Теплопроводность серебра и меди – Теплопроводность, теплоемкость серебра и его теплофизические свойства. Теплопроводность меди. Замечательное свойство

alexxlab | 08.02.2020 | 0 | Разное

Теплопроводность, теплоемкость серебра и его теплофизические свойства. Теплопроводность меди. Замечательное свойство

В истории человеческой цивилизации роль меди преувеличить невозможно. Именно с нее человек начинал осваивать металлургию, учился создавать инструменты, посуду, украшения, деньги. И все благодаря уникальным свойствам этого металла, проявляющимся при сплаве с другими веществами. То мягкий, то прочный, то тугоплавкий, то плавится без всяких усилий. Обладает множеством прекрасных характеристик, и одной из них является теплопроводность меди.

Если речь зашла об этой характеристике, то надо пояснить, о чем идет речь. Теплопроводностью называют способность вещества передавать тепло от нагретого участка к холодному. Так вот, теплопроводность меди одна из самых высоких среди металлов. Как можно оценить такое свойство, как хорошее или как плохое?

Если спросить кулинаров и поваров, они скажут, как хорошее, благодаря чему наилучшим образом передает тепло от огня к готовящемуся продукту, да и нагрев равномерно распределяется по поверхности, контактирующей с пламенем.

Конечно, и другие металлы, и не только металлы, передают тепло, или, по-другому, обладают достаточной теплопроводностью, но у меди эта способность одна из лучших, так называемый коэффициент теплопроводности меди самый высокий, выше только у серебра.

Отмеченная способность обеспечивает широкие возможности использования металла в самых разных областях. В любых системах теплообмена медь является первым кандидатом на применение. Например, в электроотопительных приборах или в радиаторе автомобиля, где нагретая охлаждающая жидкость отдает лишнее тепло.

Теперь можно попытаться понять, чем обусловлен эффект передачи тепла. Происходящее объясняется достаточно просто. Происходит равномерное распределение энергии по объему материала. Можно провести аналогию с летучим газом. Попав в какой-то замкнутый сосуд, такой газ занимает все доступное ему место. Так и здесь, если металл нагреть в какой-то отдельной области, то полученная энергия равномерно распределяется по всему материалу.

Таким явлением можно объяснить теплопроводность меди. Не вдаваясь в можно сказать, что за счет внешнего поступления энергии (нагрева) часть атомов получает дополнительную энергию и затем передает ее другим атомам. Энергия (нагрев) распространяется по всему объему предмета, вызывая его общий нагрев. Подобное происходит с любым веществом.

Разница только в том, что медь, теплопроводность которой очень высокая, хорошо передает тепло, а другие вещества делают то же самое значительно хуже. Но во многих случаях это может быть и нужным свойством. На плохо проводить тепло основана теплоизоляция, за счет плохой передачи тепла не происходит его потерь. Теплоизоляция в домах позволяет сохранять комфортные условия проживания в самые суровые морозы.

Обмен энергией, или, как в нашем случае, передача тепла, может осуществляться и между разными материалами, если они находятся в физическом контакте. Именно это происходит, когда мы ставим чайник на огонь. Он нагревается, а затем от посуды нагревается вода. За счет свойств материала происходит передача тепла. Теплопередача зависит от многих факторов, в том числе от свойств самого материала, таких как его чистота. Так, если теплопроводность меди лучше, чем у других металлов, то уже ее сплавы, бронза и латунь обладают значительно худшей теплопроводностью.

Говоря об этих свойствах, нельзя не отметить, что теплопроводность зависит от температуры. Даже у самой чистой меди, с содержанием 99,8%, с ростом температуры коэффициент теплопроводности падает, а у других металлов, например, марганцевой латуни, с повышением температуры коэффициент растет.

В изложенном описании дано объяснение такого понятия, как теплопроводность, объяснена физическая суть явления, на примере меди и других веществ рассмотрены некоторые варианты применения этих свойств в повседневной жизни.

В таблице приведены значения теплопроводности латуни, бронзы, а также медно-никелевых сплавов (константана, копели, манганина и др.) в зависимости от температуры — в интервале от 4 до 1273 К.

Теплопроводность латуни, бронзы и других сплавов на основе меди при нагревании увеличивается. По данным таблицы, наибольшей теплопроводностью из рассмотренных сплавов при комнатной температуре обладает латунь Л96 . Ее теплопроводность при температуре 300 К (27°С) равна 244 Вт/(м·град).

Также к медным сплавам с высокой теплопроводностью можно отнести: латунь ЛС59-1, томпак Л96 и Л90, томпак оловянистый ЛТО90-1, томпак прокатный РТ-90. Кроме того, теплопроводность латуни в основном выше теплопроводности бронзы. Следует отметить, что к бронзам с высокой теплопроводностью относятся: фосфористая, хромистая и бериллиевая бронз

cityshin.ru

Теплопроводность серебра — studvesna73.ru

Химия и химическая технология

 9ensp;9ensp;9ensp;Теплопроводность — свойство материалов проводить тепло с определенной скоростью. Хорошо проводят тепло металлы — серебро, медь, алюминий, сталь. Пластмассы, пластики, каучуки, графит, керамика и шамотный кирпич медленно проводят тепло. Теплопроводность материалов оценивается величиной коэффициента теплопроводности X. При 20°С величина теплопроводности для меди равна 384 Вт/(м К), у стали — в восемь раз ниже. [c.64]

 9ensp;9ensp;9ensp;Опытные данные показывают, что величина Я для разных веществ сильно разнится, а для одного и того же вещества зависит от температуры, плотности, структуры, влажности и других факторов. Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов, для которых значения к при 20 °С находятся в пределах 2,3—418 Вт/(м-К), причем верхний предел относится к серебру. Далее следуют красная медь (X 395), золото Я яй 300), алюминий ( t 210), цинк ( t = 113) и т.д. На коэ ициенты теплопроводности металлов оказывают большое влияние примеси и их концентрация, а также структурные изменения, вызванные термической обработкой. ковкой, вытяжкой и т. п. Так, например, следы мышьяка уменьшают коэффициент теплопроводности меди на 60—65%, а 1% примесей понижает к для алюминия на 15%. Величина к для углеродистой стали падает с ростом содержания углерода. марганца и серы. В результате закалки коэффициент теплопроводности углеродистой стали снижается на 10%. Наконец, для большинства металлов величина к уменьшается с ростом температуры. 

[c.267]

 9ensp;9ensp;9ensp;Выведите закон Видемана—Франца. согласно которому отношение теплопроводности металла к его электропроводности пропорционально Т, а коэффициент пропорциональности имеет одинаковое значение для всех металлов. Обратите внимание, что это количественная формулировка известного из обычной практики правила, что хорошие электрические проводники. например медь, серебро, обладают и хорошей теплопроводностью. [c.88]

 9ensp;9ensp;9ensp;Для тел, плохо проводящих тепло, коэффициент теплопроводности много меньше единицы, например для стекла Х=5-10 Дж/(см-с-К), а для хорощо проводящих металлов (медь, серебро) близок к единице, т. е. приблизительно в 200 раз больше. 

[c.125]

 9ensp;9ensp;9ensp;В кипящем слое катализатора. как показано в главе I, перенос тепла осуществляется в быстром вихревом движении и столкновении твердых частиц нри турбулизованной газовой фазе. Эффективные коэффициенты теплопроводности составляют тысячи кДж/(м-ч-°С), в результате и достигается приближение к изотермам как по высоте, так и по сечению слоя для любых малотеплопроводных зерен катализатора. Примерная теплопроводность катализаторов в неподвижном слое. а также окиси алюминия. металлического серебра и катализаторов кипящего слоя приведена [53] для сравнения в табл. II.2. [c.101]

 9ensp;9ensp;9ensp;Из рисунка видно, что при эрозии платиновых металлов в атмосфере воздуха и аргона точки, характеризующие эрозию платины, палладия, родия, меди и золота, лежат на одной прямой. Исключение составляют серебро, у которого самый высокий коэффициент теплопроводности. а также иридий и рутений (в аргоне), имеющие самые высокие температуры плавления и кипения. Чтобы выяснить характер влияния тепловых свойств на величину эрозии, те же металлы в виде корольков весом 150—200 мг помещали в кратер графитового электрода и производили испарение при тех же условиях. В этом опыте теплопроводность металлов не должна играть заметной роли и более четко должно проявиться влияние тепловых свойств металлов. Результаты наблюдения показывают, что серебро, палладий и золото разрушаются сильнее, а тугоплавкие металлы (иридий и рутений) меньше, чем родий и платина, температуры плавления и кипения которых занимают среднее положение. Следовательно, при оценке результатов эрозии следует учитывать тепловые характеристики данного металла. 

[c.25]

 9ensp;9ensp;9ensp;Теплопроводность металлов лежит в пределах от 2 до 360 ккал1м час °С. Наибольшей теплопроводностью обладает серебро (Я = 360), медь (Я = 340), алюминий (Я = 180) и т. д. С повышением температуры у большинства металлов теплопроводность понижается. Добавки всех видов уменьшают теплопроводность металлов. Железо, содержащее 0,1 % углерода, имеет Я = 45 при содержании 1 % углерода коэффициент теплопроводности снижается до Я = 34, а при содержании 1,5% теплопроводность понижается до 31 ккал1м — час °С. У закаленной стали Я на 10—25% меньше, чем у мягкой. 

