Теплопроводность графита и меди

Физико-химические свойства графита

В промышленности используется натуральный графит, а также искусственные разновидности этого материала. Широкий спектр его применения обусловлен уникальными физико-химическими свойствами, которые могут несколько отличаться для различных марок и видов графита.

Важнейшие физические и химические показатели графита:

• Теплопроводность;
• Электропроводность;
• Расширение под воздействием тепла;
• Прочность;
• Растворяемость;
• Смачиваемость;
• Анизотропия свойств.

Теплопроводность графита:

• Натуральные виды этого материала отличаются высокой теплопроводностью (по данному показателю многие металлы проигрывают графиту). На нее влияет температура конечной обработки конкретной марки графита, однако средний показатель составляет 3,55 вт*градус/см, а коэффициент теплопроводности – 0,041. Необходимо отметить, что тонкие графитовые нити проводят тепло лучше, чем медные аналоги.
• При давлении 0,9-1 атмосфера графит закипает, достигая температуры 4200 градуса, а плавится при 3845-3890 градусах.
• Воспламеняются кристаллические разновидности материала в кислородной струе при 700-730 градусах Цельсия.
• Сжигание графита выделяет достаточное количество тепла – до 7856 ккал.

Электропроводность минерала

Графит отлично проводит электричество – по этому показателю он превосходит, например, ртуть. Нагревание минерала способствует улучшению проводимости электрического тока. Таким образом, у минерала отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При 0 градусов он находится в диапазоне 0,39-0,602 ом. Что касается предела удельного сопротивления – он одинаковый для всех видов материала и составляет 0,0075 Ом. Этими свойствами объясняется широкое использование графита в электрометаллургии.

Тепловое расширение

Этот показатель очень зависит от структуры и типа материала: у явнокристаллического и чешуйчатого графитов он ощутимо отличается. Играет роль также температура и анизотропия минерала.

Прочность

Еще одна характеристика, выделяющая графит среди прочих природных минералов. Она меняется в зависимости от температуры. У большинства марок (включая искусственные виды материала) при нагревании возрастает предел прочности при изгибе, сжатии и растяжении (до двух раз). Максимум достигается при 2200-2800 градусах. Если же температура поднимается выше 3000 градусов, прочностные характеристики стремительно падают.

Самой высокой прочностью отличается рекристаллизованный материал.

Растворяемость

Минерал практически не растворяется в растворителях неорганического либо органического происхождения. При комнатной температуре не происходит окисления.

Смачиваемость

Графит практически не смачивается расплавленным стеклом, а также большинством расплавленных металлов.

Анизотропия свойств

Поскольку характеристики различных марок графита отличаются, на них влияет способ прессования, для искусственных видов – ориентация коксовых зерен.

Графит достаточно пластичен, легко поддается механической обработке. Разные виды отличаются по уровню жирности, благодаря чему используется в качестве смазки. Необходимо отметить и еще одну особенность чистых видов этого материала: графит отличается наиболее высоким коэффициентом замедления и низким показателем поглощения нейтронов.

Химические характеристики минерала:

• Инертность – не взаимодействует со щелочами, солями, кислотами и жидкости;
• Растворяется в расплавленных металлах с высокой температурой плавления, образуя карбиды;
• Химические реакции проходят при высоких температурах.

© 2015, Углеродпромснаб. Все права защищены Производство и продажа высокоуглеродистых материалов

Физические свойства углерода C (графита). Теплопроводность графита

Физические свойства графита при температуре от 20 до 800 °С

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.

Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

• теплопроводность графита, Вт/(м·град);
• сопротивление разрыву, МН/м 2 ;
• модуль упругости графита, МН/м 2 ;
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
• удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры.
Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

• коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
• удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Теплопроводность графита в зависимости от плотности

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 . Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м 3 .

Теплопроводность графита в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м 3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается.

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м 3 в зависимости от температуры.
Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней.
Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С.
Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см 2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 10 3 ·кг/м 3 , то есть в т/м 3 .

Теплопроводность слоя графитовых частиц в зависимости от его пористости

В таблице представлены значения теплопроводности слоя графитовых частиц (частиц углерода) при пористости от 0,4 до 0,7. Следует отметить, что при увеличении пористости слоя его теплопроводность снижается.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры.
КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе ламповой сажи.
Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

Теплопроводность графита и меди

text-align:center;line-height:normal”>
“За статью проголосовало 559 человек”

text-align:center;line-height:normal”>
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГРАФИТОВОГО ЭЛЕКТРОДА

text-align:right;line-height:normal”>
Кузьменко Никита Андреевич

text-align:right;line-height:normal”>
Самофалов Дмитрий Сергеевич

text-align:right;line-height:normal”>
Акульшина Ирина Игоревна

text-align:right;line-height:normal”>
студенты кафедры ММ СТИ НИТУ МИСиС, РФ, г. Старый Оскол

text-align:right;line-height:normal”>
Тимофеева Анна Стефановна

text-align:right;line-height:normal”>
научный руководитель, канд. техн. наук, доцент каф. ММ СТИ НИТУ МИСиС, РФ, г. Старый Оскол

