Тепловое сопротивление алюминия

Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов АМц, АМг, Д16, АК и др.

В таблице представлены состав и теплофизические свойства алюминиевых сплавов для нагартованного, закаленного и отожженого состояний сплава:

  • плотность сплавов, кг/м 3 ;
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
  • коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
  • удельное электрическое сопротивление, Ом·м.

Теплофизические свойства представлены для следующих сплавов алюминия: А, АМц, АМг, Амг1, АМг5, АВ, Д18, Д1, Д16, АК8, АК4, 32S, В95. Свойства сплавов даны при комнатной температуре, за исключением коэффициента теплового расширения (КТР), который указан для интервалов температуры 20-100, 20-200 и 20-300°С.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Представлена сводная таблица теплопроводности алюминиевых сплавов. В ней приведены значения теплопроводности распространенных алюминиевых сплавов (сплавы алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком, литейные сплавы, дюралюминий) при различной температуре в диапазоне от 4 до 700К.

По данным таблицы видно, что теплопроводность алюминиевых сплавов в основном увеличивается с ростом температуры. Наибольшей теплопроводностью при комнатной температуре обладает такой сплав, как АД1 — его теплопроводность при этой температуре равна 210 Вт/(м·град). Более низкая теплопроводность свойственна в основном литейным алюминиевым сплавам, например АК4, АЛ1, АЛ8 и другим.

Температура в таблице в градусах Кельвина !

Таблица теплопроводности сплавов алюминия

Алюминиевый сплав Температура, K Теплопроводность алюминиевого
сплава, Вт/(м·град)
АВ 298…373…473…573 176…180…184…189
АД1 нагартованный 4…10…20…40…80…150…300 50…130…260…400…250…220…210
АД31 закаленный, состаренный 4…10…20…40…80…200…300…600 35…87…170…270…230…200…190…190
АД33 300…373…473…573 140…151…163…172
АД35 298…373…473…573 170…174…178…182
АК4 300…500…600…700 145…160…170…170
АК6 закаленный, состаренный 20…77…223…293…373…473…573…673 35…90…192…176…180…184…184…189
АК8 закаленный, состаренный 20…40…80…150…300…573…673 50…72…100…125…160…180…180
АЛ1 300…400…600 130…140…150
АЛ2 20…77…293 10…18…160
АЛ4 300…473…673 150…160…155
АЛ5 300…473…573 160…170…180
АЛ8 300…473…673 92…100…110
АМг1 298…373…473…573…673 184…188…192…188…188
АМг2 4…10…20…40…80…150…300…373…473…573…673 4,6…12…25…49…77…100…155…159…163…164…167
АМг3 20…77…90…203…293 41…86…89…123…132
АМг5 отожженный 10…20…40…80…150…300…473…673 10…20…40…66…92…130…130…150
АМг6 20…77…173…293 13…43…75…92
АМц нагартованный 4…10…20…40…80…150…300…473…573…673 11…28…58…110…140…150…180…180…184…188
В93 300…473…673 160…170…160
В95 300…473…673 155…160…160
ВАД1 20…80…300 30…61…160
ВАЛ1 300…473…673 130…150…160
ВАЛ5 300…573…673 150…160…160
ВД17 300…673 130…170
Д1 298…373…473…573…673 117…130…150…172…176
Д16 закаленный, состаренный 10…20…40…80…150…300…373…473…573 9…19…37…61…90…120…130…146…163
Д20 закаленный, состаренный 20…40…80…150…300…373…473…573…673 27…38…61…85…140…142…147…155…160
Д21 298…373…473…573 130…138…151…168

Свойства сплавов алюминия с кремнием, медью, магнием и цинком

В таблице представлены состав и следующие теплофизические свойства алюминиевых сплавов:

  • плотность сплавов, кг/м 3 ;
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
  • коэффициент линейного теплового расширения, 1/град;
  • коррозионная устойчивость в воде и на воздухе;
  • температура изменения прочности.

Плотность, теплопроводность и коэффициент линейного теплового расширения сплавов представлены в зависимости от температуры в интервале от 500 до 660°С. Плотность алюминиевых сплавов с кремнием и цинком наиболее высока. Из легких сплавов можно отметить сплавы, содержащие магний.