[c.23]

 9ensp;9ensp;9ensp;Зависнмость эффективного коэффици -е гга теплопроводности при различных значениях га4Т представлена на рис. 3,37. / акснмальпое значение Я. фф Пе-П [48] более чем на шесть порядков превышает коэффициент теплопроводности Не-1 при Т. = 2,5 К и почти в 5 раз теплопроводность чистого серебра при этой же температуре. Таким образом. температурные перепады в Не-П весьма малы и температура в любой точке объема Не-П практически одинакова. [c.246]

 9ensp;9ensp;9ensp;Коэффициент теплопроводности разных веществ изменяется в широких пределах например, X = 0,0086 вт1м-град (0,0074 ккал1м-ч-град) для четыреххлористого углерода при 100°С и X = 416 втЫ-град (358 ккал/м — ч-град) для серебра при 273°К (0°С). Коэффициент теплопроводности зависит от химического состава, физического строения и состояния вещества. [c.8]

 9ensp;9ensp;9ensp;Кварцевое стекло отличается высокой термической стойкостью длительное применение его допустимо при температурах до 1 000° С, кратковременное— до 1 300—1400°С. Изделия из кварцевого стекла. нагретые до 700—800° С, не трескаются при погру жении в воду. Теплопроводность квар цевого стекла — 6—11 кюал1м ч град Коэффициент его линейного расшире ния в 6 раз меньше, чем фарфора, I в 12—20 раз меньше, чем простого силикатного стекла. Кварцевое стекло имеет вьгсО)Кую электроизоляционную способность. Оно устойчиво по отношению КО всем минеральным и органическим кислотам любых концентраций (кроме плавиковой и фосфорной кислот ). Поэтому во многих случаях им заменяют цветные Металлы. а иногда даже серебро и платину. 

[c.58]

 9ensp;9ensp;9ensp;Основная часть радиометра — эллиптическое зеркало 5, которое изготовляют, тщательно полирзш и покрывая внутреннюю полость тонким, слоем золота или никеля. В одном из фокусов зеркала помещают термоприемпик 4, в качестве которого, используют спай термопары или шарик из металла, имеющего высокую теплопроводность (серебро, красная медь). К теплоприемнику приваривают термоэлектроды 7. Для увеличения коэффициента поглощения поверхность термоприемника зачерняют. В другой фокальной плоскости эллипсоида находится диафрагма 1 с небольшим отверстием по оси. Снаружи эллипсоид заключают в водяную рубашку 2. Через отверстия 5 в полость эллипсоида во время работы постоянно вдувают очищенный и осзгшенный воздух. Благодаря этому (воздух удаляется через отверстие. диафрагмы) полностью исключается возможность попада-нип в прибор поглощающей топочной среды, частиц пыли и т. д. Воздух, проходя по змеевику 6, находящемуся в водяной рубашке. приобретает температуру охлаждающей воды. 

[c.115]

Смотреть страницы где упоминается термин Серебро, коэффициент теплопроводности. [c.260]  9ensp; [c.112]  9ensp; [c.179]  9ensp; [c.57]  9ensp; Техника низких температур (1962) — [ c.382 ]

February 12, 2013

Металлы – это вещества, имеющие кристаллическую структуру. При нагревании они способны плавиться, то есть переходить в текучее состояние. Одни из них имеют невысокую температуру плавления: их можно расплавить, поместив в обычную ложку и держа над пламенем свечи. Это свинец и олово. Другие возможно расплавить только в специальных печах. Высокой температурой плавления обладают медь и железо. Для ее понижения в металл вводят добавки. Полученные сплавы (сталь, бронза, чугун, латунь) имеют температуру плавления ниже, чем исходный металл.

От чего же зависит температура плавления металлов? Все они имеют определенные характеристики – теплоемкость и теплопроводность металлов. Теплоемкостью называют способность при нагревании поглощать теплоту. Ее численный показатель – удельная теплоемкость. Под ней подразумевается количество энергии, которое способна поглотить единица массы металла, нагреваемая на 1°С. От этого показателя зависит расход топлива на нагревание металлической заготовки до нужной температуры. Теплоемкость большинства металлов находится в пределах 300-400 Дж/(кг*К), металлических сплавов – 100-2000 Дж/(кг*К).

Теплопроводность металлов – это перенос тепла от более горячих частиц к более холодным по закону Фурье при их макроскопической неподвижности. Она зависит от структуры материала, его химического состава и типа межатомной связи. В металлах передача тепла производится электронами, в других твердых материалах – фононами. Теплопроводность металлов тем выше, чем более совершенную кристаллическую структуру они имеют. Чем больше металл имеет примесей, тем более искажена кристаллическая решетка, и тем ниже теплопроводность. Легирование вносит такие искажения в структуру металлов и понижает теплопроводность относительно основного металла.

У всех металлов хорошая теплопроводность, но у одних выше, чем у других. Пример таких металлов – золото, медь, серебро. Более низкая теплопроводность – у олова, алюминия, железа. Повышенная теплопроводность металлов является достоинством либо недостатком, в зависимости от сферы их использования. Например, она необходима металлической посуде для быстрого нагрева пищи. В то же время применение металлов с высокой теплопроводностью для изготовления ручек посуды затрудняет ее использование – ручки слишком быстро нагреваются, и до них невозможно дотронуться. Поэтому здесь используют теплоизолирующие материалы.

Еще одна характеристика металла, влияющая на его свойства – тепловое расширение. Оно выглядит как увеличение в объеме металла при его нагревании и уменьшение – при охлаждении. Это явление обязательно необходимо учитывать при изготовлении металлических изделий. Так, например, крышки кастрюль делают накладными, у чайников тоже предусмотрен зазор между крышкой и корпусом, чтобы при нагревании крышку не заклинило.

Для каждого металла вычислен коэффициент теплового расширения. Его определяют нагреванием на 1°С опытного образца, имеющего длину 1 м. Самый большой коэффициент имеют свинец, цинк, олово. Поменьше он у меди и серебра. Еще ниже – железа и золота.

По химическим свойствам металлы делятся на несколько групп. Существуют активные металлы (например, калий или натрий), способные мгновенно вступать в реакцию с воздухом или водой. Шесть самых активных металлов, составляющий первую группу периодической таблицы, называют щелочными. Они имеют маленькую температуру плавления и так мягки, что могут быть разрезаны ножом. Соединяясь с водой, они образуют щелочные растворы, отсюда и их название.

Вторую группу составляют щелочноземельные металлы – кальций, магний и пр. Они входят в состав многих минералов, более твердые и тугоплавкие. Примерами металлов следующих, третьей и четвертой групп, могут служить свинец и алюминий. Это довольно мягкие металлы и они часто используются в сплавах. Переходные металлы (железо, хром, никель, медь, золото, серебро) менее активны, более ковки и часто применяются в промышленности в виде сплавов.

Положение каждого металла в ряду активности характеризует его способность вступать в реакцию. Чем активнее металл, тем легче он забирает кислород. Их очень трудно выделить из соединений, в то время, как малоактивные виды металлов можно встретить в чистом виде. Самые активные из них – калий и натрий – хранят в керосине, вне его они сразу же окисляются. Из металлов, используемых в промышленности, наименее активным является медь. Из нее делают резервуары и трубы для горячей воды, а также электрические провода.

9 знаменитых женщин, которые влюблялись в женщин Проявление интереса не к противоположному полу не является чем-то необычным. Вы вряд ли сможете удивить или потрясти кого-то, если признаетесь в том.

Как выглядеть моложе: лучшие стрижки для тех, кому за 30, 40, 50, 60 Девушки в 20 лет не волнуются о форме и длине прически. Кажется, молодость создана для экспериментов над внешностью и дерзких локонов. Однако уже посл.

Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно? В это трудно поверить, но ученые и многие историки склоняются к мнению, что современный человек спит совсем не так, как его древние предки. Изначально.

13 признаков, что у вас самый лучший муж Мужья – это воистину великие люди. Как жаль, что хорошие супруги не растут на деревьях. Если ваша вторая половинка делает эти 13 вещей, то вы можете с.

Наперекор всем стереотипам: девушка с редким генетическим расстройством покоряет мир моды Эту девушку зовут Мелани Гайдос, и она ворвалась в мир моды стремительно, эпатируя, воодушевляя и разрушая глупые стереотипы.

Эти 10 мелочей мужчина всегда замечает в женщине Думаете, ваш мужчина ничего не смыслит в женской психологии? Это не так. От взгляда любящего вас партнера не укроется ни единая мелочь. И вот 10 вещей.

Теплопроводностью называется способность тела (вещества) передавать тепло ПРИ нагревании с одного конца на другой или с одной поверхности на другую. Передача теплоты происходит за счет увеличения движения атомов или молекул при нагревании. Если с одного конца тела производить нагревание, то частицы в этой части тела начинают двигаться быстрее, заставляют сильнее двигаться соседние частицы и т. д. Таким образом, с течением времени усилится движение атомов, молекул на другом конце, а следовательно, и здесь произойдет повышение температуры. Теплопроводность измеряется в калориях.

Теплопроводность определяется количеством теплоты, котопое проходит в 1 секунду чепез 1 см

вешества толщиной или длиной 1 см, когда по обе стороны имеется разность температур 1°; эта величина и называется коэффициентом теплопроводности.

