В чём разница между алюминиевым и медным радиатором? — i2HARD
Немного теории
Теплопрово́дность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела ( атомами, молекулами, электронами и т.п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K) (W/m*K)
Итак мы подошли к основной разнице двух радиаторов, а именно разнице между теплопроводности меди и алюминия.
У меди — 401 Вт/м*К, а у алюминия — 237 Вт/м*К. Это идеальные значения, не всегда встречается чистая медь или алюминий, поэтому числа могут немного отличаться. Тем самым медь «проводит тепло» в 1.69 раз лучше, чем алюминий.
Главные вопросы
Хорошо, но почему тогда большинство радиаторов алюминиевые?
- Цена. Медь дороже алюминия примерно в 4 раза, поэтому экономически выгоднее использовать алюминий, нежели медь.
- Вес. Медные радиаторы значительное тяжелее, алюминиевых, если мы не говорим о небольших радиаторах, где разница в весе будет незначительна.
Казалось бы всё, в материнских платах в большинстве случаев используются алюминиевые радиаторы и на этом можно было бы закончить, если не ещё один нюанс.
Вспомним башенные кулеры, у которых медное никелированное основание через которое проходят медные тепловые трубки и на которые напрессованы или напаяны тонкие алюминиевые пластины или же радиаторы на материнских платах с медной трубкой. Зачем смешивание двух материалов, если можно сделать всё либо медным, либо алюминиевым? Отчасти ответ выше, соотношение стоимости и эффективности охлаждения — одна из веских причин, по которым пользователь выберет ту или иную систему охлаждения.
Вспомним башенные кулеры, у которых медное никелированное основание через которое проходят медные тепловые трубки и на которые напрессованы или напаяны тонкие алюминиевые пластины или же радиаторы на материнских платах с медной трубкой. Зачем смешивание двух материалов, если можно сделать всё либо медным, либо алюминиевым? Отчасти ответ выше, соотношение стоимости и эффективности охлаждения — одна из веских причин, по которым пользователь выберет ту или иную систему охлаждения. Есть и ещё одна причина — тепловая инерция.
Тепловая инерция — это термин, используемый в основном в инженерном и научном моделировании теплопередачи, и обозначающий совокупность свойств материала, связанных с теплопроводностью и объёмной теплоёмкостью.
Объёмная теплоёмкость характеризует способность данного объёма данного конкретного вещества увеличивать свою внутреннюю энергию при изменении температуры вещества.
Тепловая инерция меди выше, чем у алюминия, но что это значит на практике? Да медь отлично «проводит тепло» при этом медь «неохотно» охлаждается.
В процессе охлаждения необходимо как и отводить тепло от источника нагрева, так и отводить тепло от самих радиаторов, которое обычно происходит за счёт воздушного потока. Алюминий же в свою очередь не так хорошо «проводит» тепло, не так равномерно нагревается, но при этом имеет более низкую тепловую инерцию. Тем самым за счёт изготовления, тонких алюминиевых пластин, которые нагреваются быстрее, чем толстые и вентиляторов происходит их постоянное и достаточно быстрое охлаждение. Конечно физику не обмануть и каждый радиатор или система охлаждения обладают своей эффективностью на которую она рассчитана, за рамки которой при обычных условиях ей не выйти.
Алюминий — Госстандарт
Алюминий (лат. Aluminium), Al, химический элемент III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 13, атомная масса 26,9815; серебристо-белый легкий металл. Состоит из одного стабильного изотопа 27Al.
Распространение Алюминия в природе
По распространенности в природе Алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния и 1-е — среди металлов.
Его содержание в земной коре составляет по массе 8,80% . В свободном виде Алюминий в силу своей химической активности не встречается. Известно несколько сотен минералов Алюминия, преимущественно алюмосиликатов. Промышленное значение имеют боксит, алунит и нефелин. Нефелиновые породы беднее бокситов глиноземом, но при их комплексном использовании получаются важные побочные продукты: сода, поташ, серная кислота. В СССР разработан метод комплексного использования нефелинов. Нефелиновые руды в СССР образуют, в отличие от бокситов, весьма крупные месторождения и создают практически неограниченные возможности для развития алюминиевой промышленности.
