Все металлы хорошо проводят тепло
- Участник:Шароглазова Ксения Сергеевна
- Руководитель: Печерская Светлана Юрьевна
Актуальность: В наше время разрабатываются новые материалы. Знания о теплопроводности различных веществ позволяет не только широко использовать их, но и предотвращать их вредное воздействие в быту, технике и природе.
Цель: изучение явления теплопроводности, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостями и газами.
Задачи:
- изучить теоретический материал по данному вопросу;
- исследовать теплопроводность твердых тел;
- исследовать теплопроводность жидкостей;
- исследовать теплопроводность газов;
- сделать выводы о полученных результатах.
Гипотеза: все вещества (твердые, жидкие и газообразные) имеют разную теплопроводность.
Оборудование: спиртовка, штатив, деревянная палочка, стеклянная палочка, медная проволока, пробирка с водой.
Элементы УМК к учебнику А.В.Перышкина: учебник «Физика. 8 класс» А.В.Перышкина
Содержание работы
Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Опыт 1. Исследование теплопроводности твердых тел на примере деревянной палочки, стеклянной палочки и медного стержня
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится.
Вывод: дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным.
Вывод: стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Вывод: металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Рассмотрим передачу тепла от одной части твердого тела к другой на следующем опыте. Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков (рис. 6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.
Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и т. д. Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому.
Опыт 2. Исследование теплопроводности жидкостей на примере воды
Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой и станем нагревать ее верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 7). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах.
Вывод: теплопроводность жидкостей меньше теплопроводности металлов.
Опыт 3. Исследование теплопроводности газов
Исследуем теплопроводность газов.
Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 8). Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел.
Вывод: теплопроводность у газов еще меньше, чем у жидкостей. Итак, теплопроводность у различных веществ различна.
Выводы и их обсуждение
Вывод: Проведенные опыты показывают, что теплопроводность у различных веществ различна. Наибольшей теплопроводность обладают металлы, у жидкостей теплопроводность невелика и самая малая теплопроводность у газов.
Используя §4 учебника физики для 8 класса, представим результаты в виде таблицы:
металлы (серебро, медь, железо)
пористые тела, пробка, бумага, стекло, кирпич, пластмассы
волосы, перья птиц, шерсть
Объяснение явления теплопроводности с молекулярно-кинетической точки зрения: теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В металлах частицы расположены близко, они постоянно взаимодействуют друг с другом. Скорость колебательного движения в нагретой части металла увеличивается и быстро передается соседним частицам. Повышается температура следующей части проволоки. В жидкостях и газах молекулы расположены на больших расстояниях, чем в металлах. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Применение теплопроводности
Теплопроводность на кухне
Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы (медь, алюминий…), так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается пище. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность — в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых пище передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане — один из примеров уменьшения теплопроводности. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество — способность держать температуру. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне — плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью.
Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры пищи неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них пища остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, пище — остыть, а рукам — получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для пищи навынос. В вакуумном сосуде Дьюара (известном как «термос», по названию торговой марки) между наружной и внутренней стенкой почти нет воздуха — это еще больше уменьшает теплопроводность.
Отопительная система
Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы. Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Основные характеристики радиатора отопления: материал изготовления, тип конструкции, габаритные размеры (кол-во секций), теплоотдача. Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Наиболее часто используют чугунные радиаторы; алюминиевые радиаторы; стальные радиаторы; биметаллические радиаторы.
Теплопроводность для тепла
Мы используем материалы с низкой теплопроводностью для поддержания постоянной температуры тела. Примеры таких материалов — шерсть, пух, и синтетическая шерсть. Кожа животных покрыта мехом, а птиц — пухом с низкой теплопроводностью, и мы заимствуем эти материалы у животных или создаем похожие на них синтетические ткани, и делаем из них одежду и обувь, которые защищают нас от холода. Кроме этого мы делаем одеяла, так как спать под ними удобнее, чем в одежде. Воздух имеет низкую теплопроводность, но проблема с холодным воздухом в том, что обычно он может свободно двигаться в любом направлении. Он вытесняет теплый воздух вокруг нас, и нам становится холодно. Если движение воздуха ограничить, например, заключив его между внешней и внутренней стенками сосуда, то он обеспечивает хорошую термоизоляцию. У снега и льда тоже низкая теплопроводность, поэтому люди, животные и растения используют их для теплоизоляции. В свежем не утрамбованном снеге внутри находится воздух, что еще больше уменьшает его теплопроводность, особенно потому, что теплопроводность воздуха ниже теплопроводности снега. Благодаря этим свойствам, ледяной и снежный покров защищает растения от замерзания. Животные роют ямки и целые пещеры для зимовья в снегу. Путешественники, переходящие через заснеженные районы, иногда роют подобные пещеры, чтобы в них переночевать. С древнейших времен люди строили убежища изо льда, а сейчас создают целые развлекательные центры и гостиницы. В них часто горит огонь, и люди спят в мехах и синтетических спальных мешках.