Металлы являются хорошими проводниками тепла и обладают различной теплопроводностью. Условно поинято считать, что теплопроводность серебра равна 100. Серебро обладает наиболее высокой теплопроводностью. Золото имеет теплопроводность 68.3, медь — 91,8, железо— 14,7, а висмут наименьшую — 2.

Факторы теплопроводности металлов имеют большое практическое значение в ортопедической стоматологии. При изготовлении металлических коронок, вкладок на зубы с живой пульпой должна учитываться теплопроводность металла.

Для предупреждения неприятных температурных раздражений зуба от металлической вкладки подготовленную полость зуба изолируют цементной подкладкой. Цемент является материалом с низкой теплопроводностью.

Представлены таблицы теплофизических свойств серебра Ag в зависимости от температуры (в интервале от -223 до 1327°С). В таблицах даны такие свойства, как плотность ρ . удельная теплоемкость серебра Ср . теплопроводность λ . удельное электрическое сопротивление ρ и температуропроводность а .

Серебро довольно тяжелый металл — его плотность при комнатной температуре имеет значение 10493 кг/м 3 . При нагревании серебра его плотность уменьшается, поскольку этот металл расширяется, и его объем увеличивается. При температуре 962°С серебро начинает плавиться. Плотность жидкого серебра при температуре плавления составляет величину 9320 кг/м 3 .

Серебро имеет относительно не высокую величину теплоемкости по сравнению с другими металлами. Например, теплоемкость алюминия равна 904 Дж/(кг·град), меди — 385 Дж/(кг·град). Удельная теплоемкость серебра при нагревании увеличивается. Ее поведение для этого металла в твердом состоянии подобно таковому для меди, но скачки теплоемкости при плавлении имеют противоположные направления. В целом, рост Ср к температуре плавления по сравнению с классическим значением. составляет около 30%.

Теплоемкость серебра изменяется в пределах от 235,4 (при комнатной температуре) до 310,2 Дж/(кг·град) — в расплавленном состоянии. При переходе в жидкое состояние теплоемкость серебра увеличивается и при последующем росте температуры остается практически постоянной. При обычной температуре значение удельной теплоемкости серебра составляет 235,4 Дж/(кг·град). Следует отметить, что коэффициент электронной теплоемкости Ag равен 0,68 мДж/(моль·К 2 ).

Плотность и удельная теплоемкость серебра

Серебро относится к металлам с высокой теплопроводностью — теплопроводность серебра при комнатной температуре составляет 429 Вт/(м·град). Например, у меди значение коэффициента теплопроводности ниже — теплопроводность меди равна 401 Вт/(м·град).

С повышением температуры теплопроводность серебра λ уменьшается. Особенно резкое снижение теплопроводности этого металла происходит при его плавлении. Коэффициент теплопроводности жидкого серебра равен 160 Вт/(м·град) при температуре плавления. При дальнейшем нагревании расплавленного серебра его теплопроводность начинает расти.

Удельное электрическое сопротивление серебра при комнатной температуре равно 1,629·10 -8 Ом·м. В процессе нагрева этого металла его сопротивление увеличивается, например при температуре 927°С, удельное сопротивление серебра имеет значение 8,089·10 -8 Ом·м. Переход этого металла в жидкое состояние приводит к двукратному росту его электрического сопротивления — при температуре плавления 962°С оно достигает величины 17,3·10 -8 Ом·м.

Коэффициент температуропроводности серебра при обычных температурах равен 174·10 -6 м 2 /с и при нагревании уменьшается. При плавлении этого драгоценного металла его температуропроводность значительно снижается, однако последующий нагрев приводит к росту коэффициента температуропроводности.

Теплопроводность серебра, его удельное сопротивление и температуропроводность

Добавить комментарий Отменить ответ

Плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость строительных и других популярных материалов. Более 400 материалов в таблице!

Подробные таблицы значений плотности воды, ее теплопроводности и других теплофизических свойств в зависимости от температуры…

Таблицы физических свойств воздуха: плотность воздуха, его удельная теплоемкость и вязкость в зависимости от температуры…

Теплопроводность стали и чугуна В таблице представлены значения теплопроводности стали и чугуна. Теплопроводности сталей даны…

Критериальные уравнения теплообмена при теплоотдаче в трубах и каналах в случаях вынужденной и свободной конвекции с примерами расчета теплоотдачи…

Представлены сведения о химических и физических свойствах карбидов металлов: таких, как гафний, хром, титан, вольфрам…

Температурные коэффициенты линейного расширения стали (более 300 марок стали в таблицах) при температурах от -269 до 1000°С…

Выполнено сравнение кирпича по теплопроводности, представлены коэффициенты теплопроводности огнеупорного кирпича при различной температуре (20…1700°С).

Плотность мяса Плотность мяса зависит от его температуры, жирности и содержания влаги. С ростом температуры…

Подробные таблицы значений плотности воды, ее теплопроводности и других теплофизических свойств в зависимости от температуры…

Представлена таблица значений плотности нефтяных и растительных масел при различных температурах. Рассмотрены следующие типы масел:…

В таблице представлены теплофизические свойства масла АМТ-300 такие, как давление паров, плотность масла, теплопроводность, удельная…

В этой статье рассмотрены значения таких теплофизических свойств сливочного масла, как теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность…

  • GTX 1080 — по цене 1070 в XPERT.RU
  • СУПЕРЦЕНА на GTX 1060 в Ситилинке
  • Новейший Core i5 7640X S-2066 в Регарде. Дешево!
  • Дефицит и рост цен на GTX 1070 — смотри что осталось в Регарде

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста,
которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

AG-cool 01.06.2005 00:14 ссылка на материал | версия для печати | архив

Эта работа была прислана на наш «бессрочный» конкурс статей и автор получил награду – фирменную футболку сайта и материнскую плату Soltek SL-865Pro-775.

Данный материал может послужить кратким пособием по литью металлов для ватерблока, при этом какие-либо архитектурные особенности конструкции рассматриваться не будут. Я считаю, что каждый сам для себя решит, какая конструкция ватерблока ему необходима: канал, ребра, иглы или комбинация всего этого. Поэтому расскажу только о способе получения заготовок для ватерблока из меди и серебра. Также хочу обратить внимание на незначительные расхождения в разных справочниках: некоторые данные о свойствах металлов могут не совпадать.

Какие металлы используются чаще для изготовления радиаторов и теплообменников? Обычно это алюминий и медь, в редких случаях применяют серебро. Какими свойствами обладают эти металлы?

Алюминий. Серебристо-белый металл, удельный вес которого составляет 2.7 г/см3. Температура плавления алюминия составляет 658 градусов Цельсия. Теплопроводность 205 Вт/м*С, теплоемкость 920 Дж/кг*С. В системах охлаждения этот металл используется, несмотря на низкую теплопроводность, довольно часто. Причина этого – относительная дешевизна и простота обработки алюминия. Но в качестве заготовки под ватерблок алюминий не очень подходит – низкая теплопроводность по сравнению с медью.

Медь. Тягучий, вязкий металл светло-розового цвета, удельный вес которого составляет 8.9 г/см3. Температура плавления 1083 градуса Цельсия, теплопроводность 390 Вт/м*С, теплоемкость 400 Дж/кг*С. Медь наиболее распространена в эффективных системах охлаждения, поэтому остановимся на ней подробнее. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на ее поверхности тончайшая пленка окислов, придающая меди более темный цвет, хорошо защищает ее от дальнейшего окисления. В присутствии влаги и углекислого газа поверхность меди покрывается зеленым налетом карбоната меди. При нагревании на воздухе медь превращается в черную окись меди, которая при более высокой температуре разлагается, теряя кислород и переходя в закись меди. Химически чистая медь – явление довольно редкое и дорогое:

Это чистая бескислородная медь для изготовления сплавов драгметаллов. Ее стоимость составляет порядка 15-20 долларов за килограмм. Но чаще мы имеем дело с технически чистой медью: например, трубы для кондиционеров и водопроводов, высоковольтные шины делают из меди марки М1. Теплопроводность такой меди составляет 305–339 Вт/м*С, смотри здесь. Это тоже весьма неплохой показатель.

Серебро. Мягкий, тягучий металл удельного веса 10.5 г/см3, плавящийся при температуре 960 градусов Цельсия. Обладает самой большой теплопроводностью среди металлов – 420 Вт/м*С. Удельная теплоемкость серебра составляет 250 Дж/кг*С. Химически малоактивно, не окисляется на воздухе ни при обычной температуре, ни при нагревании. Это вызвано тем, что окись серебра – неустойчивое соединение, которое при нагревании разлагается. Бывает, что на серебряных предметах появляется темный налет – это сульфид серебра, образующийся под влиянием содержащегося в воздухе сероводорода или при контакте с веществами, содержащими сернистые соединения. Серебро гораздо дороже меди. Цены на серебро можно посмотреть здесь и здесь.

Чистое серебро (проба 999.9) бывает в виде мерных слитков:

И в австралийских монетах (проба 999):

Теперь, выяснив свойства металлов, можно приступать к изготовлению ватерблока.

