaud- c'est l'une des formes d'énergie contenues dans le mouvement des atomes dans la matière. On mesure l’énergie de ce mouvement avec un thermomètre, mais pas directement.
Comme tous les autres types d’énergie, la chaleur peut être transférée d’un corps à l’autre. Cela se produit toujours lorsqu'il y a des corps de températures différentes. De plus, il n’est même pas nécessaire qu’ils soient en contact, car il existe plusieurs façons de transférer la chaleur. À savoir:
Conductivité thermique. Il s'agit du transfert de chaleur par contact direct de deux corps. (Il ne peut y avoir qu'un seul corps si ses parties sont de températures différentes.) De plus, plus la différence de température entre les corps est grande et plus la surface de leur contact est grande, plus la chaleur est transférée chaque seconde. De plus, la quantité de chaleur transférée dépend du matériau - par exemple, la plupart des métaux conduisent bien la chaleur, mais le bois et le plastique sont bien pires. La grandeur caractérisant cette capacité à transférer de la chaleur est également appelée conductivité thermique (plus exactement coefficient de conductivité thermique), ce qui peut prêter à confusion.
S'il est nécessaire de mesurer la conductivité thermique d'un matériau, cela est généralement effectué dans l'expérience suivante : une tige est fabriquée à partir du matériau d'intérêt et une extrémité est maintenue à une température et l'autre à une température différente, par exemple plus basse, température. Laissez, par exemple, fin froide sera placé dans de l'eau avec de la glace - de cette manière, une température constante sera maintenue et en mesurant la vitesse de fonte de la glace, on pourra juger de la quantité de chaleur reçue. En divisant la quantité de chaleur (ou plutôt de puissance) par la différence de température et la section transversale de la tige et en multipliant par sa longueur, on obtient le coefficient de conductivité thermique, mesuré, comme suit de ce qui précède, en J * m / K * m 2 * s, c'est-à-dire en W / K*m. Ci-dessous vous voyez un tableau de la conductivité thermique de certains matériaux.
| Matériel | Conductivité thermique, W/(m·K) |
| diamant | 1001—2600 |
| Argent | 430 |
| Cuivre | 401 |
| Oxyde de béryllium | 370 |
| Or | 320 |
| Aluminium | 202—236 |
| Silicium | 150 |
| Laiton | 97—111 |
| Chrome | 107 |
| Fer | 92 |
| Platine | 70 |
| Étain | 67 |
| Oxyde de zinc | 54 |
| Acier | 47 |
| Oxyde d'aluminium | 40 |
| Quartz | 8 |
| Granit | 2,4 |
| Béton solide | 1,75 |
| Basalte | 1,3 |
| Verre | 1-1,15 |
| Pâte thermique KPT-8 | 0,7 |
| Arrosez dans des conditions normales | 0,6 |
| Brique de construction | 0,2—0,7 |
| Bois | 0,15 |
| Huiles de pétrole | 0,12 |
| Neige fraîche | 0,10—0,15 |
| Laine de verre | 0,032-0,041 |
| Laine de roche | 0,034-0,039 |
| Air (300 K, 100 kPa) | 0,022 |
Comme on peut le constater, la conductivité thermique diffère de plusieurs ordres de grandeur. Le diamant et certains oxydes métalliques conduisent étonnamment bien la chaleur (par rapport à d'autres diélectriques) ; l'air, la neige et la pâte thermique KPT-8 conduisent mal la chaleur.
Mais nous avons l’habitude de penser que l’air conduit bien la chaleur, mais pas le coton, même s’il peut être composé à 99 % d’air. La chose est convection. L’air chaud est plus léger que l’air froid et « flotte » vers le haut, générant une circulation d’air constante autour d’un corps chauffé ou très refroidi. La convection améliore le transfert de chaleur d'un ordre de grandeur : sans elle, il serait très difficile de faire bouillir une casserole d'eau sans la remuer constamment. Et dans la plage de 0°C à 4°C d'eau lorsqu'elle est chauffée rétrécit, ce qui conduit à une convection dans la direction opposée à la direction habituelle. Cela conduit au fait que, quelle que soit la température de l'air, au fond des lacs profonds, la température est toujours fixée à 4°C.
Pour réduire le transfert de chaleur, l'air est pompé de l'espace entre les parois des thermos. Mais il convient de noter que la conductivité thermique de l'air dépend peu de la pression jusqu'à 0,01 mm Hg, c'est-à-dire la limite du vide profond. Ce phénomène s'explique par la théorie des gaz.
Une autre méthode de transfert de chaleur est le rayonnement. Tous les corps émettent de l'énergie sous la forme ondes électromagnétiques, mais seuls ceux suffisamment chauffés (~600°C) émettent dans le domaine visible. La puissance de rayonnement, même à température ambiante, est assez élevée - environ 40 mW pour 1 cm 2. En termes de surface du corps humain (~1m2), cela fera 400W. La seule grâce salvatrice est que dans notre environnement habituel, tous les corps qui nous entourent émettent également avec à peu près la même puissance. Soit dit en passant, la puissance de rayonnement dépend fortement de la température (comme T 4), selon la loi Stefan Boltzmann. Les calculs montrent que, par exemple, à 0°C, la puissance du rayonnement thermique est environ une fois et demie plus faible qu'à 27°C.
Contrairement à la conductivité thermique, le rayonnement peut se propager dans le vide complet : c'est grâce à lui que les organismes vivants sur Terre reçoivent l'énergie du Soleil. Si le transfert de chaleur par rayonnement est indésirable, il est alors minimisé en plaçant des cloisons opaques entre les objets froids et chauds, ou l'absorption du rayonnement (et l'émission, d'ailleurs, exactement dans la même mesure) est réduite en recouvrant la surface d'un mince couche miroir de métal, par exemple de l'argent.