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности в организме людей и животных необходимо поддерживать определенную температуру в очень узких пределах. У крови и других жидкостей, а также у тканей разная теплопроводность и ее можно регулировать в зависимости от потребностей и окружающей температуры. Так, например, организм может изменить количество крови на участке тела или во всем организме с помощью расширения или сужения сосудов. Наше тело также может сгущать и разжижать кровь. При этом теплопроводность крови, а, следовательно, и части тела, где эта кровь течет, изменяется.
Теплолечение
Современные методы лечения теплом могут быть разделены на три большие группы: 1) контактное приложение нагретых сред; 2) светотепловое облучение и 3) использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока. Остановимся на использовании нагретых сред. Для теплолечения выбираются среды, позволяющие создать в них значительный запас теплоты. Эта теплота затем должна медленно и постепенно передаваться организму во все время процедуры. Для этого среда должна иметь, возможно, высокую теплоемкость и сравнительно низкие теплопроводность и конвекционную способности. Для теплолечения в основном применяют следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи и парафин.
Теплопроводность в бане
Многие любят отдыхать в саунах или банях, но сидеть там на скамейках из материала с высокой теплопроводностью — было бы невозможно. Требуется много времени, чтобы сравнять температуру таких материалов с температурой тела, поэтому вместо них используют материалы с низкой теплопроводностью, например дерево, верхние слои которого намного быстрее принимают температуру тела. Так как в сауне температура поднимается достаточно высоко, люди часто надевают на голову шапочки из шерсти или войлока, чтобы защитить голову от жары. В турецких банях хамамах температура намного ниже, поэтому там для скамеек используют материал с более высокой теплопроводностью — камень.
Интересные факты о теплопроводности
Тепло ли колючим зверям в иголках?
Шерсть не только спасает зверей от холода, но и служит средством защиты. А чтобы защита была внушительнее и надежнее, волосяной покров порой видоизменяется, превращаясь в своеобразные доспехи. Иглы, например. Но вот сохраняет ли такое облачение присущие шерсти свойства, не зябнут ли ежи и дикобразы в своих колючих шубках?
Ученые Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северова РАН обстоятельно изучили теплопроводные и теплоизоляционные свойства иголок, взятых со спины взрослого самца североамериканского дикобраза из коллекции Зоологического музея МГУ, и убедились, что греют эти самые иголки очень даже неплохо. Чтобы понять внутреннюю структуру игл, на них делали тонкие срезы, на которые напыляли золото для исследования в электронном микроскопе. Кератин — главная составляющая иголок — проводит тепло в 10 раз лучше, чем воздух. И благодаря этому иглы увеличивают теплопроводность «доспехов». Следовательно, возрастают и потери тепла с тела животного. Однако внутренняя пористая структура игл создает дополнительное экранирование теплового излучения, что, скорее всего, и компенсирует увеличение теплопроводности. Так что дикобраз, как и другие колючие звери, вовсе не страдает от холода. Иглистый покров сохраняет ровно столько тепла, сколько нужно теплокровному животному такого размера.
Полипропилен
Пока является лучшей основой для материалов (волокон, нитей, пряжи, полотен, тканей), используемых в производстве нательной спортивной одежды, термобелья и термоносков. Среди всех синтетических материалов, применяемых в этой области, он обладает самой низкой теплопроводностью. Поэтому одежда из полипропилена позволяет наилучшим образом сохранить тепло зимой и прохладу летом.
Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?