Хорошо, если есть цельный кусок меди, из которого можно сделать ватерблок, а если такого куска нет? Я столкнулся с этой проблемой, когда решил сделать себе водяное охлаждение. Значит, сначала надо получить кусок меди. Как можно изготовить большой кусок меди из маленьких кусочков? Только литьем! Ну, а если отливать, то можно попробовать и серебро, а также сплавы меди и серебра.

Большинство серебряных изделий, например ювелирных, делается не из чистого серебра, а из сплавов серебро-медь. Такие сплавы обладают повышенной механической прочностью, чем и объясняется их широкое применение. В актуальности применения таких сплавов в ватерблоках я не уверен: они уступают по теплопроводности чистому серебру, а стоят примерно столько же. Единственный, на мой взгляд, заслуживающий внимания сплав состоит из 72% серебра и 28% меди. Объясню почему: этот сплав обладает самой низкой (779 градусов Цельсия) температурой плавления среди сплавов серебро-медь, поэтому с ним работать легче, чем, скажем, с медью. Теплопроводность у этого так называемого кусила меньше, чем у чистого серебра, и составляет 371 Вт/м*С, по данным производителя.

Где чаще всего мы встречаем литые изделия? В ювелирном магазине: большая часть ювелирных изделий изготавливается литьем из сплавов серебра, золота, платины. В современном ювелирном деле используется литье по выплавляемым моделям. При этом сложность будущего изделия ограничена только фантазией ювелира:

О процессе литья по выплавляемым моделям можно почитать здесь. Довольно сложно, но такой способ позволил бы получить отливку, требующую минимальной обработки, то есть практически готовое основание ватерблока с рельефом любой сложности. Но есть способ получения отливок гораздо более простой, чем литье по выплавляемым моделям. Это литье в кокиль.

Кокиль – это многоразовая металлическая литейная форма, позволяющая получать отливки простейшей формы. Вот пример ватерблока, основание которого получено литьем в кокиль:

Это процессорный ватерблок. Материал основания – серебро, крышка вырезана из листовой меди толщиной 3 мм, штуцеры сделаны из медной трубки с внешним диаметром 10 мм. Конструкция полностью паяная, все медные детали луженые. Следующим я решил сделать ватерблок на чипсет материнской платы. Теперь о том, как я его делал.

Самый главный вопрос: чем расплавить металл? Можно воспользоваться горелкой для пайки твердыми припоями:

Но такие горелки подходят для плавки очень небольшого количества металла – около 30 грамм. Можно, конечно, попробовать ацетиленовую горелку, но газосварочный аппарат явно не впишется в интерьер квартиры. А чем плавят большое количество металла ювелиры? Вот этим:

Это плавильная электропечь с максимальной температурой нагрева 1200 градусов Цельсия. Работает она от обычной розетки на 220 В и имеет максимальное потребление мощности 1300 Вт (хороший электрочайник кушает больше). Печь удобней в использовании, чем горелка, потому что она позволяет не только расплавить металл, но и нагреть расплав до точно заданной температуры: в печи есть термопара и цифровой контроллер, который регулирует нагрев согласно заданной программе. Таким образом, процесс плавки выглядит довольно просто: задается температура нагрева, скорость нагрева, время выдержки заданной температуры. Естественно, печь позволяет делать любые сплавы серебра и меди. Для этого необходимо отмерить нужные количества чистых металлов и сплавить их вот с таким флюсом:

Это флюс на основе буры, применяется также при пайке твердыми припоями. Он необходим при плавке меди. Чистое серебро, благодаря его свойствам, можно плавить без флюса.

Теперь займемся кокилем. Со времен создания процессорного ватерблока у меня остался вот такой небольшой кусочек серебра:

Этот кусок получен переплавкой опилок серебра в печи. Для удобства работы необходимо придать ему другую форму – например, слитка. Кокиль для получения слитка делается очень просто. От железного профиля 60 x 40 мм отрезаются два куска длиной около 70 мм, а также один кусок толщиной 5.5 мм. Два больших куска профиля зачищаются от ржавчины – будущие стенки изложницы, а из маленького кусочка делается П-образная рамка с раструбом – форма будущего слитка. Выглядит это так:

Раструб на рамке – это прибыль, она ограничивает расположение усадочных раковин этой областью. Усадочные раковины – это пустоты, образующиеся внутри или на поверхности отливки вследствие уменьшения объема металла при затвердевании. Для чистого серебра усадка составляет 5%, а для чистой меди – 4.25%.

Затем рамка ставится между двух кусков профиля, и вся конструкция стягивается струбциной:

Толщина железа в этом профиле составляет 2 мм, соответственно, габариты отливки будут ограничены внутренними размерами рамки: 36 x 5 мм и высотой около 50 мм с учетом прибыли. Всё, кокиль готов. Можно приступать к плавке. Серебро загружается в тигель печи, температура нагрева устанавливается в 1150 градусов, процесс плавки начался:

Пока печь набирает температуру, кокиль подогревается на газовой плите:

Делается это для того, чтобы расплавленный металл при заливке в форму не подвергался внезапному охлаждению. Также обратите внимание на весьма значительный перегрев металла, который составляет 1150–960=190 градусов. Причина такого перегрева – маленькая теплоемкость серебра: из-за небольшой теплоемкости серебро очень быстро застывает при заливке в металлическую форму.

Примерно через 15 минут печь достигла заданной температуры, серебро расплавилось:

Пора заливать. Кокиль устанавливается на большой кусок железного профиля:

Программа нагрева отключается, металл заливается в форму:

Серебро застывает в считанные секунды – мне не удалось сфотографировать расплавленный металл в форме. На снимке видно, что форма не залита полностью. Возможно, в отливке будут дефекты. Теперь необходимо охладить кокиль. Для этого он опускается в ведро с холодной водой, через некоторое время вынимается оттуда и разбирается:

Да, действительно, отливка имеет небольшие дефекты: видны пузыри в поверхностном слое металла. Но это не страшно, главное, что нет значительных дефектов, а поверхностный слой можно сточить. Прибыль отпиливается и, после обработки напильником, получается вот такой небольшой серебряный слиток:

Слиток имеет размеры 41 x 32 x 4.5 мм. Что можно из него сделать? Я решил особо не мудрить, ведь нужен ватерблок на чипсет. Вырезал из 3 мм меди рамку и крышку:

После этого медные части лудились, и вся конструкция, собранная в бутерброд, паялась. Теперь у меня уже два серебряных ватерблока, на процессор и на чипсет:

Литье металлов открывает весьма заманчивые перспективы. Реально доступным становится изготовление ватерблоков из серебра и его сплавов. Возможности кокилей не ограничены только отливкой слитка: возможно изготовление кокилей с М-образным выступом на одной из его стенок. Отливка, сделанная в такой кокиль, будет иметь М-образный канал. Или, например, можно сделать кокиль, в одной из стенок которого будет углубление 20 x 20 x 5 мм. В этом случае отливка будет иметь выступ, который можно будет превратить в ребра или иглы.

Да, есть еще над чем работать.

www.studvesna73.ru

Классика охлаждения: Часть 1. Термодинамика теплосъёмника


Эта работа была прислана на наш "бессрочный" конкурс статей и автор получил награду – баребон Soltek Qbic EQ3901 и фирменную футболку сайта.


Высокопроизводительные процессоры предъявляют всё более высокие требования к устройствам охлаждения, которые должны эффективно отводить возрастающий с ростом частоты и производительности тепловой поток. При этом они не должны быть слишком шумными или дорогими. Понятно стремление многих пользователей самостоятельно построить систему охлаждения, отвечающую необходимым требованиям. Среди таких систем не последнее место занимает жидкостное охлаждение.

Множество проблем и вопросов возникает ещё в самом начале работы. Многие из них вызваны таким важным узлом системы, как теплосъёмник (ватерблок) центрального процессора. Именно ватерблок принимает на себя тепловой поток от CPU и, в конечном счёте, осуществляет теплообмен с охлаждаемой средой. В чём, собственно, заключается суть этого процесса? Постараемся кратко во всём разобраться с самого начала.

Если тела, заключённые внутри некоторого пространства, имеют различную температуру, то между ними непрерывно происходит обмен тепловой энергией, направленный на выравнивание температур этих тел. Различают три способа теплообмена – теплопроводность, конвекцию и излучение.

Теплообмен теплопроводностью осуществляется путём обмена кинетической энергией поступательного движения молекул или колебательного движения атомов между соприкасающимися телами без перемещения атомов или молекул из одной части в другую и характерен в основном для твёрдых тел. Кроме этого, в металлах перенос тепла осуществляется ещё и свободными электронами. Это и объясняет высокую теплопроводность металлов по сравнению с неметаллическими телами.

В жидких телах и газах теплопроводность заметно проявляется только в тонких слоях. Для жидкостей и газов характерен конвективный теплообмен, где перенос тепла осуществляется самими движущимися и перемешивающимися частицами вещества, имеющими различную температуру. В зависимости от характера движения массы различают свободную и вынужденную конвекцию.

Теплообмен излучением, присущий телам во всех агрегатных состояниях, наблюдается при любых температурах, отличных от абсолютного нуля, и представляет собой сочетание двух одновременно протекающих процессов – излучения и поглощения лучистой энергии.

