Плотность золота, его теплоемкость и теплопроводность
Физические свойства алюминия.
Основные свойства
Алюминий — химический элемент третей группы периодической системы Д.И. Менделеева.
| Плотность , (кг/м 3 ) | 2,7 |
| Температура плавления Т пл, °С | 660 |
| Температура кипения Т кип, °С | 2 327 |
| Скрытая теплота плавления, Дж/г | 393,6 |
| Теплопроводность l , Вт/м град (при 20° С) | 228 |
| Теплоемкость Ср , Дж/(г · град) (при 0–100°С) | 0,88 |
| Коэффициент линейного расширения α × 10 -6 , 1/°С (пр°С) | 24,3 |
| Удельное электросопротивление ρ × 10 -8 , Ом× м (при 20°С) | 2,7 |
| Предел прочности σ в, МПа | 40–60 |
| Относительное удлинение δ , % | 40–50 |
| Твердость по Бринеллю НВ | 25 |
| Модуль нормальной упругости E , ГПа | 70 |
Плотность алюминия
Плотность твердого и расплавленного алюминия снижается по мере увеличения его чистоты:
| Степень чистоты, % | 99,25 | 99,40 | 99,75 | 99.97 | 99,996 | 99.9998 |
| Плотность при 20°С, г/см 3 | 2,727 | 2,706 | 2,703 | 2,6996 | 2,6989 | 2,69808 |
| Степень чистоты, % | 99,25 | 99.40 | 99.75 |
| Плотность, г/см 3 | 2,311 | 2,291 | 2,289 |
Температура плавления и кипения.
В момент плавления алюминия возрастает объем металла: для алюминия чистотой 99,65 % — на 6,25%, для более чистого металла — на 6,60 %. По мере повышения степени чистоты алюминия температура его плавления возрастает:
| Степень чистоты, % | 99,2 | 99,5 | 99,6 | 99,97 | 99,996 |
| Температура плавления, °С | 657 | 658 | 659,7 | 659,8 | 660,24 |
Теплопроводность алюминия
Теплопроводность алюминия повышается с увеличением степени его чистоты. Для технического алюминия (99,49 и 99,70%) теплопроводность при 200°С равна соответственно 209 и 222 Вт/(м×К) . Для электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,9% теплопроводность при 190°С возрастает до 343 Вт/(м×К). Примеси меди, магния и марганца в алюминии снижают его теплопроводность. Например, добавка 2 % Mn к алюминию снижает теплопроводность с 209 до 126 Вт/(м×К).
Электропроводность алюминия
Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота). Удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20°С равна 37,9 мкСм×м, что составляет 63,7% от электропроводности меди [59,5 мкСм×м]. Более чистый алюминий [99,999 %] обладает электропроводностью, равной 65,9% от электропроводности меди.
На электропроводность алюминия влияет ряд факторов: степень деформации, режим термической обработки и т. д., решающую же роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr, V, Mn, Ti, Mg, Ag, Сu, Zn, Si, Fe Ni.
Наиболее отрицательное влияние на электросопротивление алюминия оказывают примеси Сг, V, Мп и Ti . Поэтому в алюминии для электротехнической промышленности сумма Cr+V+Mn+Ti не должна превышать 0,015% (марка А5Е) и даже 0,01 % (А7Е) при содержании кремния соответственно 0,12 и 0,16 %.
Основными примесями в алюминии являются кремний, железо, медь, цинк и титан. При малых содержаниях кремния в алюминии (0,06%) величина Fe : Si (в пределах от 0,8 до 3,8) сравнительно мало влияет на его электросопротивление. При увеличении содержания кремния до 0,15—0,16% влияние Fe : Si возрастает. Ниже приведено влияние Fe : Si на электропроводность алюминия:
| Fe : Si | 1,07 | 1,44 | 2,00 | 2,68 | 3,56 |
| Удельное электросопротивление алюминия, ×10 -2 мкОм·мм: | |||||
| нагартованного | 2,812 | 2,816 | 2,822 | 2,829 | 2,838 |
| отожженного | 2,769 | 2,771 | 2,778 | 2,783 | 2,788 |
Удельное электрическое сопротивление отожженной алюминиевой проволоки (ρ, мкОм·м) при 20°С в зависимости от содержания примесей можно приблизительно определить по следующей формуле: ρ=0,0264+0,007×(% Si)+0,0007×(% Fe) + 0,04×[% (Cr+V + Mn + Ti)].