Материалом с наивысшей теплопроводностью является вовсе не какой-нибудь металл (серебро или медь), как думают многие. Самую высокую теплопроводность имеет материал, который похож на стекло – алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше, чем у серебра или меди. Если изготовить чайную ложечку из алмаза, то воспользоваться ею не удастся, так как она будет обжигать пальцы в ту же секунду.
Из чего изготавливают сваи при строительстве зданий в регионах с вечной мерзлотой?
Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними. Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала, внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.
«Огнеупорный шарик»
Обычный воздушный шарик, надутый воздухом, легко воспламеняется в пламени свечи. Он тут же лопается. Если же к пламени свечи поднести такой же шарик, заполненный водой, он становится «огнеупорным». Теплопроводность воды в 24 раза больше, чем у воздуха. Значит, вода проводит тепло в 24 раза быстрее, чем воздух. Пока вода не испарится внутри шарика – он не лопнет.
Теплопроводность металлов
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов - один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.
Что такое теплопроводность и для чего нужна
Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.
Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.
Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности
Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.
Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.
Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С
От чего зависит показатель теплопроводности
Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:
- вида металла;
- химического состава;
- пористости;
- размеров.
Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.
Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.
Методы измерения
Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.
Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.
Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.
Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов
Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.
Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.
Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.
Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.
Применение
Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.
Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:
- кухонная посуда с различными свойствами;
- оборудование для пайки труб;
- утюги;
- подшипники качения и скольжения;
- сантехническое оборудование для подогрева воды;
- приборы отопления.
Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.
При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.
9 теплопроводов и их характеристики
В проводники тепла Это те материалы, структура которых такова, что тепло может проходить через них очень легко. Следует помнить, что вся материя состоит из атомов и молекул, находящихся в постоянном колебательном движении, и что тепло приводит к еще большему возбуждению этих частиц.
Некоторые материалы проводят тепло лучше, чем другие, потому что их внутренняя конфигурация облегчает поток энергии. Например, дерево не является хорошим проводником тепла, потому что для его нагрева требуется много времени. Но с другой стороны, железо, медь и другие металлы есть, а это означает, что их частицы очень быстро приобретают кинетическую энергию.
Вот почему металлы являются фаворитом для изготовления кухонной утвари, такой как кастрюли и сковороды. Они быстро нагреваются и достигают температуры, достаточной для правильного приготовления пищи.
Однако ручки и ручки, контактирующие с руками пользователя, изготовлены из других теплоизоляционных материалов. Таким образом, с кастрюлями легко обращаться, даже если они горячие.
Типы проводников
В зависимости от способа отвода тепла материалы подразделяются на:
–Теплопроводники: алмаз и металлы, среди которых медь, железо, цинк и алюминий. Хорошие проводники электричества обычно также хорошо проводят тепло.
–Теплоизоляция: дерево, резина, стекловолокно, пластик, бумага, шерсть, аниме, пробка, полимеры - хорошие примеры. Газы тоже не являются хорошими проводниками.
Теплопроводность материалов
Свойство, которое по сути характеризует способ, которым каждый из них проводит тепло, называется Теплопроводность. Чем выше теплопроводность вещества, тем лучше оно проводит тепло.
Теплопроводность веществ определяется экспериментально. В Международной системе единиц SI теплопроводность измеряется в ватт / (метр x кельвин) или Вт / (м · К). Это трактуется следующим образом:
1 Вт / (м · К) эквивалентен 1 ватту мощности, передаваемой на длину, равную 1 метру, когда разница температур между двумя крайними значениями составляет 1 кельвин.
Другой единицей теплопроводности, используемой в англосаксонских странах, является BTUH / (ft.ºF), где инициалы BTUH соответствуют Британская тепловая единица в час.
Значения теплопроводности
Ниже приведены значения теплопроводности некоторых элементов и материалов, встречающихся в природе и часто используемых в промышленности.
Однако следует отметить, что есть синтетические соединения, все еще находящиеся на стадии экспериментов, чья теплопроводность намного превышает теплопроводность алмаза, который возглавляет таблицу.
Температура имеет решающее значение для теплопроводности металлов. С повышением температуры увеличивается и теплопроводность (хотя электропроводность уменьшается). Для неметаллов теплопроводность примерно постоянна в широком диапазоне температур.
Значения в таблице указаны при 25ºC и давлении 1 атмосфера.
При выборе материала по его тепловым свойствам необходимо учитывать, что он расширяется при нагревании. Эта емкость определяется Коэффициент температурного расширения.