Физические свойства Алюминия
Алюминий сочетает весьма ценный комплекс свойств: малую плотность, высокие теплопроводность и электрическую проводимость, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость. Он легко поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Алюминий хорошо сваривается газовой, контактной и других видами сварки.
Решетка Алюминия кубическая гранецентрированная с параметром а = 4,0413 Å. Свойства Алюминий, как и всех металлов, в значит, степени зависят от его чистоты. Свойства Алюминия особой чистоты (99,996%): плотность (при 20°С) 2698,9 кг/м3; tпл 660,24°С; tкип около 2500°С; коэффициент термического расширения (от 20° до 100°С) 23,86·10-6; теплопроводность (при 190°С) 343 вт/м·К [0,82 кал/(см·сек·°С)], удельная теплоемкость (при 100°С) 931,98 дж/кг·К. [0,2226 кал/(г·°С)]; электропроводность по отношению к меди (при 20 °С) 65,5%. Алюминий обладает невысокой прочностью (предел прочности 50-60 Мн/м2), твердостью (170 Мн/м2 по Бринеллю) и высокой пластичностью (до 50%). При холодной прокатке предел прочности Алюминия возрастает до 115 Мн/м2, твердость — до 270 Мн/м2, относительное удлинение снижается до 5% (1 Мн/м2~ и 0,1 кгс/мм2). Алюминий хорошо полируется, анодируется и обладает высокой отражательной способностью, близкой к серебру (он отражает до 90% падающей световой энергии).
Обладая большим сродством к кислороду, Алюминий на воздухе покрывается тонкой, но очень прочной пленкой оксида Al2О3, защищающей металл от дальнейшего окисления и обусловливающей его высокие антикоррозионные свойства. Прочность оксидной пленки и защитное действие ее сильно убывают в присутствии примесей ртути, натрия, магния, меди и др. Алюминий стоек к действию атмосферной коррозии, морской и пресной воды, практически не взаимодействует с концентрированной или сильно разбавленной азотной кислотой, с органических кислотами, пищевыми продуктами.
Химические свойства Алюминия
Внешняя электронная оболочка атома Алюминия состоит из 3 электронов и имеет строение 3s23р1. В обычных условиях Алюминий в соединениях 3-валентен, но при высоких температурах может быть одновалентным, образуя так называемых субсоединения. Субгалогениды Алюминия, AlF и АlСl, устойчивые лишь в газообразном состоянии, в вакууме или в инертной атмосфере, при понижении температуры распадаются (диспропорционируют) на чистый Аl и AlF3 или АlСl3 и поэтому могут быть использованы для получения сверхчистого Алюминия.
При накаливании мелкоизмельченный или порошкообразный Алюминий энергично сгорает на воздухе. Сжиганием Алюминия в токе кислорода достигается температура выше 3000°С. Свойством Алюминия активно взаимодействовать с кислородом пользуются для восстановления металлов из их оксидов (Алюминотермия). При темно-красном калении фтор энергично взаимодействует с Алюминием, образуя AlF3. Хлор и жидкий бром реагируют с Алюминием при комнатной температуре, иод — при нагревании. При высокой температуре Алюминий соединяется с азотом, углеродом и серой, образуя соответственно нитрид AlN, карбид Al4C3 и сульфид Al2S3. С водородом Алюминий не взаимодействует; гидрид Алюминия (AlН3)X получен косвенным путем. Большой интерес представляют двойные гидриды Алюминия и элементов I и II групп периодической системы состава МеНn·nAlH3, так называемые алюмогидриды. Алюминий легко растворяется в щелочах, выделяя водород и образуя алюминаты.
Большинство солей Алюминия хорошо растворимо в воде. Растворы солей Алюминия вследствие гидролиза показывают кислую реакцию.