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
В настоящее время имеет широкое распространение такая отрасль промышленности как электрометаллургия. Одним из агрегатов, выплавляющим сталь является дуговая сталеплавильная печь. Доля выплавленной в мире электростали с каждым годом возрастает. Рост связан как с увеличением количества печей так и с их вместимостью. Расплавление шихты в этом металлургическом агрегате происходит за счет электрической энергии, которая подается на электроды, находящиеся в рабочем пространстве печи. При прохождении по электродам тока между ними возникает дуговой разряд. Электрическая дуга горит непрерывно в процессе плавки и имеет температуру порядка 6000 °С [1, с. 442] в виду чего выделяется большое количество тепла в рабочее пространство печи и происходит расплавление шихтовых материалов. Работа электродов происходит в тяжелейших условиях высоких температур. Поэтому в электропечах применяют неметаллические графитовые электроды.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Графитовые электроды имеют цилиндрическую форму. Их получают путем спекания смеси из пекового кокса, термоантрацита, коксика, графитированных отходов, каменноугольного пека и каменноугольной смолы с последующей графитизацией при температуре 2700—2900 ◦ С в течение 100 и более часов, после чего они приобретают необходимые свойства которые являются различными у разных электродов.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
К графитовым электродам предъявляются следующие требования:

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
1. Низкая теплопроводность.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м∙К)) является физическим параметром, характеризующим способность тела проводить теплоту или интенсивность переноса теплопроводности в веществе и в общем случае зависит от температуры, количества подводимого или отводимого теплоты, давления, пористости, влажности и рода вещества. Значения коэффициента теплопроводности вещества необходимо для аналитического описания процесса теплопроводности в нем.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Нами были выточены из остатков, действующих на производстве электродов экспериментальные графитовые электроды длиной 200мм и диаметром 35мм (рис. 1).

text-align:center;line-height:150%”>

text-align:center;line-height:normal”>
Рисунок 1. Экспериментальные электроды для определения свойств графита

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Определение теплопроводности проводилось с использованием метода динамического λ — калориметра на приборе ИТ- λ-400 (рис. 2).

text-align:center;line-height:150%”>

text-align:center;line-height:normal”>
Рисунок 2. Прибор для измерения теплопроводности ИТ-λ-400

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
В основе работы прибора лежит процесс монотонного нагрева образца и фиксации перепада температуры.

line-height:150%”>
В данной работе исследовали влияние температуры (от 25 0 С до 225 0 С) графита на электропроводность. Для определения теплопроводности и теплоемкости изготовлены цилиндрики из графита (по инструкции к прибору) размерами: H=8 мм D=15 мм.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Для определения тепловой проводимости тепломера К_т провели серию экспериментов с образцом из стекла из кварца марки КВ ГОСТ 15130-69 и определили проводимость по следующей формуле:

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
(1)

justify;line-height:150%”>
где: П — перепад температуры на образце, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
П_т — перепад температуры на рабочем слое тепломера,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
мкВ;λ_кв — коэффициент теплопроводности образца из кварца,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Вт/(м·К); h_кв — высота образца из кварца, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
S — площадь контакта,

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
м;σ_с — поправка учитывающая теплоемкость испытуемого образца, рассчитываемая по формуле 2.

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
(2)

justify;line-height:150%”>
где: С — полная теплоемкость испытуемого образца из кварца, Дж/К;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
С_с— полная теплоемкость стержня тепломера

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Данные, полученные при измерении приведены в таблице 1.

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
Зная тепловую проводимость тепломера, можно провести расчет теплового сопротивления тепломера R_к. При определении теплового сопротивления провели ряд экспериментов с образцом из меди. Расчет проводили по формуле 3:

text-align:right;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
(3)

justify;line-height:150%”>
где: П — перепад температуры на образце, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
П_т — перепад температуры на рабочем слое тепломера, мкВ;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
λ_м — коэффициент теплопроводности образца из меди, Вт/(м·К);

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
h_м — высота образца из меди, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
S — площадь контакта, м;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
σ_с — поправка учитывающая теплоемкость испытуемого образца, рассчитываемая по формуле 2;

justify;text-indent:1.0cm;line-height:150%”>
К_т— тепловая проводимость тепломера рассчитанная по формуле 1.

text-align:center;line-height:normal”>
Определение тепловой проводимости тепломера К_Т

text-align:center;line-height:normal”>
П, мкВ

text-align:center;line-height:normal”>
П_t, мкВ

text-align:center;line-height:normal”>
λ_кв, Вт/(м·К)

text-align:center;line-height:normal”>
С(t), Дж/(кг·К)

text-align:center;line-height:normal”>
С_м(t), Вт/(кг·К)

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.