Основные теплопроводы
Алмаз
Это лучший проводник тепла при комнатной температуре, намного лучше, чем медь и любой другой металл. В алмазе, который является электрическим изолятором, тепло течет не через электроны проводимости, а через распространение колебаний в его высокоорганизованной кристаллической структуре. Эти колебания называются фононами.
Также он имеет низкий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры при нагревании останутся близкими к исходным. Когда требуется хороший проводник тепла, который не проводит электричество, лучшим вариантом будет алмаз.
Из-за этого он широко используется для отвода тепла, выделяемого компьютерными схемами и другими электронными устройствами. Но у него есть серьезный недостаток: это очень дорого. Хотя есть синтетические алмазы, их нелегко сделать, и они также дороги.
Серебряный
Это очень ценный металл для украшения благодаря своей яркости, цвету и пластичности. Он устойчив к окислению и среди всех металлов имеет самую высокую теплопроводность, а также отличную электропроводность.
По этой причине он имеет множество применений в промышленности, как отдельно, так и в сплавах с другими элементами, такими как никель и палладий.
С помощью печатных схем из чистого серебра изготавливаются высокотемпературные сверхпроводящие кабели и покрываются проводники для использования в электронике, а также используются сплавы для создания электрических контактов.
Его недостаток состоит в том, что он относительно редок и поэтому дорог, но уникальное сочетание физических свойств для этих применений делает его отличной альтернативой, поскольку он очень гибкий и с его помощью можно получить проводники хорошей длины.
Медь
Это один из наиболее часто используемых металлов, когда требуется хорошая теплопроводность, потому что он не подвержен коррозии, а его температура плавления довольно высока, что означает, что он не будет плавиться легко при воздействии тепла.
Другими преимуществами, которые он имеет, является его пластичность, а также отсутствие магнитных полей. Медь пригодна для вторичной переработки и намного дешевле серебра. Однако у него высокий коэффициент теплового расширения, а это значит, что его размеры заметно изменяются при нагревании.
Благодаря хорошим тепловым свойствам он широко используется в кухонной утвари, например, в медных горшках, покрытых сталью. Также для производства теплообменников в резервуарах для горячей воды, в системах центрального отопления, автомобильных радиаторах и для отвода тепла в электронных устройствах.
Золото
Это по преимуществу драгоценный металл, занимающий ведущее место в истории человечества. Помимо этого особого значения, золото является пластичным, прочным и отличным проводником тепла и электричества.
Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для переноса малых токов в твердотельные электронные компоненты. Эти токи настолько малы, что их можно легко прервать при малейшем признаке коррозии, поэтому золото гарантирует надежность электронных компонентов.
Он также используется для изготовления разъемов для наушников, контактов, реле и соединительных кабелей. Такие устройства, как смартфоны, калькуляторы, ноутбуки, настольные компьютеры и телевизоры, содержат небольшое количество золота.
Специальные стекла для помещений с кондиционированием воздуха также содержат диспергированное золото таким образом, что они помогают отражать солнечное излучение наружу, сохраняя свежесть внутри, когда очень жарко. Таким же образом они помогают поддерживать внутреннее тепло в доме зимой.
Литий
Это самый легкий из всех металлов, хотя он очень реактивен, поэтому легко подвергается коррозии. С ним также нужно обращаться с большой осторожностью, поскольку он легко воспламеняется. В связи с этим, хотя его много, он находится не в свободном состоянии, а в соединениях, для которых он должен быть выделен обычно электролитическими методами.
Его теплопроводность аналогична теплопроводности золота, но намного дешевле. Карбонат лития - это соединение, используемое при производстве термостойкого стекла и керамики.
Другое широко распространенное применение лития - производство долговечных и легких батарей, в которых хлорид лития используется для извлечения металлического лития. Добавленный при обработке алюминия, он увеличивает его электрическую проводимость и снижает рабочие температуры.
Алюминий
Этот легкий, недорогой, высокопрочный и простой в эксплуатации металл является одним из основных материалов, используемых для изготовления теплообменников в оборудовании для кондиционирования воздуха, таком как кондиционеры и обогреватели.
Как внутри страны, так и в промышленности алюминиевая посуда широко используется на кухнях по всему миру.