Отражательная способность
С повышением степени чистоты алюминия возрастает его способность отражать свет от поверхности. Так, степень отражения белого света от прокатанных алюминиевых листов (фольги) в зависимости от чистоты металла, возрастает следующим образом: для Аl 99,2%—75%, Аl 99,5%—84% и для Аl 99,8%—86%. Поверхность листа, изготовленного из электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,996%, отражает 90% падающего на него белого света.
Минералы
В разделе «Минералы» содержится информация о теплопроводности горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость, а также другие свойства полезных ископаемых, грунтов и руды. Данные размещены в виде таблиц, в которых вы всегда найдете необходимые свойства пород и минералов в зависимости от температуры.
Теплопроводность горных пород и минералов, их плотность и теплоемкость
Представлена плотность горных пород и минералов, их теплопроводность, удельная теплоемкость и другие теплофизические свойства…
Теплопроводность и теплоемкость минералов
Теплопроводность и теплоемкость минералов указана в таблице при нормальных условиях (по данным К. Хоран, Д….
Свойства и плотность торфа
Свойства торфа В таблице представлены теплофизические свойства торфа и торфяных изделий в зависимости от температуры…
Плотность грунта
В таблице представлена плотность грунта в естественном залегании в размерности кг/м3. Плотность приведена с учетом…
Физические свойства технической соли
Насыпная плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и другие физические свойства технической соли…
Теплопроводность строительных материалов, их плотность и теплоемкость
Плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость строительных и других популярных материалов. Более 400 материалов в таблице!
Плотность воды, теплопроводность и физические свойства H2O
Подробные таблицы значений плотности воды, ее теплопроводности и других теплофизических свойств в зависимости от температуры…
Физические свойства воздуха: плотность, вязкость, удельная теплоемкость
Таблицы физических свойств воздуха: плотность воздуха, его удельная теплоемкость и вязкость в зависимости от температуры…
Теплопроводность стали и чугуна. Теплофизические свойства стали
Теплопроводность стали и чугуна, физические свойства стали в таблицах при различной температуре…
Оргстекло: тепловые и механические характеристики
Рассмотрены тепловые, механические, оптические и электрические характеристики органического стекла…
Физические свойства технической соли
Насыпная плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и другие физические свойства технической соли…
Характеристики теплоизоляционных плит Изорок (Isoroc)
Плотность, коэффициент теплопроводности и другие важнейшие характеристики теплоизоляционных плит Изорок различных модификаций…
Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах
Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок при температурах от 0 до 1350°С…
Плотность золота, его теплоемкость и теплопроводность
В таблице представлены свойства золота — такие, как плотность, удельная теплоемкость, коэффициент температуропроводности, теплопроводность и…
Теплоемкость и свойства органических жидкостей
Удельная теплоемкость органических жидкостей и газов В таблице приведена зависимость удельной изобарной теплоемкости органических жидкостей…
Плотность, теплопроводность, теплоемкость кислорода O2
Плотность, теплоемкость, свойства кислорода O2 В таблице представлены теплофизические свойства кислорода такие, как плотность, энтальпия, энтропия,…
Плотность и удельная теплоемкость кирпича
Таблица плотности и удельной теплоемкости кирпича распространенных видов: трепельный, силикатный, строительный, облицовочный, динасовый и др…
Удельная теплоемкость сплавов алюминия.
Удельная теплоемкость алюминия является одним из основных параметров, определяющих использование металла в технических целях для производства деталей, техники, конструкций.
Физические свойства металла
Алюминий — это химический элемент (атомный № 13) Он принадлежит к группе легких металлов и является распространенным элементом, находящимся в земной коре. Парамагнитный металл обладает серебристо-белым цветом, он очень легко поддается механической обработке, из него удобно отливать изделия.