Получение Алюминия
В промышленности Алюминий получают электролизом глинозема Аl2О3, растворенного в расплавленном криолите NasAlF6 при температуре около 950° С. Используются электролизеры трех основных конструкций: 1) электролизеры с непрерывными самообжигающимися анодами и боковым подводом тока, 2) то же, но с верхним подводом тока и 3) электролизеры с обожженными анодами. Электролитная ванна представляет собой железный кожух, футерованный внутри тепло- и электро-изолирующим материалом — огнеупорным кирпичом, и выложенный угольными плитами и блоками. Рабочий объем заполняется расплавленным электролитом, состоящим из 6-8% глинозема и 94-92% криолита (обычно с добавкой AlF3 и около 5-6% смеси фторидов калия и магния). Катодом служит подина ванны, анодом — погруженные в электролит угольные обожженные блоки или же набивные самообжигающиеся электроды.
При прохождении тока на катоде выделяется расплавленный Алюминий, который накапливается на подине, а на аноде — кислород, образующий с угольным анодом CO и CO2. К глинозему, основному расходуемому материалу, предъявляются высокие требования по чистоте и размерам частиц. Присутствие в нем оксидов более электроположительных элементов, чем Алюминий, ведет к загрязнению Алюминия. При достаточном содержании глинозема ванна работает нормально при электрическом напряжении порядка 4-4,5 В. Ванны присоединяют к источнику постоянного тока последовательно (сериями из 150-160 ванн). Современные электролизеры работают при силе тока до 150 кА. Из ванн Алюминий извлекают обычно с помощью вакуум-ковша. Расплавленный Алюминий чистотой 99,7% разливают в формы. Алюминий высокой чистоты (99,9965%) получают электролитическим рафинированием первичного Алюминия с помощью так называемых трехслойного способа, снижающего содержание примесей Fe, Si и Сu. Исследования процесса электролитического рафинирования Алюминия с применением органических электролитов показали принципиальную возможность получения Алюминий чистотой 99,999% при относительно низком расходе энергии, но пока этот метод обладает низкой производительностью.
Для глубокой очистки Алюминий применяют зонную плавку или дистилляцию его через субфторид.
При электролитическом производстве Алюминия возможны поражения электрическим током, высокой температурой и вредными газами. Для избежания несчастных случаев ванны надежно изолируют, рабочие пользуются сухими валенками, соответствующей спецодеждой. Здоровая атмосфера поддерживается эффективной вентиляцией. При постоянном вдыхании пыли металлического Алюминия и его оксида может возникнуть алюминоз легких. У рабочих, занятых в производстве Алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (риниты, фарингиты, ларингиты). Предельно допустимая концентрация в воздухе пыли металлического Алюминий, его оксида и сплавов 2 мг/м3.
Применение Алюминия
Сочетание физических, механических и химических свойств Алюминия определяет его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с других металлами. В электротехнике Алюминий успешно заменяет медь, особенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях, высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах (электрическая проводимость Алюминия достигает 65,5% электрической проводимости меди, и он более чем в три раза легче меди; при поперечном сечении, обеспечивающем одну и ту же проводимость, масса проводов из Алюминий вдвое меньше медных).
Сверхчистый Алюминий употребляют в производстве электрических конденсаторов и выпрямителей, действие которых основано на способности оксидной пленки Алюминия пропускать электрический ток только в одном направлении. Сверхчистый Алюминий, очищенный зонной плавкой, применяется для синтеза полупроводниковых соединений типа АIII BV,применяемых для производства полупроводниковых приборов. Чистый Алюминий используют в производстве разного рода зеркальных отражателей. Алюминий высокой чистоты применяют для предохранения металлических поверхностей от действия атмосферной коррозии (плакирование, алюминиевая краска). Обладая относительно низким сечением поглощения нейтронов, Алюминий применяется как конструкционный материал в ядерных реакторах.
В алюминиевых резервуарах большой емкости хранят и транспортируют жидкие газы (метан, кислород, водород и т. д.), азотную и уксусную кислоты, чистую воду, перекись водорода и пищевые масла. Алюминий широко применяют в оборудовании и аппаратах пищевой промышленности, для упаковки пищевых продуктов (в виде фольги), для производства разного рода бытовых изделий.