- Les données sur la conductivité thermique proviennent de Wikipédia et d'ouvrages de référence tels que :
- "Grandeurs physiques" éd. I. S. Grigorieva
- Manuel de chimie et de physique du CRC
- Une description plus rigoureuse de la conductivité thermique peut être trouvée dans un manuel de physique, par exemple dans « General Physics » de D.V. Sivukhin (Volume 2). Dans le tome 4 il y a un chapitre consacré au rayonnement thermique (dont la loi de Stefan-Boltzmann)
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La conductivité thermique du revêtement d'émail, même avec l'émail ordinaire, est assez faible, - 0,8 à 1,0 Watt par mètre degré. A titre de comparaison : la conductivité thermique du fer est de 65 ; acier - 70 - 80; cuivre - 330 watts par mètre degré. S'il y a des bulles de gaz dans l'émail, ce qui entraîne une diminution de sa densité apparente, la conductivité thermique diminue. Par exemple, avec une densité apparente d'émail de 2,48 grammes par centimètre cube, la conductivité thermique est égale à 1,18 Watts par mètre degré, puis avec une densité apparente de 2,20 grammes par centimètre cube, la conductivité thermique est déjà égale à 0,46 Watts par degré. degré du mètre.
Le réseau cristallin de l'aluminium est constitué, comme beaucoup d'autres métaux, de cubes à faces centrées (voir page. La conductivité thermique de l'aluminium est deux fois la conductivité thermique du fer et égale à la moitié de la conductivité thermique du cuivre. Sa conductivité électrique est bien supérieure à la conductivité électrique du fer et atteint 60% de la conductivité électrique du cuivre.
| Composition et propriétés mécaniques de certaines fontes chromées. |
L'alliage est très sujet à la formation de cavités de retrait. La conductivité thermique de l'alliage est environ la moitié de celle du fer, ce qui doit être pris en compte lors de la fabrication d'équipements thermiques en fonte chromée.
Lors du soudage à l'arc du cuivre, il convient de tenir compte du fait que la conductivité thermique du cuivre est environ six fois supérieure à la conductivité thermique du fer. La résistance du cuivre diminue tellement que même avec de légers impacts, des fissures se forment. Le cuivre fond à une température de 1083 C.
Le module d'élasticité du titane est presque la moitié de celui du fer, est comparable à celui des alliages de cuivre et est nettement supérieur à celui de l'aluminium. La conductivité thermique du titane est faible : elle représente environ 7 % de la conductivité thermique de l'aluminium et 16 à 5 % de la conductivité thermique du fer. Ceci doit être pris en compte lors du chauffage du métal pour le traitement sous pression et le soudage. La résistance électrique du titane est environ 6 fois supérieure à celle du fer et 20 fois supérieure à celle de l'aluminium.
Le module d'élasticité du titane est presque la moitié de celui du fer, est au même niveau que celui des alliages de cuivre et est nettement supérieur à celui de l'aluminium. La conductivité thermique du titane est faible : elle représente environ 7 % de la conductivité thermique de l'aluminium et 16 à 5 % de la conductivité thermique du fer.
Ce matériau présente une résistance mécanique satisfaisante et une résistance chimique exceptionnellement élevée à presque tous les réactifs chimiques, même les plus agressifs, à l'exception des agents oxydants forts. De plus, il se distingue de tous les autres matériaux non métalliques par sa conductivité thermique élevée, plus de deux fois supérieure à celle du fer.
Toutes ces exigences sont remplies par les aciers de construction au fer, au carbone et faiblement alliés à faible teneur en carbone : le point de fusion du fer est de 1535 C, la combustion est de 1200 C, le point de fusion de l'oxyde de fer est de 1370 C. L'effet thermique de l'oxydation les réactions sont assez élevées : 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, et la conductivité thermique du fer est limitée .
Le titane et ses alliages, en raison de leurs propriétés physiques élevées, propriétés chimiques Il est de plus en plus utilisé comme matériau de structure dans la technologie de l'aviation et des fusées, dans l'ingénierie chimique, la fabrication d'instruments, la construction navale et l'ingénierie mécanique, dans l'industrie alimentaire et dans d'autres industries. Le titane est presque deux fois plus léger que l'acier, sa densité est de 4,5 g/cm3, il possède des propriétés mécaniques élevées, une résistance à la corrosion à des températures normales et élevées et dans de nombreux environnements actifs, la conductivité thermique du titane est presque quatre fois inférieure à la conductivité thermique. conductivité du fer.
L'une de ces solutions consiste à souder uniquement un tuyau enroulé sur une surface refroidie à cette surface, après quoi le joint entre le tuyau et le boîtier est recouvert de résine époxy mélangée à de la poudre de fer. La conductivité thermique du mélange est proche de la conductivité thermique du fer. Il en résulte un bon contact thermique entre le boîtier et la canalisation, ce qui améliore les conditions de refroidissement du boîtier.
Toutes ces conditions sont remplies par les aciers au fer et au carbone. Les oxydes FeO et Fe304 fondent à des températures de 1 350 et 1 400 C. La conductivité thermique du fer n'est pas élevée par rapport à d'autres matériaux de structure.
Pour les métaux fonctionnant à basse température, il est également très important de savoir comment leur conductivité thermique évolue avec les changements de température. La conductivité thermique de l'acier augmente avec la diminution de la température. Le fer pur est très sensible aux changements de température. En fonction de la quantité d'impuretés, la conductivité thermique du fer peut changer considérablement. Le fer pur (99,7%), contenant 0,01% C et 0,21% O2, a une conductivité thermique de 0,35 cal cm-1 s - 19 C - à - 173 C et 0,85 cal cm - x Xc - 10 C - à -243 C .
Le soudage le plus largement utilisé se fait au fer à souder, au chalumeau à gaz, par immersion dans la soudure fondue et dans les fours. Les limites de son utilisation sont dues uniquement au fait qu'un fer à souder ne peut souder que des pièces à parois minces à une température de 350 C. Pièces massives, en raison de leur conductivité thermique élevée, 6 fois supérieure à la conductivité thermique du fer. , sont soudés au chalumeau à gaz. Pour les échangeurs de chaleur tubulaires en cuivre, on utilise la soudure par immersion dans des sels fondus et des soudures. Lors du brasage par immersion dans des sels fondus, des fours à bain de sel sont généralement utilisés. Les sels servent généralement de source de chaleur et ont un effet fondant, donc un fluxage supplémentaire n'est pas nécessaire pendant le brasage. Lors du brasage par immersion, les pièces pré-fluxées sont chauffées dans de la soudure fondue, qui remplit les espaces de joint à la température de brasage. Protection du miroir à souder charbon actif ou un gaz inerte. L'inconvénient du brasage dans des bains de sel est que dans certains cas, il est impossible d'éliminer les sels ou flux résiduels.