В общем-то, суть ясна, но вопросы возникают в основном более детальные и практичные: целесообразность использования тех или иных металлов, технология их обработки (или даже плавки), геометрия, теплопроводность и т.д. Не на все вопросы можно ответить с помощью теории, логики или даже расчётов. Практические данные иногда бывают очень далеки от ожидаемых результатов, а то и противоположны им. Как же решить подобную задачу, не прибегая к сложному математическому аппарату?

Из теории известно, что направление теплового потока совпадает с направлением наибольшего уменьшения температуры. Отсюда следует, что вектор удельного теплового потока q имеет направление, противоположное направлению вектора градиента температуры, и пропорционален его величине:

q = - λ grad t, (1.1)

где λ – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности. Его величина определяется из опыта и характеризует способность вещества проводить тепло.

Поскольку коэффициент теплопроводности является одной из важнейших характеристик, влияющих на эффективность охлаждения, обратим внимание на металлы, которые потенциально могут быть использованы для изготовления теплосъёмника. Ознакомившись с соответствующими справочными данными, нетрудно убедиться, что представляющих интерес металлов не слишком много, а доступных или как-то используемых в конструкциях – ещё меньше.

Оставим пока без внимания тот факт, что данные из разных источников несколько разнятся, и возьмем для небольшого анализа таблицу. Частичная выписка из этой таблицы выглядит так (ед. измерения Вт/м*К):

Серебро – 415
Медь – 393
Алюминий – 209
Латунь – 86
Олово – 66
Свинец – 35

То есть, практически это можно представить следующим образом: имеются стержни разных металлов определённой длины и одинакового диаметра. Предположим, что диаметр каждого стержня мал по сравнению с его длиной, и, следовательно, температура ощутимо изменяется только по его длине; во всех точках данного сечения стержня температура может считаться одинаковой. При таком допущении становится несущественной форма сечения (прямоугольник, круг и т.п.).

Если конкретный образец нагревать с одной стороны, то начнёт возрастать температура и на его другом конце. Скорость нагрева до определённой температуры (либо температура за отрезок времени) будет напрямую зависеть от его теплопроводности.

Если судить по цифрам, то теплопроводность меди почти в два раза превышает показатели алюминия, в несколько раз латунь и лишь немного отстаёт от серебра. И всё же возникает вопрос: как это выглядит в реальных градусах и так ли это на самом деле? Чтобы прояснить этот вопрос, были проведены несложные опыты.

Были взяты образцы проволоки из требуемых металлов диаметром 1.5 мм и длиной 120 мм. На одном конце проволоки с помощью ниток плотно крепились датчики температуры. От окружающей среды датчики изолировались двумя слоями ПХВ трубок.

Нагрев образцов производился с помощью паяльника, на конце жала которого имелось специальное отверстие диаметром 3 мм, заполненное припоем. Поскольку характеристики снимались относительно меди, то образцы тестировались попарно, т.е. Cu – Ag, Cu – Al и т.д. При достижении медным образцом температуры 90°C показания фиксировались фотоснимками.

Температурную точку можно взять другую, но при большем нагреве меньше погрешность. Ещё более высокие температуры грозили выходом из строя термосенсоров.

Погрешность HARDCANO 2 после доводки и поверки на образцовом оборудовании была признана удовлетворительной – межканальное различие показаний не более 0.3°C. Данная ошибка является систематической и её не представляет труда исключить из результатов измерений.

Каждая пара тестировалась несколько раз. Усреднённые результаты приведены на диаграмме.

Если сравнивать между собой справочные данные, то, согласно таблицам, отношение теплопроводности меди к алюминию:

393 / 209 = 1.88 (раза)

Несложные расчёты по опытным данным (с учётом начального смещения при температуре окружающей среды +25°C) дали:

(90 - 25) / (63.3 - 25) = 1.70 (раза)

Если учесть погрешность измерений, разброс данных различных таблиц, а также локальное повышение температуры в зоне измерения, то результаты очень близкие. Сравнение данных медь – латунь дали соответственно 4.59 и 4.28. С учётом тех же причин, а также разнообразия марок латуни, результаты также близки. Небезынтересные данные появились, когда началось тестирование серебра различных марок. Чтобы не загромождать диаграмму, приведено только три – по одной марке на каждую группу сплавов.

В первую группу входит практически чистое аффинированное серебро, предназначенное для изготовления сплавов и промышленных изделий.

Ср 999.9 (СрА – 0) – Ag не менее 99.999%
Ср 999.9 (СрА – 1) – Ag не менее 99.99%
Ср 999.9 (СрА – 2) – Ag не менее 99.98%
Ср 999 – Ag не менее 99.9%

Итак, как показали опыты, теплопроводность серебра превышает медную не менее чем на 15.5%! (Приблизительно такая же цифра упоминалась на одном из форумов).

Интересные данные были получены при тестировании второй группы, в которую входят двухкомпонентные сплавы системы Ag – Cu: СрМ 970, СрМ 960, СрМ 950... СрМ 750, СрМ 500. Цифра, стоящая после буквенного обозначения, указывает на пробу серебра. Так, например, СрМ 875 означает Ag 875 или содержание серебра не менее 87.5% – остальное Cu. К этой системе относятся наиболее распространённые промышленные сплавы серебра, предназначенные для ювелирных изделий, столового серебра, орденов и медалей, а также электрических контактов и пайки.

Выяснилось, что теплопроводность этих сплавов напрямую зависит от содержания серебра, точнее, от процентного соотношения металлов в системе Ag – Cu, что можно отобразить на графике.

Следовательно, каждое замещение меди серебром на 10% даёт увеличение теплопроводности сплава приблизительно на 1.5%. Найти и протестировать легендарный сплав CuSil не удалось, но его состав точно соответствует стандартному припою ПСр 72 (Cu – 28%, Ag – 72%).

Следующая группа ПСр – серебряные припои – очень обширна. В отличие от предыдущей системы, теплопроводность этих сплавов по маркировке труднопредсказуема ввиду добавок различных металлов с низкой теплопроводностью. Например, относительно низкий показатель ПСр 40 объясняется большим содержанием цинка и кадмия. Исключение составляют те немногие припои, где подобных добавок минимум или нет вообще. См. Марки серебряных припоев.

Существует и множество других сплавов серебра, но по данной теме интереса они представляют: либо чрезмерно дороги (Ag – Au, Ag – Pd и т.д.), либо имеют относительно невысокую теплопроводность.

Таким образом, можно лишний раз отметить, что понятие теплопроводности как физической величины характеризуется вполне конкретными значениями, чем и следует руководствоваться при выборе металлов и сплавов для изготовления теплосъёмников.

Цель отжига – приведение металла или сплава в равновесное состояние. Отожжённые металлы имеют улучшенные характеристики по части тепло- и электропроводности, однако практического значения при изготовлении теплосъёмников это не имеет, т.к. изменение составляет доли процента. Сравнение двух идентичных образцов меди с той лишь разницей, что один из них был отожжён при 400°C, а другой исходного состояния, т.е. после волочения, разницы вышеописанным методом не обнаружило.

Несколько забегая вперёд, хотелось бы отметить, что и для механической обработки меди, отожжённой или холоднокатаной, существенной разницы нет.

Условно назовём эту часть ватерблока именно так, хотя в реальности это может быть не только пластина (круглой, квадратной, прямоугольной и т.д. формы), но и короткий цилиндр (усечённый конус), и ещё многое другое.

Основное назначение пластины – приём тепла от источника нагрева и передача его в охлаждающую среду. В связи с тем, что площадь процессора невелика по отношению к количеству выделяемой им теплоты, пластина исполняет роль распределителя теплового потока, обеспечивающего большую площадь контакта с охлаждающей средой.

В случае с плоской пластиной (рис. 1) значительная часть тепловой энергии распространяется радиально от места нагрева. При более объёмном элементе (рис. 2) тепловой поток несколько вытянут. Так или иначе, распределение температуры в массе металла подчинено определённым законам.

Температурным полем называют совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Таким образом, температурное поле описывает распределение температуры в пространстве на каждый момент времени.

Знание картины распределения теплового потока внутри теплосъёмной пластины было бы весьма полезным при разработке конструкции ватерблока: выборе толщины пластины, её размеров, общей геометрии. Можно ли как-то реально измерить этот поток?

Конечно, измерение температуры во всех точках массы металла затруднительно, но снять распределение потока по поверхности оказалось возможно, для чего и были проведены определённые подготовительные работы и ряд опытов.

Для постановки разнообразных экспериментов с медными пластинами различной толщины понадобился стендовый эквивалент центрального процессора.

В качестве нагревательного элемента используется нихром d=0.6 мм, обмотка которого выполнена через изоляцию из слюды на медном сердечнике диаметром 16 мм, имеющим небольшие бортики. В отличие от полупроводникового нагревателя, такое решение позволяет в процессе тестирования частично менять положение испытуемого образца, что может понадобиться в целях уточнения и улучшения прижима, без опасения выхода из строя самого стенда, который несколько минут может работать вообще без охлаждения. В верхней части торец сердечника имеет суженный шлифованный уступ, имитирующий процессор. Его диаметр 12.5 мм, что составляет площадь среднестатистического ядра CPU.

Для предотвращения утечек тепла через боковую поверхность имеется многослойная изоляция из асбеста, закрытая стальным кожухом. Питание стенда осуществляется от стабилизированного источника регулируемого напряжения, что позволяет задавать мощность тепловыделения до 125 Вт.