Резко возросло потребление Алюминий для отделки зданий, архитектурных, транспортных и спортивных сооружений.
В металлургии Алюминий (помимо сплавов на его основе)- одна из самых распространенных легирующих добавок в сплавах на основе Сu, Mg, Ti, Ni, Zn и Fe. Применяют Алюминий также для раскисления стали перед заливкой ее в форму, а также в процессах получения некоторых металлов методом алюминотермии. На основе Алюминия методом порошковой металлургии создан САП (спеченный алюминиевый порошок), обладающий при температурах выше 300°С большой жаропрочностью.
Алюминий используют в производстве взрывчатых веществ (аммонал, алюмотол). Широко применяют различные соединения Алюминия.
Производство и потребление Алюминия непрерывно растет, значительно опережая по темпам роста производство стали, меди, свинца, цинка.
Геохимия Алюминия
Геохимические черты Алюминия определяются его большим сродством к кислороду (в минералах Алюминий входит в кислородные октаэдры и тетраэдры), постоянной валентностью (3), слабой растворимостью большинства природных соединений.
В эндогенных процессах при застывании магмы и формировании изверженных пород Алюминий входит в кристаллическую решетку полевых шпатов, слюд и других минералов — алюмосиликатов. В биосфере Алюминий- слабый мигрант, его мало в организмах и гидросфере. Во влажном климате, где разлагающиеся остатки обильной растительности образуют много органических кислот, Алюминий мигрирует в почвах и водах в виде органоминеральных коллоидных соединений; Алюминий адсорбируется коллоидами и осаждается в нижней части почв. Связь Алюминия с кремнием частично нарушается и местами в тропиках образуются минералы — гидрооксиды Алюминия- бемит, диаспор, гидраргиллит. Большая же часть Алюминия входит в состав алюмосиликатов — каолинита, бейделлита и других глинистых минералов. Слабая подвижность определяет остаточное накопление Алюминия в коре выветривания влажных тропиков. В результате образуются элювиальные бокситы. В прошлые геологические эпохи бокситы накапливались также в озерах и прибрежной зоне морей тропических областей (например, осадочные бокситы Казахстана).
В степях и пустынях, где живого вещества мало, а воды нейтральные и щелочные, Алюминий почти не мигрирует. Наиболее энергична миграция Алюминия в вулканических областях, где наблюдаются сильнокислые речные и подземные воды, богатые Алюминием. В местах смещения кислых вод с щелочными — морскими (в устьях рек и других), Алюминий осаждается с образованием бокситовых месторождений.
Алюминий в организме
Алюминий входит в состав тканей животных и растений; в органах млекопитающих животных обнаружено от 10-3 до 10-5% Алюминия (на сырое вещество). Алюминий накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. В растительных продуктах содержание Алюминия колеблется от 4 мг на 1 кг сухого вещества (картофель) до 46 мг (желтая репа), в продуктах животного происхождения — от 4 мг (мед) до 72 мг на 1 кг сухого вещества (говядина). В суточном рационе человека содержание Алюминия достигает 35-40 мг. Известны организмы — концентраторы Алюминия, например, плауны (Lycopodiaceae), содержащие в золе до 5,3% Алюминия, моллюски (Helix и Lithorina), в золе которых 0,2-0,8% Алюминия.
Образуя нерастворимые соединения с фосфатами, Алюминий нарушает питание растений (поглощение фосфатов корнями) и животных (всасывание фосфатов в кишечнике).
Не нашли что искали? Вы можете оставить заявку, в форме обратной связи.
Портал Gosstanart.info не осуществляет коммерческой деятельности, не сотрудничает с рекламодателями, производителями товаров и компаниями предоставляющими услуги. Просьба, не обращаться с коммерческими предложениями! Вся информация, представленная на портале, результат независимых исследований и является свободно распространяемой информацией.
Главная Новости портала Черный список Архив Обратная связь
Теплопроводность при низких температурах. Часть 1. Теория
больше статей |
Теплопроводность при низких температурах, Часть 1: Теория
Рис. 1.