Introduction
La détermination de la conductivité thermique des métaux joue un rôle important dans certains domaines, par exemple dans la métallurgie, l'ingénierie radio, l'ingénierie mécanique et la construction. Actuellement, il existe de nombreuses méthodes différentes qui peuvent être utilisées pour déterminer la conductivité thermique des métaux.
Ce travail est consacré à l'étude de la propriété principale des métaux - la conductivité thermique, ainsi qu'à l'étude des méthodes d'étude de la conductivité thermique.
L'objet de l'étude est la conductivité thermique des métaux, ainsi que diverses méthodes de recherche en laboratoire.
Le sujet de l'étude est les coefficients de conductivité thermique des métaux.
Résultat prévu - production travail de laboratoire« Détermination du coefficient de conductivité thermique des métaux » basée sur la méthode calorimétrique.
Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de résoudre les tâches suivantes :
Etude de la théorie de la conductivité thermique des métaux ;
Etude des méthodes de détermination du coefficient de conductivité thermique ;
Sélection d'équipements de laboratoire ;
Détermination expérimentale du coefficient de conductivité thermique des métaux ;
Mise en place d'un travail de laboratoire « Détermination du coefficient de conductivité thermique des métaux ».
L'ouvrage se compose de trois chapitres dans lesquels les tâches assignées sont révélées.
Conductivité thermique des métaux
loi de Fourier
La conductivité thermique est le transfert moléculaire de chaleur entre des corps ou des particules du même corps en contact direct avec des températures différentes, au cours duquel l'énergie de mouvement des particules structurelles (molécules, atomes, électrons libres) est échangée.
La conductivité thermique est déterminée par le mouvement thermique des microparticules du corps.
La loi fondamentale du transfert de chaleur par conductivité thermique est la loi de Fourier. Selon cette loi, la quantité de chaleur dQ transférée par conductivité thermique à travers un élément de surface dF perpendiculaire au flux de chaleur pendant le temps df est directement proportionnelle au gradient de température, à la surface dF et au temps df.
Le coefficient de proportionnalité l est appelé coefficient de conductivité thermique. Le coefficient de conductivité thermique est une caractéristique thermophysique d'une substance qui caractérise la capacité d'une substance à conduire la chaleur.
Le signe moins dans la formule (1) indique que la chaleur est transférée dans le sens d'une diminution de la température.
La quantité de chaleur transmise par unité de temps à travers une unité de surface isotherme est appelée flux thermique :
La loi de Fourier est applicable pour décrire la conductivité thermique des gaz, des liquides et des solides ; la différence ne concernera que les coefficients de conductivité thermique.
Coefficient de conductivité thermique des métaux et sa dépendance aux paramètres de l'état de la substance
Le coefficient de conductivité thermique est une caractéristique thermophysique d'une substance qui caractérise la capacité d'une substance à conduire la chaleur.
Le coefficient de conductivité thermique est la quantité de chaleur passant par unité de temps à travers une unité de surface, perpendiculaire au grade t.
Pour différentes substances, le coefficient de conductivité thermique est différent et dépend de la structure, de la densité, de l'humidité, de la pression et de la température. Ces circonstances doivent être prises en compte lors de l'utilisation de tables de recherche.
Valeur la plus élevée a le coefficient de conductivité thermique des métaux pour lesquels. Le métal le plus conducteur thermiquement est l’argent, suivi du cuivre pur, de l’or, de l’aluminium, etc. Pour la plupart des métaux, une augmentation de la température entraîne une diminution du coefficient de conductivité thermique. Cette dépendance peut être approximée par l'équation de la droite
ici l, l0 sont respectivement les coefficients de conductivité thermique à une température donnée t et à 00C, β est le coefficient de température. Le coefficient de conductivité thermique des métaux est très sensible aux impuretés.
Par exemple, lorsque même des traces d'arsenic apparaissent dans le cuivre, son coefficient de conductivité thermique diminue de 395 à 142 ; pour l'acier à 0,1% de carbone l = 52, à 1,0% - l = 40, à 1,5% de carbone l = 36.
Le coefficient de conductivité thermique est également affecté par le traitement thermique. Ainsi, pour l'acier au carbone trempé, l est 10 à 25 % inférieur à celui de l'acier doux. Pour ces raisons, les coefficients de conductivité thermique des échantillons de métaux commerciaux aux mêmes températures peuvent varier considérablement. Il convient de noter que les alliages, contrairement aux métaux purs, se caractérisent par une augmentation de la conductivité thermique avec l'augmentation de la température. Malheureusement, il n’a pas encore été possible d’établir des modèles quantitatifs généraux régissant la conductivité thermique des alliages.
Le coefficient de conductivité thermique des matériaux de construction et d'isolation thermique - les diélectriques est plusieurs fois inférieur à celui des métaux et s'élève à 0,02 - 3,0. Pour la grande majorité d'entre eux (à l'exception de la brique de magnésite), le coefficient de conductivité thermique augmente avec l'augmentation de la température. Dans ce cas, vous pouvez utiliser l'équation (3), en gardant à l'esprit que pour les solides - diélectriques, β>0.
De nombreux matériaux de construction et d'isolation thermique ont une structure poreuse (brique, béton, amiante, laitier...). Pour eux et pour les matériaux en poudre, le coefficient de conductivité thermique dépend fortement de la densité apparente. Cela est dû au fait qu'avec l'augmentation de la porosité, la majeure partie du volume est remplie d'air dont le coefficient de conductivité thermique est très faible. Dans le même temps, plus la porosité est élevée, plus la densité apparente du matériau est faible. Ainsi, une diminution de la densité apparente d'un matériau, toutes choses égales par ailleurs, entraîne une diminution de l.
Par exemple, pour l’amiante, une diminution de la densité apparente de 800 kg/m à 400 kg/m entraîne une diminution de 0,248 à 0,105. L'influence de l'humidité est très grande. Par exemple, pour une brique sèche l = 0,35, pour un liquide 0,6 et pour une brique humide l = 1,0.
