17. Теплоємність та теплопровідність металів та сплавів

Теплоємність – це здатність речовини поглинати тепло при нагріванні. Її характеристикою є питома теплоємність - кількість енергії, що поглинається одиницею маси при нагріванні на один градус. Від величини теплопровідності залежить можливість появи тріщин у металі. Якщо теплопровідність низька, ризик виникнення тріщин збільшується. Так, леговані сталі мають теплопровідність, яка вп'ятеро менша, ніж теплопровідність міді та алюмінію. Розмір теплоємності впливає на рівень палива, що витрачається, на нагрівання заготовки до певної температури.

У металевих сплавів питома теплоємність у межах 100-2000 Дж/(кг*К). Більшість металів теплоємність становить 300–400 Дж/(кг*К). Теплоємність металевих матеріалів зростає із підвищенням температури. Полімерні матеріали, зазвичай, мають питому теплоємність 1000 Дж/(кг?К) і більше.

Електричні властивості матеріалів характеризуються наявністю носіїв зарядів електронів чи іонів і їх пересування під впливом електричного поля.

Високі енергії ковалентного та іонного зв'язку повідомляють матеріалам з цими типами зв'язку властивості діелектрика. Їхня слабка електрична провідність обумовлена впливом домішок, причому під впливом вологи, що утворює з домішками провідні розчини, електропровідність таких матеріалів зростає.

Матеріали з різними типами зв'язку мають різні температурні коефіцієнти електроопору: у металів він позитивний, у матеріалів з ковалентним та іонним типом зв'язку – негативний. При нагріванні металів концентрація носіїв зарядів – електронів не збільшується, а опір їхньому руху зростає через збільшення амплітуд коливань атомів. У матеріалахз ковалентним або іонним зв'язком при нагріванні концентрація носіїв зарядів підвищується настільки, що нейтралізується вплив перешкод від збільшення коливань атомів.

Теплопровідністю називається перенесення теплової енергії у твердих тілах, рідинах та газах при макроскопічній нерухомості частинок. Перенесення теплоти походить від гарячіших частинок до холодних і підпорядковується закону Фур'є.

Теплопровідність залежить від типу міжатомного зв'язку, температури, хімічного складу та структури матеріалу. Теплота в твердих тілах переноситься електронами та фононами.

Механізм передачі теплоти, насамперед, визначається типом зв'язку: у металах теплоту переносять електрони; у матеріалах з ковалентним чи іонним типом зв'язку – фонони. Найбільш теплопровідним є алмаз. У напівпровідниках при дуже незначній концентрації носіїв заряду теплопровідність здійснюється в основному фононами. Чим досконаліше кристали, тим вища їхня теплопровідність. Монокристали краще проводять теплоту, ніж полікристали, оскільки межі зерен та інші дефекти кристалічної структури розсіюють фонони та збільшують електроопір. Кристалічні грати створює періодичний енергетичний простір, у якому передача теплоти електронами або фононами полегшена порівняно з аморфним станом.

Чим більше домішок містить метал, дрібніше зерна і більше спотворені кристалічні грати, тим менше теплопровідність. Чим більші розміри зерен, тим вище теплопровідність. Легування вносить спотворення кристалічні решітки твердих розчинів і знижує теплопровідність проти чистим металом – основою металу. Структурні складові, що становлять дисперсні суміші декількох фаз (евтектики, евтектоїди), знижують теплопровідність. Структури з рівномірнимрозподіл частинок фаз мають меншу теплопровідність, ніж основа сплаву. Граничним видом такої структури є пористий матеріал. Порівняно з твердими тілами гази є утеплювачами.

Графіт має високу теплопровідність. При передачі теплоти паралельно шарам атомів вуглецю базисної площини теплопровідність графіту перевищує теплопровідність міді більш ніж у 2 рази

Розгалужені пластини графіту в сірому чавуні мають структуру монокристалу, тому він має високу теплопровідність. Високоміцний чавун із кулястим графітом при тій же об'ємній частці графіту має теплопровідність 25...40 Вт/м*К, що майже вдвічі менше порівняно із сірим чавуном.

При нагріванні теплопровідності сталей різних класів зближуються. Скло має низьку теплопровідність. Полімерні матеріали погано проводять теплоту, теплопровідність більшості термопластів вбирається у 1,5 Вт/(мОК).

Теплопровідність може змінюватися так само, як і електропровідність у разі, якщо електронна теплопровідність металу становить l e. Тоді будь-які зміни, що відбуваються в хімічному та фазовому складі та структурі сплаву впливають на теплопровідність так само, як і на електропровідність (за правилом Відемана-Франця).

При віддаленні складу металу від чистих компонентів відбувається зниження теплопровідності. Виняток становлять, наприклад, мідно-нікелеві сплави, у яких відбуваються зворотні явища.