Металл обладает высокой тепло- и электропроводностью. Он устойчив к воздействию воздуха за счет способности формирования пленок из оксида металла, защищающих поверхность от влияния внешней среды.
Разрушается пленка под воздействием щелочных растворов. Для предотвращения реакции металла с агрессивными жидкостями в сплав добавляют индий, олово или галлий.
Удельная теплота плавления составляет 390 кДж/кг, а испарения – 10,53 МДж/кг. Металл кипит при температуре 2500°C. Градиент плавления зависит от степени очистки материала и составляет соответственно:
- для технического сырья +658°C;
- для металла с очисткой высшего класса +660 °C.
Алюминий легко формирует сплавы, среди которых всем известны соединения с медью, магнием, кремнием. В ювелирной отрасли этот металл сочетают с золотом, что придает составу новые физические свойства.
В природе химический элемент образует естественные соединения. Он находится в составе таких минералов, как:
- нефелин;
- боксит;
- корунд;
- полевой шпат;
- каолинит;
- берилл;
- изумруд;
- хризоберилл.
В некоторых местах (жерла вулканов) можно обнаружить в незначительных количествах самородный металл.
Сферы применения
Свойство химического элемента № 13 отлично накапливать тепло позволяет его широко использовать в промышленном производстве и теплотехнике.
Алюминий применяется в качестве сырья для создания строительных конструкций. Он обладает легкостью, прочностью, устойчивость и является привлекательным сырьем для производства оконных конструкций.
Химический элемент образует неядовитые оксиды, что разрешает использование в производстве фольги для нужд пищевой промышленности. Алюминий является сырьем для создания космических ракет и самолетов. Высокий коэффициент отражения определяет его использование в изготовлении зеркал.
Теплопроводность металла и сплавов
Известен факт, что при средних и высоких температурных градиентах теплопроводность алюминия меньше, чем у железа или меди. Показатель теплопроводности алюминия определяет его использование для производства радиаторов.
При охлаждении металла теплопроводность значительно возрастает по сравнению с медью, для которой при низкой температуре показатель становится ниже.
В процессе переплавки материал изменяет свойства: уменьшается его плотность и теплопроводность. Например, при температурном градиенте +27°C плотность равна 2697 кг/м³, при нагревании до температуры перехода в жидкое состояние она становится равной 2368 кг/м³. Этот факт обусловлен расширением массы при подогреве. Вследствие влияния температуры снижается плотность.
Удельная теплоемкость алюминия равна 904 Дж/кг при комнатной температуре. Этот показатель значительно зависит от температурного градиента, и в сравнении с медью и железом для этого материала он значительно выше.
Теплопроводность сплавов, содержащих химический элемент № 13, увеличивается с ростом температуры. Более низким температурным градиентом обладают литейные составы. Наиболее плотными являются соединения, в составе которых находятся кремний и цинк.
Сплавы, содержащие магний, отличаются легкостью. Соединения, в составе которых находится медь, обладают устойчивостью к коррозии и особой прочностью.
Чем больше весовое количество алюминия в составе соединения, тем выше показатель теплопроводности. Удельная теплоемкость сплавов увеличивается при нагревании.
Свойства металлов
Плотность. Это — одна из важнейших характеристик металлов и сплавов. по плотности металлы делятся на следующие группы:
легкие (плотность не более 5 г/см 3 ) — магний, алюминий, титан и др.:
тяжелые — (плотность от 5 до 10 г/см 3 ) — железо, никель, медь, цинк, олово и др. (это наиболее обширная группа);
очень тяжелые (плотность более 10 г/см 3 ) — молибден, вольфрам, золото, свинец и др.
В таблице 2 приведен значения плотности металлов. (Это и последующие таблицы характеризуют свойства тех металлов, которые составляют основу сплавов для художественного литья).