Il faut prêter attention à ces phénomènes lors de la détermination et des calculs techniques de la conductivité thermique. Le coefficient de conductivité thermique des gouttelettes liquides est compris entre 0,08 et 0,7. Parallèlement, pour la grande majorité des liquides, le coefficient de conductivité thermique diminue avec l'augmentation de la température. Les exceptions sont l'eau et la glycérine.
La conductivité thermique des gaz est encore plus faible.
Le coefficient de conductivité thermique des gaz augmente avec l'augmentation de la température. Dans la plage de 20 mmHg. jusqu'à 2000 à (bar), soit dans le domaine le plus souvent rencontré en pratique, l ne dépend pas de la pression. Il convient de garder à l'esprit que pour un mélange de gaz (fumées, atmosphère des fours thermiques, etc.) il est impossible de déterminer le coefficient de conductivité thermique par calcul. Par conséquent, en l’absence de données de référence, une valeur fiable de l ne peut être trouvée qu’expérimentalement.
À la valeur l< 1 - вещество называют тепловым изолятором.
Pour résoudre des problèmes de conductivité thermique, il est nécessaire de disposer d'informations sur certaines propriétés macroscopiques (paramètres thermophysiques) d'une substance : coefficient de conductivité thermique, densité, capacité thermique spécifique.
Explication de la conductivité thermique des métaux
La conductivité thermique des métaux est très élevée. Elle ne se réduit pas à la conductivité thermique du réseau ; un autre mécanisme de transfert de chaleur doit donc fonctionner ici. Il s'avère que dans les métaux purs, la conductivité thermique est réalisée presque entièrement grâce au gaz électronique, et ce n'est que dans les métaux et alliages fortement contaminés, où la conductivité est faible, que la contribution de la conductivité thermique du réseau s'avère significative.
La caractéristique numérique de la conductivité thermique d'un matériau peut être déterminée par la quantité de chaleur traversant un matériau d'une certaine épaisseur pendant un certain temps. La caractéristique numérique est importante lors du calcul de la conductivité thermique de divers produits profilés.
Coefficients de conductivité thermique de divers métaux
Pour que la conduction thermique se produise, un contact physique direct entre deux corps est nécessaire. Cela signifie que le transfert de chaleur n'est possible qu'entre solides et liquides stationnaires. Le contact direct permet à l’énergie cinétique de passer des molécules de la substance la plus chaude vers la plus froide. L'échange de chaleur se produit lorsque des corps de températures différentes entrent en contact direct les uns avec les autres.
Ici, vous devez faire attention au fait que les molécules d'un corps chaud ne peuvent pas pénétrer dans un corps froid. Seule l'énergie cinétique est transférée, ce qui permet une répartition uniforme de la chaleur. Ce transfert d'énergie se poursuivra jusqu'à ce que les corps en contact deviennent uniformément chauds. Dans ce cas, l'équilibre thermique est atteint. Sur la base de ces connaissances, il est possible de calculer quel matériau isolant sera nécessaire pour l'isolation thermique d'un bâtiment particulier.
Parmi grande quantité paramètres caractérisant les métaux, il existe une conductivité thermique. Son importance est difficile à surestimer. Ce paramètre est utilisé lors du calcul des pièces et des assemblages. Par exemple, les transmissions à engrenages. En général, toute une branche de la science appelée thermodynamique traite de la conductivité thermique.
Qu'est-ce que la conductivité thermique et la résistance thermique
La conductivité thermique des métaux peut être caractérisée comme suit : il s'agit de la capacité des matériaux (gaz, liquide, etc.) à transférer l'excès d'énergie thermique des zones chauffées du corps vers les zones froides. Le transfert s'effectue par des particules élémentaires en mouvement libre, parmi lesquelles figurent des atomes, des électrons, etc.
Le processus de transfert de chaleur lui-même se produit dans n'importe quel corps, mais la méthode de transfert d'énergie dépend en grande partie de état d'agrégation corps.
En plus de cela, la conductivité thermique peut recevoir une autre définition : il s’agit d’un paramètre quantitatif de la capacité d’un corps à conduire l’énergie thermique. Si l’on compare les réseaux thermiques et électriques, cette notion s’apparente à la conductivité électrique.
La capacité d’un corps physique à empêcher la propagation des vibrations thermiques des molécules est appelée résistance thermique. D'ailleurs, certains se trompent sincèrement, confondant ce concept avec la conductivité thermique.
Le concept de coefficient de conductivité thermique
Le coefficient de conductivité thermique est une valeur égale à la quantité de chaleur transférée à travers une unité de surface en une seconde.
La conductivité thermique du métal a été établie en 1863. C'est alors qu'il fut prouvé que les électrons libres, très nombreux dans le métal, sont responsables du transfert de chaleur. C'est pourquoi le coefficient de conductivité thermique des métaux est nettement supérieur à celui des matériaux diélectriques.
De quoi dépend la conductivité thermique ?
La conductivité thermique est une grandeur physique et dépend en grande partie des paramètres de température, de pression et du type de substance. La plupart des coefficients sont déterminés empiriquement. De nombreuses méthodes ont été développées pour cela. Les résultats sont compilés dans des tableaux de référence, qui sont ensuite utilisés dans divers calculs scientifiques et techniques.
Les corps ont des températures différentes et lors de l'échange thermique, la température sera répartie de manière inégale. En d’autres termes, vous devez savoir comment le coefficient de conductivité thermique dépend de la température.
De nombreuses expériences montrent que pour de nombreux matériaux, la relation entre le coefficient et la conductivité thermique elle-même est linéaire.
La conductivité thermique des métaux est déterminée par la forme de leur réseau cristallin.
À bien des égards, le coefficient de conductivité thermique dépend de la structure du matériau, de la taille de ses pores et de l'humidité.
Quand prend-on en compte le coefficient de conductivité thermique ?
