Теплопроводность стали, алюминия, латуни, меди

Кто теплее?

Эффективность алюминиевых радиаторов выше чем у стальных, но только в среднем. Если сравнить обычную алюминиевую батарею и стальной радиатор класса 33 – последний сможет отдавать больше тепла. Но при этом стоит учитывать тип подключения радиатора и скорость потока воды.

Пример

Если у вас установлен стальной радиатор 33 класса, а скорость потока воды низкая, он будет работать эффективно. То есть, заберет у воды максимум тепла. Если используется однотрубное подключение, это плохо – в следующий отопительный прибор попадет охлажденная вода и он не будет греть.

Если установлен стальной радиатор 11 или 22 класса, то они также будут хорошо греть, но не успеют охладить воду.

Точно сказать, насколько теплоотдача алюминиевого радиатора больше чем у стального нельзя – многое зависит от конструкции и толщины металла. С одной стороны, теплопроводность стали в среднем в 3,5-4,5 раза хуже, чем у алюминия. Но и толщина трубок стальных радиаторов меньше, что может компенсировать эту разницу.

Значение в быту и производстве

Почему важно учитывать коэффициент теплопроводности? Подобное значение указывается в различных таблицах для каждого металла и учитывается в нижеприведенных случаях:

При изготовлении различных теплообменников. Тепло является одним из важных носителей энергии. Его используют для обеспечения комфортных условий проживания в жилых и иных помещениях

При создании отопительных радиаторов и бойлеров важно обеспечить быструю и полную передачу тепла от теплоносителя к конечному потребителю. При изготовлении отводящих элементов. Часто можно встретить ситуацию, когда нужно провести не подачу тепла, а отвод

Примером назовем случай отвода тепла от режущей кромки инструмента или зубьев шестерни. Для того чтобы металл не терял свои основные эксплуатационные качества, обеспечивается быстрый отвод тепловой энергии. При создании изоляционных прослоек. В некоторых случаях материал не должен проводить передачу тепловой энергии. Для подобных условий эксплуатации выбирается металл, который обладает низким коэффициентом проводимости тепла.

Определяется рассматриваемый показатель при проведении испытаний в различных условиях. Как ранее было отмечено, коэффициент проводимости тепла может зависеть от температуры эксплуатации. Поэтому в таблицах указывается несколько его значений.

https://youtube.com/watch?v=14CaFbzhA08

Многие задаются вопросом: какой радиатор печки лучше – медный или алюминиевый? Здесь не может быть однозначного ответа, каждый имеет свои недостатки и свои преимущества.

Теплоемкость — железо

Распределение температуры.

Теплоемкость железа С г представляет эквивалентную переменную теплоемкость, приведенную к температуре у поверхности во.  

Теплоемкость железа и стали при нагреве увеличивается. Например, при комнатной температуре теплоемкость железа 0 111 ккал / кг-град, при температуре 1200 С она увеличивается до 0 16 ккал / цг-град. Это значит, что при высоких температурах нагрев происходит медленнее и тепла затрачивается больше.  

Стр — теплоемкость железа, равная 0 12 кал / кг С.  

Учитывая же, что теплоемкость железа или стали равна 0 115, станет вполне понятным, что температура, получающаяся в ( результате трения лент Ферадо о шайбы барабана, достигнет колоссальных размеров и даже водяное, а тем более воздушное охлаждение не в состоянии будет отвести полностью эту теплоту.  

Теплоемкость твердых сплавов приблизительно в два раза ниже теплоемкости железа.  

Атомная теплоемкость железа.| Схема установки для определения теплопроводности металлических стержней. / — 6 — термопары. 7 — дьюаровский сосуд. 8 — печь. 9 — гальванометр. 10 — стержень. / / — кожух.

На рис. 6 показано изменение атомной теплоемкости железа в зависимости от температуры. Теплоемкость железа достигает максимального значения в точке Аг, затем резко уменьшается; в точке А3 вновь уменьшается, а затем слегка увеличивается в а точке А и снижается в точке плавления. Резкое возрастание теплоемкости вблизи точки Кюри объясняется изменением магнитного состояния железа.  

Температура плавления 5 равна 1808 К, энтальпия плавления составляет 1 536 104 Дж / моль. Теплоемкость железа в жидком состоянии превышает его теплоемкость в кристаллическом состоянии примерно на 1 3 Дж / К моль.  