Таблица 2. Плотность металла.
| Металл | Плотность г/см 3 | Металл | Плотность г/см 3 |
| Магний | 1,74 | Железо | 7,87 |
| Алюминий | 2,70 | Медь | 8,94 |
| Титан | 4,50 | Серебро | 10,50 |
| Цинк | 7,14 | Свинец | 11,34 |
| Олово | 7,29 | Золото | 19,32 |
Температура плавления. В зависимости от температуры плавления металл подразделяют на следующие группы:
легкоплавкие (температура плавления не превышает 600 o С) — цинк, олово, свинец, висмут и др.;
среднеплавкие (от 600 o С до 1600 o С) — к ним относятся почти половина металлов, в том числе магний, алюминий, железо, никель, медь, золото;
тугоплавкие ( более 1600 o С) — вольфрам, молибден, титан, хром и др.
Ртуть относится к жидкостям.
При изготовлении художественных отливок температура плавления металла или сплава определяет выбор плавильного агрегата и огнеупорного формовочного материала. При введении в металл добавок температура плавления, как правило, понижается.
Таблица 3. Температура плавления и кипения металлов.
| Металл | Температура, o С | Металл | Температура, o С | ||
| плавления | кипения | плавления | кипения | ||
| Олово | 232 | 2600 | Серебро | 960 | 2180 |
| Свинец | 327 | 1750 | Золото | 1063 | 2660 |
| Цинк | 420 | 907 | Медь | 1083 | 2580 |
| Магний | 650 | 1100 | Железо | 1539 | 2900 |
| Алюминий | 660 | 2400 | Титан | 1680 | 3300 |
Удельная теплоемкость. Это количество энергии, необходимое для повышения температуры единицы массы на один градус. Удельная теплоемкость уменьшается с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Зависимость удельной теплоемкости элемента в твердом состоянии от атомной массы описывается приближенно законом Дюлонга и Пти:
где, ma — атомная масса; cm — удельная теплоемкость (Дж/кг * o С).
В таблице 4 приведены значения удельной теплоемкости некоторых металлов.
Таблица 4. Удельная теплоемкость металлов.
| Металл | Температура, o С | Удельная теплоемкость, Дж/кг * o С | Металл | Температура, o С | Удельная теплоемкость, Дж/кг * o С |
| Магний | 0-100 225 | 1,03 1,18 | Цинк | 0 св.420 | 0,35 0,51 |
| Титан | 0-100 440 | 0,47 068 | Серебро | 0 427 | 0,23 0,25 |
| Медь | 97,5 Св.1100 | 0,40 0,55 | Олово | 0 240 | 0,22 0,27 |
| Алюминий | 0-100 660 | 0,87 1,29 | Золото | 0-100 1100 | 0,12 0,15 |
| Железо | 0-100 1550 | 0,46 1,05 | Свинец | 0 300 | 0,12 0,14 |
Скрытая теплота плавления металлов. Это характеристика (таблица 5 ) наряду с удельной теплоемкости металлов в значительной степени определяет необходимую мощность плавильного агрегата. Для расплавления легкоплавкого металла иногда требуется больше тепловой энергии, чем для тугоплавкого. Например, для нагревания меди от 20 до 1133 o С потребуется в полтора раза меньше тепловой энергии, чем для нагревания такого же количества алюминия от 20 до 710 o C.
Таблица 5. Скрытая теплота металла
| Металл | Скрытая теплота плавления, Дж/кг | Металл | Скрытая теплота плавления, Дж/кг |
| Свинец | 23,2 | Медь | 203,7 |
| Олово | 60,9 | Железо | 277,2 |
| Золото | 63,0 | Магний | 369,6 |
| Цинк | 101,6 | Алюминий | 400,7 |
| Серебро | 105,0 | Титан | 436,8 |
Теплоемкость. Теплоемкость характеризует передачу тепловой энергии от оной части тела к другой, а точнее, молекулярной перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный наличием градиента температуры. (таблица 6)
Таблица 6. Коэффициент теплопроводности металлов при 20 o С
| Металл | Коэффициент теплопроводности, кВт/м * o С | Металл | Коэффициент теплопроводности, кВт/м * o С |
| Серебро | 0,410 | Цинк | 0,110 |
| Медь | 0,386 | Олово | 0,065 |
| Золото | 0,294 | Железо | 0,067 |
| Алюминий | 0,210 | Свинец | 0,035 |
| Магний | 0,144 | Титан | 0,016 |
Качество художественного литья тесно связано с теплопроводностью металла. В процессе выплавке важно не только обеспечить достаточно высокую температуру металла, но и добиться равномерного распределения температуры во всем объеме жидкой ванны. Чем выше теплопроводность, тем равномернее распределена температура. При электродуговой плавке, несмотря на высокую теплопроводность большинства металлов, перепад температуры по сечению ванны достигает 70-80 o С, а для металла с низкой теплопроводностью этот перепад может достигать 200 o С и более.