Les paramètres de conductivité thermique doivent être pris en compte lors du choix des matériaux pour les structures d'enceinte - murs, plafonds, etc. Dans les pièces où les murs sont constitués de matériaux à haute conductivité thermique, il fera assez frais pendant la saison froide. Décorer la pièce n’aidera pas non plus. Pour éviter cela, les murs doivent être assez épais. Cela entraînera certainement une augmentation des coûts des matériaux et de la main d’œuvre.
C'est pourquoi la construction des murs nécessite l'utilisation de matériaux à faible conductivité thermique (laine minérale, mousse de polystyrène, etc.).
Indicateurs pour l'acier
- Dans les matériaux de référence sur la conductivité thermique divers matériaux Une place particulière est occupée par les données présentées sur les aciers de différentes nuances.
Ainsi, les matériaux de référence contiennent des données expérimentales et calculées pour les types d'alliages d'acier suivants :
résistant à la corrosion et aux températures élevées; - destiné à la production de ressorts et d'outils coupants ;
- saturé d'additifs d'alliage.
Les tableaux résument les indicateurs collectés pour les aciers dans la plage de température de -263 à 1200 degrés.
Les indicateurs moyens concernent :
- aciers au carbone 50 – 90 W/(m×deg) ;
- alliages résistants à la corrosion, à la chaleur et à la chaleur classés comme martensitiques - de 30 à 45 W/(m×deg) ;
- alliages classés austénitiques de 12 à 22 W/(m×deg).
Ces matériaux de référence contiennent des informations sur les propriétés de la fonte.
Coefficients de conductivité thermique des alliages d'aluminium, de cuivre et de nickel
Lors de la réalisation de calculs liés aux métaux et alliages non ferreux, les concepteurs utilisent Matériel de référence, placés dans des tableaux spéciaux.
Ils présentent des matériaux sur la conductivité thermique des métaux et alliages non ferreux en plus de ces données, des informations sur ; composition chimique alliages Les études ont été réalisées à des températures de 0 à 600 °C.
Selon les informations recueillies dans ces tableaux, il est clair que les métaux non ferreux à haute conductivité thermique comprennent les alliages à base de magnésium et de nickel. Les métaux à faible conductivité thermique comprennent le nichrome, l'invar et quelques autres.
La plupart des métaux ont une bonne conductivité thermique, certains en ont plus, d'autres moins. Les métaux ayant une bonne conductivité thermique comprennent l'or, le cuivre et quelques autres. Les matériaux à faible conductivité thermique comprennent l'étain, l'aluminium, etc.
Une conductivité thermique élevée peut être à la fois un avantage et un inconvénient. Tout dépend du champ d'application. Par exemple, une conductivité thermique élevée est bonne pour ustensiles de cuisine. Des matériaux à faible conductivité thermique sont utilisés pour créer des connexions permanentes de pièces métalliques. Il existe des familles entières d’alliages à base d’étain.
Inconvénients de la conductivité thermique élevée du cuivre et de ses alliages
Le cuivre a une valeur bien plus élevée que l’aluminium ou le laiton. Mais en attendant, ce matériau présente un certain nombre d'inconvénients liés à ses aspects positifs.
La conductivité thermique élevée de ce métal oblige à créer des conditions particulières pour son traitement. Autrement dit, les billettes de cuivre doivent être chauffées avec plus de précision que l'acier. De plus, il y a souvent un pré-chauffage ou un chauffage d'appoint avant de commencer le traitement.
Il ne faut pas oublier que les tuyaux en cuivre impliquent une isolation thermique soignée. Cela est particulièrement vrai dans les cas où le système d'alimentation en chauffage est assemblé à partir de ces tuyaux. Cela augmente considérablement le coût des travaux d'installation.
Certaines difficultés surviennent lors de l'utilisation du soudage au gaz. Pour faire le travail, un outil plus puissant est nécessaire. Parfois, pour traiter du cuivre d'une épaisseur de 8 à 10 mm, il peut être nécessaire d'utiliser deux voire trois torches. Dans ce cas, l’un d’eux soude le tuyau en cuivre et les autres s’occupent de le chauffer. De plus, travailler le cuivre nécessite davantage de consommables.
Travailler le cuivre nécessite l'utilisation d'outils spécialisés. Par exemple, lors de la découpe de pièces en bronze ou en laiton d'une épaisseur de 150 mm, vous aurez besoin d'une fraise capable de travailler avec de l'acier contenant une grande quantité de chrome. S'il est utilisé pour traiter le cuivre, l'épaisseur maximale ne dépassera pas 50 mm.
Est-il possible d'augmenter la conductivité thermique du cuivre ?
Il n’y a pas si longtemps, un groupe de scientifiques occidentaux a mené une série d’études visant à augmenter la conductivité thermique du cuivre et de ses alliages. Pour leur travail, ils ont utilisé des films de cuivre avec une fine couche de graphène déposée à sa surface. Pour l'appliquer, la technologie du dépôt gazeux a été utilisée. Au cours de la recherche, de nombreux instruments ont été utilisés pour confirmer l'objectivité des résultats obtenus.
Les résultats de la recherche ont montré que le graphène possède l’une des conductivités thermiques les plus élevées. Après application sur un substrat en cuivre, la conductivité thermique a légèrement diminué. Mais au cours de ce processus, le cuivre s'échauffe et les grains qu'il contient augmentent, ce qui entraîne une augmentation de la perméabilité aux électrons.
Lorsque le cuivre était chauffé, mais sans application de ce matériau, les grains conservaient leur taille.
L'un des objectifs du cuivre est d'éliminer l'excès de chaleur des composants électroniques et électroniques. schémas électriques. L’utilisation du dépôt de graphène résoudra ce problème de manière beaucoup plus efficace.
Effet de la concentration de carbone
Les aciers à faible teneur en carbone ont une conductivité thermique élevée. C'est pourquoi des matériaux de cette classe sont utilisés pour la fabrication de tuyaux et de raccords. La conductivité thermique des aciers de ce type est comprise entre 47 et 54 W/(m×K).
Importance dans la vie quotidienne et la production
Application de la conductivité thermique dans la construction
Chaque matériau possède son propre indice de conductivité thermique. Plus sa valeur est faible, plus le niveau d'échange thermique entre l'environnement externe et interne est d'autant plus faible. Cela signifie qu’un bâtiment construit à partir d’un matériau à faible conductivité thermique sera chaud en hiver et frais en été.
