Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Теплоемкость – это способность  вещества поглощать теплоту при  нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы  при нагреве на один градус. От величины теплопроводности зависит возможность  появления трещин в металле. Если теплопроводность низкая, то риск возникновения  трещин увеличивается. Так, легированные стали имеют теплопроводность, которая  в пять раз меньше, чем теплопроводность меди и алюминия. Размер теплоемкости влияет на уровень расходуемого топлива на нагрев заготовки до определенной температуры.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пределах 100-2000 Дж/(кг*К). У большинства металлов теплоемкость составляет 300–400 Дж/(кг*К). Теплоемкость метал

Электрические свойства материалов характеризуются  наличием носителей зарядов электронов или ионов и свободой их передвижения под действием электрического поля.

Высокие энергии ковалентной и  ионной связи сообщают материалам с  этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с  примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи  имеют различные температурные  коэффициенты электросопротивления: у  металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом  связи – отрицателен. При нагреве  металлов концентрация носителей зарядов  – электронов не увеличивается, а  сопротивление их движению возрастает из-за увеличения амплитуд колебаний  атомов. В материалах с ковалентной  или ионной связью при нагреве  концентрация носителей зарядов  повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний  атомов.

Теплопроводностью называется перенос  тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты  происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье.

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического  состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится  электронами и фононами.

Механизм передачи теплоты, в первую очередь, определяется типом связи: в металлах теплоту переносят  электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи – фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность17б осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление. Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача теплоты электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая  решетка, тем меньше теплопроводность. Чем больше размеры зерен, тем  выше теплопроводность. Легирование  вносит искажение в кристаллические  решетки твердых растворов и  понижает теплопроводность по сравнению  с чистым металлом – основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты параллельно  слоям атомов углерода базисной плоскости  теплопроводность графита превышает  теплопроводность меди более чем  в 2 раза

Разветвленные пластины графита в  сером чугуне имеют структуру  монокристалла, и поэтому он имеет  высокую теплопроводность. Высокопрочный  чугун с шаровидным графитом при  той же объемной доле графита имеет  теплопроводность 25…40 Вт/м*К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются. Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(мОК).

Теплопроводность может меняться также, как и электропроводность в случае, если электронная теплопроводность металла составляет l e. Тогда любые изменения, происходящие в химическом и фазовом составе и структуре сплава влияют на теплопроводность также, как и на электропроводность (по правилу Видемана-Франца).

При отдалении состава сплава от чистых компонентов происходит понижение  теплопроводности. Исключение составляют, например, медно-никелевые сплавы, в  которых происходят обратные явления.