Теплопроводность выбранных металлов в зависимости от температуры. Данные НИСТ.
Теплопроводность – это процесс переноса тепловой энергии через вещество. Он тесно связан с удельной теплоемкостью, количеством тепловой энергии, содержащейся в веществе. На обе величины влияют сходные факторы. Одним из хороших источников данных о материалах при низких температурах является веб-страница криогенной группы NIST по адресу http://cryogenics.nist.gov.
В металлах за тепло- и электропроводность в первую очередь отвечают электроны. Вклад решетки в теплопроводность металлов мал и обычно им пренебрегают. Примеси и дефекты решетки рассеивают электроны и снижают теплопроводность. Самая высокая теплопроводность достигается у очень чистых металлов в отожженном состоянии. К металлам, обычно встречающимся при работе при низких температурах, относятся нержавеющая сталь, алюминий и медь. Металлы обычно имеют теплопроводность в диапазоне от 10 Вт/м-К (сплавы из нержавеющей стали) до 400 Вт/м-К (медь) при комнатной температуре.
В частности, в меди, но и в других металлах теплопроводность сильно зависит от чистоты и состояния металла. В результате существует значительный разброс значений теплопроводности, приводимых в литературе, даже для конкретного сплава.
Для большей предсказуемости эти металлы иногда характеризуют остаточным сопротивлением или значением RRR. Значение RRR представляет собой отношение удельного электрического сопротивления при 4,2 К к удельному электрическому сопротивлению при 273 К. Это позволяет охарактеризовать теплопроводность, поскольку между электропроводностью и теплопроводностью в металлах существует близкое соответствие.
Для криогенных применений используются медь и алюминий, где требуется хорошая теплопроводность, например. в теплообменниках и теплозащитных экранах. Нержавеющая сталь используется в тех случаях, когда подходит относительно низкая теплопроводность; например в опорах и элементах конструкции.
В то время как хорошая теплопроводность и хорошая электропроводность идут рука об руку для обычных металлов, для сверхпроводников верно обратное. Куперовские пары, ответственные за сверхпроводимость, не участвуют в теплопроводности. Ниже температуры перехода теплопроводность сверхпроводника быстро падает.
Это следует иметь в виду при использовании алюминия, температура перехода которого составляет 1,2 К, и при использовании некоторых припоев.
Рис. 2. Теплопроводность сапфира и меди RRR 500
Неметаллы часто считаются относительно плохими проводниками тепла; однако кристаллических неметаллов на самом деле могут иметь очень высокую теплопроводность. Теплопроводность сапфира (оксида алюминия) фактически превышает теплопроводность очень чистой меди (RRR 500) примерно от 20 до 100 К. Сапфир используется в качестве электрического изолятора в теплоотводах (например, магнитные выводы), где требуется отличная теплопроводность и электрическая изоляция. Теплопроводность алмаза достигает пикового значения 3000 Вт/м·К при температуре 80 К, хотя он не получил широкого распространения из-за своей стоимости. Оксид бериллия и кварц также являются примерами неметаллов, которые могут проявлять относительно высокую теплопроводность в кристаллической форме.
В неметаллах тепло переносится колебаниями решетки. В кристалле хорошего качества, свободном от дефектов и примесей, эти колебания решетки могут распространяться на большие расстояния и эффективно переносить тепло. Колебания решетки фактически рассеиваются при столкновениях с другими колебаниями решетки. Снижение температуры уменьшает количество колебаний решетки, но позволяет оставшимся распространяться дальше, тем самым увеличивая теплопроводность. Как и в случае с металлами, достигается точка, в которой примеси и дефекты ограничивают теплопроводность, что приводит к пиковому значению в диапазоне от 10 до 100 К в зависимости от материала.
Рис. 3. Теплопроводность некоторых пластиков. Данные НИСТ.
Пластмассы широко используются в криогенных приложениях. Металлизированные пластмассы используются в качестве изоляции, пластиковые опоры используются для минимизации утечек тепла, а пластмассы используются для обеспечения электрической изоляции и герметизации сверхпроводящих катушек.
