Медь теплопроводность: Свойства меди: плотность, теплоемкость, теплопроводность

alexxlab | 14.03.2023 | 0 | Разное

Теплопроводность меди – две стороны одной медали

1 Медь – коротко про теплопроводность

  Теплопроводностью называют процесс переноса энергии частиц (электронов, атомов, молекул) более нагретых участков тела к частицам менее нагретых его участков. Такой теплообмен приводит к выравниванию температуры. Вдоль тела переносится только энергия, вещество не перемещается. Характеристикой способности проводить тепло является коэффициент теплопроводности, численно равный количеству теплоты, которая проходит через материал площадью 1 м², толщиной 1 м, за 1 секунду при единичном градиенте температуры.

  Коэффициент теплопроводности меди при температуре 20–100 °С составляет 394 Вт/(м*К) – выше только у серебра. Стальной прокат уступает меди по этому показателю почти в 9 раз, а железо – в 6. Различные примеси по-разному влияют на физические свойства металлов. У меди скорость передачи тепла снижается при добавлении в материал или попадании в результате технологического процесса таких веществ, как:

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

  Высокая теплопроводность характеризуется быстрым распространением энергии нагрева по всему объему предмета. Эта способность обеспечила меди широкое применение в любых системах теплообмена. Ее используют при изготовлении трубок и радиаторов холодильников, кондиционеров, вакуумных установок, автомашин для отвода избыточного тепла охлаждающей жидкости. В отопительных приборах подобные изделия из меди служат для обогрева.

  Способность меди проводить тепло снижается при нагреве. Значения коэффициента теплопроводности меди в воздухе зависит от температуры последнего, которая влияет на теплоотдачу (охлаждение). Чем выше температура окружающей среды, тем медленнее остывает металл и ниже его теплопроводность. Поэтому во всех теплообменниках используют принудительный обдув вентилятором – это повышает эффективность работы устройств и одновременно поддерживает тепловую проводимость на оптимальном уровне.

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.

3 Минусы высокой теплопроводности

  Низкая теплопроводность во многих случаях является нужным свойством – на этом основана теплоизоляция. Использование медных труб в системах отопления приводит к гораздо большим потерям тепла, чем при применении магистралей и разводок из других материалов.

Медные трубопроводы требуют более тщательной теплоизоляции.

  У меди высокая теплопроводность, что обуславливает достаточно сложный процесс монтажных и других работ, имеющих свою специфику. Сварка, пайка, резка меди требует более концентрированного нагрева, чем для стали, и зачастую предварительного и сопутствующего подогрева металла.

  При газовой сварке меди необходимо использование горелок мощностью на 1–2 номера выше, чем для стальных деталей такой же толщины. Если медь толще 8–10 мм, рекомендуется работать с двумя или даже тремя горелками (часто сварку производят одной, а другими осуществляют подогрев). Сварочные работы на переменном токе электродами сопровождаются повышенным разбрызгиванием металла. Резак, достаточный для толщины высокохромистой стали в 300 мм, подойдет для резки латуни, бронзы (сплавы меди) толщиной до 150 мм, а чистой меди всего в 50 мм. Все работы связаны с значительно большими затратами на расходные материалы.

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.

Теплопроводность меди можно повысить с помощью графена

Роман Галиброда 2014-04-25 03:05 (0)

Группа ученых из Великобритании и США в ходе исследований свойств меди сделала вывод, что теплопроводность этого материала можно повысить с помощью тонкого слоя графена. В своей работе физики использовали медные пленки с синтезированным на их поверхности графеном по технологии химического осаждения вещества из газообразного состояния. Для объективности результатов наблюдений замеры показателей теплопроводности дополнялись оптическими спектральными исследованиями и анализом изображений со сканирующего микроскопа.

Открытый в 2004 году графен из-за своих уникальных свойств в будущем может стать крайне полезен для массового производства различных электронных устройств, в том числе и транзисторов. Экспериментальные модели этих миниатюрных деталей по скорости работы превосходят широко распространенные сегодня кремниевые аналоги. Графен сам по себе имеет очень высокую теплопроводность, которая даже выше, чем у алмаза. Когда графен наносится на подложку, показатели его теплопроводности несколько снижаются из-за рассеяния фононов — переносящих тепло квантов колебаний кристаллической решетки. Именно поэтому результаты последней работы англо-американских ученых, которые говорят о том, что графен все-таки может увеличивать теплопроводность подложки, стали неожиданными.