Lors de la construction de divers bâtiments, y compris des bâtiments résidentiels, il est impossible de se passer de connaissances sur la conductivité thermique des matériaux de construction. Lors de la conception des structures de bâtiments, il est nécessaire de prendre en compte les données sur les propriétés des matériaux tels que le béton, le verre, la laine minérale et bien d'autres. Parmi eux, la conductivité thermique maximale appartient au béton, tandis que pour le bois elle est 6 fois inférieure.
Systèmes de chauffage
La tâche clé de tout système de chauffage est le transfert d'énergie thermique du liquide de refroidissement vers les locaux. Pour un tel chauffage, des batteries ou des radiateurs sont utilisés. Ils sont nécessaires au transfert de l’énergie thermique dans les pièces.
- Un radiateur de chauffage est une structure intérieure qui déplace le liquide de refroidissement. Les principales caractéristiques de ce produit sont les suivantes :
le matériau à partir duquel il est fabriqué ; - type de construction;
- dimensions, y compris le nombre de sections ;
- indicateurs de transfert de chaleur.
C'est le transfert de chaleur qui est le paramètre clé. Le fait est qu’il détermine la quantité d’énergie transférée du radiateur à la pièce. Plus cet indicateur est élevé, plus la perte de chaleur sera faible.
Il existe des tableaux de référence qui déterminent les matériaux optimaux pour une utilisation dans les systèmes de chauffage. D'après les données qu'ils contiennent, il apparaît clairement que le plus matériel efficace considéré comme du cuivre. Mais, en raison de son prix élevé et de certaines difficultés technologiques liées au traitement du cuivre, leur applicabilité n'est pas si élevée.
C'est pourquoi les modèles en acier ou en alliages d'aluminium sont de plus en plus utilisés. Une combinaison de différents matériaux, comme l'acier et l'aluminium, est souvent utilisée.
Chaque fabricant de radiateurs, lors du marquage des produits finis, doit indiquer une caractéristique telle que la puissance calorifique.
Sur le marché des systèmes de chauffage, vous pouvez acheter des radiateurs en fonte, en acier, en aluminium et bimétallique.
Méthodes d'étude des paramètres de conductivité thermique
Lors de l'étude des paramètres de conductivité thermique, il ne faut pas oublier que les caractéristiques d'un métal particulier ou de ses alliages dépendent de la méthode de production. Par exemple, les paramètres d'un métal produit par coulée peuvent différer considérablement des caractéristiques d'un matériau fabriqué à l'aide de méthodes de métallurgie des poudres. Les propriétés du métal brut sont fondamentalement différentes de celles ayant subi un traitement thermique.
L'instabilité thermique, c'est-à-dire la transformation des propriétés individuelles du métal après exposition à des températures élevées, est commune à presque tous les matériaux. A titre d'exemple, les métaux, après une exposition prolongée à différentes températures, sont capables d'atteindre différents niveaux recristallisation, et cela se reflète dans les paramètres de conductivité thermique.
On peut dire ceci : lors de la réalisation d'études sur les paramètres de conductivité thermique, il est nécessaire d'utiliser des échantillons de métaux et de leurs alliages dans un état technologique standard et spécifique, par exemple après traitement thermique.
Par exemple, il est nécessaire de broyer le métal pour mener des recherches à l'aide de méthodes d'analyse thermique. En effet, une telle exigence existe dans un certain nombre d’études. Il existe également de telles exigences, telles que la production de plaques spéciales et bien d'autres.
La stabilité non thermique des métaux impose un certain nombre de restrictions à l'utilisation des méthodes de recherche thermophysiques. Le fait est que cette méthode de recherche nécessite de chauffer les échantillons au moins deux fois, dans une certaine plage de température.
L'une des méthodes est appelée relaxation-dynamique. Il est conçu pour effectuer des mesures de masse de la capacité thermique des métaux. Dans cette méthode, la courbe de transition de la température de l'échantillon entre ses deux états stationnaires est enregistrée. Ce processus est une conséquence d'un saut de puissance thermique introduit dans l'échantillon de test.
Cette méthode peut être dite relative. Il utilise des échantillons de test et de comparaison. L'essentiel est que les échantillons aient la même surface émettrice. Lors de la réalisation de recherches, la température affectant les échantillons doit changer par étapes et, une fois les paramètres spécifiés atteints, il est nécessaire de maintenir un certain temps. La direction du changement de température et son pas doivent être choisis de manière à ce que l'échantillon destiné à l'essai soit chauffé uniformément.
À ces moments-là, les flux de chaleur seront égaux et le rapport de transfert de chaleur sera déterminé comme la différence des taux de fluctuations de température.
Parfois au cours de ces études, la source d'échauffement indirecte de l'échantillon à tester et comparatif.
Des charges thermiques supplémentaires peuvent être créées sur l'un des échantillons par rapport au deuxième échantillon.
Quelle méthode de mesure de la conductivité thermique convient le mieux à votre matériau ?
Il existe des méthodes de mesure de la conductivité thermique telles que LFA, GHP, HFM et TCT. Ils diffèrent les uns des autres par les tailles et les paramètres géométriques des échantillons utilisés pour tester la conductivité thermique des métaux.
Ces abréviations peuvent être déchiffrées comme suit :
- GHP (méthode de zone de garde chaude) ;
- HFM (méthode du flux de chaleur) ;
- TCT (méthode du fil chaud).
Les méthodes ci-dessus sont utilisées pour déterminer les coefficients de divers métaux et leurs alliages. Parallèlement, grâce à ces méthodes, ils étudient d'autres matériaux, par exemple les céramiques minérales ou les matériaux réfractaires.
Les échantillons métalliques sur lesquels la recherche est effectuée ont des dimensions hors tout de 12,7 × 12,7 × 2.