Следует отметить, что наибольшей коррозионной устойчивостью в воде и на воздухе обладают алюминиевые сплавы с высоким содержанием меди — они устойчивы к коррозии до температуры 200…250°С. Такие сплавы также обладают высокими прочностными характеристиками.

Теплопроводность алюминиевых сплавов в зависимости от температуры

В таблице представлены состав алюминиевых сплавов и коэффициент их теплопроводности в диапазоне температуры от 173 (-100°С) до 773К (500°С). По данным таблицы видно, что чем больше содержится алюминия в сплаве, тем выше его теплопроводность. При нагревании алюминиевых сплавов, их теплопроводность, как правило, увеличивается.

Теплопроводность сплава алюминия с литием

Даны значения коэффициента теплопроводности сплава алюминия с литием при комнатной температуре. Теплопроводность указана в зависимости от содержания лития в сплаве по массе (от 0 до 11%). Необходимо отметить, что увеличение процентного содержания лития приводит к уменьшению теплопроводности сплава.

Плотность, теплопроводность, теплоемкость алюминиевых сплавов Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16

Представлены значения плотности (при температуре 293К), коэффициента теплопроводности, Вт/(м·°С), и удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(кг·°С) некоторых алюминиевых сплавов в зависимости от температуры (свойства даны при температурах 25, 100 , 200, 300, 400 °С).

В таблице указана плотность, теплопроводность, теплоемкость следующих сплавов алюминия: Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16. Следует отметить, что плотность алюминиевых сплавов примерно одинаковая, но немного выделяется такой сплав алюминия, как Д-1 — его плотность равна 2800 кг/м 3 .

Теплопроводность, теплоемкость и удельное сопротивление сплава 1151Т

В таблице представлены значения коэффициента теплопроводности, Вт/(м·град), удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(г·град)
и удельного сопротивления алюминиевого сплава 1151Т.

Свойства алюминиевого сплава 1151Т даны в зависимости от температуры (в интервале от 0 до 400 °С). По данным таблицы видно, что теплопроводность этого сплава увеличивается при нагревании, однако в районе температуры 200°С имеет место некоторое ее снижение с последующим ростом. Такой же характер изменения свойственен и удельной теплоемкости сплава 1151Т. Удельное электрическое сопротивление рассматриваемого сплава увеличивается по мере роста его температуры.

Температурные коэффициенты линейного расширения (КТР) сплава 1151Т

В таблице представлены значения температурных коэффициентов линейного расширения (КТР) алюминиевого сплава 1151Т.
Коэффициенты линейного расширения алюминиевого сплава 1151Т даны в зависимости от температуры (в интервале от 0 до 500 °С). При высоких температурах КТР сплава 1151Т увеличивается.

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn

В таблице представлены теплофизические свойства алюминиевых сплавов, содержащих медь и марганец. рассмотрены такие сплавы, как сплав 01205, 1201, Д21, Д20. Свойства сплавов представлены в зависимости от температуры в диапазоне от 25 до 400°С. Из рассмотренных сплавов наиболее теплопроводным является сплав Д20, с теплопроводностью 138 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Даны следующие теплофизические свойства сплавов:

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

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si

В таблице представлены следующие теплофизические свойства сплавов алюминия с магнием и кремнием:

  • плотность, кг/м 3 ;
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·°С);
  • удельная теплоемкость, кДж/(кг·°С).

Свойства представлены в зависимости от температуры в интервале от 25 до 400°С. Даны свойства следующих сплавов: АД31, АД33, АД35, АВ. Следует отметить, что удельная теплоемкость сплавов увеличивается при нагревании.

Удельная теплоемкость высокопрочных сплавов алюминия В93, сплав 1933, В95, сплав 1973, В96 и др.

Указана массовая теплоемкость кДж/(кг·°С) при температуре от 20 до 400°С следующих сплавов: В93, В93пч, сплав 1933, В95, В95пч, В95оч, сплав 1973, В96Ц, В96Ц-3. С ростом температуры сплава его теплоемкость увеличивается.

Теплопроводность высокопрочных сплавов алюминия В93, сплав 1933, В95, сплав 1973, В96 и др.

В таблице приведены значения теплопроводности в размерности Вт/(м·град) в зависимости от температуры (интервал от 25 до 400°С) следующих алюминиевых сплавов: В93, В93пч, сплав 1933, В95, В95пч, В95оч, сплав 1973, В96Ц, В96Ц-3. Наиболее теплопроводными, по данным таблицы, являются сплавы В93, В93пч, сплав 1933, имеющие значение теплопроводности 163 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Источники:
1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
3. В.М. Белецкий, Г.А. Кривов. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение). Справочник. Под общей ред. академика РАН И.Н. Фридляндера — К.: «Коминтех», 2005. — 365 с.
4. Богданов С.Н., Бурцев С.И., Иванов О.П., Куприянова А.В. Холодильная теника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ./ Под ред. С.Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. — СПб.: СПбГАХПТ, 1999.- 320 с.

Теплопроводность металлов

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

Что такое теплопроводность и для чего нужна

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

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

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

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

Читайте также  Какая сталь считается лучшей для ножей?

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

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

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

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

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

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

Методы измерения

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

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

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

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

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

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

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

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

Применение

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

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

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

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

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

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Теплопроводностью называется свойство передавать энергию от нагреваемого участка материала к более холодному участку. Показатель учитывается при расчетах в изготовлении различных сплавов.

Сведения о показателе теплопроводности

Процесс передачи тепла в теле любого вещества происходит между атомными и молекулярными связями материала, в которых температурный режим неравномерный.
Любое вещество нагревается постепенно, передавая энергию тепла от участка к участку. Это теплоотдача зависит от состояния вещества.
Проводимость тепла зависит от:
1. Агрегатного состояния вещества,
2. Скорости нагрева.
3. Показателя плотности.
4. Температуры плавления.
Коэффициентом проводимости тепла называется — количество теплоты, проходящей через единицу площади материала за определённый промежуток времени при изменении температур.

От чего зависит проводимость тепла
Алюминий имеет структуру кристалла — куб.
При температуре 200С удельный вес = 2,7 г/см3.
Температурный показатель плавления равен от +657 до +660,2 0С.
Если алюминий повышенной чистоты, то металл начинает плавиться при +1800 до 2060 0С. Удельная теплоемкость в период нагревания повышается, так же повышается коэффициенты расширения и теплопроводности
Теплопроводность алюминия, по сравнению с другими металлами считается высокой.

Алюминий вступая в реакцию с кислородом, образовывает оксидную плёнку на поверхности. Последняя предохраняет металл от дальнейшего окисления.
Алюминиевые сплавы обладают уникальными свойствами:
1. При плавлении алюминия, находящийся в ней водород растворяется, что приводит к образованию пор в металле. При наличии в составе примесей кальция, калия или натрия, так же приводит к пористости.
2. Структура материала становиться однородной при остывании, если в сплаве присутствуют добавки железа, ванадия, никеля или циркония.
3. К некоторым химическим элементам алюминий сплавы остаются инертны. Наличия таких веществ, как сера и её производные выпадают в осадок, образовывая шлак, на изменении структуры и на свойства сплавов не влияют.
4. Под воздействием азота, фосфора или углерода свойства материала не изменяются.

Прочность алюминия в чистом виде невысокая, поэтому для производства готовых изделий, технология литья используется крайне редко. Как правило это разливного вида чушки, изготавливаемы е для дальнейшего проката и ковки.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Продукция из алюминиевых сплавов делится по видам технологического цикла:
1. Литейные. Выполнять литых изделий.
2. Деформируемые. Под давлением придается форма (прессовка, ковка, штамповка).
Алюминиевые изделия, используемые в строительстве, изготавливается из сплава повышенной прочности.
Перечень нормативных показателей, с учетом которых характеризуются сплавы:
1. Теплопроводность.
2. Переход от одного агрегатного состояния к другому.
3. Наличие легирующих присадок, влияющих на качество продукции и показатель долговечности (прочности).

Сведения о теплопроводности указаны в справочной литературе, но основными критериями оценки будут:
1. Плотность.
2. Теплопроводность.
3. Линейное расширение (коэффициент).
4. Температура, при которой изменяется прочность.
5. Устойчивость к коррозии.
6. Удельное электросопротивление.

После проведения анализа, несложно установить коэффициент зависимости теплопроводности от температуры металла.

Какие алюминиевые сплавы обладают большей теплопроводностью
Если алюминиевые изделия в состав которого включается медью, цинк, магний или кремний, то процент теплопроводности в них заметно увеличивается, по отношению к алюминию в чистом виде.