Благоприятные условия для выравнивания температуры создаются при индукционной плавке.
Коэффициент теплового расширения. Эта величина, характеризующая изменение размеров образца длиной 1 м при нагревании на 1 o С, имеет важное значение при эмальерных работах (таблица 7)
Коэффициенты теплового расширения металлической основы и эмали должны иметь по возможности близкие значения, чтобы после обжига эмаль не растрескивалась. Большинство эмалей, представляющих твердый коэффициент оксидов кремния и других элементов, имеют низкий коэффициент теплового расширения. Как показала практика, эмали очень хорошо держаться на железе, золоте, менее прочно — на меди и серебре. Можно полагать, что титан — весьма подходящий материал для эмалирования.
Таблица 7. Коэффициент теплового расширения металлов.
| Металл | Температура, o С | α*10 -8 o С -1 | Металл | Температура, o С | α*10 -8 o С -1 |
| Титан | 27 727 | 8,3 12,8 | Алюминий | 27 627 | 23,3 37,8 |
| Железо | 27 727 | 12,0 14,7 | Олово (α- модификация) | 27 | 16,0 |
| Золото | 27 727 | 14,0 17,7 | Олово (β-модификации) | 27 | 31,4 |
| Медь | 27 727 | 16,7 21,8 | Магний | 27 | 25,8 |
| Серебро | 27 727 | 18,9 25,6 | Свинец | 27 277 | 28,5 33,3 |
| Цинк | 27 377 | 63,5 50,3 | — | — | — |
Отражательная способность. Это — способность металла отражать световые волны определенной длины, которая воспринимает человеческим глазом как цвет (таблице 8). Цвета металла указаны в таблице 9.
Таблица 8. Соответствие между цветом и длиной волны.
| Цвет | Длина волны, нм | Цвет | Длина волны, нм |
| Фиолетовый | 460 | Желтый | 580 |
| Синий | 470 | Оранжевый | 600 |
| Голубой | 480 | Красный | 640 |
| Зеленый | 520 | Пурпурный | 700 |
Таблица 9. Цвета металлов.
| Металл | Цвет | Металл | Цвет |
| Магний | Бело-серый | Цинк | Голубовато-белый |
| Алюминий | Серовато-белый | Серебро | Белый |
| Титан | Серовато-белый | Олово | Серовато-белый |
| Железо | Голубовато-белый | Золото | Желтый |
| Медь | Красновато-розоватый | Свинец | Серовато-белый |
Чистые металлы в декоративно-прикладном искусстве практически не применяются. Для изготовления различных изделий используют сплавы, цветовые характеристики которых значительно отличаются от цвета основного металла.
В течении долгого времени накапливался огромный опыт применения различных литейных сплавов для изготовления украшений, бытовых предметов, скульптур и многих других видов художественного литья. Однако до сих пор еще не раскрыта взаимосвязь между строением сплава и его отражательной способностью.
Плотность золота, его теплоемкость и теплопроводность
Для какого из металлов (золото, олово или висмут) в опыте Ж.-Б. Фурье различие в показаниях соседних термометров будет наибольшим?
Как исследовали теплопроводность материалов
То, что различные тела обладают разной способностью проводить тепло, т.е. разной теплопроводностью, было известно давно, однако инструментальные исследования начались лишь в конце XVIII в. Идея одного из опытов принадлежала Б. Франклину. Он предлагал покрывать полосу металла воском, а затем погружать один конец в горячее масло. Считалось, что большей теплопроводностью обладал тот металл, у которого воск за одно и то же время плавился на большей длине.
