10.5. Тепловые свойства материалов

Тепловые свойства материалов определяются тремя известными способами передачи теплоты: теплопроводностью, конвекцией и излучением (радиацией). Механизм теплопередачи и электропередачи у металлов одинаковый – свободными электронами, поэтому хорошие проводники теплоты, как правило, являются хорошими проводниками электричества.

Тепловые свойства характеризуются рядом параметров – температурой плавления, теплопроводностью, температурным коэффициентом линейного (объемного) расширения и др.

По температуре плавления различают легкоплавкие, тугоплавкие и занимающие промежуточное положение металлы. К легкоплавким металлам, применяющимся в промышленности, относится ртуть (температура плавления – 39⁰С), олово (232⁰С), свинец (327⁰С), цинк (419⁰С) и алюминий (660⁰С). К тугоплавким относятся вольфрам (2400⁰С), молибден (2695⁰С), хром (1860⁰С), титан (1800⁰С) и ванадий (1720⁰С).

Известны сплавы, температура плавления которых получается выше температуры плавления компонентов.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, показывающем количество теплоты в джоулях (Дж), проходящей за 1с от одной точки тела к другой при разности температур на двух противоположных гранях образца в 1К.

Среди металлов наивысшим коэффициентом теплопроводности обладает серебро – 420Вт/(м∙К), на втором месте – 395 Вт/(м∙К). Из неметаллов уникальные коэффициенты теплопроводности имеют бромеллитовая керамика и природные алмазы. Бромеллитовая керамика (бромеллит) нашла применение в технике благодаря чрезвычайно высокой теплопроводности и хорошим электроизоляционным свойствам. Теплопроводность бромеллита при 29⁰С составляет (1,67…2,52)∙10² Вт/(м∙К), что в 7 раз выше теплопроводности корундовой керамики (корунда) и соответствует уровню теплопроводности стали, алюминия и свинца. Бромеллитовая керамика имеет высокую термическую стойкость, обусловленную ее уникальной теплопроводностью.

По значению коэффициента теплопроводности все материалы можно разделить на хорошие проводники теплоты и плохие (теплоизоляционные материалы). К хорошим проводникам теплоты относятся прежде всего металлы.

Теплоизоляционные материалы (теплоизоляторы) – это материалы, имеющие низкую теплопроводность, обычно в пределах 0,02 … 0,20 Вт/(см∙К), как правило, с пористостью более 60 %. Прежде всего к ним относятся строительные материалы.

Теплоизоляторы используют для строительства печей разного назначения, тепловой изоляции паровых котлов, тепловых трубопроводов и других устройств, в которых очень важно снизить тепловые потери.

Температурный коэффициент линейного расширения разных материалов очень мал (миллионные доли первоначальной длины, измеренной при 0⁰С), но его необходимо учитывать, например, в литейном производстве или при изготовлении сварных конструкций, в которых из-за неравномерного охлаждения возникают внутренние напряжения и образуются трещины. Особо важно влияние температурного коэффициента линейного расширения на точность измерительных приборов, инструмента и прецизионных устройств.

В измерительной технике используют ферромагнитный сплав (инвар) на основе железа с добавкой 36% никеля, который имеет малый и неизменный в интервале температур -80…+100⁰С температурный коэффициент линейного расширения, равный 1,5∙10^-61/К. Известен суперинвар, в составе которого наряду с железом содержится 32% никеля и 4% кобальта. Детали из указанных сплавов используются в качестве эталонов сравнения в дилатометрах при определении температурного коэффициента линейного расширения других материалов.

Тепловое сопротивление – это параметр, характеризующий изменение температуры на границе двух тел, находящихся в тепловом контакте, относительно мощности, проходящей через них. Данное явление специфично, его измеряют в тех случаях, когда очень важно передать максимальную мощность при минимальных размерах изделия с сохранением его работоспособности.