Таблица по теплопроводности:

Проводимость тепла увеличивается с ростом температуры. Сплав АД1 отличается большей теплопроводностью. Используется для производства профилей, штамповок, слитков и другой аналогичной продукции.

Наивысшая теплопроводность алюминиевых сплавов в обычных условиях отмечается у алюминиевого сплава АД1 — теплопроводность при 20 0С — равняется 210 Вт/(м•град).

Самая низкая теплопроводность алюминиевых сплавов зафиксирована у литейных сплавов АК4, АЛ1, АЛ8.

Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди

Теплопроводность — алюминий

Теплопроводность алюминия выше теплопроводности железа более чем в 3 раза, что приводит к сильному теплоотводу и широкой зоне разогрева металла, прилегающего к шву.

Читайте также  Как очистить алюминий от окиси?

Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава, будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчает вес конструкции. Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.

Схема аргонового хроматографа фирмы Пай.

Большая теплоемкость и теплопроводность алюминия обеспечивают равномерную температуру по всей длине трубки.

В виду того что теплопроводность алюминия почти в пять раз выше теплопроводности стали, время нагрева, а следовательно и время вулканизации резиновых смесей в прессформах из этого материала сокращается. Однако следует отметить, что пресс-формы из алюминия быстро изнашиваются, что является их существенным недостатком.

Влияние легирующих добавок на коэффициент линейного теплового расширения алюминия в присутствии второго.

Примеси оказывают существенное влияние на теплопроводность алюминия в области низких температур.

Теплопроводность оксидной пленки намного хуже теплопроводности алюминия , но вследствие незначительной толщины пленки это не оказывает заметного влияния на общую теплопроводность изделия.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек СС.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше теплопроводности железа. С повышением температуры теплопроводность титана несколько понижается и при 700 С составляет 0 0309 кал / см сек С.

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия .

Коэффициент теплопроводности меди, серебра и стали изменяется с температурой незначительно, теплопроводность алюминия возрастает в интервале 0 — 400 С приблизительно в 1 6 раза. При высоких температурах серебро испаряется интенсивнее меди, а медь окисляется и взаимодействует с парами теллуридов. Поэтому для медных шин целесообразно использовать защиту слоем железа. Контакт шин с термоэлементами осуществляется через промежуточные слои, исключающие диффузию материала шины в термоэлектрический материал.

Поэтому, например, теплопроводность титана в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия .

Из сопоставления приведенных данных для алюминия с теплофизи-ческими характеристиками щелочных металлов следует, что температура кипения и теплопроводность алюминия значительно больше, а сечение захвата тепловых нейтронов значительно меньше соответствующих величин — для щелочных металлов. Имея в виду, что остальные теплофи-зические характеристики сравниваемых металлов приближенно одинаковы, и учитывая также малую упругость паров алюминия при высоких температурах, можно сделать заключение, что с точки зрения теплофи-зических характеристик алюминий, как теплоноситель, имеет определенные преимущества по сравнению со щелочными металлами при решении задач, связанных с высокой температурой теплоносителя.

Следует подчеркнуть, что так как собственно переходное электрическое сопротивление сварных точек ( RK) очень мало ( оно измеряется долями мком), а теплопроводность алюминия и меди велика, то никогда не происходит перегрева в месте сварки при прохождении тока даже и в тех случаях, когда суммарное сечение сварных точек значительно меньше рабочего сечения самой шины. Это тщательно проверено длительными лабораторными и эксплуатационными испытаниями.

Характеристика теплопроводности материалов

Понятие теплопроводности материалов характеризуется способностью переносить тепловую энергию в пределах определенного объекта от нагретых частей к холодным. Процесс осуществляется атомами, молекулами, электронами и происходит в любых телах с неравномерным распределением температуры.

С позиций кинетической физики этот процесс происходит в результате взаимодействия частиц молекул более нагретых участков в пределах образца с другими элементами, отличающимися низшей температурой. Механизм и скорость переноса теплоты зависит от агрегатного состояния вещества.

Категория теплопроводности предусматривает определение скорости нагревания образца материала и перемещение температурной волны в определенном направлении. Показатель зависит от физических параметров:

  • плотности;
  • температуры фазового перехода в жидкое состояние
  • скорости распространения звука (для диэлектриков).