Опыты физиков показали, что образующаяся графеновая пленка на поверхности медного образца при воздействии высокой температуры приводит к увеличению зерен меди, то есть улучшается проходимость фононов. В других же образцах меди, которые также нагревались до высокой температуры, но на них не формировались пленки графена, зерна кристаллической решетки оказались гораздо меньше.

Сегодня медь активно используется в электронике для отвода и рассеивания тепла, а в сочетании с графеновым напылением решить проблему перегрева компонентов различных устройств будет гораздо проще. Ученые отметили, что в своей работе они использовали довольно толстые медные образцы, поэтому следующие эксперименты планируется проводить уже с нанометровыми медными пленками. Теория, объясняющая взаимодействие теплопроводности и размеров зерен меди уже разработана, и в будущем планируется ее проверить экспериментально.

Видео

• Физика воздуха. Сжимаемость воздуха.

  2020-05-23

• Что такое электричество? | ПРОСТО ФИЗИКА с Алексеем Иванченко

  2020-05-23

• Курс подготовки к ЕГЭ. Физика. Урок №1 Кинематика равномерного движения

  2018-12-22

• Батавские слезки – опыты

  2017-12-15

• Тепловой рычаг – физические опыты

  2017-12-15

• Секрет ЖК-монитора – поляризационная пленка

  2017-12-15

• ЛАЗЕР В ВОДЕ – физические опыты

  2017-12-15

• ЭЛЕКТРОХРОМНАЯ ПЛЕНКА с токопроводящим слоем и жидкокристаллической основой

  2017-12-15

• Урок из космоса.

  Физика невесомости

  2017-12-12

• Абсолютный ноль – погоня за абсолютным нулём

  2017-12-12

Теплопроводность меди: изучение свойств, методов, применения

Дом »Химия

Дивья Каре | Обновлено: 28 ноября 2022 г., 16:07 IST

0

Сохранить

Скачать публикацию в формате PDF

Теплопроводность — это физический термин, используемый для описания и количественной оценки способности материала проводить тепло. Теплопроводность обозначается как \(\каппа\) или \(. Теплопроводность различается у разных материалов. На нее влияют три переменные: плотность, содержание воды и пористость. Наличие носителей заряда, в частности электронов, делает металлы особенными в с точки зрения их структуры.

Передача тепла также осуществляется этими сущностями с точечным зарядом в дополнение к переносу заряда (т. е. электрического тока). Следовательно, электроны проводимости в металлах играют важную роль в теплопроводности. Теплопроводность металлов может быть выражена в виде следующего соотношения:

Где

Q представляет собой тепловой поток,

\(\triangledown T\) представляет собой градиент температуры,

\(\каппа \) изображает тепловое проводимость

Единицей теплопроводности является ватт на метр-кельвин (Вт/м-К).

Наиболее популярным металлом для изготовления токопроводящего оборудования является медь из-за ее высокой теплопроводности.

Продолжайте читать эту статью по химии, чтобы узнать больше о теплопроводности меди, методах испытаний, ее свойствах, использовании и некоторых часто задаваемых вопросах.

Теплопроводность меди

Коэффициент теплопроводности меди составляет 386 Вт/мК при 20 °C. Теплопроводность любого материала зависит от двух факторов:

• Движение свободных электронов
• Молекулярные колебания

Движение свободных электронов в основном определяет теплопроводность металла. Молекулярные колебания увеличиваются с повышением температуры. В результате они препятствуют движению свободных электронов, уменьшая проводимость. Поэтому способность металлической меди проводить тепло из-за наличия свободных электронов и меньшей скорости молекулярных колебаний известна как теплопроводность меди.

Высокие температуры плавления и умеренная скорость коррозии являются одними из основных характеристик меди. Кроме того, это эффективный металл для снижения потерь энергии при передаче тепла. Эти проводящие свойства меди используются в различных продуктах, включая трубы для горячей воды, автомобильные радиаторы и металлические кастрюли.