Точность и повторяемость полученных результатов во многом зависят от правильности выбора точки измерения температуры. В данном случае возможно рассмотрение сердечника как короткого стержня с линейным градиентом температуры, величина которого пропорциональна выделяемой мощности, с одной стороны, и эффективности теплосъёма – с другой.

Для установки датчика температуры сверлилось сквозное отверстие диаметром 2.5 мм перпендикулярно оси сердечника.

Тепловой поток, идущий снизу, обтекает данное отверстие с двух сторон и сходится в своде, толщина которого по отношению к поверхности составляет около 1 мм. В этой верхней точке, а также осевом центре, установлена термопара. Само отверстие закрыто термоизолирующим клином, который прижимает термопару с необходимым усилием к металлу, а также отсекает прямой поток тепла снизу. Контакт датчика окружающим воздухом исключается. Таким образом, проводилось измерение температуры не поверхности, а "ядра" имитатора.

Корпус стендового ватерблока с внешними размерами 62 x 62 x 32 мм и толщиной стенок 4 мм изготовлен из плексигласа. На теплосъёмную пластину корпус приклеивался клеем Н-88. Стыковка ватерблока с нагревателем осуществлялась специальным креплением, прижим – с помощью мощной пружины, сжимаемой винтовой подачей.

Для снятия температуры с пластины независимо от её толщины устроен измерительный канал. Последний представляет собой туннель, дном которого является непосредственно сама тестируемая пластина. Канал проходит от её периферии до точки, находящейся над самым центром имитатора процессора.

Передвигая подключенную к образцовому измерителю на основе В7-38 пружинистую термопару, спай которой упирался только в металлическое основание, мы имеем возможность фиксировать температуру в любой точке. Искажение температурного поля при наложении постороннего тела, каким является термопара, незначительно, т.к. производится измерение температуры металлической поверхности с относительно высокой теплопроводностью, а сам канал изготовлен практически из теплоизолятора.

Общие условия тестирования:

  • Размер медных пластин – 62 х 62 мм. Толщина каждого последующего образца приблизительно в два раза больше предыдущего.
  • Охлаждение "диагонально-прямоточное", пластины плоские, без перегородок и ребер.
  • Площадь охлаждения (с вычетом толщины стенок корпуса) – 54 х 54 мм.
  • Внутренний диаметр пластиковых трубок для циркуляции воды – 8 мм. Реальный расход воды через блок, измеренный методом мерной ёмкости, – 80 л./час.
  • Теплопроводящая паста – КПТ-8, ЗАО "ХИМТЕК".
  • Температура воды на входе помпы около ноля – (0,2 ±0,1)°С.

Для создания и удержания температуры на этом значении помпа устанавливалась в ёмкость с двойными стенками, заполненную водо-ледяной смесью (до 10 кг). Таким образом, до полного таянья льда температура подаваемой жидкости оставалась стабильной и не зависела ни от тепловыделения стенда, ни от окружающей среды. Сама же по себе низкая температура жидкости качественного влияния на результаты тестов не имеет.

Для ясности кратко рассмотрим случай охлаждения тела средой, температура которой меняется со временем по линейному закону. Опыт показывает, что в этом случае температура тела начинает изменяться также по линейному закону, следуя прямой, параллельной прямой изменения температуры среды. Замечателен тот факт, что скорость возрастания (или убывания) температуры среды и охлаждаемого тела одинакова.

Постоянная отставания E в этом случае определяется как время, которое прошло с того момента, когда температура среды была такой, какова в настоящий момент температура тела. В нашем случае имеет место разность температур между CPU и омывающей теплосъёмник водой. Значение температуры процессора в каждый данный момент отличается от температуры среды на независящую от времени величину rE.

Так как тепло во все стороны от места нагрева распространяется равномерно, то расстояние от центра до точки измерения можно принять за радиус окружности, описанной вокруг этого центра.

Результаты тестов большей частью сведены на графике.

Однако для получения адекватных выводов необходим ещё один график – зависимости температуры процессора от толщины пластины, так как температура поверхности пластины, омываемой водой, и температура поверхности имитатора CPU, и тем более его ядра – далеко не одно и то же.

Распределение температуры по площади пластин, даже значительной толщины, не такое равномерное, как можно было ожидать. Перепад между центром нагрева и периферией часто составляет не десятые доли градуса, а несколько (иногда даже десятки) градусов! При данных условиях самая высокая температура "ядра" и центра пластин наблюдалась у более тонких образцов. В определённом плане логично – при увеличении сечения пластины тепло равномернее распределяется по площади и быстрее уходит в охлаждающую среду.

Однако есть существенное примечание: снижение температуры процессора происходит не в прямой зависимости от увеличения толщины основания. Причина всё в той же теплопроводности. Пластину между процессором и охлаждающей средой можно рассматривать как плоскую стенку, температура в которой распределяется не только по радиусу, но и перпендикулярно её плоскости. Тогда тепловой поток, проходящий в единицу времени через единицу поверхности плоской стенки, будет равен:

Q = (λ / b) x (t1 - t2) (1.2)

Таким образом, в плоской стенке распределение температуры подчиняется линейному закону и зависит от толщины стенки b и от значения температуры на её поверхностях t1 и t2. Тепловой поток, преодолевая толщу металла и не успевая перейти в охлаждающую среду, вызывает повышение температуры непосредственно CPU.

Это хорошо видно при тесте 14.4 мм плиты. Температура её поверхности в осевом центре по существу на десятые доли градуса отличается от остальной площади – распределение тепла практически идеальное. Но при этом темп снижения температуры имитатора CPU упал заметнее, чем при переходах на более тонких образцах.

Элементы, соединённые любым видом припоя, представляют собой многослойную структуру, или ту же самую стенку. Распределение температур в такой стенке пропорционально коэффициенту теплопроводности и обратно пропорционально толщине данного слоя.

Для получения наглядных результатов, характеризующих свойства таких конструктивных элементов, были подготовлены следующие образцы: два отрезка медной проволоки плотно соединялись и паялись широко известным припоем ПОС-61. Общая длина полученного экземпляра составляла 120 мм – то же, что и у одиночных образцов.

Нагрев и измерение производилось с концов различных отрезков и, как видно по снимку, тепло передавалось только через припой. Результат на диаграмме.

Теплопроводящая паста в этом случае даёт положительный эффект, но очень слабый, так как отрезки проволоки имеют круглое сечение и слой пасты получается значительным. Момент вдвойне показателен: в определённых случаях обычный припой ПОС-61 работает достаточно хорошо, а также заметно превосходит теплопроводность любой пасты.

Другой образец – две медные пластины, спаянные тем же припоем по всей плоскости.

По срезу левого угла можно понять технологию изготовления (предварительное лужение, сжатие в разогретом состоянии и последующее охлаждение) и определить толщину пластин – одна 2 мм, другая 1 мм. Результат тестирования такого составного элемента оказался несколько странным, но не бесполезным.

Температурное поле заняло промежуточное место между образцами толщиной в 2 и 4.1 мм, что, в общем, ожидаемо, но при этом температура ядра не изменилась ни на градус по сравнению с одиночной 2 мм пластиной!

Тем не менее, в работоспособности конструктивных элементов, изготовленных методом пайки припоем с низкой теплопроводностью, в дальнейшем будет возможность убедиться.

Итак, сталкиваются два эффекта: с одной стороны, увеличение толщины приводит к более равномерному распределению тепла от процессора по площади основания ватерблока, с другой – возрастает тепловое сопротивление на пути к охлаждающей среде, неоправданно растёт вес (расход металла) изделия. На данном этапе, опираясь на результаты опытов, можно сделать частное определение: толщина основания зависит от линейных размеров теплосъёмника (от которых, в свою очередь, зависит расстояние, на которое необходимо передать тепло).

Если нет необходимости распределять тепло на большое удаление от центра, то толщина может быть минимальной, но не меньше определённой величины. Это связано с тем, что конструкция, воспринимающая нагрузки, должна противостоять различным воздействиям, а именно: прижиму к процессору, возможной коррозии и т.д., а также обеспечивать герметичность и жёсткость. Обычно достаточно 1–1.5 мм.

С увеличением размеров пластины на каждые 10 мм её толщина должна возрастать приблизительно на 1 мм. К примеру, при среднем поперечнике (диаметре) основания 30 мм достаточно толщины основания 3 мм, при 40 мм – 4 мм и т.д.

Следует иметь в виду, что данное определение в большей мере справедливо для процессоров, имеющих собственную крышку, в определённой мере обладающую теплораспределительными свойствами. Если речь идёт об охлаждении процессоров с отрытым ядром, то к этому следует добавить ещё 1 мм. (Например, при размерах основания 60 х 60 мм получаем 6 + 1 = 7 мм.) Однако то, что в целом характерно для ровных пластин с поперечником до 60 мм, неоднозначно для более сложной геометрии.

Предположим, поставлено условие: получить конструкцию теплосъёмника, имеющую эффективную площадь теплоотдачи не менее 40 кв. см. В простейшем варианте это может быть плоская пластина с размерами 60 х 66 мм, без учёта устройства крышки. В этом случае, как мы знаем из опыта, для достижения необходимого эффекта может потребоваться толщина основания до 7–8 мм. Однако, если вместо ровной поверхности основание будет иметь дополнительные элементы рельефа, например рёбра, то его периметр сокращается, причём в различной мере.