Теплопроводность — алюминий

Прочность алюминиевой оболочки в несколько раз выше свинцовой, алюминий в 4 2 раза легче свинца ( удельный вес 2 7 и 11 4 соответственно), теплопроводность алюминия примерно в шесть раз выше, чем у свинца, его сопротивление усталости при вибрации в 25 раз больше, чем у свинца. В четырехпроводных сетях переменного тока напряжением до 1000 в с глухозаземленной нейтралью допускается использование алюминиевой оболочки в качестве нулевого рабочего провода.

В этом уравнении di 15 5 — 10 — 3 ( м) — наружный диаметр графитового баллона; d0 1 1 45 — 10 — 3 ( м) — диаметр сечения испытуемого расплавленного металла; q ( z) ( ккал / м2 — час) — тепловой поток на наружной поверхности графитового баллона; К AI и гр ( ккал / м — час — град) — соответственно коэффициенты теплопроводности алюминия и графита.

Из металлов лучше всего проводят тепло серебро и медь. Теплопроводность алюминия примерно в 2 5 раза, железа в в раз, свинца в 12 раз меньше, чем меди.

Корродирующее действие некоторых компонентов флюса на алюминий нейтрализуются промывкой шва и поверхности деталей 10 % — ным раствором азотной кислоты в теплой воде и в последующем горячей водой. Теплопроводность алюминия почти в 5 раз, а теплоемкость в 2 раза больше, чем стали, поэтому при сварке алюминия необходимо поддерживать более высокую температуру пламени, чем температура плавления алюминия.

Диаграмма прочности алюминия при нагреве в процессе сварки.

Теплопроводность алюминия в 3 раза больше, чем у стали, коэффициент расширения в 2 раза превышает коэффициент расширения стали.

Кристаллическая решетка алюминия состоит, как и у многих других металлов, из гра-нецентрированных кубов ( см. стр. Теплопроводность алюминия вдвое больше теплопроводности железа и равна половине теплопроводности меди. Его электропроводность намного выше электропроводности железа и достигает 60 % электропроводности меди.

Из металлов лучше всего проводят тепло серебро и медь. Теплопроводность алюминия примерно в 2 5 раза, железа в б раз, свинца в 12 раз меньше, ч м меди.

С понижением чистоты алюминия теплопроводность уменьшается, а с повышением температуры несколько увеличивается. При 100 теплопроводность алюминия составляет — 66 5 % теплопроводности серебра.

Если это количество теплоты известно, то для сечения z по замеренному значению градиента температур в нем можно рассчитать величину коэффициента теплопроводности образца. Окончательный расчет искомой величины коэффициента теплопроводности алюминия состоит в расчете поправки для коэффициента теплопроводности образца на теплоту, проходящую по стенкам графитового баллона.

Некоторые свойства титана, циркония и гафния.

Атомная структура титана, его большое сродство к электрону оказывают сильное влияние на такие свойства, как электропровод ность и теплопроводность. Теплопроводность его в 8 — 10 раз меньше теплопроводности алюминия . Это имеет существенное значение, например, при обработке металла резанием.

Модуль упругости титана почти вдвое меньше модуля упругости железа, находится на одном уровне с модулем медных сплавов и значительно выше, чем у алюминия. Теплопроводность титана низкая: она составляет около 7 % от теплопроводности алюминия и 16 5 % от теплопроводности железа. Это необходима учитывать при нагреве металла для обработки давлением и при сварке. Электросопротивление титана примерно в 6 раз больше чем у железа и в 20 раз больше, чем у алюминия.

Модуль упругости титана почти вдвое меньше модуля упругости железа, находится на одном уровне с модулем медных сплавов и значительно выше, чем у алюминия. Теплопроводность, титана низкая: она составляет около 7 % от теплопроводности алюминия и 16 5 % от теплопроводности железа.

Стеклопласты на основе фенольных смол имеют теплопроводность такого же порядка. Для сравнения следует заметить, что теплопроводность стали равна, 40, а теплопроводность алюминия находится в пределах от 175 до 200 ккал / м-ч-град.

Тепловые характеристики алюминия

Тепловые характеристики алюминия заметно отличаются от тепловых характеристик коррозионностойкой стали и обеспечивают значительные преимущества в тех случаях, когда точки перегрева представляют собой проблему или когда камера должна быть быстро нагрета или охлаждена.