Теплоемкость железа и стали при нагреве увеличивается. Например, при комнатной температуре теплоемкость железа 0 111 ккал / кг-град, при температуре 1200 С она увеличивается до 0 16 ккал / цг-град. Это значит, что при высоких температурах нагрев происходит медленнее и тепла затрачивается больше.  

В таблицах находим величины теплоемкостей серы п железа. Для железа суд 0 46 кдж / кг град; килограмм-атомная теплоемкость железа равна 0 46 — 55 85 25 7 кдж / кг-ат-град. Килограмм-атомная теплоемкость серы равна 22 6 кдж / кг-ат-град.  

При увеличении или уменьшении каким-либо способом количества тепла, содержащегося в теле, увеличивается или уменьшается также температура тела. Но для одинакового изменения температуры в различных по составу телах равного веса требуются различные количества теплоты. Так, например, 1 кг воды требует примерно в 9 раз больше тепла, чем 1 кг железа при одинаковой степени нагре-тости. На этом основании говорят, что теплоемкость железа составляет около одной десятой теплоемкости воды. Способность воспринимать тепло зависит от физических свойств вещества. Количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 кг вещества на 1 С, называется удельной теплоемкостью вещества или просто теплоемкостью.  

При сообщении телу теплоты или, наоборот, отнятии ее у тела происходит увеличение или уменьшение температуры этого тела. Но для одинакового изменения температуры различных по составу тел равной массы требуются различные количества теплоты. Так, 1 кг воды требует примерно в 9 раз больше теплоты, чем 1 кг железа, при одинаковой степени нагретости. На этом основании говорят, что теплоемкость железа составляет около 0 1 теплоемкости воды и, следовательно, теплоемкость зависит от физических свойств вещества.  

В большинстве случаев шаровая молния оплавляет или испаряет несколько граммов или даже доли грамма металла. Автор письма подробно описал размеры лунки и специально отметил, что наплывов металла не было: металл испарился. Предполагая, что углубление было в виде параболоида вращения, находим, что испарилось около 0 22 г металла. Теплоемкость железа равна 0 71 Дж / ( г — К) в твердом и 0 84 Дж / ( г — К) в жидком состоянии. Точки плавления и кипения равны 1500 и 2900 С, а теплота плавления и парообразования — соответственно 269 и 6270 Дж / г. В результате оказывается, что для испарения 0 22 г железа требуется не менее 2 кДж тепла.  

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.

Закон теплопроводности Фурье

В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

q→=−ϰgrad(T),{displaystyle {vec {q}}=-varkappa ,mathrm {grad} (T),}

где q→{displaystyle {vec {q}}} — вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, ϰ{displaystyle varkappa } — коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T{displaystyle T} — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad(T){displaystyle mathrm {grad} (T)} (то есть в сторону скорейшего убывания температуры). Это выражение известно как закон теплопроводности Фурье.

В интегральной форме это же выражение запишется так (если речь идёт о стационарном потоке тепла от одной грани параллелепипеда к другой):

P=−ϰSΔTl,{displaystyle P=-varkappa {frac {SDelta T}{l}},} [Вт/(м·К) · (м2·К)/м = Вт/(м·К) · (м·К) = Вт]

где P{displaystyle P} — полная мощность тепловых потерь, S{displaystyle S} — площадь сечения параллелепипеда, ΔT{displaystyle Delta T} — перепад температур граней, l{displaystyle l} — длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Связь с электропроводностью

Связь коэффициента теплопроводности ϰ{displaystyle varkappa } с удельной электрической проводимостью σ{displaystyle sigma } в металлах устанавливает закон Видемана — Франца:

ϰσ=π23(ke)2T,{displaystyle {frac {varkappa }{sigma }}={frac {pi ^{2}}{3}}left({frac {k}{e}}right)^{2}T,} где k{displaystyle k} — постоянная Больцмана, e{displaystyle e} — заряд электрона, T{displaystyle T} — абсолютная температура.