Теплопроводность пластмасс можно изменить с помощью таких добавок, как оксид алюминия. Теплопроводность пластмасс, как и всех неметаллов, обусловлена колебаниями решетки. В решетке аморфных материалов отсутствует крупномасштабная регулярность кристаллов, и колебания решетки не могут распространяться на большие расстояния. Даже пластмассы, считающиеся кристаллическими, такие как нейлон, не имеют той степени упорядоченности, которая имеется в кристаллах, таких как кварц или сапфир. Как следствие, пластмассы в целом имеют очень похожие свойства. Теплопроводность 
Теплопроводность обычных твердых материалов может варьироваться в пределах семи порядков при низких температурах. При самых низких температурах теплопроводность твердых тел становится очень малой. Однако при промежуточных температурах теплопроводность одного вещества, особенно очень чистого, может изменяться на несколько порядков. Эти различия необходимо учитывать при проектировании криогенного оборудования. Во второй части мы обсудим правильный выбор материала.
Инженерный отдел Meyer Tool обладает знаниями и опытом в области криогенного оборудования, чтобы успешно использовать ряд материалов для достижения ваших целей проектирования. Используйте этот опыт в своем следующем проекте. Если эта статья была вам интересна, напишите нам и дайте нам знать. Ваш отзыв поможет нам определить, какой тип контента вы хотели бы видеть в нашем информационном бюллетене и размещать на веб-сайте.
Теплопроводность — Энергетика Образование
Energy EducationМеню навигации
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ИНДЕКС
Поиск
Теплопроводность , часто обозначаемая как [math]\kappa[/math], представляет собой свойство, связывающее скорость потери тепла на единицу площади материала со скоростью изменения его температуры.
[1] По сути, это значение, учитывающее любое свойство материала, которое может изменить способ его проведения тепла. В единицах СИ теплопроводность выражается в ваттах на метр-кельвин [math]\left(\frac{W}{m K}\right)[/math] 9{\ circ} F} \ справа) [/ математика].
Поскольку передача тепла путем теплопроводности предполагает передачу энергии без движения материала, логично, что скорость передачи тепла будет зависеть только от разницы температур между двумя точками и теплопроводности материала.
Дополнительные сведения о теплопроводности см. в разделе Гиперфизика.
Значения для общих материалов
| Материал | Электропроводность при 25 o C |
|---|---|
| Акрил | 0,2 |
| Воздух | 0,024 |
| Алюминий | 205 |
| Битум | 0,17 |
| Латунь | 109 |
| Цемент | 1,73 |
| Медь | 401 |
| Алмаз | 1000 |
| Войлочная изоляция | 0,04 |
| Стекло | 1,05 |
| Железо | 80 |
| Кислород | 0,024 |
| Бумага | 0,05 |
| Силикатный аэрогель | 0,02 |
| Пылесос | 0 |
| Вода | 0,58 |
Из таблицы справа видно, что большинство материалов, обычно ассоциируемых с хорошими проводниками, обладают высокой теплопроводностью.
В основном металлы обладают очень высокой теплопроводностью, которая хорошо сравнима с тем, что известно о металлах. Кроме того, изоляционные материалы, такие как аэрогель и изоляция, используемые в домах, имеют низкую теплопроводность, что указывает на то, что они не пропускают тепло через себя. Таким образом, низкая теплопроводность указывает на хороший изоляционный материал.
Промежуточные материалы не обладают ни значительными изолирующими, ни проводящими свойствами. Цемент и стекло не проводят очень большое количество тепла и не обеспечивают очень хорошую изоляцию.
Идея о том, что теплопроводность некоторых материалов связана с тем, насколько хорошо они изолируют, обеспечивает связь между теплопроводностью и R-значениями/U-значениями. Поскольку значения U и R выражают, насколько хорошо определенный материал сопротивляется потоку тепла, теплопроводность играет роль в формировании этих значений. Однако значения U и R также зависят от толщины материала, тогда как теплопроводность этого не учитывает.