Тепловые градиенты

Теплота часто концентрируется на стенке камеры посредством источников, в частности, таких как проводимость от горячей детали или посредством излучения от ближайшей горячей нити. Избыточное газовыделение и риски, вызванные высокими температурами в этих точках, значительно сокращаются в результате использования алюминия, поскольку он обладает теплопроводностью, в 10 раз превышающей теплопроводность коррозионностойкой стали. Так, повышение температуры, вызванное локализованным источником теплоты на большой плоской плите в силу только теплопроводности (рис. 11), составляет [56]

где Тп — максимальное повышение температуры в стабильном состоянии; q — количество теплоты; d2 — диаметр плиты при комнатной температуре; d1 — диаметр источника теплоты (точка перегрева); k — теплопроводность: км = 206, kCTaш = 16,2 Вт/м • °С; t — толщина плиты.

Для целей сравнения посредством вышеуказанной формулы 10 Вт теплоты от сквозного соединения диаметром 6 мм (0,25 дюйма) на плите диаметром 1 м, толщиной 1 мм будет создавать повышение температуры на 6,6 °С в алюминии и на 83,8 °С в коррозионностойкой стали. Повышение температуры пропорционально мощности и может стать значительным даже при средних тепловых нагрузках.

Читайте также  Соединение оптоволоконного кабеля своими руками

Полгощение теплового излучения

Алюминий интенсивно отражает падающее тепловое излучение. Он обладает коэффициентом лучеиспускания в пределах от 0,04 до 0,07 по сравнению с 0,3-0,7 у коррозионностойкой стали [57]. В замкнутой системе вся отраженная теплота в конечном итоге поглощается, но в алюминиевых камерах она имеет тенденцию равномерно распределяться, а не сосредотачиваться вокруг первоначального источника.

Однако теплота может сосредотачиваться на неалюминиевых поверхностях с высокой излучательной способностью, если они имеют значительные открытые поперечные сечения.

Рис. 11. Повышение температуры, вызванное точечным источником

Тепловая постоянная времени

Из-за своей высокой теплопроводности алюминиевая камера может равномерно нагреваться и охлаждаться за гораздо меньшее время, чем требуется камере из коррозионностойкой стали. Тепловая постоянная времени цилиндрической системы, обмотанной трубками, по которым идет нагревательная/охлаждающая жидкость (рис. 12), может быть рассчитана следующим образом:

где ТС — тепловая постоянная времени; d — расстояние между нагревательными/охлаждаю- щими трубками; Ср — удельная теплоемкость: CpAl = 870, CpSS= 460 Вт• с/кг °С; D — плотность: DAl = 2,70, DSS= 8,03 г/см 3 ; k — теплопроводность: kAl = 206, kSS=16,2 Вт/м *°С.

Здесь делается допущение о том, что толщина камеры постоянная и приближается к распределенному характеру теплоемкости и проводимости сосредоточенной массы в конце теплового сопротивления, соответствующего половине максимального расстояния от нагревательной жидкости. Это остается предположением и не является точным прогнозом. В целях сравнения если трубки нагревания/охлаждения находятся на расстоянии 20 см (8 дюймов) друг от друга, тепловые постоянные времени алюминия и коррозионностойкой стали составляют 1 мин. и 19 мин. соответственно.

Малая величина тепловой постоянной времени алюминиевых систем позволяет проводить быструю термическую обработку, поскольку (см. рис. 1) из алюминия активно выделяются газы при температурах, соответствующих одной постоянной времени (102 °С).

Рис. 12. Тепловая постоянная времени

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди: разъясняем по пунктам

Высокая теплопроводность меди наряду с другими замечательными свойствами определила этому металлу значимое место в истории развития человеческой цивилизации. Изделия из меди и ее сплавов используются практически во всех сферах нашей жизни.

Немного о теплопроводности

Под теплопроводностью в физике понимают перемещение энергии в объекте от более нагретых мельчайших частиц к менее нагретым. Благодаря этому процессу выравнивается температура рассматриваемого предмета в целом. Величина способности проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Данный параметр равен количеству тепла, которое пропускает через себя материал толщиной 1 метр через площадь поверхности 1 м2 в течение одной секунды при единичной разнице температур.

Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Серебро 428
Медь 394
Алюминий 220
Железо 74
Сталь 45
Свинец 35
Кирпич 0,77

Медь обладает коэффициентом теплопроводности 394 Вт/(м*К) при температуре от 20 до 100 °С. Соперничать с ней может только серебро. А у стали и железа этот показатель ниже в 9 и 6 раз соответственно (см. таблицу). Стоит отметить, что теплопроводность изделий, изготовленных из меди, в значительной мере зависит от примесей (впрочем, это касается и других металлов). Например, скорость проводимости тепла снижается, если в медь попадают такие вещества, как:

  • железо;
  • мышьяк;
  • кислород;
  • селен;
  • алюминий;
  • сурьма;
  • фосфор;
  • сера.

Если добавить к меди цинк, то получится латунь, у которой коэффициент теплопроводности намного ниже. В то же время добавление других веществ в медь позволяет существенно снизить стоимость готовых изделий и придать им такие характеристики, как прочность и износостойкость. К примеру, для латуни характерны более высокие технологические, механические и антифрикционные свойства.

Поскольку для высокой теплопроводности характерно быстрым распространение энергии нагрева по всему предмету, медь получила широкое применение в системах теплообмена. На данный момент из нее изготавливают радиаторы и трубки для холодильников, вакуумных установок и автомашин для быстрого отвода тепла. Также медные элементы применяют в отопительных установках, но уже для обогрева.

Медный радиатор отопления

Чтобы поддерживать теплопроводность металла на высоком уровне (а значит, делать работу устройств из меди максимально эффективной), во всех системах теплообмена используют принудительный обдув вентиляторами. Такое решение вызвано тем, что при повышении температуры среды теплопроводность любого материала существенно понижается, ведь теплоотдача замедляется.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

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

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

2 Теплопроводность алюминия и меди – какой металл лучше?

Теплопроводность алюминия и меди различна – у первого она меньше, чем у второго, в 1,5 раза. У алюминия этот параметр составляет 202–236 Вт/(м*К) и является достаточно высоким по сравнению с другими металлами, но ниже, чем у золота, меди, серебра. Область применения алюминия и меди, где требуется высокая теплопроводность, зависит от ряда других свойств этих материалов.

Алюминий не уступает меди по антикоррозионным свойствам и превосходит в следующих показателях:

  • плотность (удельный вес) алюминия меньше в 3 раза;
  • стоимость – ниже в 3,5 раза.

Аналогичное изделие, но выполненное из алюминия, значительно легче, чем из меди. Так как по весу металла требуется меньше в 3 раза, а цена его ниже в 3,5 раза, то алюминиевая деталь может быть дешевле примерно в 10 раз. Благодаря этому и высокой теплопроводности алюминий нашел широкое применение при производстве посуды, пищевой фольги для духовок. Так как этот металл мягкий, то в чистом виде не используется – распространены в основном его сплавы (наиболее известный – дюралюминий).

В различных теплообменниках главное – это скорость отдачи избыточной энергии в окружающую среду. Эта задача решается интенсивным обдувом радиатора посредством вентилятора. При этом меньшая теплопроводность алюминия практически не отражается на качестве охлаждения, а оборудование, устройства получаются значительно легче и дешевле (к примеру, компьютерная и бытовая техника). В последнее время в производстве наметилась тенденция к замене в системах кондиционирования медных трубок на алюминиевые.

Медь практически незаменима в радиопромышленности, электронике в качестве токопроводящего материала. Благодаря высокой пластичности из нее можно вытягивать проволоку диаметром до 0,005 мм и делать другие очень тонкие токопроводящие соединения, используемые для электронных приборов. Более высокая, чем у алюминия, проводимость обеспечивает минимальные потери и меньший нагрев радиоэлементов. Теплопроводность позволяет эффективно отводить выделяемое при работе тепло на внешние элементы устройств – корпус, подводящие контакты (к примеру, микросхемы, современные микропроцессоры).

Шаблоны из меди используют при сварке, когда необходимо на стальную деталь сделать наплавку нужной формы. Высока теплопроводность не позволит медному шаблону соединиться с приваренным металлом. Алюминий в таких случаях применять нельзя, так как велика вероятность его расплавления или прожига. Медь также используют при сварке угольной дугой – стержень из этого материала служит неплавящимся катодом.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

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

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

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С