Коэффициент теплопроводности газов

В газах коэффициент теплопроводности может быть найден по приближённой формуле

ϰ∼13ρcvλv¯,{displaystyle varkappa sim {frac {1}{3}}rho c_{v}lambda {bar {v}},}

где ρ{displaystyle rho } — плотность газа, cv{displaystyle c_{v}} — удельная теплоёмкость при постоянном объёме, λ{displaystyle lambda } — средняя длина свободного пробега молекул газа, v¯{displaystyle {bar {v}}} — средняя тепловая скорость. Эта же формула может быть записана как

ϰ=ik3π32d2RTμ,{displaystyle varkappa ={frac {ik}{3pi ^{3/2}d^{2}}}{sqrt {frac {RT}{mu }}},}

где i{displaystyle i} — сумма поступательных и вращательных степеней свободы молекул (для двухатомного газа i=5{displaystyle i=5}, для одноатомного i=3{displaystyle i=3}), k{displaystyle k} — постоянная Больцмана, μ{displaystyle mu } — молярная масса, T{displaystyle T} — абсолютная температура, d{displaystyle d} — эффективный (газокинетический) диаметр молекул, R{displaystyle R} — универсальная газовая постоянная. Из формулы видно, что наименьшей теплопроводностью обладают тяжелые одноатомные (инертные) газы, наибольшей — легкие многоатомные (что подтверждается практикой, максимальная теплопроводность из всех газов — у водорода, минимальная — у радона, из нерадиоактивных газов — у ксенона).

Теплопроводность в сильно разреженных газах

Приведённое выше выражение для коэффициента теплопроводности в газах не зависит от давления. Однако если газ сильно разрежен, то длина свободного пробега определяется не столкновениями молекул друг с другом, а их столкновениями со стенками сосуда. Состояние газа, при котором длина свободного пробега молекул ограничивается размерами сосуда называют высоким вакуумом. При высоком вакууме теплопроводность убывает пропорционально плотности вещества (то есть пропорциональна давлению в системе): ϰ∼13ρcvlv¯∝P{displaystyle varkappa sim {frac {1}{3}}rho c_{v}l{bar {v}}propto P}, где l{displaystyle l} — размер сосуда, P{displaystyle P} — давление.

Таким образом коэффициент теплопроводности вакуума тем ближе к нулю, чем глубже вакуум. Это связано с низкой концентрацией в вакууме материальных частиц, способных переносить тепло. Тем не менее, энергия в вакууме передаётся с помощью излучения. Поэтому, например, для уменьшения теплопотерь стенки термоса делают двойными, серебрят (такая поверхность лучше отражает излучение), а воздух между ними откачивают.

Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al

lass=»entry entry-content»>

Теплопроводность и плотность алюминия

В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).

Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.

Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).

Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения. Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.

Плотность алюминия в основном определяется его температурой и имеет зависимость от агрегатного состояния этого металла. Например, при температуре 27°С плотность алюминия равна 2697 кг/м3, а при нагревании этого металла до температуры плавления (660°С), его плотность становится равной 2368 кг/м3. Снижение плотности алюминия с ростом температуры обусловлено его расширением при нагревании.

Конструкция алюминиевых радиаторов

Конструктивно все алюминиевые радиаторы состоят из отдельных секций, изготовленных из различных сплавов алюминия с другими металлами. При их изготовлении применяют несколько методов.

Секции могут быть:

Литыми. При таком методе производства секции алюминиевых радиаторов отливаются целиком.

Экструдированными. В этом случае формируют несколько частей секции, которые потом соединяются специальными прокладками и клеем.

Гибридными. При этом методе сразу отливаются 2—3 секции, соединяемые затем с коллекторными блоками электрохимической сваркой. Такие радиаторы выпускает итальянская компания Rovall.

Цельнолитые секции более устойчивы к разрывам, но поскольку их производство сложнее, то и цена таких изделий выше. В европейских странах предпочтение отдается литым батареям, а в нашей стране — изготовленным методом экструзии.

Благодаря секционной конструкции можно создавать отопительные батареи именно с тем количеством секций, которое было определено с учетом размеров помещения и других, влияющих на теплообмен характеристик.

Свойства меди Cu: теплопроводность и плотность меди

В таблице представлены теплофизические свойства меди в зависимости от температуры в интервале от 50 до 1600 градусов Кельвина.Плотность меди равна 8933 кг/м 3 (или 8,93 г/см 3 ) при комнатной температуре. Медь почти в четыре раза тяжелее алюминия и железа. Эти металлы будут плавать на поверхности жидкой меди. Значения плотности меди в таблице указаны в размерности кг/м 3 .

Зависимость плотности меди от ее температуры представлена в таблице. Следует отметить, что плотность меди при ее нагревании снижается как у твердого металла, так и у жидкой меди. Уменьшение значения плотности этого металла обусловлено его расширением при нагревании — объем меди увеличивается. Следует отметить, что жидкая медь имеет плотность около 8000 кг/м 3 при температурах до 1300°С.

Теплопроводность меди равна 401 Вт/(м·град) при комнатной температуре, что является довольно высоким значением среди металлов, которое сравнимо с теплопроводностью серебра.

При 1357К (1084°С) медь переходит в жидкое состояние, что отражено в таблице резким падением значения коэффициента теплопроводности меди. Видно, что теплопроводность жидкой меди почти в два раза ниже, чем у твердого металла.

Теплопроводность меди при ее нагреве имеет тенденцию к снижению, однако при температуре выше 1400 К, значение теплопроводности снова начинает увеличиваться.

В таблице рассмотрены следующие теплофизические свойства меди при различных температурах:

• плотность меди, кг/м 3 ;
• удельная теплоемкость, Дж/(кг·град);
• температуропроводность, м 2 /с;
• теплопроводность меди, Вт/(м·К);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• функция Лоренца;
• отношение теплоемкостей.

Конструкция стальных радиаторов

Стальные батареи, используемые в системах отопления, бывают или панельными, или трубчатыми.

Панельные радиаторы

Это прямоугольные панели разных размеров. Они обладают конвекторными свойствами и имеют достаточно простую конструкцию, при этом:

• две профилированные пластины свариваются между собой по периметру, и внутри этой конструкции, благодаря штампованным профилям, образуются вертикальные каналы для циркуляции теплоносителя;
• приваренные с тыльной стороны П-образные ребра из тонкой холоднокатаной стали усиливают теплоотдачу;
• конструкция может содержать до трех панелей, защищенных общим кожухом.

Трубчатые радиаторы

Изделия этого типа представляют собой несколько отдельных труб, соединенных коллекторами. Трубы могут иметь вертикальное и горизонтальное расположение.

Виды алюминиевого остекления лоджии и балкона

Холодное

Применяют для защиты помещения от ветра, осадков, пыли. Организуют в нетребовательных к теплоизоляции помещениях. Устанавливают в цехах, зимних садах, на складах, балконах.

Теплое

Монтируют в жилых комнатах, на теплых лоджиях из алюминия. Для защиты от холода внутри профиля размещают теплоизолирующий вкладыш из полиуретана. Он надежно изолирует холод.

Рамное

Монтируется из профиля стандартной ширины. Привлекательно смотрится. Просто устанавливается и потому стоит дешевле. По сравнению с безрамными такие окна пропускают меньше света, но они прочнее — можно остеклять большие по площадки лоджии.

Для остекления веранд, беседок, террас используют не только пластиковые, но и теплые алюминиевые двери и окна. Они блокируют холод и шум так же эффективно, как и теплые ПВХ-профили.

Безрамное

Максимально увеличивает естественную освещенность помещения. Создается из профиля небольшой ширины. Швы незаметны с улицы, что создает впечатление единого стеклянного полотна. С такими стеклами красиво смотрятся зимние сады, лоджии, оборудованные для летнего досуга.

Распашное

Чаще используется на просторных балконах, эркерах, лоджиях. Распашные створки характерны для теплого профиля. Они требуют больше пространства при открывании, позволяют безопасно мыть окна внутри, снаружи. Часто распашные створки комбинируют с глухими — так можно сэкономить на профильной системе, крепеже. Иногда этого требуется форма балконного помещения.

Раздвижное

Какие плюсы и минусы у лоджии из раздвижного алюминия? Здесь больше полезная площадь, можно разместить компактную мебель, бельевую сушилку. Створки занимают минимум места, экономят пространство. На балконе из раздвижного алюминия остекление с большим световым проемом. Оно впускает в комнату много света. Такие конструкции можно установить для экономии места на длинных узких балконах, например при остеклении 5-метровых лоджий.

Рассмотрим подробно плюсы и минусы холодного остекления балкона алюминием.

4 Как у меди повысить теплопроводность?

Медь – один из главных компонентов в электронике, используется во всех микросхемах. Она отводит и рассеивает тепло, образующееся при прохождении тока. Ограничение быстродействия компьютеров обусловлено увеличением нагрева процессора и других элементов схем при росте тактовой частоты. Разбиение на несколько ядер, работающих одновременно, и другие способы борьбы с перегревом себя исчерпали. В настоящее время ведутся разработки, направленные на получение проводников с более высокой электропроводимостью и теплопроводностью.

Открытый недавно учеными графен способен значительно увеличить теплопроводность медных проводников и их возможность к рассеиванию тепла. При проведении эксперимента слой меди покрыли графеном со всех сторон. Это улучшило теплоотдачу проводника на 25 %. Как объяснили ученые, новое вещество меняет структуру передачи тепла и позволяет энергии двигаться в металле свободнее. Изобретение находится на стадии доработки – при эксперименте использовался медный проводник гораздо больших размеров, чем в процессоре.

Эксплуатация и обслуживание

Стальные радиаторы выпускаются в виде готовых панелей. Если неправильно выполнен расчет мощности батареи отопления, то придется добавлять новую.

С алюминиевым радиатором все проще – при желании можно добавить одну или несколько секций, или убрать лишние. Сделать это можно собственноручно.

Срок службы алюминиевых радиаторов существенно зависит от производителя и модельного ряда. Самые дешевые начнут течь через 5 лет, или дадут трещину при небольшом гидроударе (см. фото). А дорогие модели смогут прослужить 20 лет и более.

Лопнувший из-за гидроудара алюминиевый радиатор.

Со стальными радиаторами сложнее. Они по определению на могут быть особо прочными – толстый металл ухудшит их теплопроводность. Поэтому они боятся большого давления, быстро изнашиваются при его перепадах.

Но если в системе стабильное рабочее давление и нет гидроударов и скачков, то стальной панельный радиатор может отслужить и 15 лет. Кроме того, в случае проблем его можно «подлатать». Сделать это гораздо проще, чем чинить алюминиевый.

Что касается особого ухода – ни стальные, ни алюминиевые его не требуют. Разве что нужно протирать их от пыли, что со стальным радиатором сделать проще.

Плюсы и минусы алюминиевых радиаторов

Сравнивая сильные и слабые стороны устройств, можно понять их основные отличия. Ведь разница между медным и алюминиевым радиаторами заключается в их основных характеристиках. То, что у одного считается объективным достоинством, для другого оказывается серьёзным недостатком. Просто посмотрите на плюсы минусы алюминиевых изделий, и вы поймёте, в чём разница между ними.

Начнём с положительных сторон алюминия, как материала для изготовления радиаторов печки автомобиля.

Цена. Если у медных радиаторов стоимость относилась к недостаткам, то здесь это серьёзное преимущество. Если сравнивать ценники на оба изделия, алюминиевые будут выигрывать примерно в 2 раза. Многое зависит от производителя, но всё же разница в стоимости остаётся существенной. Покупатель может значительно сэкономить. Из-за этого в основном у алюминиевых агрегатов такая большая аудитория.

Теплоотдача. При условии, что количество пластин будет увеличено, то есть площадь охлаждения станет больше, алюминий мало чем уступит меди по показателям теплоотдачи. Потому в этом компоненте они практически одинаковые. Но напомним, что алюминиевые стоят дешевле.

Ассортимент. Огромная доля современных машин, которые выпускаются последние несколько лет, с завода комплектуются именно алюминиевыми агрегатами. Из-за этого растёт количество их аналогов и оригинальных запчастей, предлагаемых разными производителями. У медных версий выбор более скромный.

С преимуществами закончили. Переходим к обратной стороне медали. У алюминия не всё так хорошо. Озвученные преимущества не поддаются сомнению. Но всё же выбор в пользу меди автомобилисты делают после того, как изучат основные недостатки рассматриваемого варианта конструкции.

Потому на минусы следует обязательно указать. Это наглядно показывает различия между элементами. К основным недостаткам относят:

Показатели теплопроводности. Это очень важный недостаток, который буквально перечёркивает все объективные положительные качества устройств. Если водителю нужно получить максимально эффективный радиатор, чтобы отопительная система работала качественно и полноценно прогревала салон, в сторону алюминия он смотреть не будет.

Пригодность к ремонту

Примерно такие выводы можно сделать относительно этих устройств, изготавливаемых из двух разных материалов.