Алюминиевая посуда, такая как кастрюли, сковороды и противни, чрезвычайно эффективна. Они не меняют вкус пищи и позволяют теплу быстро и равномерно распространяться во время приготовления.
Тем не менее, алюминиевые кастрюли и сковороды были заменены нержавеющей сталью, которая не так хорошо проводит тепло. Это связано с тем, что нержавеющая сталь не вступает в реакцию с более сильными кислотами, например, с томатным соусом.
Вот почему предпочтительно делать томатные соусы в стальной посуде, чтобы предотвратить попадание алюминия в пищу, поскольку некоторые из них связывают алюминий - присутствующий в антацидах, тальках, дезодорантах и многих других продуктах - с появлением дегенеративных заболеваний, хотя большинство экспертов, а также FDA отвергают эту гипотезу.
Посуда из анодированного алюминия не имеет риска высвобождения частиц алюминия и, в принципе, может использоваться с большей безопасностью.
Бронза
Бронза - это сплав меди и олова, в меньшей степени, других металлов. Он присутствует в истории человечества с давних времен.
Это настолько важно, что период предыстории даже был назван бронзовым веком, временем, когда люди открыли и начали использовать свойства этого сплава.
Бронза устойчива к коррозии, с ней легко работать. Первоначально из него изготавливали различную утварь, инструменты, украшения, предметы искусства (например, скульптуры) и оружие, а также чеканили монеты. Сегодня он все еще используется для изготовления трубок, механических деталей и музыкальных инструментов.
Цинк
Это очень ковкий и пластичный голубовато-белый металл, с которым легко работать, хотя и с низкой температурой плавления. Он известен с древних времен, в основном используется в сплавах.
В настоящее время он используется для цинкования стали и защиты от коррозии. Также для производства батарей, пигментов и производства специальных цинковых листов для строительной индустрии.
Железо
Железо - еще один металл, имеющий большое историческое значение. Как и бронза, железо связано с периодом доисторической эпохи, когда произошел великий технический прогресс: железным веком.
Сегодня чугун по-прежнему находит широкое применение в производстве инструментов, посуды, в строительстве и в качестве материала для изготовления автомобильных деталей.
Как мы видели, железо является очень хорошим проводником тепла. Железные предметы очень хорошо распределяют тепло и сохраняют его надолго. Он также имеет высокую температуру плавления, что делает его устойчивым к высоким температурам, поэтому его можно использовать при производстве всех типов печей, как промышленных, так и бытовых.
Физические свойства металлов
Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.
Положение в таблице Менделеева
Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.
Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.
Строение
Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.
Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.
Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.
Свойства
Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.
Свойства
Особенности
Примеры
Применение
Способность отражать солнечный свет
Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd
Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см 3
Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см 3
Изготовление облицовки, деталей самолётов
Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см 3
Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см 3
Использование в сплавах
Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу)
Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn
Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки
Мягкие – режутся ножом
Изготовление мыла, стекла, удобрений
Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом
Самый твёрдый – хром, режет стекло
Изготовление несущих конструкций
Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С
Hg (38,9°С), Ga (29,78°С), Cs (28,5°С), Zn (419,5°C)
Производство радиотехники, жести
Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С
Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С)
Изготовление ламп накаливания
Способность передавать тепло другим телам
Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al
Приготовление пищи в металлической посуде
Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов
Передача электричества по проводам
Что мы узнали?
Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.
Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.
Металлы имею такие физические свойства, как твердость, температуру плавления, плотность, пластичность, электропроводность, теплопроводность и цвет.