Dans de nombreux secteurs de l’industrie moderne, un matériau tel que le cuivre est très largement utilisé. La conductivité électrique de ce métal est très élevée. Ceci explique l'opportunité de son utilisation principalement en génie électrique. Le cuivre produit des conducteurs dotés d'excellentes caractéristiques de performance. Bien entendu, ce métal est utilisé non seulement dans l’électrotechnique, mais également dans d’autres industries. Sa demande s'explique, entre autres, par ses qualités telles que la résistance aux dommages causés par la corrosion dans de nombreux environnements agressifs, le caractère réfractaire, la ductilité, etc.
Référence historique
Le cuivre est un métal personne connue depuis l'Antiquité. La connaissance précoce de ce matériau s'explique principalement par sa large diffusion dans la nature sous forme de pépites. De nombreux scientifiques pensent que le cuivre a été le premier métal récupéré par l'homme à partir de composés oxygénés. Autrefois, les roches étaient simplement chauffées sur un feu et refroidies brusquement, ce qui les faisait se fissurer. Plus tard, la réduction du cuivre a commencé à être effectuée sur des feux avec ajout de charbon et soufflage à soufflet. L'amélioration de cette méthode a finalement conduit à la création. Plus tard, ce métal a commencé à être produit par la méthode de fusion oxydative des minerais.
Cuivre : conductivité électrique du matériau
Dans un état calme, tous les électrons libres de n’importe quel métal tournent autour du noyau. Lorsqu'une source d'influence externe est connectée, ils s'alignent dans un certain ordre et deviennent porteurs de courant. Le degré auquel un métal peut traverser lui-même est appelé conductivité électrique. Son unité de mesure dans le SI international est Siemens, définie comme 1 cm = 1 ohm -1.
La conductivité électrique du cuivre est très élevée. Dans cet indicateur, il surpasse tous les métaux communs connus aujourd'hui. Seul l'argent laisse passer le courant mieux que lui. La conductivité électrique du cuivre est de 57x104 cm -1 à une température de +20 °C. Grâce à cette propriété, ce métal est ce moment est le conducteur le plus couramment utilisé à des fins industrielles et domestiques.
Le cuivre peut très bien résister à des conditions constantes et est également fiable et durable. Ce métal se caractérise notamment par un point de fusion élevé (1083,4 °C). Et cela, à son tour, permet au cuivre de fonctionner longtemps à l’état chauffé. En termes de prévalence en tant que conducteur de courant, seul l'aluminium peut rivaliser avec ce métal.
L'influence des impuretés sur la conductivité électrique du cuivre
Bien entendu, à notre époque, pour fondre ce métal rouge, des techniques beaucoup plus avancées sont utilisées que dans l’Antiquité. Cependant, même aujourd’hui, il est presque impossible d’obtenir du Cu totalement pur. Le cuivre contient toujours divers types d'impuretés. Il peut s'agir par exemple de silicium, de fer ou de béryllium. Pendant ce temps, plus le cuivre contient d’impuretés, plus sa conductivité électrique est faible. Pour la fabrication de fils par exemple, seul un métal suffisamment pur convient. Selon la réglementation, du cuivre avec une quantité d'impuretés ne dépassant pas 0,1 % peut être utilisé à cette fin.
Très souvent, ce métal contient un certain pourcentage de soufre, d'arsenic et d'antimoine. La première substance réduit considérablement la ductilité du matériau. La conductivité électrique du cuivre et du soufre est très différente. Cette impureté ne conduit pas du tout le courant. Autrement dit, c'est un bon isolant. Cependant, le soufre n’a pratiquement aucun effet sur la conductivité électrique du cuivre. Il en va de même pour la conductivité thermique. Avec l'antimoine et l'arsenic, le tableau inverse est observé. Ces éléments peuvent réduire considérablement la conductivité électrique du cuivre.
Alliages
Différents types d'additifs peuvent être utilisés spécifiquement pour augmenter la résistance d'un matériau aussi ductile que le cuivre. Ils réduisent également sa conductivité électrique. Mais leur utilisation peut prolonger considérablement la durée de vie de différents types de produits.
Le plus souvent, le Cd (0,9 %) est utilisé comme additif pour augmenter la résistance du cuivre. Le résultat est du bronze au cadmium. Sa conductivité est 90 % de celle du cuivre. Parfois, l'aluminium est également utilisé comme additif à la place du cadmium. La conductivité de ce métal est 65 % de celle du cuivre. Pour augmenter la résistance des fils, d'autres matériaux et substances peuvent être utilisés sous forme d'additifs - étain, phosphore, chrome, béryllium. Le résultat est du bronze d'une certaine qualité. La combinaison du cuivre et du zinc est appelée laiton.
Caractéristiques de l'alliage
Cela peut dépendre non seulement de la quantité d'impuretés qu'ils contiennent, mais également d'autres indicateurs. Par exemple, à mesure que la température de chauffage augmente, la capacité du cuivre à faire passer le courant à travers lui-même diminue. Même la méthode de fabrication affecte la conductivité électrique d'un tel fil. Dans la vie quotidienne et dans la production, des conducteurs en cuivre recuit doux et des conducteurs étirés peuvent être utilisés. La première variété a une capacité plus élevée à faire passer le courant à travers elle-même.
Cependant, ce sont les additifs utilisés et leur quantité qui ont la plus grande influence sur la conductivité électrique du cuivre. Le tableau ci-dessous fournit au lecteur des informations complètes sur la capacité de charge actuelle des alliages les plus courants de ce métal.
Alliage | Condition (O - recuit, T - étiré) | Conductivité électrique (%) |
Cuivre pur | ||
Bronze à l'étain (0,75%) | ||
Bronze cadmié (0,9%) | ||
Bronze d'aluminium (2,5% A1, 2% Sn) | ||
Bronze phosphoreux (7 % Sn, 0,1 % P) | ||
La conductivité électrique du laiton et du cuivre est comparable. Cependant, pour le premier métal, ce chiffre est bien entendu légèrement inférieur. Mais en même temps il est supérieur à celui des bronzes. Le laiton est assez largement utilisé comme conducteur. Il laisse passer le courant moins bien que le cuivre, mais en même temps, il coûte moins cher. Le plus souvent, les contacts, les pinces et diverses pièces des équipements radio sont en laiton.
Alliages de cuivre à haute résistance
De tels matériaux conducteurs sont principalement utilisés dans la fabrication de résistances, de rhéostats, d'instruments de mesure et d'appareils de chauffage électrique. Les alliages de cuivre les plus couramment utilisés à cette fin sont le constantan et le manganin. La résistivité du premier (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) est de 0,42 à 0,48 μOhm/m et celle du second (60 % Cu, 40 % Ni) est de 0,48 à 0,52 μOhm/m.
Relation avec le coefficient de conductivité thermique
Cuivre - 59 500 000 S/m. Cet indicateur, comme déjà mentionné, n'est cependant correct qu'à une température de +20 o C. Il existe un certain lien entre le coefficient de conductivité thermique de tout métal et la conductivité spécifique. Il est établi par la loi Wiedemann-Franz. Elle est réalisée pour les métaux à haute température et s'exprime par la formule suivante : K/γ = π 2 / 3 (k/e) 2 T, où y est la conductivité spécifique, k est la constante de Boltzmann, e est la charge élémentaire .
Bien entendu, une connexion similaire existe pour un métal tel que le cuivre. Sa conductivité thermique et sa conductivité électrique sont très élevées. Il occupe la deuxième place après l'argent dans ces deux indicateurs.
Connexion de fils de cuivre et d'aluminium
DANS Dernièrement Des équipements électriques de puissance de plus en plus élevée ont commencé à être utilisés dans la vie quotidienne et dans l'industrie. À l’époque soviétique, le câblage était principalement constitué d’aluminium bon marché. Malheureusement, ses performances ne répondent plus aux nouvelles exigences. C'est pourquoi, aujourd'hui, dans la vie quotidienne et dans l'industrie, ils se tournent très souvent vers le cuivre. Le principal avantage de ces derniers, outre leur caractère réfractaire, est que pendant le processus d'oxydation, leurs propriétés conductrices ne diminuent pas.
Souvent, lors de la modernisation des réseaux électriques, des fils d'aluminium et de cuivre doivent être connectés. Cela ne peut pas être fait directement. En réalité, la conductivité électrique de l’aluminium et du cuivre ne diffère pas trop. Mais seulement pour ces métaux eux-mêmes. Les films oxydants d'aluminium et de cuivre ont des propriétés différentes. De ce fait, la conductivité à la jonction est considérablement réduite. Le film d’oxydation de l’aluminium a une résistance bien supérieure à celui du cuivre. Par conséquent, la connexion de ces deux types de conducteurs doit être réalisée exclusivement via des adaptateurs spéciaux. Il peut s'agir par exemple de pinces contenant une pâte qui protège les métaux de l'apparition d'oxyde. Cette option d'adaptateur est généralement utilisée à l'extérieur. Les compresseurs de branche sont plus souvent utilisés à l'intérieur. Leur conception comprend une plaque spéciale qui élimine le contact direct entre l'aluminium et le cuivre. Si de tels conducteurs ne sont pas disponibles à la maison, au lieu de tordre les fils directement, il est recommandé d'utiliser une rondelle et un écrou comme « pont » intermédiaire.
Propriétés physiques
Ainsi, nous avons découvert quelle est la conductivité électrique du cuivre. Cet indicateur peut varier en fonction des impuretés contenues dans le métal. Cependant, la demande de cuivre dans l’industrie est également déterminée par ses autres propriétés utiles. propriétés physiques, dont les informations peuvent être obtenues dans le tableau ci-dessous.
Paramètre | Signification |
Cubique à faces centrées, a = 3,6074 Å |
|
Rayon atomique | |
Chaleur spécifique | 385,48 J/(kg K) à +20 °C |
Conductivité thermique | 394,279 W/(mK) à +20 °C |
Résistance électrique | 1,68 10-8 Ohm·m |
Coefficient de dilatation linéaire | |
Dureté | |
Résistance à la traction |
Propriétés chimiques
Selon ces caractéristiques, le cuivre, dont la conductivité électrique et thermique est très élevée, occupe une position intermédiaire entre les éléments de la première triade du huitième groupe et les éléments alcalins du premier groupe du tableau périodique. Ses principales propriétés chimiques comprennent :
tendance à former des complexes;
capacité à produire des composés colorés et des sulfures insolubles.
La caractéristique la plus caractéristique du cuivre est son état divalent. Il n'a pratiquement aucune similitude avec les métaux alcalins. Son activité chimique est également faible. En présence de CO 2 ou d'humidité, un film de carbonate vert se forme à la surface du cuivre. Tous les sels de cuivre sont des substances toxiques. À l'état mono- et divalent, ce métal forme des composés ammoniaqués très stables et de la plus haute importance pour l'industrie.
Domaine d'utilisation
La conductivité thermique et électrique élevée du cuivre détermine son utilisation généralisée dans une grande variété d’industries. Bien entendu, ce métal est le plus souvent utilisé en électrotechnique. Cependant, c'est loin d'être le seul domaine de son application. Le cuivre peut entre autres être utilisé :
en bijouterie ;
en architecture;
lors de l'assemblage de systèmes de plomberie et de chauffage ;
dans les gazoducs.
Pour la production de différents types bijoux Un alliage de cuivre et d’or est principalement utilisé. Cela permet d'augmenter la résistance des bijoux à la déformation et à l'abrasion. En architecture, le cuivre peut être utilisé pour le revêtement des toitures et des façades. Le principal avantage de cette finition est la durabilité. Par exemple, le toit d'un monument architectural bien connu - la cathédrale catholique de la ville allemande de Hildesheim - est recouvert de feuilles de ce métal particulier. Le toit en cuivre de ce bâtiment protège efficacement son intérieur depuis près de 700 ans.
Communication d'ingénierie
Les principaux avantages des conduites d’eau en cuivre sont également la durabilité et la fiabilité. De plus, ce métal est capable de conférer à l’eau des propriétés uniques et particulières, la rendant bénéfique pour le corps. Pour le montage de gazoducs et de systèmes de chauffage des tuyaux de cuivre sont également parfaitement adaptés, principalement en raison de leur résistance à la corrosion et de leur ductilité. En cas d'augmentation de pression d'urgence, ces conduites peuvent supporter une charge beaucoup plus importante que celles en acier. Le seul inconvénient des pipelines en cuivre est leur coût élevé.