Ж.-Б. Фурье предложил иной способ, показанный на рисунке: в стержне AB, один конец которого нагревался, на равном расстоянии друг от друга высверливались небольшие отверстия под термометры (a, b, … f). Вначале температура каждого термометра поднималась, но затем подъём прекращался, устанавливалось стационарное распределение температуры вдоль стержня. Используя эту идею, Г. Видеман и Р. Франц в 1835 году получили данные о теплопроводности металлов и сплавов. Результаты их опытов в относительных единицах представлены в табл. 1 (наилучшая проводимость — у серебра; наихудшая — у висмута).
Свойства металлов
Эксперимент по Фурье является физически более верным, чем эксперимент, предложенный Франклином. Дж. Тиндаль привёл такой аргумент. Возьмём два коротких стержня одинаковых геометрических размеров: один из висмута, другой из железа; покроем один торец каждого стержня воском, а другой конец поставим на крышку котла с горячей водой. Первым воск растает на стержне из висмута, значит, по Франклину, он лучший проводник тепла. Опыты же Видемана и Франца показали противоположный результат.
Тиндаль разъяснил, что на результаты опыта по Франклину влияет не только теплопроводность металлов, но и их удельная теплоёмкость. Умножив удельную теплоёмкость металла на его плотность для висмута получим:
Следовательно, на прогрев стержня из висмута требуется меньшее количество теплоты. Сплавы металлов также обладают высокой теплопроводностью. (Например, нейзильбер — сплав меди, никеля и цинка, из которого делали столовые приборы.) Тиндаль пишет, что если взять кусочек белого фосфора, который плавится при 44 ºС и загорается при 60 ºС, и положить его на черенок чайной ложки из нейзильбера, опущенный в горячий чай, то фосфор расплавится. А если тот же опыт повторить с ложкой из серебра, то фосфор загорится.
Для какого из металлов (серебро, железо или висмут) в опыте Ж.-Б. Фурье различие в показаниях двух соседних термометров будет наименьшим?
Из текста известно, что чем больше теплопроводность металлов, тем меньше разность показаний двух соседних термометров. Из таблицы находим, что наибольшая теплопроводность, из предложенных металлов, у серебра, следовательно, для серебра различие в показаниях двух соседних термометров будет наименьшим.
Плотность золота, его теплоемкость и теплопроводность
1.3.2. Теплоемкость, теплопроводность материалов.
Теплоемкость , это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании . Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу объема материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг·К)]. Эта величина экстенсивная, т.е. можно говорить о теплоемкости отдельной молекулы или атома, затем их просуммировать и получить теплоемкость одного грамма или одного моля вещества. Значение теплоемкости зависит от природы материала. Самая высокая теплоемкость у воды 4.2 ·10 3 Дж/(кг·К) или 4.2 кДж/(кГ·К). У подавляющего большинства материалов удельная теплоемкость порядка 1 кДж/(кг·К). Теплоемкость зависит от температуры. Вблизи нуля Кельвина она мала, в рабочем диапазоне температур — слабо меняется с ростом температуры. Какие-либо скачки теплоемкости связаны со структурной перестройкой тел, например с растянутым плавлением у таких веществ, как парафин. Здесь можно упомянуть пример с парафиновой прогревающей повязкой, когда тепло долго сохраняется за счет высокой теплоемкости парафина и повязка греет длительное время.
Теплоемкость газов хорошо изучена теоретически. Для газов даже введено два типа теплоемкости: при постоянном давлении Cp и при постоянном объеме Cv. Обычно рассматривают теплоемкость, приходящуюся на одну молекулу. Тогда для одноатомного газа Cp=5/2 kT, а Cv=3/2 kT. Почему при постоянном давлении труднее нагревать молекулы? Ясно, что при этом газ расширяется, значит, нужна дополнительная энергия, чтобы нагревать газ при постоянном давлении. Отметим, что для многоатомных газов теплоемкость выше, т.к. при нагревании требуется энергия для вращения молекул, колебаний и т.п.
Приведем выражение для тепловой энергии материала:
где m-масса материала, T2,T1 конечная и начальная температуры.
Это выражение можно переписать для локальных, удельных, параметров:
где Q/V — удельное выделение энергии, d — плотность материала.