Свойства меди

Ниже приведены основные свойства меди, которые делают ее подходящим теплопроводником:

• Обладает высокой электропроводностью \(5,9{7}Сименс/м\).
• Через этот металл быстро проходит тепло, что свидетельствует о его высокой теплопроводности.
• Медь является идеальным материалом для высокотемпературных применений из-за ее высокой температуры плавления (1085°C), что делает ее пригодной для теплообменников в котлах, радиаторов в электрооборудовании и оснований для кухонной посуды, такой как кастрюли.
• Благодаря своей ковкости и пластичности меди легко придать форму проволоки. Провода чрезвычайно тонкого диаметра, которые передают энергию в компьютерах, телевизорах, сотовых телефонах и автомобилях, не могли быть произведены без его большой пластичности.
• Обладает превосходной естественной коррозионной стойкостью, благодаря чему широко используется в производстве морских, наружных и морских конструкций.
• Скорость коррозии меди, составляющая от 0,0025 до 0,025 мм в год, невероятно низка.
• Благодаря превосходной способности медно-никелевых сплавов 90/10 и 70/30 противостоять коррозионному воздействию морской воды, они часто используются в форме сплава.
• Он также обладает устойчивостью к противомикробным препаратам и биологическому обрастанию.

Методы испытания теплопроводности меди

Для испытания теплопроводности меди используются различные методы. Два из них обсуждаются следующим образом:

Метод переходных процессов

В зависимости от того, как доставляются источники тепла, переходные подходы могут вызывать периодические (выходной сигнал фазы) или переходные (выходной сигнал амплитуды) изменения температуры в образце. В этой процедуре процесс нагрева используется для определения теплопроводности. Одним из преимуществ переходных подходов является скорость, с которой могут быть выполнены измерения. Обычно их делают игольчатыми зондами.

Метод стационарного режима

При стационарном измерении измеряется разность температур T на расстоянии (расстоянии) при стационарном тепловом потоке Q через образец. Это необходимо для оценки теплопроводности и межфазной теплопроводности.

Использование меди

Некоторые из наиболее распространенных применений теплопроводности меди обсуждаются ниже:

• Медь используется при изготовлении теплообменников, в которых используется высокая теплопроводность металла. В результате тепло проходит через теплообменник быстро.
• Медь — это материал, который невероятно хорошо снижает потери энергии при передаче тепла. Следовательно, он используется при изготовлении различных продуктов, включая кастрюли, трубы для горячей воды и электронные радиаторы.

Чтобы улучшить вашу игру по подготовке к экзамену, приложение Testbook также предлагает бесплатный доступ к самым последним образцам работ, контрольным работам, рабочим листам и другим экзаменационным материалам. Получите приложение прямо сейчас, чтобы воспользоваться некоторыми эксклюзивными предложениями, которые ждут вас!

Теплопроводность меди Часто задаваемые вопросы

В.1 Почему теплопроводность меди такая высокая?

Ответ 1 Делокализованные электроны в твердом металле могут свободно перемещаться по своей решетке. Поэтому теплопроводность меди высокая.

Q.2 Что увеличивает теплопроводность меди?

Ответ 2 Увеличение количества свободных электронов и чистоты металла увеличивает теплопроводность меди.

Q.3 Изменяется ли теплопроводность меди в зависимости от температуры?

Ответ 3 Да, теплопроводность меди изменяется с температурой. Она уменьшается с повышением температуры.

Q.4 Что такое единица измерения теплопроводности в системе СИ?

Ответ 4 Единицей теплопроводности в системе СИ является ватт на метр-кельвин.

В.5 Является ли медь более теплопроводной, чем алюминий?

Ответ 5 Да, медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий.

Скачать публикацию в формате PDF

Читать Подробнее посты

Изучите кинетическую интерпретацию температуры и среднеквадратичной скорости молекул газа
Аристотель. Категории и инструменты для их измерения
Изучите кислотную силу карбоновой кислоты, спирта, фенола и других органических соединений
Хромат: изучите его структуру, формулу, валентность, свойства и применение

Теплопроводность меди при различных температурах

22 октября 2022 г. Набор данных Открытый доступ

Junjie Chen

Контактное лицо(а)

Джунджи Чен

Теплопроводность меди при различных температурах. Школа машиностроения и энергетики Хэнаньского политехнического университета, 2000 Century Avenue, Jiaozuo, Henan, 454000, P.R. China

 

Медь — химический элемент с атомным номером 29. Это мягкий, ковкий и пластичный металл с очень высокая тепло- и электропроводность. Свежая открытая поверхность чистой меди имеет розовато-оранжевый цвет. Медь используется как проводник тепла и электричества, как строительный материал и как составная часть различных металлических сплавов, таких как стерлинговое серебро, используемое в ювелирных изделиях, мельхиор, используемый для изготовления морского оборудования и монет, и константан, используемый в тензодатчиках и термопарах. для измерения температуры. Медь, серебро и золото находятся в 11-й группе периодической таблицы; эти три металла имеют один s-орбитальный электрон поверх заполненной d-электронной оболочки и характеризуются высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью. Заполненные d-оболочки в этих элементах мало способствуют межатомным взаимодействиям, в которых преобладают s-электроны через металлические связи. В отличие от металлов с незавершенными d-оболочками металлические связи в меди не имеют ковалентного характера и относительно слабы. Это наблюдение объясняет низкую твердость и высокую пластичность монокристаллов меди. В макроскопическом масштабе введение протяженных дефектов в кристаллическую решетку, таких как границы зерен, препятствует течению материала под действием приложенного напряжения, тем самым увеличивая его твердость. По этой причине медь обычно поставляется в мелкозернистой поликристаллической форме, которая обладает большей прочностью, чем монокристаллические формы. Мягкость меди отчасти объясняет ее высокую электропроводность и высокую теплопроводность, занимающую второе место среди чистых металлов при комнатной температуре. Это связано с тем, что сопротивление переносу электронов в металлах при комнатной температуре возникает в основном из-за рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки, которые в мягком металле относительно слабы. Медь не реагирует с водой, но медленно реагирует с кислородом воздуха, образуя слой коричнево-черного оксида меди, который, в отличие от ржавчины, образующейся на железе во влажном воздухе, защищает нижележащий металл от дальнейшей коррозии. Медь тускнеет под воздействием некоторых соединений серы, с которыми она реагирует с образованием различных сульфидов меди.

Термодинамическая температура (градусы кельвина), теплопроводность (ват на метр-кельвин)

5 13800

10 19600

20 10500

30 4300

40503

50 12203 9000 2609

09 9000 350309

9000 3503 40000

9000 350309

9000 360309 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000

9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000 9000

9000 9000

9000 9000

9000

9000 9000 9000 9000

40503

9000

30 43009 70 670

80 570

90 514

100 483

200 413

273 401

300        398

400        392

500        388

600        383

700        377

800        371

900        364

1000             357

1100             350

1200             342

1300             334

Contributor: Junjie Chen , ORCID: 0000-0001-5055-4309, адрес электронной почты: komcjj@gmail. com, Департамент энергетики и энергетики, Школа машиностроения и энергетики, Хэнаньский политехнический университет, 2000 Century Avenue, Jiaozuo, Хэнань, 454000, Китайская Народная Республика

Предварительный просмотр

Файлы (76,2 КБ)

Имя	Размер
Теплопроводность меди при различных температурах.pdf мд5:109c91e1c4452e261dde3a7023115006	76,2 КБ	Скачать

Цитаты

Индексировано в

Дата публикации:

22 октября 2022 г.

DOI:

Значок Зенодо DOI

ДОИ

 10.5281/зенодо.7239588 

Уценка

 [![DOI](https://zenodo.org/badge/DOI/10.5281/zenodo.7239588.svg)](https://doi.org/10.5281/zenodo.7239588) 

реструктурированный текст

 .. изображение:: https://zenodo.org/badge/DOI/10.5281/zenodo.7239588.svg
   : цель: https://doi.org/10.5281/zenodo.7239588 

HTML

URL-адрес изображения

 https://zenodo.org/badge/DOI/10.5281/zenodo.7239588.