Твёрдость:
Все металлы, кроме ртути и, условно, франция, при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
Таблица твёрдости металлов по шкале Мооса:
| Твёрдость | Металл |
| 0.2 | Цезий |
| 0.3 | Рубидий |
| 0.4 | Калий |
| 0.5 | Натрий |
| 0.6 | Литий |
| 1.2 | Индий |
| 1.2 | Таллий |
| 1.25 | Барий |
| 1.5 | Стронций |
| 1.5 | Галлий |
| 1.5 | Олово |
| 1.5 | Свинец |
| 1.5 | Ртуть |
| 1.75 | Кальций |
| 2.0 | Кадмий |
| 2.25 | Висмут |
| 2.5 | Магний |
| 2.5 | Цинк |
| 2.5 | Лантан |
| 2.5 | Серебро |
| 2.5 | Золото |
| 2.59 | Иттрий |
| 2.75 | Алюминий |
| 3.0 | Медь |
| 3.0 | Сурьма |
| 3.0 | Торий |
| 3.17 | Скандий |
| 3.5 | Платина |
| 3.75 | Кобальт |
| 3.75 | Палладий |
| 3.75 | Цирконий |
| 4.0 | Железо |
| 4.0 | Никель |
| 4.0 | Гафний |
| 4.0 | Марганец |
| 4.5 | Ванадий |
| 4.5 | Молибден |
| 4.5 | Родий |
| 4.5 | Титан |
| 4.75 | Ниобий |
| 5.0 | Иридий |
| 5.0 | Рутений |
| 5.0 | Тантал |
| 5.0 | Технеций |
| 5.0 | Хром |
| 5.5 | Бериллий |
| 5.5 | Осмий |
| 5.5 | Рений |
| 6.0 | Вольфрам |
| 6.0 | β-Уран |
Температура плавления:
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −38,83 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам).
Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от температуры плавления металлы делятся на: легкоплавкие (до 600 °C); среднеплавкие (от 600 до 1600 °C); тугоплавкие (выше 1600 °C).
Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, о С |
| Ртуть | -38,83 |
| Франций | 25 |
| Цезий | 28,44 |
| Галлий | 29,7646 |
| Рубидий | 39,3 |
| Калий | 63,5 |
| Натрий | 97,81 |
| Индий | 156,5985 |
| Литий | 180,54 |
| Олово | 231,93 |
| Полоний | 254 |
| Висмут | 271,3 |
| Таллий | 304 |
| Кадмий | 321,07 |
| Свинец | 327,46 |
| Цинк | 419,53 |
Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, о С |
| Сурьма | 630,63 |
| Нептуний | 639 |
| Плутоний | 639,4 |
| Магний | 650 |
| Алюминий | 660,32 |
| Радий | 700 |
| Барий | 727 |
| Стронций | 777 |
| Церий | 795 |
| Иттербий | 824 |
| Европий | 826 |
| Кальций | 841,85 |
| Лантан | 920 |
| Празеодим | 935 |
| Германий | 938,25 |
| Серебро | 961,78 |
| Неодим | 1024 |
| Прометий | 1042 |
| Актиний | 1050 |
| Золото | 1064,18 |
| Самарий | 1072 |
| Медь | 1084,62 |
| Уран | 1132,2 |
| Марганец | 1246 |
| Бериллий | 1287 |
| Гадолиний | 1312 |
| Тербий | 1356 |
| Диспрозий | 1407 |
| Никель | 1455 |
| Гольмий | 1461 |
| Кобальт | 1495 |
| Иттрий | 1526 |
| Эрбий | 1529 |
| Железо | 1538 |
| Скандий | 1541 |
| Тулий | 1545 |
| Палладий | 1554,9 |
| Протактиний | 1568 |
Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, о С |
| Лютеций | 1652 |
| Титан | 1668 |
| Торий | 1750 |
| Платина | 1768,3 |
| Цирконий | 1855 |
| Хром | 1907 |
| Ванадий | 1910 |
| Родий | 1964 |
| Технеций | 2157 |
| Гафний | 2233 |
| Рутений | 2334 |
| Иридий | 2466 |
| Ниобий | 2477 |
| Молибден | 2623 |
| Тантал | 3017 |
| Осмий | 3033 |
| Рений | 3186 |
| Вольфрам | 3422 |
Плотность:
В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 г/см³).
Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца ), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Пластичность:
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.
Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.
Пластичность зависит и от чистоты металла . Так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.
Электропроводность:
Все металлы хорошо проводят электрический ток, обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля.
Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность. По этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также и натрий. В экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Теплопроводность:
Теплопроводность металлов зависит от подвижности свободных электронов.
Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла. Широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый, иногда с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Металлы подразделяются на цветные и черные.
Чёрные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны). К чёрным металлам также зачастую относят марганец и, иногда, – хром и ванадий.
Цветные металлы — это особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. К цветным металлам относятся медь, молибден, свинец, цинк, олово, никель, кадмий, кобальт, алюминий, титан, магний, висмут, вольфрам, ртуть, золото, платину, серебро, палладий, родий, рутений, осмий, иридий.
Читайте также: