Вопрос 11

Дайте определение физических свойств металлов: плотности, температуры плавления, теплопроводности, теплоемкости.

Плотность - величина, определяемая отношением массы материала (вещества) к занимаемому им объему. Различают истинную и среднюю плотности.

Истинная плотность, или плотность вещества (абсолютная плотность), — это масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии. Это значит, что при измерении объема в него не входят поры, пустоты и другие полости, присущие материалу в естественном состоянии. Истинная плотность материала — характеристика постоянная, которая не может быть изменена без изменения его химического состава или молекулярной структуры.

Средняя плотность, или плотность материала, — это масса единицы объема материала в естественном состоянии, т.е. объем, измеряется вместе с порами.

Численные значения средней и истинной плотности совпадают, когда материал не имеет пор, т.е. для абсолютно плотных материалов, например металлов.

Плотность большинства металлов больше 5000 кг/м3, условно их называют тяжелыми. Максимальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлическими или ионными связями.

Металлы с плотностью меньше 5000 кг/м3 относят к легким. Плотность металла тем меньше, чем меньше атомная масса и чем больше радиус его атома. Весьма легкими металлами являются литий и калий (плотность соответственно 534 и 860 кг/м3), самыми тяжелыми — платина и осмий (плотность соответственно 21 450 и 22 500 кг/м3). Плотность других металлов и сплавов составляет: железа 7860, чугуна 7000, меди 8920, латуни 8500, алюминия 2702 кг/м3.

Температура плавления — температура перехода твердого кристаллического вещества в жидкое состояние при постоянном внешнем давлении. Температура обратного перехода из жидкого состояния в твердое кристаллическое вещество называется температурой затвердевания.

Теплопроводность — это способность материала проводить теплоту через свою толщу с той или иной скоростью при наличии разности температур на противоположных поверхностях.

Теплопроводность материалов зависит от многих факторов — атомно-молекулярного строения вещества, структуры, пористости, характера пор, влажности, температуры, при которой происходит передача теплоты, и др. Передача теплоты в металлах происходит за счет свободных электронов, находящихся в постоянном движении. Они все время сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, от них следующим и т.д. В результате происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла.

Металлы и сплавы являются хорошими проводниками теплоты и обладают различной теплопроводностью. Лучше других металлов проводят теплоту серебро и золото, за ними следуют медь, алюминий, вольфрам, магний, цинк, железо и др. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Например, теплопроводность меди 389,6; алюминия 209,3; железа 74,4; чугуна 62,8; стали 45,4 Вт/(м*^оК). Меньшей теплопроводностью обладают свинец и ртуть. Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее теплота при нагревании распространяется по всему объему.

Теплопроводность материалов определяет их принадлежность по назначению к теплоизоляционным, конструкционно-теплоизоляционным и конструкционным материалам. Учитывают теплопроводность при изготовлении нагревательных приборов; изоляции стен и перекрытий отапливаемых зданий, различных тепловых агрегатов (котлов, теплосетей и т.п.), холодильников; обработке металлов режущими инструментами; газовой резке металлов и сплавов. Например, если металл хорошо проводит теплоту, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Металлы и сплавы с хорошей теплопроводностью широко используются для изготовления приборов и устройств, связанных с отводом или подводом теплоты, например для радиаторов. Чем больше теплопроводность металла, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.

Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и отдавать его при охлаждении. Характеризуется удельной теплоемкостью, т.е. количеством теплоты, которое необходимо для повышения температуры 1 г вещества на 1 К. Теплоемкость металлов обусловлена как ионным остовом (решетчатая теплоемкость), так и электронным газом (электронная теплоемкость). Высокой удельной теплоемкостью обладает вода (4,1868 кДж/(кг*^оК)), низкой - асбест (0,2093). Теплоемкость металлических сплавов находится в пределах 0,1...2,0 кДж/(кг*^оК), большинства металлов — 0,3...0,4 кДж/(кг*^оК).