Все три варианта имеют одинаковую высоту рёбер – 5 мм. (Размеры пластин указаны под рисунками.) Путём несложного подсчёта легко убедиться, что их площадь также приблизительно равна. При этом размеры радиаторов, за счёт более или менее плотного размещения рёбер, существенно различаются. Различна также и длина пути (отображена красной линией), которую тепловой поток должен преодолеть до границы теплообмена.

Вариант с меньшими размерами (рис. 5) явно предпочтительнее. Он может иметь относительно тонкую пластину, так как нет необходимости распределять тепло на значительный радиус, что ещё более сократит длину теплового пути по сравнению с более крупными образцами (рис. 3, 4).

При рассмотрении вопроса необходимо иметь в виду некоторые факты:

  • Температурное поле поверхности пластин является нелинейным, в отличие от потока, направленного перпендикулярно толще пластины. Объясняется это тем, что при увеличении радиуса удаления от центра нагрева увеличивается и длина окружности, описанной вокруг этого центра. Следовательно, площадь, мысленно образованная этой секущей окружностью, имеет квадратичную зависимость.
  • В радиусе 3–5 мм от центра нагрева, в зависимости от условий, наблюдается максимальный, но достаточно ровный градиент, лишний раз говорящий о том, что CPU – не точечный источник тепла.
  • Наибольший градиент укладывается в расстояние 14–15 миллиметров от центра CPU.

Размеры теплосъёмной пластины, в свою очередь, имеют прямую зависимость от рельефа или площади, которую необходимо получить в соответствии с требованиями. Иначе говоря, чем плотнее может быть выполнен рельеф на единицу площади основания, тем меньших размеров оно может быть.

Собственно максимальный размер ватерблока в сборе ограничивается габаритами процессорного разъема и вариантами крепления. Главное – обеспечить те условия теплообмена, о которых уже говорилось. Следует также заметить, что зависимость температурного поля от мощности процессора прослеживается очень чётко: чем больше тепловыделение, тем больше изгиб характеристик в центральной части.

Тема не будет полностью раскрыта без рассмотрения некоторых вопросов, связанных с конвективным теплообменом, а также закономерностей, установленных для теплоотдачи от твёрдого тела в жидкую (или газообразную) среду. Поскольку в теплосъёмниках циркуляция охлаждающей жидкости носит в основном принудительный характер, дальнейшие вопросы будут рассматриваться с этой точки зрения.

Чтобы получить ответы на последующие вопросы, потребовалась серия опытов соответствующего плана, которые будут рассмотрены в следующей статье: Гидродинамика теплосъёмника.

CONTINENTAL


Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.

overclockers.ru

Серебро, коэффициент теплопроводности - Справочник химика 21

    Теплопроводность - свойство материалов проводить тепло с определенной скоростью. Хорошо проводят тепло металлы - серебро, медь, алюминий, сталь. Пластмассы, пластики, каучуки, графит, керамика и шамотный кирпич медленно проводят тепло. Теплопроводность материалов оценивается величиной коэффициента теплопроводности X. При 20°С величина теплопроводности для меди равна 384 Вт/(м К), у стали - в восемь раз ниже. [c.64]
    Опытные данные показывают, что величина Я для разных веществ сильно разнится, а для одного и того же вещества зависит от температуры, плотности, структуры, влажности и других факторов. Наибольшая теплопроводность наблюдается у металлов, для которых значения к при 20 °С находятся в пределах 2,3—418 Вт/(м-К), причем верхний предел относится к серебру. Далее следуют красная медь (X 395), золото Я яй 300), алюминий ( t 210), цинк ( t = 113) и т.д. На коэ ициенты теплопроводности металлов оказывают большое влияние примеси и их концентрация, а также структурные изменения, вызванные термической обработкой, ковкой, вытяжкой и т. п. Так, например, следы мышьяка уменьшают коэффициент теплопроводности меди на 60—65%, а 1% примесей понижает к для алюминия на 15%. Величина к для углеродистой стали падает с ростом содержания углерода, марганца и серы. В результате закалки коэффициент теплопроводности углеродистой стали снижается на 10%. Наконец, для большинства металлов величина к уменьшается с ростом температуры. [c.267]

    Изменение коэффициента теплопроводности поликристаллического серебра (чистота 99,999 /о) в магнитном поле [c.114]

    Деление элементов и простых веществ на металлы и неметаллы в известной степени неоднозначно, С одной стороны, металлы и неметаллы различают по их физическим свойствам, которые проявляются у соответствующих простых веществ. Так, для металлов характерны высокая теплопроводность и электрическая проводимость, отрицательный температурный коэффициент проводимости, специфический металлический блеск, ковкость, пластичность и т.п. Физические свойства неметаллов существенно иные они хрупки, обладают низкой теплопроводностью и электрической проводимостью с положительным температурным коэффициентом (возрастание с температурой) и т.п. С другой стороны, различие между металлами и неметаллами проявляется в их химических свойствах для первых характерны основные свойства оксидов и гидроксидов и восстановительное действие, для вторых — кислотный характер оксидов и гидроксидов и окислительная активность. Ориентируясь на физические свойства, к типичным металлам следует отнести, например, медь, серебро и золото, обладающие наиболее высокой электрической проводимостью и пластичностью. Однако по химическим свойствам эти вещества вовсе не относятся к типичным металлам, поскольку стоят в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений) после водорода. В то же время для элементов IА-группы, являющихся по химическим свойствам самыми активными металлами, некоторые физические характеристики (например, электрическая проводимость) выражены не так ярко. Таким образом, подразделяя элементы на металлы и неметаллы, всегда следует иметь в виду, по каким свойствам это деление осуществляется по химическим или по физическим. [c.244]

    Коэффициент теплопроводности газов находится в пределах 0,005—0,15 ккал м-ч-град), жидкостей 0,08—0,6 ккал м-ч-град). Для твердых тел значения коэффициентов теплопроводности лежат в более широких пределах для теплоизоляционных материалов 0,01—0,1 ккал м-ч-град), Для металлов 2—360 ккал м-ч-град). Коэффициенты теплопроводности металлов, применяемых в химическом машиностроении, имеют следующие значения серебро — 360, медь — 320, алюминий — 170, чугун — 54, никель — 50, углеродистая сталь — 39, свинец — Ю, нержавеющая сталь — 12 — 20 ккал м-ч-град). [c.122]

    Выведите закон Видемана—Франца, согласно которому отношение теплопроводности металла к его электропроводности пропорционально Т, а коэффициент пропорциональности имеет одинаковое значение для всех металлов. Обратите внимание, что это количественная формулировка известного из обычной практики правила, что хорошие электрические проводники, например медь, серебро, обладают и хорошей теплопроводностью. [c.88]

    Для тел, плохо проводящих тепло, коэффициент теплопроводности много меньше единицы, например для стекла Х=5-10 Дж/(см-с-К), а для хорощо проводящих металлов (медь, серебро) близок к единице, т. е. приблизительно в 200 раз больше. [c.125]

    В кипящем слое катализатора, как показано в главе I, перенос тепла осуществляется в быстром вихревом движении и столкновении твердых частиц нри турбулизованной газовой фазе. Эффективные коэффициенты теплопроводности составляют тысячи кДж/(м-ч-°С), в результате и достигается приближение к изотермам как по высоте, так и по сечению слоя для любых малотеплопроводных зерен катализатора. Примерная теплопроводность катализаторов в неподвижном слое, а также окиси алюминия, металлического серебра и катализаторов кипящего слоя приведена [53] для сравнения в табл. II.2. [c.101]

    В таблицах 10. 3—10. 5 сравниваются удельное электросопротивление, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности урана с этими же свойствами других, более широко известных металлов. Следует отметить, что в определенном интервале температур удельное электросопротивление урана примерно такое же, как и железа, свинца или никеля, но на порядок величины превышает удельное электросопротивление алюминия, меди или серебра. Эти данные надо иметь в виду при индукционном нагреве 0 307 [c.307]

    Из рисунка видно, что при эрозии платиновых металлов в атмосфере воздуха и аргона точки, характеризующие эрозию платины, палладия, родия, меди и золота, лежат на одной прямой. Исключение составляют серебро, у которого самый высокий коэффициент теплопроводности, а также иридий и рутений (в аргоне), имеющие самые высокие температуры плавления и кипения. Чтобы выяснить характер влияния тепловых свойств на величину эрозии, те же металлы в виде корольков весом 150—200 мг помещали в кратер графитового электрода и производили испарение при тех же условиях. В этом опыте теплопроводность металлов не должна играть заметной роли и более четко должно проявиться влияние тепловых свойств металлов. Результаты наблюдения показывают, что серебро, палладий и золото разрушаются сильнее, а тугоплавкие металлы (иридий и рутений) меньше, чем родий и платина, температуры плавления и кипения которых занимают среднее положение. Следовательно, при оценке результатов эрозии следует учитывать тепловые характеристики данного металла. [c.25]

    К металлам относят вещества, которые обладают рядом характерных свойств хорошей электро- и теплопроводностью и отражательной способностью к световому излучению (блеск и непрозрачность), отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, повышенной пластичностью (ковкость). Данные свойства металлов обусловлены наличием подвижных электронов, которые постоянно перемещаются от одного атома к другому. Вследствие такого обмена в металлической структуре всегда имеется некоторое количество свободных электронов, т. е. не принадлежащих в данный момент каким-либо определенным атомам. Чрезвычайно малые размеры электронов позволяют им свободно перемещаться по всему металлическому кристаллу и придавать металлам характерные свойства. Слабой связью валентных электронов с ядром атома объясняются и многие свойства металлов, проявляющиеся при химических реакциях образование положительно заряженных ионов-катионов, образование основных окислов и др. Металлы с хорошей электропроводностью одновременно обладают высокой теплопроводностью (рис. 105). Наибольшей электропроводностью обладают металлы серебро, медь, золото, алюминий. Медь и алюминий широко используются для изготовления электрических проводов. По твердости металлы располагаются в ряд, приведенный на рис. 106. По плотности все металлы усло

www.chem21.info

Существует и другой способ перемещения тепла (теплопередачи). Он возможен не только в подвижной среде (жидкости и газе), но и в твердых телах. Тепло может перемещаться по телу и через него к другому предмету без перемещения частей этого тела относительно друг друга, т.е. без перемещения вещества. Такой способ носит название теплопроводности.