Выражения (1.27-1.28) позволяют определить изменение температуры материала в процессе его работы, например, за счет диэлектрических потерь энергии, протекания тока или какого-либо другого процесса. Энерговыделение Q задается конкретными процессами, протекающими в материале.
Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал. Это тоже важная характеристика, она характеризуется коэффициентом теплопроводности l . Численно он равен потоку q проходящему через площадку куба единичной площади, при перепаде на его гранях температуры 1 ° С. Лучше всего передают тепло металлы, так у меди l .=400 Вт/(м·К), для серебра чуть больше (418), для алюминия 200 Вт/(м·К), для нержавеющей стали примерно 20 Вт/(м·К), для простых сталей примерно в два раза выше.
У диэлектрических материалов теплопроводность обычно значительно ниже. Например у бетона l .=0.6 Вт/(м·К), у трансформаторного масла l .=0.13 Вт/(м· К), для воздуха l = 3,67 10 -2 Вт/(м·К). Единственный диэлектрик имеет высокую теплопроводность, это окись бериллия l .» 200 Вт/(м·К). Отметим, что в справочниках часто приводят l . в устаревших единицах, например кал/(см·сек· °С); для перевода в систему единиц СИ нужно умножить на 418.
Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и излучение.
Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается, они начинают “всплывать” под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. В теплотехнике развит аппарат расчета теплопроводности при учете конвекции. Грубо, можно сказать, что конвекция увеличивает теплопроводность в несколько раз.
Я занимался расчетами теплопроводности при разработке электроотопительных приборов на основе материала “ЭКОМ”. Так вот, учет естественной конвекции в воздухе приводит к увеличению эффективной теплопроводности в конвекторе из двух параллельно расположенных вертикальных пластин примерно в 10 раз при температуре поверхностей примерно 150 -200 ° С.
Тепловое излучение также важно, особенно при повышенных температурах. Основное выражение, используемое в оценках, имеет вид:
где x — коэффициент серости излучающего материала, s — постоянная Стефана-Больцмана, s =5.67 10 -8 Вт/(м 2 К 4 ). Коэффициент серости зависит от сорта материала, в особенности от его теплопроводности и состояния поверхности. Для металлов этот коэффициент невелик, он меняется от единиц до десятков процентов, в зависимости от шероховатости поверхности, причем более шероховатой поверхности соответствует больший коэффициент серости. Для диэлектриков (исключая специальные композиции с электропроводными компонентами), e находится в диапазоне 80 — 95%. Оценки показывают, что этот фактор становится главным при температурах порядка 100 градусов и выше.
Самая высокая теплопроводность в нормальном диапазоне температур может быть достигнута путем переноса теплоты испарения. Если где-то испарить жидкость, а затем ее конденсировать в другом месте, то теплота испарения заберет часть тепла от нагретого участка и передаст его при конденсации в другом месте. Это эквивалентно теплопроводности между этими участками. Оценки показывают, что эквивалентная теплопроводность может превысить теплопроводность меди примерно в пять тысяч раз.
Температурные коэффициенты. Практически все свойства материалов зависят от температуры. Обычно это учитывается введением т.н. температурного коэффициента. Строго математически для какого-либо свойства х, он вводится выражением
где х может быть любой характеристикой материала. Размерность любого температурного коэффициента — 1/К. Например возьмем в качестве х размер l образца материала. Тогда
| Tkl = |  |
означает температурный коэффициент расширения материала. Для диэлектрической проницаемости, это будет температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, для удельного сопротивления — температурный коэффициент удельного сопротивления.
На практике обычно пользуются линейным приближением, считая изменение характеристики с температурой малым, по сравнению с основным значением. Для этого случая можно явно выписать температурную зависимость.
Для удельного сопротивления r (Т)= r (Т )(1 + Тк r (Т-Т ))
Для диэлектрической проницаемости e (Т)= e (Т )(1 + Тк e (Т-Т ))
Конкретные значения температурных коэффициентов материалов можно найти в справочниках. В случае сильного изменения характеристик с температурой (например, диэлектрической проницаемости в случае сегнетоэлектриков) линейным приближением пользоваться нельзя. В этих случаях следует воспользоваться таблицами или графиками.