Различные вещества по-разному проводят тепло. Лучшие проводники тепла — металлы (особенно серебро, медь). Хуже всего проводят тепло теплоизоляторы — воздух, войлок, древесина. Плохая теплопроводность воздуха используется в наших домах — слой воздуха между двойными стеклами окон является прекрасным теплоизолятором.

Таблица теплопроводности
(сравнение чисел характеризует относительную скорость передачи тепла каждым материалом)

Вещество Коэффициент
теплопроводности
Серебро 428
Медь 397
Золото 318
Алюминий 220
Латунь 125
Железо 74
Сталь 45
Свинец 35
Кирпич 0,77
Вода 0,6
Сосна 0,1
Войлок 0,057
Воздух 0,025

physica-vsem.narod.ru

Медь теплопроводность - Справочник химика 21

    Медь, серебро и золото несколько выпадают из общей для переходных металлов закономерности по своему электронному строению с валентной конфигурацией Они характеризуются более низкими температурами плавления и кипения, чем предшествующие им переходные элементы, и являются довольно мягкими металлами. Проявление таких свойств соответствует закономерной тенденции к ослаблению металлических связей, обнаруживаемой начиная с группы У1Б(Сг-Мо- У). Эта тенденция объясняется постепенным уменьшением числа неспаренных -электронов у атомов металлов второй половины переходных рядов. Медь, серебро и золото обладают очень большой электро- и теплопроводностью, поскольку их электронное строение обусловливает высокую подвижность 5-электронов. Эти металлы ковки, пластичны и инертны и могут находиться в природе в металлическом состоянии. Они встречаются довольно редко и поэтому имеют высокую стоимость, но все же распространены значительно больше, чем платиновые металлы. Относительно большая распространенность и возможность существования этих металлов в природе в несвязанном виде послужили причиной того, что они явились первыми металлами, с которыми познакомился чёловск и кошрые иН научился обрабатывать. По-видимому, первым металлом, который стали восстанавливать из его руды, была медь. Металлургия началась с открытия того, что сплав меди с оловом (естественно встречающаяся примесь) дает намного более твердый материал - бронзу. Медные предметы были найдены [c.446]
    Общие свойства меди и ее сплавов. Медь, помимо широкого применения в технике по причине ее высокой электропроводности, используется в химическом машиностроении в качестве конструкционного материала для изготовления разнообразной химической аппаратуры и в особенности теплообменной аппаратуры (выпарные аппараты,теплообменники,конденсаторы, испарители, змеевики и т. п.). Объясняется это высокой теплопроводностью меди и ее сплавов, их благоприятными физико-механическими свойствами при достаточно высокой [c.245]

    Е. Конструкционные материалы. Основными конструкционными материалами являются алюминий, углеродистая и нержавеющая стали. Выбор материала определяется расчетными предельными значениями давления и температуры, а также коррозионной стойкостью. В отсутствие коррозионных жидкостей высокая теплопроводность алюминия обеспечивает самую низкую стоимость теплообменника. Алюминий целесообразно применять в диапазоне температур от криогенных до 250 °С, углеродистую сталь — от 250 до 480 "С, нержавеющую сталь — в диапазоне 250—650 С. Для работы при высоких температурах в условиях коррозии предпочтительно использовать нержавеющие стали. Медь удобна для паяных конструкций и обеспечивает идеальные тепловые свойства. Тем не менее ее применяют только в коррозионной среде, где неприменим алюминий. В большинстве автомобильных радиаторов применяются медь или медные сплавы. [c.307]

    Из металлов лучше всего проводят тепло серебро и медь. Теплопроводность алюминия примерно в 2,5 раза, железа в 6 раз, свинца в 12 раз меньше, чем меди. [c.59]

    Влияние теплопроводности шариков и цилиндров на коэффициент теплопередачи от потока к стенке исследовалось в этой же работе. Зерна были сделаны из железного литья, цинка, алюминия и меди. Результаты приведены на рис. 1-45 и представляют собой зависимость поправочного коэффициента (а) (а) от величины коэффициента теплопроводности данного металла >.ч, ккал, м-ч - град). На этот коэффициент следует умножить коэффициент теплопередачи, полученный из графика (рис. 1-44). [c.58]

    Для более интенсивного отвода тепла от выхлопных клапанов в мощных двигателях применяют более сложную систему охлаждения. Для этого стержень и тарелку клапана делают полыми полость заполняют калиевой солью (ККО. ), натриевой солью (КаКО ), металлическим натрием (Ка) и через полость клапана пропускают охлаждающую воду. Иногда в полую часть стержня (шпинделя) запрессовывают стержень из красной меди, теплопроводность которой в 7 — [c.327]

    Более низкая, чем у меди, теплопроводность титановых труб компенсируется за счет меньшей толщины стенки и отсутствия образования накипи на стенках труб. Опытные испытания в США показали, что титановые трубы более эффективны при эксплуатации в опреснительных установках для морской воды, чем трубы пз рекомендованных для этой цели медных сплавов. Исследования, проведенные институтом титана (г. Запорожье), показывают, что экономическая [c.40]

    Медь пластична (легко изменяет форму под внешним механическим воздействием), очень хорошо проводит электрический ток, обладает высокой теплопроводностью, относительно устойчива к химическим воздействиям, устойчива к коррозии, ее поверхность имеет приятный оттенок и блеск. [c.148]

    Металлы имеют высокую теплопроводность и называются поэтому хорошими проводниками тепла. Из них лучшие проводники — серебро и медь. Теплопроводность серебра и меди в 8 раз больше теплопроводности стали. [c.23]

    Медь давно применяется как основной материал- при изготовлении лабораторных сосудов для жидких кислорода и азота. Емкость таких сосудов может быть от 5 до 1000 л. Изделия из меди можно получать выдавливанием или штамповкой, а пайка медных соединений производится весьма просто. Медь имеет высокую отражательную способность и является поэтому особенно подходящим материалом для оболочек, ограничивающих изолирующее

www.chem21.info

Плотность золота, его теплоемкость и теплопроводность

В таблице представлены свойства золота — такие, как плотность, удельная теплоемкость, коэффициент температуропроводности, теплопроводность и удельное электрическое сопротивление.

Золото относится к тяжелым металлам и имеет высокую плотность, значение которой близко к плотности урана. Известны случаи подмены золотых слитков слитками из урана с позолотой. По массе и внешнему виду такие слитки практически идентичны золотым. Плотность золота равна 19300 кг/м3, а плотность урана 19100 кг/м3 (значения даны при температуре 300 К или 27°С).

С ростом температуры плотность золота уменьшается. Например, при 1000 К она принимает значение 18650 кг/м3. Золото начинает плавится при температуре около 1100°С. При переходе в жидкое состояние плотность золота резко снижается — плотность жидкого золота при этой температуре равна 17170 кг/м3.

Удельная теплоемкость золота, как и других тяжелых металлов — невысока. При температуре 27°С теплоемкость золота равна 128,7 Дж/(кг·град). При нагревании золота его удельная теплоемкость растет. Зависимость теплоемкости золота от температуры подобна таковой для меди и серебра, хотя при плавлении у золота скачек теплоемкости отсутствует. Теплоемкость жидкого золота при дальнейшем росте его температуры снижается. Коэффициент электронной теплоемкости золота равен 764 кДж/(моль·К2).

Золото относится к металлам с высоким значением коэффициента теплопроводности. Теплопроводность золота равна 317 Вт/(м·град). В таблице даны два значения теплопроводности для каждой температуры (по данным разных авторов). Для расчетов можно взять среднее значение. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности золота подобна аналогичным зависимостям для серебра и меди, хотя значение теплопроводности золота несколько меньше. Теплопроводность золота уменьшается при нагревании.

Температуропроводность золота при нагревании также уменьшается. При температуре 300 К она равна 128·10-6 м2/с (погрешность данных в таблице по температуропроводности 5%). Удельное электрическое сопротивление золота больше чем у меди и серебра. При комнатной температуре оно составляет величину 2,27·10-8 Ом·м. С повышением температуры золота его удельное электрическое сопротивление растет, а при переходе золота в жидкое состояние значительно увеличивается (в 2-3 раза).

Источник:
В.Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.

thermalinfo.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *