Удельная теплота плавления алюминия: А1) Удельная теплота плавления алюминия равна 3,9∙105 Дж\кг. Это означает, что при

Содержание

Свойства алюминия — ПЕРЕПЛАВ.РУ

Сферы использования алюминия.

Алюминий —  химический элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода ПСХИ  Менделеева Д. И., с атомным номером 13. Обозначается символом AL (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

Простое вещество алюминий — лёгкий, немагнитящийся металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся ковке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкость к коррозии обуславливается образованием оксидной плёнки на поверхности, защищающей  от дальнейшего воздействия агрессивной среды.

Физические свойства алюминия. Плотность — 2,7 г/см³, температура плавления   —  порядка 658-660 °C, удельная теплота плавления — 390 кДж/кг, температура кипения — 2500 °C, удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия — 10…12 кг/мм², деформируемого — 18…25 кг/мм², сплавов — 38…42 кг/мм².

Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм², высокая пластичность: технический алюминий — 35 %, чистый алюминий — 50 %, прокатывается в фольгу. Модуль Юнга — 70 ГПа. электропроводность — 0,0265 мкОм·м, теплопроводность — 1,24×10−3 Вт/(м·К), обладает высокой светоотражательной способностью.температурный коэффициент линейного расширения 24,58×10−6 К−1 (20…200 °C). Образует сплавы практически со всеми прочими металлами.

Впервые алюминий был выделен как самостоятельное вещество в Европе Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод, основанный на получении алюминия электролизом глинозема, растворённого в расплавленном криолите, положил начало широчайшей сфере применения алюминия в нашей жизни

 Физические и химические свойства объясняют огромное значение алюминия в мировой экономике. Без него аэрокосмическая индустрия никогда не получила бы развития. Алюминий и сплавы на его основе необходимы для производства автомобилей, в машиностроении, микроэлектронике, да наверно вообще во всех отраслях промышленности. Самые разные виды продуктов из алюминия используются в современном строительстве. Алюминий практически вытеснил медь в качестве проводников и кабелей для высоковольтных линий ЛЭП. Половина кухонной посуды, продаваемой каждый год во всем мире, сделана именно из алюминия и его сплавов. Производство современных зеркал немыслимо без алюминиевой пудры. В производстве строительных материалов используется как газообразующий агент. Без алюминиевых банок для напитков уже невозможно представить ни одну витрину магазина, или аптеку без лекарств, упакованных в алюминиевую фольгу. А как хорошо попросту запечь мясо или рыбу в духовом шкафу, и все это не получится без алюминиевой фольги!

Как компонент используется в стекловарении, его соединения используются в качестве высокоэффективного горючего в ракетных топливах; в алюминиевых бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

Еще один пример — Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

 

Если мир без алюминия представляется не самым уютным местом, то мир, в котором алюминий есть, открывает нам самые разные возможности.

 

Наша компания осуществляет производство и поставку на внешний и внутренний рынки сплавов алюминиевых литейных, деформируемых, алюминий технической чистоты (технический алюминий), алюминий для раскисления (раскислители) различных марок.

Цены на алюминий и его сплавы, а так же способы доставки алюминия можно уточнить, связавшись с нами по телефону или электронной почте.

 

Встретившись с потребностью в алюминии или сплавах алюминия Вы можете задать в поиске «купим чушку» или «купим сплав алюминия», знайте, что в случае с «куплю чушку» лучше обратиться к нам, как специалистам в области производства и поставок. Мы сможем помочь Вам подобрать интересующий Вас сплав в соответствии с потребностями и совместно скоординируем форму выпуска, сроки и период поставки. 

Глава I ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Глава I ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ АЛЮМИНИИ

§ 1. Свойства алюминия и области его применения

Алюминии—химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса 26,98. Устойчивых нзотопов алюминии не имеет.

Химические свойства

Алюминий имеет электронную конфигурацию 1s22s22p63s23p1. На третьем (внешнем) энергетическом уровне атома алюминия находятся три электрона, и в химических соединениях алюминии обычно трехвалентен. Из трех валентных электронов два расположены на s-подуровне и один на p-подуровне (3s23p1).

Так как один p-электрон с ядром атома связан слабее, чем два спаренных s-электрона, то в определенных условиях, теряя p-электрон, атом алюминия становится одновалентным ионом, образуя соединения низшей валентности (субсоединения). Кристаллизуется алюминии в гранецентрированной кубической решетке.

Алюминий химически активен. Уже в обычных условиях он взаимодействует с кислородом воздуха, покрываясь очень тонкой и прочной пленкой оксида Al2S3.
Эта пленка защищает алюминий от дальнейшего окисления и обусловливает его довольно высокую коррозионную стойкость, а также ослабляет металлический блеск. Чем чище алюминий, тем выше его стойкость против коррозии, что объясняется более прочным сцеплением оксндной пленки с поверхностью чистого металла. Из присутствующих в алюминии примесей наиболее сильно снижают его коррозионную стойкость примеси железа.

В мелкораздробленном состоянии алюминий при нагревании на воздухе воспламеняется и сгорает с выделением большого количества тепла. С серой алюминий реагирует также при нагревании с образованием сульфида алюминия Al2S3; с хлором и жидким бромом реагирует при обычной температуре, а с йодом — при нагревании или в присутствии воды, служащей катализатором. В атмосфере фтора при комнатной температуре алюминий покрывается пленкой фтористого алюминия АlFз, которая препятствует дальнейшей реакции; при темно-красном калении

взаимодействие алюминия с фтором протекает очень энергично. С азотом алюминии взаимодействует при нагревании выше 800°С с образованием нитрида алюминия AlN. Взаимодействие алюминия с углеродом начинается при 650°С, но протекает энергично при температуре около 1400С° с образованием карбида алюминия А14С3.

Нормальный электродный потенциал алюминия в кислой среде 1,66 В, в щелочной 3,25 В.

Будучи амфотерным, алюминий растворяется в соляной кислоте и в растворах щелочей. В серной кислоте и в разбавленной азотной алюминий растворяется медленно; в концентрированной азотной кислоте, в органических кислотах и в воде алюминий устойчив.

Физические свойства

Температура плавления алюминия технической чистоты (99,5 % А1) 658°С.

С повышением степени чистоты температура плавления алюминия возрастает и для металла высокой чистоты (99,996 % А1) составляет 660,24°С. Удельная теплота плавления алюминия—около 390 Дж/г, удельная теплоемкость при 0°С—0,88 Дж/(г.°С). При переходе алюминия из жидкого состояния в твердое объем его уменьшается на 6,6 % (99,75% А1). Кипит алюминий при 2500 °С.

Следует отметить, что удельная теплота плавления алюминия по сравнению с другими металлами очень высока; например, удельная теплота плавления меди 205 Дж/г, железа 273 Дж/г.

Плотность алюминия меньше плотности железа в 2,9 раза, меди—в 3,3 раза.

В твердом состоянии (при 20 °С) для алюминия технической чистоты (99,75 % А1) она составляет 2,703 г/см3, а для алюминия высокой чистоты (99,996 % А1) 2,6989 г/см3. В расплавленном состоянии алюминий жидкотекуч и хорошо заполняет формы при литье. Вязкость и поверхностное натяжение алюминия при 1000° С составляют соответственно 0,0013 Па.с и 0,454 Н/м.

В твердом виде алюминий легко подвергается ковке, прокатке, волочению, резанию. Из него можно вытягивать тончайшую проволоку и катать фольгу.

Пластичность алюминия возрастает по мере повышения, его чистоты. Временное сопротивление литого алюминия технической чистоты составляет 88—118 Па, прокатанного 176—275 Па. Относительное удлинение соответственно равно 18—25 и 3—5 %, а твердость по Бринеллю НВ 235—314 и 440—590.

Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропроводность. В зависимости от чистоты теплопроводность алюминия составляет 238 Вт/(м-°С) (99,7% А1) и 247 Вт/(м.°С) (99,99% А1). Электропроводность алюминия также зависит от его чистоты. Для алюминия технической чистоты (99,5 % А1) она составляет 62,5 % от электропроводности меди, а для алюминия высокой чистоты (99,997% А1) 65,45 %. Различные примеси влияют на электропроводность алюминия в неодинаковой степени. Наиболее сильно электропроводность снижают

примеси хрома, ванадия и марганца. В меньшей степени, чем примеси, на электропроводность алюминия влияет степень его деформации и режим термической обработки. Отрицательное влияние деформации на электропроводность устраняется отжигом. Удельное электросопротивление отожженной проволоки из алюминия технической чистоты (99,7% А1) составляет (0,0279-0,0282) Ю-6 Ом.м.

Следует также отметить, что алюминий обладает высокой способностью отражать световые и тепловые лучи, которая близка к отражающей способности серебра и увеличивается с повышением чистоты металла.

Области применения

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это — небольшая плотность алюминия, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионностоек к ряду химических веществ. Благодаря всем этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными металлами он нашел исключительно широкое применение в самых различных отраслях современной техники.

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с кремнием медью, магнием, цинком, марганцем и другими металлами. Промышленные алюминиевые сплавы обычно содержат не менее двух-трех легирующих элементов, которые вводятся в алюминий главным образом для повышения механической прочности.

Наиболее ценные свойства всех алюминиевых сплавов—малая плотность (2,65—2,8), высокая удельная прочность (отношение временного сопротивления к плотности) и удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они должны обладать высокой пластичностью. Из деформируемых сплавов широкое применение нашли дуралюмины — сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к мягким сортам стали. Из деформируемых алюминиевых сплавов, а также из чистого алюминия в результате обработки давлением (прокатка,

штамповка) получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70 % его мирового производства. Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также для других целей.

Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации.

Широко известны литейные сплавы на основе алюминия—силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний (до 13%).

В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов—авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь — воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной (“мертвой”) массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их применения. Из алюминия и его сплавов изготовляют авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготовляют корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.

Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и храпения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники — ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия различных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из пего отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.

В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.

Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. В Канаде, например, расход алюминия для этих целей составляет около 30 % от общего потребления, в США— более 20 %.

По масштабам производства и значению в народном хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.


§ 2. История развития алюминиевой промышленности

Алюминий сравнительно недавно стал промышленным металлом. Впервые металлический алюминий получил датский физик Г. Эрстед в 1825 г.. восстановив хлористый алюминий амальгамой калия. В дальнейшем способ Эрстеда был улучшен:, амальгаму калия заменили металлическим калием, а затем—более дешевым натрием; нестойкий и гигроскопичный хлористый алюминий заменили двойным хлоридом алюминия и натрия (AlCl3-NaCI).

В 1865 г. русский ученый Н. Н. Бекетов предложил получать алюминий вытесненном его из фтористых соединении магнием. Этот способ нашел применение .о ряде стран Западной Европы. Производство алюминия “химическими” методами осуществлялось примерно в течение 35 лет (с 1854 до 1890 г.). За это время было получено около 200 т алюминия. В конце 80-х годов прошлого столетия химические способы производства алюминия были вытеснены электролитическим.

Основоположниками электролитического способа производства алюминия являются Поль Эру во Франции и Чарльз Холл в США, которые в 1866 г. независимо друг от друга заявили аналогичные патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема (А1203), растворенного в расплавленном криолите (Na2AIF6). С открытием электролитического способа началось быстрое развитие алюминиевой промышленности. Если в 1900 г. выпуск алюминия во всем мире составил 5,7 тыс. т, но уже к 1930 г. он приблизился к 270 тыс. т, в 1950 г. составил (без стран социализма) около 1,3 млн. т, а в 1980 г.—более 12 млн. т.

В капиталистическом мире основными производителями алюминия являются США, Япония, Канада, ФРГ, Норвегия.

В дореволюционной России не было собственной алюминиевой промышленности. Однако
в конце прошлого и начале настоящего столетия русские ученые (Н. Н. Бекетов,
П. П. Федотьев, Н. А. Пушин, Д. А. Пеняков, Е. И. Жуковский и другие) выполнили
ряд исследований, сыгравших большую роль в развитии мировой алюминиевой промышленности.
Под руководством П. П. Федотьева были проведены глубокие исследования теоретических
основ электролитического способа получения алюминия, в частности были исследованы
двойные системы фторид алюминия—фторид натрия, криолит—глинозем, явления растворимости
алюминия в электролите, анодный эффект, а также ряд других процессов, связанных
с электролизом криолито-глиноземных расплавов. Результаты этих исследований
получили мировую известность.

В 1882—1892 гг. химик К. П. Байер разработал в России щелочной способ получения
глинозема, который до настоящего времени является основным в мировой алюминиевой
промышленности. В 1895 г. Д. А. Пеняков предложил способ получения глинозема
из бокситов спеканием с сульфатом натрия в присутствии угля, а А. Н. Кузнецов
и Е. И. Жуковский в 1915 г.—способ получения глинозема из низкосортных руд путем
восстановительной плавки их на шлаки алюминатов щелочноземельных металлов. Н.
А. Пушин с сотрудниками в 1914 г.

впервые в нашей стране получил алюминий “русского происхождения”, т. е. Из отечественных сырья и материалов.

Условия для создания в нашей стране алюминиевой промышленности, являющейся крупным потребителем электроэнергии, появились только после Великой Октябрьской социалистической революции. Решающую роль в этом сыграл разработанный в 1920 г. по инициативе и под руководством В. И. Ленина план ГОЭЛРО, положивший начало созданию прочной энергетической базы в нашей стране. Построенная в соответствии с этим планом в 1926 г. первая крупная гидроэлектростанция на р. Волхов явилась энергетической базой первого в СССР

Волховского алюминиевого завода. В декабре 1927 г. XV съезд ВКП(б) принял решение о создании в нашей стране алюминиевой промышленности, а в августе 1929 г. Совет Труда и Обороны принял решение о строительстве в СССР Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. В 1929 г. на Ленинградском опытном заводе “Красный Выборжец” под руководством П. П. Федотьева были

проведены длительные производственные испытания по получению алюминия электролитическим путем из отечественных материалов.

В 1930 г. в Ленинграде был пущен опытный завод, который сыграл большую роль в развитии советской алюминиевой промышленности. На этом заводе испытывалось оборудование, осваивался технологический режим, готовились рабочие и инженерно-технические кадры для первых советских алюминиевых заводов. Одновременно были проведены исследования по производству электродных изделий, необходимых для получения алюминия. Результаты этих исследований легли в основу проектирования первых электродных заводов—Московского и Днепровского. Разработанный в Институте прикладной минералогии способ получения криолита был положен в основу проектирования производства криолита

на Полевском криолитовом заводе.

В 1931 г. были созданы Научно-исследовательский институт алюминиевой промышленности (НИИСалюминпй) и проектный институт—гипроалгомпний.

Позднее НИИСалюминий и Гипроалюминий были объединены в единый Всесоюзный алюминиево-магниевын институт (ВАМИ).

14 мая 1932 г. вступил в эксплуатацию Волховский алюминиевый завод, а в 1933 г. на базе Днепровской ГЭС—Днепровский алюминиевый завод. Очень много внимания становлению советской алюминиевой промышленности уделял С. М. Киров, который возглавлял Ленинградскую партийную организацию. Первым алюминиевым заводам нашей страны—Волховскому и Днепровскому—в дальнейшем было присвоено его имя.

В период с 1926 по 1936 г. в Государственном институте прикладной химии (ГИПХ) под руководством А. А. Яковкина был разработан способ получения глинозема из тихвинских бокситов спеканием их с содой и известняком. В результате впервые была разрешена проблема переработки высококремнистых бокситов. В 1938 г. вошел в эксплуатацию Тихвинский глиноземный завод, а в 1939 г. на базе высококачественных североуральских бокситов—Уральский алюминиевый завод.

В начале Великой Отечественной войны Волховский и Днепровский алюминиевые заводы и Тихвинский глиноземный были выведены из строя. Оборудование этих заводов вывезли на Урал и в Сибирь. В годы Великой Отечественной войны был значительно расширен Уральский алюминиевый завод к введены в эксплуатацию Новокузнецкий (1943 г.) и Богословский (1945 г.) алюминиевые заводы.

В послевоенные годы были восстановлены Волховский и Днепровский алюминиевые заводы и Тихвинский глиноземный завод, а также вошли в эксплуатацию новые алюминиевые заводы: Канакерский (1950 г.), Кандалакшский (1951 г.), Надвоицкий (1954 г.), Сумгаитский (1955 г.). Ряд крупных алюминиевых заводов был пущен на базе дешевой электроэнергии гидроэлектростанций, построенных на Волге и реках Сибири: Волгоградский (1959 г.). Иркутский (1962 г.). Красноярский (1964 г.), Братский (1966 г.) и Таджикский (1975 г.).

Одновременно вводились новые предприятия по производству глинозема — Никалевский (1959 г.) и Ачинский (1970 г.) глиноземные комбинаты. Павлодарский (1964 г.) и Кировабадскии (1966 г.) алюминиевые заводы, Николаевский глиноземный завод (1980 г.).

Алюминиевая промышленность, созданная в нашей стране, занимает одно из ведущих мест в мире. При создании ее советскими учеными и специалистами впервые в мировой практике был решен ряд важных научно-технических проблем: комплексная переработка нефелиновых руд и концентратов с получением глинозема, соды, поташа и цемента, комплексная переработка алунитовых руд с получением глинозема, сульфата калия и серной кислоты, а также многие другие.

 

Температура плавления алюминия и физические параметры.

Температура плавления алюминия для перехода в жидкое состояние требует нагрева в среднем до 660 °C или 993,5°К.

Температура плавления алюминия характеризует градиент перехода в жидкое состояние и определяет физические параметры химического элемента. Свойства металла позволяют применять его в различных отраслях промышленного производства, а способность образовывать устойчивые соединения значительно расширяет сферы его использования.

Способность переходить из твердого в жидкое состояние определяет физические свойства металла.

Характеристика физических и технических параметров алюминия

  • Алюминий относится к самым распространенным химическим элементам и характеризуется небольшим весом, мягкостью. Основные физические параметры металла, способность образовывать устойчивые к воздействию среды соединения, позволяют его использовать в различных отраслях промышленного производства.
  • Металл является привлекательным материалом для работы в домашних условиях. Удельная теплота плавления алюминия составляет 390 кДж/кг, и для литейных целей расплавить его в бытовых условиях не составляет труда.
  • Плавка металла может осуществляться поверхностным и внутренним нагревом. Способ внешнего теплового воздействия не требует особого оборудования и применяется в кустарных условиях.
  • Алюминий, температура плавления которого зависит от чистоты соединения, давления, для перехода в жидкое состояние требует нагрева в среднем до 660 °C или 993,5°К.
  • Существуют различные мнения относительно показателя температуры плавления металла в домашних условиях, но проверить их можно только на практике.

Свойства сплавов металла

Показатель температурного градиента колеблется для соединений металла с другими химическими элементами, определяющими их свойства. Для литейных сплавов, содержащих магний и кремний, он составляет 500 °C.

Удельная теплота плавления определяет физическое свойство химического элемента. Для сплавов этот показатель характеризует процесс перехода из одного агрегатного состояния в другое в определенном температурном интервале.

Температура начала перехода в жидкое состояние называется точкой солидус (твердый), а окончание — ликвидус (жидкий). Соответственно начало кристаллизации будет определяться точкой ликвидус, а окончание — солидус. В температурном интервале соединение находится в переходном состоянии от жидкости к твердой фазе.

В некоторых соединениях алюминия с другими химическими элементами отсутствует интервал между температурными показателями перехода из твердого состояния в расплав. Эти сплавы называются эвтектическими.

Например, соединению алюминия с 12,5% кремния, как и чистому металлу, свойственна точка плавления, а не интервал. Этот сплав относится к литейным и характеризуется постоянной температурой 577 °C.

При увеличении в сплаве количества кремния градиент ликвидус снижается от максимального показателя, свойственного чистому металлу. Среди лигатурных добавок температурный градиент снижает использование магния (450 °C). Для соединения с медью он составляет 548 °C, а с марганцем — всего 658 °C.

Алюминий образует различные сплавы с минералами.

Большинство соединений состоят из нескольких компонентов, что влияет на показатель затвердевания и плавления материала. Понятия температурных градиентов солидус и ликвидус определены для бесконечной длительности процессов равновесных переходов в жидкое и твердое состояние.

На практике учитываются поправки скорости нагревания и охлаждения составов.

Применение металла в промышленном производстве

В естественных условиях алюминий имеет свойство образовывать тонкую оксидную пленку, что предотвращает реакции с водой и азотной кислотой (без нагрева). При разрушении пленки в результате контакта со щелочами химический элемент выступает в качестве восстановителя.

С целью предотвращения образования оксидной пленки в сплав добавляют другие металлы (галлий, олово, индий). Металл практически не подвергается коррозионным процессам. Он является востребованным материалом в различных отраслях промышленности.

Алюминий и его сплавы очень востребованы в различных сферах жизни человека.

  • Алюминий считается популярным материалом для изготовления посуды, основным сырьем для авиационной и космической отрасли промышленности. Отличная электропроводность металла позволяет использовать его при напылении проводников в микроэлектронике.
  • Свойство алюминия и его сплавов при низких температурах приобретать хрупкость позволяет его использовать в криогенной технике. Отражательная способность и дешевизна, легкость вакуумного напыления делают алюминий незаменимым материалом для изготовления зеркал.
  • Нанесение металла на поверхность деталей турбин, нефтяных платформ придают устойчивость к коррозии сплавам из стали. Для производства сероводорода применяется сульфид металла, а чистый алюминий используется в качестве восстановителя редких сплавов из оксидов.
  • Химический элемент используют как компонент соединений, например, в алюминиевых бронзах, магниевых сплавах. Наряду с другими материалами его применяют для изготовления спиралей в электронагревательных приборах. Соединения металла широко применяются в стекловарении.
  • В данное время чистый алюминий редко используется в качестве материала для ювелирной бижутерии, но набирает популярности его сплав с золотом, обладающий особым блеском и игрой. В Японии металл вместо серебра используется для изготовления украшений.
  • В пищевой промышленности алюминий зарегистрирован в качестве добавки. Алюминиевые банки для пива стали популярной упаковкой для напитка с 60-х годов прошлого века. Технологическая линия предусматривает производство тары 0,33 и 0,5 л. Упаковка имеет одинаковый диаметр и отличается только высотой.
  • Основным преимуществом упаковки перед стеклом является возможность вторичного использования материала.
  • Банки для пива (газированных напитков) выдерживают давление до 6 атмосфер, имеют куполообразное, толстое дно и тонкие стенки. Особенности технологии изготовления путем вытяжки обеспечивают конструкционную прочность и надежные эксплуатационные свойства тары.

алюминиевый прокат

 

Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

 

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

Физические свойства

 

Металл серебристо-белого цвета, лёгкий, плотность — 2,7 г/см³,

температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C,

удельная теплота плавления — 390 кДж/кг,

температура кипения — 2500 °C,

удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг,

временное сопротивление литого алюминия — 10…12 кг/мм², деформируемого — 18…25 кг/мм², сплавов — 38…42 кг/мм².

Твёрдость по Бринеллю — 24…32 кгс/мм²,

высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.

Модуль Юнга — 70 ГПа.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм·м) и теплопроводностью (203,5 Вт/(мК)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью.

Слабый парамагнетик.

Температурный коэффициент линейного расширения 24,58·10−6 К−1 (20…200 °C).

Температурный коэффициент электрического сопротивления 2,7·10−8K−1.

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием(силумин).

© 2017 ЧП «Техносплав»                                                                                                                                                                  Все права защищены

Урок «Удельная теплота плавления. Графики плавления и отвердевания кристаллических тел» – УчМет

8
класс «Тепловые явления»

Тема
урока:
«Удельная теплота плавления.
Графики плавления и

отвердевания кристаллических
тел.»

Цели
урока:

  • Формировать
    умение стоить график зависимости
    температуры кристаллического тела от
    времени нагревания;

  • Ввести
    понятие удельной теплоты плавления;

  • Ввести
    формулу для расчета количества теплоты,
    необходимого для плавления кристаллического
    тела массой т,
    взятой при температуре плавления
    .

  • Формировать
    умение сравнивать, сопоставлять,
    обобщать материал.

  • Аккуратность
    в составлении графиков, трудолюбие,
    умение доводить начатое дело до конца.

Эпиграф
к уроку:

«Без сомнения, всё наше
знание начинается с опыта»

Кант
(Немецкий философ 1724 – 1804 г г.)

«Не стыдно не знать, стыдно
не учиться»

(Русская
народная пословица)

Ход
урока:

І.
Организационный момент. Постановка
темы и целей урока.

ІІ.
Основная часть урока.

  1. Актуализация
    знаний:

У доски 2 человека:

Вставить пропущенные слова в
определение.

«Молекулы в кристаллах расположены
…, они движутся …., удерживаясь в
определенных местах силами молекулярного
притяжения. При нагревании тел средняя
скорость движения молекул …, а колебания
молекул …, силы, их удерживающие, …,
вещество переходит из твердого состояния
в жидкое, этот процесс называется… ».

«Молекулы в расплавленном
веществе расположены …, они движутся
… и … удерживаются в определенных
местах силами молекулярного притяжения.
При охлаждении тела средняя скорость
движения молекул …, размах колебаний
… , а силы, удерживающие их …, вещество
переходит из жидкого состояния в твердое,
этот процесс называется …».

Остальной класс работает по
карточкам мини — тест (дифференцированно)

Используя табличные значения в
сборнике задач Лукашика.

Плавление и
отвердевание кристаллических тел.

Вариант №1

  1. Свинец
    плавится при температуре 327 0С.
    Что можно казать о температуре
    отвердевания свинца?

А) Она равна 327 0С.

Б) Она ниже температуры плавления.

В) Она выше температуры

плавления.

  1. При
    какой температуре ртуть приобретает
    кристаллическое строение?

А) 4200С; Б) — 390С;

В) 1300 — 15000С; Г) 00С; Д)
3270С.

  1. В
    земле на глубине 100 км температура около
    1000
    0С. Какой из металлов:
    Цинк, олово или железо – находится там
    в нерасплавленном состоянии
    .

А) цинк. Б) Олово. В) Железо

  1. Газ
    выходящий из сопла реактивного самолета,
    имеет температуру 500 – 7000С. Можно
    ли сопло изготовлять из алюминия?

А) Можно. Б) Нельзя.

Плавление и
отвердевание кристаллических тел.

Вариант №2

  1. При
    плавлении кристаллического вещества
    его температура …

А) не изменится. Б) увеличивается.

В) уменьшается.

  1. При
    какой температуре цинк может быть в
    твердом и жидком состоянии?

А) 4200С; Б) — 390С;

В) 1300 — 15000С; Г) 00С; Д)
3270С.

  1. Какой
    из металлов: цинк, олово или железо –
    расплавится при температуре плавления
    меди?

А) цинк. Б) Олово. В) Железо

  1. Температура
    наружной поверхности ракеты во время
    полета повышается до 1500 — 20000С.
    Какие металлы пригодны для изготовления
    наружной обшивки ракет?

А) Сталь. Б). Осмий. В) Вольфрам

Г) Серебро. Д) Медь.

Плавление и
отвердевание кристаллических тел.

Вариант
№3

  1. Алюминий
    отвердевает при температуре 6600С.
    Что можно сказать о температуре плавления
    алюминия?

А) Она равна
660 0С.

Б) Она ниже
температуры плавления.

В) Она выше
температуры

плавления.

  1. При
    какой температуре разрушается
    кристаллическое строение стали?

А) 4200С;
Б) — 390С;

В) 1300 — 15000С;
Г) 00С; Д) 3270С.

  1. На
    пове6рхности Луны ночью температура
    опускается до -1700С. Можно ли
    измерять такую температуру ртутным и
    спиртовым термометрами?

А) Нельзя.

Б) Можно спиртовым
термометром.

В) Можно ртутным
термометром.

Г) Можно как ртутным,
так и спиртовым термометрами.

  1. Какой
    металл, находясь в расплавленном
    состоянии может заморозить воду?

А) Сталь. Б) цинк.
В) Вольфрам.

Г) Серебро. Д)
Ртуть.

Плавление и
отвердевание кристаллических тел.

Вариант №4

  1. При
    кристаллизации (отвердевании)
    расплавленного вещества его температура

А) не изменится.
Б) увеличивается.

В) уменьшается.

  1. Наиболее
    низкая температура воздуха -88,30С
    была зарегистрирована в 1960 г. В Антарктиде
    на научной станции «Восток». Каким
    термометром можно пользоваться в этом
    месте Земли?

А) Ртутным. Б)
Спиртовым

В) Можно как ртутным,
так и спиртовым термометрами.

Г) Нельзя пользоваться
ни ртутным, ни спиртовым термометрами.

  1. Можно
    ли в алюминиевой кастрюле расплавлять
    медь?

А) Можно. Б) Нельзя.

  1. У
    какого металла кристаллическая решетка
    разрушается при самой высокой температуре?

А) У стали. Б) У
меди. В) У вольфрама.

Г) У платины Д) У
осмия.

  1. Проверка
    написанного у доски. Исправление ошибок.

  2. Изучение
    нового материала
    .

а) Демонстрация фильма. «Плавление
и кристаллизация твердого тела»

(1 слайд)

б)Построение графика изменения
агрегатного состояния тела. (2 слайд)

в) подробный анализ графика с
разбором каждого отрезка графика
изучение всех физических процессов
происходящих на том или ином промежутке
графика. (3 слайд)

  1. Формирование
    понятия «удельная теплота плавления»,
    физический смысл, единицы измерения,
    обозначение. (4 слайд презентации)

  1. Работа
    с учебником:

а) познакомьтесь с таблицей
№4 стр. 37, где приведены значения удельной
теплоты плавления разных веществ.

б) удельная теплота плавления
алюминия равна 3,9 . 105 Дж/кг.
Что это значит?

в) найдите значение удельной
теплоты плавления льда, оцените её
значение по сравнению с другими
веществами. Попытайтесь объяснить,
почему весной во время таяния снега
температура воздуха поднимается
медленно.

г) сравните удельную теплоту
плавления железа и свинца.

д) алюминиевое, медное и
оловянное тела нагрели так, что каждое
находится при температуре плавления.
Какому из них потребуется большее
количество теплоты для плавления, если
их массы одинаковы?

  1. Решение
    задач (дифференцированно)

Низкий уровень – вместе с
учителем у доски;

Какая энергия требуется для
плавления олова массой 4 кг, свинца
массой10 кг, алюминия массой 2 кг, взятых
при температуре плавления?

Средний уровень и достаточный
по карточкам индивидуально.

График
плавления и отвердевания кристаллических
тел.

Вариант
№1
0С

1.Какой
процесс на графике характеризует
1200 Г

отрезок АБ?
Б В

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление.

Г) Отвердевание.

2. Какой процесс на графике характеризует

отрезок БВ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. 600

Г) Отвердевание.

3. При какой температуре начался процесс

плавления?

А) 50 0С Б) 1000С В) 6000С
Г) 12000С

Д) 10000С.

4. Какое время тело плавилось?
А

А) 8 мин. Б) 4 мин. В) 12 мин.
0 3 6 9
мин.

Г) 16 мин. Д) 7 мин.

5. Изменялась ли температура во время
плавления?

А) Увеличивалась. Б) Уменьшалась.
В) Не изменялась.

6. Какой процесс на графике характеризует
отрезок ВГ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. Г) Отвердевание.

График
плавления и отвердевания кристаллических
тел.

Вариант
№2
0С

1.
Какой процесс на графике характеризует

А

отрезок АБ?
1000

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление.

Г) Отвердевание.
Б В

2. . Какой процесс на графике характеризует

отрезок БВ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. 500

Г) Отвердевание

Г

3. При какой температуре начался процесс

отвердевания?

А) 80 0С. Б) 350 0С В) 3200С

Г) 450 0С Д) 1000 0С

4. Какое время отвердевало тело?
0 5
10 мин.

А) 8 мин. Б) 4 мин. В) 12 мин.

Г) 16 мин. Д) 7 мин.

5. Изменялась ли температура во время
отвердевания?

А) Увеличивалась. Б) Уменьшалась.
В) Не изменялась.

6. Какой процесс на графике характеризует
отрезок ВГ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. Г) Отвердевание.

График
плавления и отвердевания кристаллических
тел.

Вариант
№3
0С

1.Какой
процесс на графике характеризует
600
Г

отрезок
АБ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление.

Г)
Отвердевание.
Б В

2. Какой процесс на графике характеризует

отрезок БВ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. 300

Г) Отвердевание.

3. При какой температуре начался процесс

плавления?

А) 80 0С Б) 3500С В) 3200С
Г) 4500С

Д) 10000С.

4. Какое время тело плавилось?
А

А) 8 мин. Б) 4 мин. В) 12 мин.
0 6 12 18
мин.

Г) 16 мин. Д) 7 мин.

5. Изменялась ли температура во время
плавления?

А) Увеличивалась. Б) Уменьшалась.
В) Не изменялась.

6. Какой процесс на графике характеризует
отрезок ВГ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. Г) Отвердевание.

График
плавления и отвердевания кристаллических
тел.

Вариант
№4
0С

1.
Какой процесс на графике характеризует

А

отрезок АБ?
400

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление.

Г) Отвердевание.
Б В

2. . Какой процесс на графике характеризует

отрезок БВ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. 200

Г) Отвердевание

3. При какой температуре начался процесс

отвердевания?

А) 80 0С. Б) 350 0С В) 3200С

Г

Г) 450 0С Д) 1000 0С

4. Какое время отвердевало тело?
0 10
20 мин.

А) 8 мин. Б) 4 мин. В) 12 мин.

Г) 16 мин. Д) 7 мин.

5. Изменялась ли температура во время
отвердевания?

А) Увеличивалась. Б) Уменьшалась.
В) Не изменялась.

6. Какой процесс на графике характеризует
отрезок ВГ?

А) Нагревание. Б) Охлаждение. В)
Плавление. Г) Отвердевание.

ІІІ. Итог урока.

ІV. Домашнее задание
(Дифференцированно) 5 слайд

V. Выставление оценок за урок.

Удельная температура плавления стали

Температуру плавления металлов, которая изменяется от малейшего (-39 °С для ртути) до наибольшего (3400 °С для вольфрама), а также плотность металлов в твердом состоянии при 20 °С и плотности жидких металлов при температуре плавления приведены в таблице плавки цветных металлов.

Таблица 1. Плавки цветных металлов

твердого при 20 °С

Сварка и плавка цветных металлов

Сварка меди. Температура плавки металла Cu, почти в шесть раз превышает температуру плавки стали, медь интенсивно поглощает и растворяет различные газы, образуя с кислородом оксиды. Оксид меди II с медью образует эвтектику, температура плавления которой (1064°С) ниже температуры плавления меди (1083°С). При затвердевании жидкой меди эвтектика располагается по границам зерен, делает медь хрупкой и склонной к образованию трещин. Поэтому основной задачей при сварке меди является защита его от окисления и активное раскисление сварочной ванны.

Наиболее распространенное газовое сварки меди ацетиленокисневим пламенем с помощью горелок, которые в 1,5…2 раза мощнее горелки для сварки сталей. Присадочным металлом есть медные прутки, содержащие фосфор и кремний. Если толщина изделий более 5…6 мм, их сначала подогревают до температуры 250…300°С. Флюсами при сварке является прожаренная бура или смесь, состоящую из 70% буры и 30% борной кислоты. Чтобы повысить механические свойства и улучшить структуру наплавленного металла, медь после сварки проковывают при температуре около 200…300°С. Потом ее снова нагревают до 500-550°С и охлаждают в воде. Медь сваривают также электродуговым способом электродами, в струе защитных газов, под слоем флюса, на конденсаторных машинах, способом трения.

Сварка латуни. Латунь – это сплав меди с цинком (до 50%). Основное загрязнение при этом – испарение цинка, в итоге чего шов теряет свои качества, в нем возникают поры. Латунь, как и медь, в основном сваривают ацетиленовым окислительным пламенем, при котором на поверхности ванны создается пленка тугоплавкого оксида цинка, уменьшающая дальнейшее выгорание и испарение цинка. Флюсы используют такие же, как и при сварке меди. Они создают на поверхности ванны шлаки, которые связывают оксиды цинка и затрудняют выход паров из сварочной ванны. Латунь сваривают также в защитных газах и на контактных машинах.

Сварка бронзы. В большинстве случаев бронза – это литейный материал, поэтому

сварку применяют при исправлении дефектов или во время ремонта. Чаще всего применяют сварку металлическим электродом. Присадочным металлом является прутки того самого состава, что и основной металл, а флюсами или электродным покрытием – хлористые и фтористые соединения калия и натрия.

Сварка алюминия. Основными факторами, затрудняющими сварку алюминия, является низкая температура его плавления (658°С), большая теплопроводность (примерно в 3 раза выше теплопроводности стали), образование тугоплавких оксидов алюминия, которые имеют температуру плавления 2050°С, поэтому технология плавки цветных металлов, таких как медь или бронза, не подходит для плавки алюминия. Кроме того, эти оксиды слабо реагируют как с кислыми, так и основными флюсами, поэтому плохо удаляются из шва.

Чаще всего используют газовую сварку алюминия ацетиленовым пламенем. В последние годы значительно распространилось также автоматическая дуговая сварка металлическими электродами под флюсом и в среде аргона. При всех способах сварки, кроме аргонодуговой, применяют флюсы или электродные покрытия, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и других элементов. Как присадочный металл при всех способах сварки используют проволоку или стержни того же состава, что и основной металл.

Алюминий хорошо сваривается электронным лучом в вакууме, на контактных машинах, электрошлаковым и другими способами.

Сварка сплавов алюминия. Сплавы алюминия с магнием и цинком сваривают без

особых осложнений, так же как и алюминий. Исключением является дюралюминий – сплавы алюминия с медью. Эти сплавы термически упрочняются после закалки и следующего старения. Когда температура плавки цветных металлов свыше 350°С в них происходит снижение прочности, которое не восстанавливается термической обработкой. Поэтому при сварке дюралюминия в зоне термического влияния прочность уменьшается на 40…50%. Если дюралюминий сваривать в защитных газах, то такое снижение может быть восстановлено термической обработкой до 80…90% по отношению к прочности основного металла.

Сварка магниевых сплавов. При газовой сварке обязательно применяют фторидные флюсы, которые в отличие от хлоридных не вызывают коррозии сварных соединений. Дуговая сварка магниевых сплавов металлическими электродами через низкое качество сварных швов до настоящего времени не применяется. При сварке магниевых сплавов наблюдается значительный рост зерна в около шовных участках и сильное развитие столбчатых кристаллов в сварном шве. Поэтому предел прочности сварных соединений составляет 55…60% предела прочности основного металла.

Таблица 2. Физические свойства промышленных цветных металлов

Температура плавления железа является важным показателем технологии производства металла и его сплавов. При выплавке сырья учитываются физические и химические свойства руды и металла.

Физические и химические свойства железа

  • Химический элемент № 26 является самым распространенным в Солнечной системе. По данным исследований содержание железа в ядре Земли составляет 79–85,5%. По распространенности в коре планеты оно уступает только алюминию.
  • Металл в чистом виде имеет белый цвет с серебристым оттенком, отличается пластичностью. Наличие примесей определяет его физические параметры. Железу свойственно реагировать на магнит.
  • Для этого химического элемента характерен полиморфизм, который имеет место при нагревании. Повышенная концентрация металла наблюдается в местах извержения пород. Промышленные месторождения формируются в результате внешних и внутренних процессов, происходящих в земной коре.
  • В речной воде содержится приблизительно 2 мг/л металла, а показатель для морской воды меньше в 100–1000 раз.
  • Железо имеет несколько степеней окисления, определяющих его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В нейтральной форме металл находится в ядре Земли.
  • Оксид железа является основной формой нахождения в природе, а оксидное железо размещается в самой верхней части земной коры в составе осадочных образований.
  • Содержание химического элемента № 26 в минералах с нестабильным составом увеличивается с уменьшением температурного градиента. Кипение происходит при нагревании до + 2861 °C. Удельная теплота плавления составляет 247,1 КДж/кг.

Добыча металла

Среди руд, содержащих железо, сырьем для промышленного производства являются:

Гетит и гидрогетит формируют образования в коре выветривания, размером сотни метров. В зоне шельфа и озерах коллоидные растворы минералов в результате осаждения образуют оолиты (бобовые железные руды).

Пирит и пирротин, широко распространенные в природе минералы железа, используются в качестве сырья для производства серной кислоты.

К часто встречающимся минералам железа относятся также:

Минерал мелантерит, представляющий собой хрупкие зеленые кристаллы со стеклянным блеском, используется в фармацевтической промышленности для производства железосодержащих препаратов.

Основное месторождение этого металла находится в Бразилии. В последнее время внимание сосредоточивается на разработке конкреций, присутствующих на морском дне, в которых содержатся железо и марганец.

Плавление железа

От чего зависит температура плавления железа?

Производство металла предусматривает различные технологии его извлечения из рудного сырья. Наиболее распространена выплавка железа доменным способом.

Перед тем как выплавлять металл, его восстанавливают в печи при температуре +2000 °C. Для извлечения примесей добавляется флюс, разлагающийся при нагревании до оксида с последующим соединением с диоксидом кремния и образованием шлака.

Кроме доменного способа выплавка железа производится путем обжига измельченной руды с глиной. Из смеси формируются окатыши и обрабатываются в печи с восстановлением водородом. Дальнейшая плавка железа производится в электрических печах.

Свойства металла зависят от чистоты материала. Для технически чистого железа температура плавления составляет +1539 °C. Сера является вредной примесью. Извлечь ее можно только из жидкого раствора. Химически чистый материал получают в результате электролиза солей металла.

Сплавы металла

В чистом виде этот материал мягкий, поэтому для повышения прочности в состав вводят углерод.

В металлургии сплавы железа называют черными металлами.

В зависимости от компонентов лигатуры меняются свойства материалов. Температура плавления железа также меняется при наличии лигатурных компонентов.

Удельная теплота плавления стали равна 84 кДж. Этот показатель обозначает, что при температуре плавления стали для перевода 1 кг сплава из кристаллического в жидкое состояние необходимо 84 кДж энергии.

Соединения из различных металлов образуют сплавы. Удельная теплота плавления чугуна составляет 96–140 кДж. Чугун содержит до 4% углерода, 1,5% марганца, до 4,5% кремния и примеси в виде серы и фосфора. Различают белый и серый сплавы.

В белом часть углерода находится в соединении карбида железа. Такой сплав отличается хрупкостью и твердостью. Он предназначается для изготовления конструкций и деталей.

Серый сплав, содержащий углерод в виде графита, легко поддается обработке. Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Плавление руды сопровождается восстановительной реакцией железа из оксидов углеродом.

Большинство веществ может плавиться с увеличением объема при нагревании. Для чугуна объемом 1000 см³ этот показатель составляет 988–994 см³.

Чугун является сырьем для производства стали, отличающейся содержанием углерода (не выше 2,14%).

По химическому составу различают сталь:

Углеродистая сталь содержит примеси серы, фосфора и кремния. Она отличается низкими электротехническими свойствами, низкой прочностью, легко поддается процессу коррозии.

Наличие лигатурных добавок придает стали новые технические свойства. В качестве дополнительных компонентов используют:

В состав высоколегированной стали входит не более 10% добавок. Сплав отличается прочностью. Технология производства стали из чугуна позволяет получить высококачественный материал для производства:

  • металлических конструкций;
  • резервуаров;
  • посуды;
  • армирующих деталей;
  • электрооборудования.

В качестве сырья сталь используется в разных отраслях промышленности. Без нее невозможно представить авиастроение, кораблестроение, автомобильную отрасль и многие другие производственные сферы.

Каждый металл или сплав обладает уникальными свойствами, в число которых входит температура плавления. При этом объект переходит из одного состояния в другое, в конкретном случае становится из твёрдого жидким. Чтобы его расплавить, необходимо подвести к нему тепло и нагревать до достижения нужной температуры. В момент, когда достигается нужная точка температуры данного сплава, он ещё может остаться в твёрдом состоянии. При продолжении воздействия начинает плавиться.

Наиболее низкая температура плавления у ртути — она плавится даже при -39 °C, самая высокая у вольфрама — 3422 °C. Для сплавов (стали и других) определить точную цифру крайне сложно. Все зависит от соотношения компонентов в них. У сплавов она записывается как числовой промежуток.

Как происходит процесс

Элементы, какими бы они ни были: золото, железо, чугун, сталь или любой другой — плавятся примерно одинаково. Это происходит при внешнем или внутреннем нагревании. Внешнее нагревание осуществляется в термической печи. Для внутреннего применяют резистивный нагрев, пропуская электрический ток или индукционный нагрев в электромагнитном поле высокой частоты. Воздействие при этом примерно одинаковое.

Когда происходит нагревание, усиливается амплитуда тепловых колебаний молекул. Появляются структурные дефекты решётки, сопровождаемые разрывом межатомных связей. Период разрушения решётки и скопления дефектов и называется плавлением.

В зависимости от градуса, при котором плавятся металлы, они разделяются на:

  1. легкоплавкие — до 600 °C: свинец, цинк, олово;
  2. среднеплавкие — от 600 °C до 1600 °C: золото, медь, алюминий, чугун, железо и большая часть всех элементов и соединений;
  3. тугоплавкие — от 1600 °C: хром, вольфрам, молибден, титан.

В зависимости от того, каков максимальный градус, подбирается и плавильный аппарат. Он должен быть тем прочнее, чем сильнее будет нагревание.

Вторая важная величина — градус кипения. Это параметр, при достижении которого начинается кипение жидкостей. Как правило, она в два раза выше градуса плавления. Эти величины прямо пропорциональны между собой и обычно их приводят при нормальном давлении.

Если давление увеличивается, величина плавления тоже увеличивается. Если давление уменьшается, то и она уменьшается.

Таблица характеристик

Металлы и сплавы — непременная основа для ковки, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (ювелирные украшения из золота, ограды из чугуна, ножи из стали или браслеты из меди), для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.

Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.

Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:

  1. алюминий — 660 °C;
  2. температура плавления меди — 1083 °C;
  3. температура плавления золота — 1063 °C;
  4. серебро — 960 °C;
  5. олово — 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
  6. свинец — 327 °C;
  7. температура плавления железо — 1539 °C;
  8. температура плавления стали (сплав железа и углерода) — от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
  9. температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) — от 1100 °C до 1300 °C;
  10. ртуть — -38,9 °C.

Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл — ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.

Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия — 2519 °C, у железа — 2900 °C, у меди — 2580 °C, у ртути — 356,73 °C.

У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.

Максимальная температура кипения у металлов — у рения — 5596 °C. Наибольшая температура кипения — у наиболее тугоплавящихся материалов.

Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым — осмий. У осмия плотность выше, чем у урана и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа — очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.

Ещё один показатель, встречающийся в таблицах — это теплопроводность металлов. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл — серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.

Физические свойства алюминия зависят от его чистоты

Основные свойства

Алюминий — химический элемент третей группы периодической
системы Д.И. Менделеева.














Таблица физических свойств алюминия
Плотность , (кг/м3) 2,7
Температура плавления Тпл, °С 660
Температура кипения Ткип, °С 2 327
Скрытая теплота плавления, Дж/г 393,6
Теплопроводность l , Вт/м •град (при 20° С) 228
Теплоемкость Ср, Дж/(г ·
град) (при 0–100°С)
0,88
Коэффициент линейного расширения α × 10-6,
1/°С (пр°С)
24,3
Удельное электросопротивление ρ × 10-8,
Ом× м (при 20°С)
2,7
Предел прочности σ в, МПа 40–60
Относительное удлинение δ , % 40–50
Твердость по Бринеллю НВ 25
Модуль нормальной упругости E , ГПа 70

Плотность алюминия

Плотность твердого и расплавленного алюминия снижается по мере увеличения его чистоты:




Плотность алюминия при 20°С
Степень чистоты, %  99,2599,4099,7599.9799,99699.9998
Плотность при 20°С, г/см3 2,7272,7062,7032,69962,69892,69808




Плотность расплавленного алюминия при 1000°С
Степень чистоты, %99,2599.4099.75
Плотность, г/см32,3112,2912,289

Температура плавления и кипения.

В момент плавления алюминия возрастает объем металла: для алюминия чистотой 99,65 % — на 6,25%, для более чистого металла — на 6,60 %. По мере повышения степени чистоты алюминия температура его плавления возрастает:




Зависимисть температуры плавления алюминия от чистоты
Степень чистоты, %99,299,599,699,9799,996
Температура плавления, °С657658659,7659,8660,24

Теплопроводность алюминия

Теплопроводность алюминия повышается с увеличением степени его чистоты. Для технического алюминия (99,49 и 99,70%) теплопроводность при 200°С равна соответственно 209 и 222 Вт/(м×К). Для электро­литически рафинированного алюминия чистотой 99,9% теплопроводность при 190°С возрастает до 343 Вт/(м×К). Примеси меди, магния и марганца в алюминии снижают его теплопроводность. Например, добавка 2 % Mn к алюминию снижает теплопроводность с 209 до 126 Вт/(м×К).

Электропроводность алюминия

Алюминий отличается высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов — после серебра, меди и золота). Удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20°С равна 37,9 мкСм×м, что составляет 63,7% от электропроводности меди [59,5 мкСм×м]. Более чистый алюминий [99,999 %] обладает электропроводностью, равной 65,9% от электро­проводности меди.

На электропроводность алюминия влияет ряд факторов: степень деформации, режим термической обработки и т. д., решающую же роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr, V, Mn, Ti, Mg, Ag, Сu, Zn, Si, Fe Ni.

Наиболее отрицательное влияние на электросопротивление алюминия оказывают примеси Сг, V, Мп и Ti . Поэтому в алюминии для электротехнической промышленности сумма Cr+V+Mn+Ti не должна превышать 0,015% (марка А5Е) и даже 0,01 % (А7Е) при содержании кремния соответственно 0,12 и 0,16 %.

Влияние примесей на электропроводность алюминия

Основными примесями в алюминии являются кремний, железо, медь, цинк и титан. При малых содержаниях кремния в алюминии (0,06%) величина Fe : Si (в пределах от 0,8 до 3,8) сравнительно мало влияет на его электросопротивление. При увеличении содержания кремния до 0,15—0,16% влияние Fe : Si возрастает. Ниже приведено влияние Fe : Si на электропроводность алюминия:






Влияние Fe : Si на электропроводность алюминия
Fe : Si   1,071,442,002,683,56
Удельное электросопротивление алюминия,

×10-2 мкОм·мм:
 
нагартованного2,8122,8162,8222,8292,838
отожженного2,7692,7712,7782,7832,788

Удельное электрическое сопротивление отожженной алюминиевой проволоки (ρ, мкОм·м) при 20°С в зависимости от содержания примесей можно приблизительно определить по следующей формуле: ρ=0,0264+0,007×(% Si)+0,0007×(% Fe) + 0,04×[% (Cr+V + Mn + Ti)].

Отражательная способность

С повышением степени чистоты алюминия возрастает его способность отражать свет от поверхности. Так, степень отражения белого света от прокатанных алюминиевых листов (фольги) в зависимости от чистоты металла, возрастает следующим образом: для Аl 99,2%—75%, Аl 99,5%—84% и для Аl 99,8%—86%. Поверхность листа, изготовленного из электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,996%, отражает 90% падающего на него белого света.

Алюминий — удельная теплоемкость, скрытая теплота плавления, скрытая теплота испарения

Алюминий — удельная теплоемкость, скрытая теплота плавления, скрытая теплота испарения

Удельная теплоемкость алюминия 0,9 Дж / г K .

Скрытая теплота плавления алюминия 10,79 кДж / моль .

Скрытая теплота испарения алюминия составляет 293,4 кДж / моль .

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость, или удельная теплоемкость, — это свойство, связанное с внутренней энергией , которое очень важно в термодинамике.Интенсивные свойства c v и c p определены для чистых простых сжимаемых веществ как частные производные от внутренней энергии u (T, v) и энтальпии h (Т, п) , соответственно:

, где индексы v и p обозначают переменные, фиксированные во время дифференцирования. Свойства c v и c p упоминаются как удельной теплоемкости (или теплоемкости ), потому что при определенных особых условиях они связывают изменение температуры системы с количеством энергии, добавляемой теплопередача.Их единицы СИ: Дж / кг K или Дж / моль K .

Различные вещества имеют различных величин за счет добавленного тепла . Когда к разным веществам добавляется определенное количество тепла, их температура увеличивается на разную величину.

Теплоемкость — это обширное свойство материи, то есть оно пропорционально размеру системы. Теплоемкость C имеет единицы энергии на градус или энергию на кельвин.При выражении того же явления, что и интенсивное свойство, теплоемкость делится на количество вещества, массы или объема, таким образом, количество не зависит от размера или протяженности образца.

Скрытая теплота испарения

В общем, когда материал меняет фазу с твердой на жидкую или с жидкости на газ, в это изменение фазы вовлекается определенное количество энергии. В случае перехода жидкой фазы в газовую, это количество энергии известно как энтальпия испарения (обозначение ∆H vap ; единица: Дж), также известная как (скрытая) теплота испарения или теплота испарения. испарение.В качестве примера посмотрите рисунок, на котором изображены фазовые переходы воды.

Скрытая теплота — это количество тепла, добавляемого к веществу или отводимого от него для изменения фазы. Эта энергия разрушает межмолекулярные силы притяжения, а также должна обеспечивать энергию, необходимую для расширения газа ( pΔV работают ). При добавлении скрытого тепла изменение температуры не происходит. Энтальпия парообразования является функцией давления, при котором происходит это преобразование.

Скрытая теплота плавления

В случае перехода твердой фазы в жидкую, изменение энтальпии, необходимое для изменения ее состояния, известно как энтальпия плавления (обозначение ∆H fus ; единица: Дж), также известная как (скрытая) теплота плавления. .Скрытая теплота — это количество тепла, добавляемого к веществу или отводимого от него для изменения фазы. Эта энергия разрушает межмолекулярные силы притяжения, а также должна обеспечивать энергию, необходимую для расширения системы ( pΔV работают ).

Жидкая фаза имеет более высокую внутреннюю энергию, чем твердая фаза. Это означает, что энергия должна подаваться к твердому телу, чтобы расплавить его, и энергия выделяется из жидкости, когда она замерзает, потому что молекулы в жидкости испытывают более слабые межмолекулярные силы и, следовательно, имеют более высокую потенциальную энергию (своего рода энергия диссоциации связи для межмолекулярных сил).

Температура, при которой происходит фазовый переход, составляет точка плавления .

При добавлении скрытой теплоты изменения температуры не происходит. Энтальпия плавления является функцией давления, при котором происходит это преобразование. Условно предполагается, что давление составляет 1 атм (101,325 кПа), если не указано иное.

Алюминий — Свойства

Элемент Алюминий
Атомный номер 13
Символ Al
Категория элемента Бедный металл
Фаза на STP Цельный
Атомная масса [а.е.м.] 26.9815
Плотность при стандартном давлении [г / см3] 2,7
Электронная конфигурация [Ne] 3s2 3p1
Возможные состояния окисления +3
Сродство к электрону [кДж / моль] 42,5
Электроотрицательность [шкала Полинга] 1,61
Энергия первой ионизации [эВ] 5,9858
Год открытия 1825
Первооткрыватель Эрстед, Ганс Христиан
Тепловые свойства
Точка плавления [шкала Цельсия] 660
Точка кипения [шкала Цельсия] 2467
Теплопроводность [Вт / м · К] 237
Удельная теплоемкость [Дж / г К] 0.9
Теплота плавления [кДж / моль] 10,79
Теплота испарения [кДж / моль] 293,4



Удельная скрытая теплота плавления (энтальпия плавления)

Удельная скрытая теплота плавления (энтальпия плавления) — это количество тепла, необходимое для плавления твердого вещества! Узнайте больше об этом в этой статье.

Процесс плавки

Если твердое тело нагревается все больше и больше, то в какой-то момент достигается точка плавления.В этот момент состояние вещества меняется, и твердое тело наконец начинает плавиться. Во время плавления для чистых веществ дальнейшего повышения температуры не наблюдается, несмотря на постоянную подачу тепловой энергии. Очевидно, что во время плавления энергия больше не способствует увеличению колебательной энергии молекул, что в противном случае означало бы повышение температуры (см. Также статью Температура и движение частиц).

Анимация: Плавление металла

Во время плавления переданная энергия приводит к увеличению внутренней энергии в виде измененных энергий связи между молекулами в твердом и жидком состоянии.Межмолекулярные связи в твердом состоянии разрываются, добавленной тепловой энергии, что позволяет перейти в жидкое состояние. В жидком состоянии молекулы менее прочно связаны друг с другом из-за более низких сил связи. Таким образом, молекулы больше не привязаны к определенному месту. Вот почему жидкости не имеют твердой формы.

Во время плавления необходимо добавить энергию для разрыва межмолекулярных связей. В случае чистых веществ температура твердого вещества остается постоянной до завершения процесса плавления!

Более подробную информацию об этом также можно найти в статье Почему температура остается постоянной при изменении состояния (фазовый переход)?

Возникает вопрос, сколько тепла нужно добавить, чтобы полностью расплавить определенное количество твердого вещества.Теплота, необходимая для этого, также называется теплотой плавления или энтальпией плавления . Это тепло плавления не включает количество тепла, необходимое для нагрева твердого вещества до точки плавления. Таким образом, теплота плавления включает только тепловую энергию, добавляемую во время плавления, если твердое вещество уже было нагрето до температуры плавления.

Теплота плавления (энтальпия плавления) — это тепловая энергия, которую необходимо добавить к твердому веществу при его температуре плавления, чтобы полностью расплавить определенное количество вещества!

Поскольку теплота плавления, добавляемая во время плавления, не заметно непосредственно при повышении температуры, но, тем не менее, может быть обнаружена в расплавленном веществе в виде внутренней энергии, теплота плавления также называется скрытой теплотой .Термин «скрытый» происходит от латинского и означает «быть скрытым» или «не проявляться напрямую».

Экспериментальное определение теплоты плавления

Экспериментальная установка

На примере замороженной воды (льда) теплота плавления, необходимая для плавления определенного количества льда, будет определена экспериментально следующим образом. Для этого лед из холодильника помещают в емкость с электроподогревом. Судно должно быть теплоизолировано, чтобы таяние льда происходило исключительно за счет выходной мощности нагревателя (которую можно легко определить), а не за счет тепла из более теплых окрестностей, которое обычно вызывает таяние льда.Через небольшое отверстие на дне сосуда талая вода собирается на весах. Таким образом наблюдается процесс плавления с течением времени.

Дополнительная теплота плавления может быть определена с помощью электрической мощности нагревателя, которая полностью преобразуется в тепло. Тепловая энергия \ (Q_ \ text {f} \) (= скрытая теплота плавления), добавленная при мощности \ (P \), получается из времени работы \ (t \) нагревателя по следующей формуле:

\ begin {align}
\ label {q}
Q_ \ text {f} = P \ cdot t \\ [5px]
\ end {align}

Наблюдение

Сначала лед нагревается до температуры плавления с помощью нагревателя.Когда лед начнет таять, эксперимент можно будет начать в любой момент. Для этого весы обнуляются и начинается отсчет времени. Лед постепенно тает, и растаявшая масса отображается на весах. Через определенные промежутки времени регистрируется отображаемая масса весов. В каждый момент времени \ (t \) добавленная теплота плавления \ (Q_ \ text {f} \) до этой точки может быть определена с помощью формулы (\ ref {q}). Таким образом, можно определить, какое количество тепла привело к плавлению какой массы \ (m_ \ text {f} \).

Оценка

Если построить график расплавленной массы как функцию добавленного тепла, то пропорциональное соотношение станет очевидным. Это означает, что для того, чтобы растопить вдвое больше льда, необходимо добавить вдвое больше тепла. Оценка экспериментальных данных показывает, что для плавления 100 г воды необходимо около 35 кДж тепла. При подводимой тепловой энергии около 70 кДж, удвоенная масса льда в 200 г наконец тает.

В частности, что касается сопоставимости теплоты плавления различных твердых тел, поэтому имеет смысл всегда соотносить теплоты плавления \ (Q_ \ text {f} \) со стандартизованным количеством расплавляемой массы (например,грамм. 1 килограмм или 1 грамм). Это постоянное соотношение между теплотой плавления и массой \ (m_ \ text {f} \), подлежащей плавлению, называется удельной теплотой плавления или удельной энтальпией плавления \ (q_ \ text {f} \):

\ begin {align}
& \ boxed {q_ \ text {f} = \ frac {Q_ \ text {f}} {m_ \ text {f}}} ~~~ [q_ \ text {f}] = \ frac {\ text {J}} {\ text {kg}} ~~~~~ \ text {удельная теплоемкость плавления} \\ [5px]
\ end {align}

В результате эксперимента для льда наконец была получена удельная теплота плавления около \ (q_ \ text {f} = 350 \ frac {\ text {kJ}} {\ text {kg}} \).Это означает, что для плавления 1 килограмма льда требуется 350 кДж тепла. Однако, учитывая экспериментально определенную теплоту плавления с использованием описанной экспериментальной установки, необходимо отметить, что тепло, выделяемое нагревателем, не полностью способствует таянию льда. Часть тепла также используется для нагрева емкости и, таким образом, передается в окружающую среду. Следовательно, для таяния льда используется меньшее количество тепла, чем рассчитывается по формуле (\ ref {q}). Литературное значение удельной теплоты плавления льда поэтому несколько ниже с \ (q_ \ text {f} = 334 \ frac {\ text {kJ}} {\ text {kg}} \).

Удельная теплота плавления — это теплота плавления, добавляемая к единице массы расплавляемого твердого вещества!

В случае льда скрытая теплота, добавляемая для плавления, составляет 334 кДж на килограмм, что примерно равно количеству тепла, которое необходимо для доведения воды до кипения от комнатной температуры. Поэтому для плавления необходимо использовать большое количество тепла. Это объясняет, например, почему кубики льда идеально подходят для охлаждения напитков.

Заключение

Удельная теплота плавления \ (q_ \ text {f} \) описывает соотношение между массой, подлежащей плавлению \ (m_ \ text {f} \), и теплотой плавления, добавляемой для этой цели \ (Q_ \ текст {f} \):

\ begin {align}
& \ boxed {Q_ \ text {f} = q_ \ text {f} \ cdot m_ \ text {f}} ~~~ \ text {heat of fusion} \\ [5px]
\ конец

Удельная теплота плавления отдельных веществ

Если бы описанный выше эксперимент проводился с другими твердыми телами вместо льда (например,грамм. металлов, которые расплавляются), было бы показано, что эти вещества плавятся с разными скоростями . В результате для плавления данной массы соответствующего вещества требуется больше или меньше тепловой энергии. Поэтому удельная скрытая теплота плавления зависит от вещества.

Чем больше удельная теплота плавления вещества, тем больше тепла требуется для плавления определенной массы. Поэтому твердые вещества с большой удельной теплотой плавления не плавятся так быстро. В таблице ниже показаны значения удельной теплоты плавления выбранных веществ.

2 1538

9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015 59

Вещество M Температура нагрева
в блоке ° C
Удельная теплоемкость плавления
в блоке \ text {\ frac { {\ text {kg}} \)
Алюминий 660 398
Свинец 328 25
Железо-39 12
Серебро 962 105
Вода 0 334
Вольфрам
Золото 1064 63

Примечание. Относительно высокая удельная теплоемкость плавления алюминия составляет Помимо прочего, это причина того, почему производство алюминия, особенно его плавление, является очень энергоемким и, следовательно, дорогостоящим!

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛО И ТЕПЛО ПЛАВЛЕНИЯ

Часть I.Удельная теплоемкость

ТЕПЛООБМЕН: Когда два или более объекта с разными температурами объединяются в изолированной среде, они в конечном итоге достигают одинаковой температуры в процессе теплообмена. То есть более теплые материалы передают тепло более холодным материалам, пока их температура не станет одинаковой. Передаваемая энергия называется внутренней энергией — энергией, связанной со случайным движением молекул в микроскопическом масштабе. Эту энергию можно разделить на кинетическую энергию и потенциальную энергию, возникающую из-за сил межмолекулярного притяжения в материале.Если у нас есть два изолированных вещества и мы не предполагаем никаких потерь для окружающей среды, тогда принцип сохранения энергии подразумевает, что энергия, потерянная одним веществом, должна быть получена другим. Если обозначить Q как количество тепла, это представление можно выразить как

.

(1)

Температура — это мера средней кинетической энергии случайного движения молекул. По мере того, как тело приобретает или теряет кинетическую энергию, его температура повышается или понижается.Изменение температуры обозначается DT, где

(2)

Хотя внутренняя энергия, которой обладает объект, прямо пропорциональна его массе, из этого не следует, что два объекта с одинаковой массой и температурой имеют одинаковое количество внутренней энергии. Температура отражает только кинетическую часть внутренней энергии, поэтому вещество с большей долей его внутренней энергии в виде потенциальной энергии будет иметь большую внутреннюю энергию при данной температуре.Таким образом, грамм воды при 50 ° C будет иметь гораздо большую внутреннюю энергию, чем грамм меди при 50 ° C, и потребуется гораздо больше энергии, чтобы нагреть воду до 60 ° C, чем произвести такое же изменение температуры в медь. Это свойство отражается в величине, называемой удельной теплоемкостью (S). Удельная теплоемкость определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 ° C.

Принимая во внимание все вышеперечисленное, количество тепла, потерянного или полученного телом, можно рассчитать по соотношению

(3)

где M — масса вещества.

* Внутренняя энергия может быть измерена в калориях. Диетическая Калория — это килокалория или 1000 калорий.

ЛАБОРАТОРНОЕ УПРАЖНЕНИЕ: определяется удельная теплоемкость металлического образца. Ниже приводится краткое изложение эксперимента, а видео с аппаратом, доступное с правой боковой панели, покажет вам задействованные части оборудования.

Нагретый металл наливают в изотермическую емкость с прохладной водой. Поскольку будут приняты меры для предотвращения попадания тепла в контейнер или выхода из него, предполагается, что количество энергии, теряемой горячим металлом, приобретается за счет воды.

Из соотношений (2) и (3) можно вычислить количество тепла, получаемого водой. Поскольку это должно быть количество тепла, теряемого металлом, соотношение (3) может быть применено к металлическому образцу. Когда производится замена известных величин, оставшаяся неизвестная величина представляет собой удельную теплоемкость металла, которая затем рассчитывается по уравнению.

ПРОЦЕДУРА:

1. Наполните бойлер примерно на 2/3 водой. Немедленно начните нагревание.

2. Поместите металл известной массы в чашу бойлера следующим образом:

а. Определите массу пустой котельной чашки.

г. Заполните чашу бойлера примерно на 2/3 предусмотренным металлическим материалом и заново определите массу.

3. Осторожно поместите чашу бойлера в котел, чтобы металл начал нагреваться.

4. Используя мерный цилиндр, налейте 100 мл или другой подходящий объем холодной воды, которая наполняет чашу калориметра примерно на 2/3.Поскольку вода имеет плотность 1 грамм / см. 3 = 1 грамм / мл, количество граммов равно количеству мл воды.

5. Поместите один градусник в чашу бойлера и осторожно втирайте его в металлические частицы.

6. Когда металл почти закончил нагрев, поместите другой термометр в калориметр и запишите начальную температуру воды.

7. Когда температура металла достигнет примерно 95 ° C (которая должна быть начальной температурой металла), быстро снимите чашу бойлера с котла и вылейте горячий металл в калориметр.Запишите начальную температуру металла.

8. Быстро закройте калориметр крышкой. Вставьте термометр в отверстие в верхней части крышки и аккуратно перемешайте металл и воду.

9. После того, как вы вставили термометр и перемешали смесь, запишите температуру. Это конечная температура металла и воды. Запишите температуру. Показание температуры должно медленно отклоняться от этого значения по мере того, как смесь остывает до комнатной температуры, поэтому важно провести это измерение как можно скорее.

10. Рассчитайте удельную теплоемкость металла по собранным вами данным. Сделайте предварительную идентификацию металла, обратившись к таблице с указанием конкретных значений нагрева.

Часть II. Тепло плавления воды

ИЗМЕНЕНИЕ ФАЗОВОГО ТВЕРДОГО НА ЖИДКОСТЬ: Для превращения твердого вещества в жидкость требуется увеличение внутренней энергии. И наоборот, снижение внутренней энергии может привести к замерзанию или затвердеванию жидкостей. Эти переходы твердой фазы в жидкую происходят без изменения температуры, т.е.е., изменения средней кинетической энергии не происходит. Теплота плавления вещества — это теплообмен, необходимый для плавления одного грамма вещества (калорий / г).

В этой части эксперимента будет определена теплота плавления воды. Теплая вода будет использоваться для таяния льда, а изменение температуры воды в калориметре будет использоваться для расчета количества энергии, извлеченной из воды для растапливания льда. Лед должен поглощать тепло, чтобы таять. Поглощенное тепло можно выразить как

.

Тепло, полученное льдом = Тепло, потерянное водой

(5)

, где Lf — обозначение теплоты плавления в калориях на грамм.Необходимое тепло будет передаваться от теплой воды ко льду.

ПРОЦЕДУРА:

1. Нагрейте немного воды примерно на 15 ° C выше комнатной. (Вода из крана горячей воды может быть достаточно горячей.)

2. Массируйте пустой калориметр стаканом из пенополистирола и запишите его массу. Когда он будет примерно наполовину наполнен теплой водой, снова разотрите его и запишите новую массу. Это нужно делать осторожно, так как это не может повториться позже. Рассчитайте массу теплой воды.

3. Осторожно перемешайте воду и запишите ее температуру с помощью термометра 50 ° C.

4. Высушите кусочки льда бумажным полотенцем. Опустите их в воду, осторожно помешивая, стараясь не выплескивать воду. Продолжайте перемешивать воду, добавляя к ней лед по одному. Когда температура воды станет примерно на 15 ° C ниже комнатной, прекратите добавлять лед. Когда последний кусочек льда растает, запишите самую низкую температуру, которой достигает вода.Эта температура является конечной температурой теплой воды и ледяной воды.

5. Массируйте калориметр и его содержимое и определите массу добавленного льда.

6. Рассчитайте теплоту плавления и найдите отклонение в процентах от принятого значения 79,72 кал / г.

ВОПРОСОВ:

1. Сколько калорий требуется для нагрева 10 граммов воды на 20 ° C?

2. Какое изменение температуры вызовет указанное выше количество энергии в 10 граммах свинца?

3.Как бы повлияли на результаты по теплоте плавления воды, если бы лед не был высушен перед помещением в калориметр? Уменьшило бы это или увеличило бы измеренную теплоту плавления?

Удельная теплоемкость (кал / г · м ° C)

Свинец .031
Медь .092
Алюминий .217
Железо .11
Серебро.056

Видео с вопросом: Определение удельной скрытой теплоты плавления металла с учетом его массы и изменения внутренней энергии

Стенограмма видео

В таблице перечислены специфические скрытые
теплота плавления различных металлов. У студента 200 грамм
неизвестный металл. Студент нагревает металл до
точка плавления, а затем измеряет, сколько энергии поглощается металлом для всех
он тает и получает значение 79.6 килоджоулей. Какой из четырех металлов, перечисленных в
стол есть у студента?

Хорошо, взглянем на эту таблицу,
мы видим, что у него две строки. В первой строке перечислены четыре разных
виды металла, алюминия, кобальта, железа и никеля. Во втором ряду конкретный
скрытая теплота плавления этих металлов выражается в килоджоулей на
килограмм. Когда мы говорим о конкретных
скрытая теплота плавления, которая относится к количеству энергии, которое требуется веществу для
перейти от жидкости к твердому телу или от твердого тела к жидкости.Другими словами, это количество
энергия, необходимая для затвердевания или разжижения одного килограмма какого-либо материала.

В нашем сценарии нам говорят
что у студента есть 200-граммовая масса неизвестного металла. Металл начинается как твердый, но
затем нагревается до температуры плавления. Затем ученик измеряет, как
металл поглощает много энергии, чтобы расплавиться. Итак, наш 200-граммовый образец теперь
превратился из полностью твердого в полностью жидкий.Студент измеряет энергию
для этого фазового перехода из твердого состояния в жидкость необходимо 79,6 килоджоулей. Основываясь на этой информации, мы хотим
выяснить, работает ли студент с алюминием, кобальтом, железом или
никель. Чтобы понять это, давайте вспомним
математическая связь между удельной скрытой теплотой, массой и энергией.

В целом энергия,,
необходимая для воздействия на фазовый переход равна массе вещества, идущего
через этот переход, умноженный на удельную скрытую теплоту этого
субстанция.Снова посмотрев на наш стол, мы
учитывая удельную скрытую теплоту, в частности, плавления, для этих четырех различных
металлы. Другими словами, для этих металлов
мы знаем заглавную. Но мы еще не знаем конкретных
скрытая теплота плавления неизвестного металла, с которым работает наш ученик. Это то, что мы хотим определить
чтобы узнать, какой из четырех металлов мы используем. Итак, вот что мы знаем о
наш неизвестный металл и задействованная энергия.Во-первых, мы знаем массу нашего
образец. Это 200 граммов. А еще мы знаем, сколько в нем энергии
потребовалось полностью расплавить этот образец металла. Мы можем назвать эту энергию 𝐸 и
нам говорят, что это 79,6 килоджоулей, 79,6 тысячи джоулей.

Теперь взглянем на наши
выражение для энергии через массу и удельную скрытую теплоемкость. Мы видим, что если разделить оба
стороны на задействованную массу, то этот член сокращается справа, и мы приходим к
математически эквивалентное утверждение.Что энергия, вовлеченная в это
переход, деленный на массу вещества, равен удельной скрытой теплоте
этого вещества. И это та ценность, заглавная 𝐿,
который мы хотим найти для нашего пока неизвестного металла.

Итак, для этого разделим
энергия, необходимая для плавления металла массой образца. Другими словами, мы разделим 79,6
килоджоулей на 200 грамм. Но прежде чем мы это сделаем, обратите внимание на
единиц, в которых даны наши удельные скрытые теплоты плавления.Это килоджоули на
килограмм. А у нас килоджоулей на
грамм. Итак, прежде чем мы сделаем это разделение,
мы хотим перевести нашу массу в килограммы. Напомним, что один килограмм
масса равна 1000 граммов, что означает, что для преобразования 200 граммов в килограммы,
мы сдвинем десятичный знак на три точки влево, после чего мы увидим
эти 200 граммов равны 0,200 килограммам.

Посмотрите на единицы в нашем
теперь мы видим, что это килоджоули на килограмм.Они подходят для подразделений в
термины, в которых даны удельные скрытые теплоты плавления этих металлов. Итак, мы готовы делиться. Когда мы это делаем, мы получаем результат 398
килоджоулей на килограмм. И просматривая нашу таблицу, мы
видите, что это соответствует удельной скрытой теплоте плавления алюминия. Это говорит нам о том, что металл
студент работает с алюминием.

Теплофизические свойства жидкого алюминия

Эксперименты с импульсным омическим нагревом

Провода из алюминия высокой чистоты (99.999 в. pct) диаметром 0,5 мм (каталожный номер AL501115, Advent) были исследованы с использованием метода омического импульсного нагрева. Детали экспериментальной установки для импульсного нагрева уже подробно описаны в ссылках 1–3.

Образцы длиной около 60 мм обрабатывали наждачной бумагой (марка 1200), очищали ацетоном и затем резистивно нагревали под N . 2 атмосферы при давлении 2,3 бара, начиная с комнатной температуры. Импульс тока с пиком около 10 кА пропускался через образцы и измерялся с помощью индукционной катушки (номер модели 3025, Pearson Electronics).В то же время падение напряжения относительно общей земли было измерено с помощью двух ножей напряжения из Мо-фольги, прикрепленных горизонтально к проводу с последующим делением напряжения. Из-за высоких скоростей нагрева примерно 2 × 10 8 K с -1 , необходимых для предотвращения потери контакта, эксперименты имели относительно короткую продолжительность около 35 мк с.

Чтобы связать временное разрешение падения напряжения и поведения тока с температурой, яркость поверхности одновременно контролировалась ИК-пирометром с охлаждением Пельтье, работающим на средней эффективной длине волны λ
eff = 2315 нм с эффективной шириной полосы около 390 нм.Для калибровки пирометра на месте , яркость поверхности на плато плавления, наблюдаемая при изменении яркости во времени, была приписана температуре плавления Al, , то есть , T
m = 933,47 K (660,32 ° C). [4] Выражая измеренные сигналы пирометра с помощью закона излучения Планка, яркость поверхности Дж ( T ), измеренная в любой момент времени t , затем может быть связана с наблюдаемой яркостью Дж ( T ).
м ) при температуре плавления, просто взяв соотношение и решив для T :

$$ T = \ frac {{c_ {2}}} {{\ lambda _ {\ text {eff}} \ cdot \ ln \ left ({\ frac {{J \ left ({T _ {\ text {m}}} \ right)}} {J (T)} \ cdot \ frac {{\ varepsilon \ left ({\ lambda _ {\ текст {eff}}, T} \ right)}} {{\ varepsilon \ left ({\ lambda _ {\ text {eff}}, T _ {\ text {m}}} \ right)}} \ cdot \ left \ {{e ^ {{\ frac {{c_ {2}}} {{\ lambda _ {\ text {eff}} \ cdot T _ {\ text {m}}}}}} — 1} \ right \} + 1 } \ right)}}, $$

(1)

где c
2 = 0.014388 м К — вторая радиационная постоянная. Из-за отсутствия данных о спектральной излучательной способности на экстремальной длине измерительной волны было дополнительно предположено, что излучательная способность ε принимает значение, истинное для точки плавления, , т.е. , \ (\ frac {{\ varepsilon \ left ( {\ lambda _ {\ text {eff}}, T} \ right)}} {{\ varepsilon \ left ({\ lambda _ {\ text {eff}}, T _ {\ text {m}}} \ right)}} = 1 \) во всем температурном диапазоне. Обратите внимание, что предположение о постоянной излучательной способности в основном возможно в жидкой фазе, в то время как для твердой фазы это обычно не так.Таким образом, данные, представленные в этой публикации, сосредоточены на жидкой фазе, в то время как данные по твердой фазе также являются общей оценкой.

Для получения данных для плотности D ( T ) использовалась адаптированная быстрая система CCD, снимающая теневые изображения расширяющейся проволоки с задней подсветкой (подробности см. В ссылке 5). Теневые изображения с выдержкой 600 нс были сняты на расстоянии 5 мкм с интервалом с. Диаметр d ( T ) как функция температуры затем может быть получен путем оценки полной ширины на полувысоте в рассчитанном профиле интенсивности каждого изображения.{2}. $

(2)

Обратите внимание, что при таком подходе продольное расширение должно в значительной степени подавляться. Это обеспечивается применением высоких скоростей нагрева, которые, как было показано, приводят к повышенному радиальному тепловому расширению за счет отсутствия продольного расширения. [7,8] Кроме того, очень важно получить неподвижный вертикальный столб жидкого металла, чтобы сделать выводы точные диаметры из профилей интенсивности.Поэтому измерения плотности проводились как отдельные эксперименты без ножей напряжения, которые могут толкать металлический столб. Кроме того, длина проволоки была сокращена примерно до 40 мм для повышения ее устойчивости. {‘}} \ right) {\ text {d}} t ‘.$

(5)

Благодаря изобарическим характеристикам эксперимента, удельная теплоемкость при постоянном давлении c
p можно оценить по наклону кривой H ( T ):

$$ c _ {\ text {p}} = \ left ({\ frac {\ partial H} {\ partial T} } \ right) _ {\ text {p}}. $$

(6)

Для оценки теплопроводности λ ( T ) использовался закон Видемана – Франца.Число Лоренца было принято постоянным при теоретическом значении L = 2,45 × 10 −8 V 2 K −2 . Это предположение оправдано, так как сообщается, что фононная проводимость Al очень мала (для получения дополнительной информации см. Klemens and Williams. [9])

$$ \ lambda (T) = \ frac {L \ cdot T} { {\ rho _ {\ text {VE}} (T)}}. $

(7)

Температуропроводность a ( T ) можно оценить, используя теплопроводность λ ( T ), удельную теплоемкость при постоянном давлении c
p , а плотность D ( T ).Обратите внимание, что применяя закон Видемана – Франца к соответствующему уравнению и вставляя уравнения. [4] и [2] дают выражение, не зависящее от теплового расширения.

$$ a (T) = \ frac {\ lambda (T)} {{c _ {\ text {p}} \ cdot D (T)}} \ Equiv \ frac {L \ cdot T} {{c_ { \ text {p}} \ cdot \ rho _ {\ text {IG}} (T) \ cdot D_ {0}}}. $

(8)

Следовательно, коэффициент температуропроводности можно оценить с относительно низкой неопределенностью. [10]

Эксперименты с электромагнитной левитацией

Установка с электромагнитной левитацией (EML) использовалась для исследования поверхностного натяжения жидкого алюминия, а также для получения дополнительных справочных данных о плотности алюминия в жидкой фазе.Подробное описание установки EML уже было частью предшествующих публикаций. [11,12,13,14]

В экспериментах EML использовались небольшие образцы алюминия высокой чистоты (99,999 ат.%) С массой в диапазоне 100 до 140 мг. Образцы были вырезаны из алюминиевого стержня высокой чистоты диаметром 5,0 мм (каталожный № AL501907, Advent). Каждый образец очищали ацетоном в ультразвуковой ванне с последующим определением массы на прецизионных весах.

Чистая среда в камере зонда была обеспечена путем сначала вакуумирования камеры до давления ниже 5 × 10 −6 мбар, а затем наполнения ее до атмосферного давления (850 мбар) газовыми смесями высокой чистоты аргона с 2.4 т. % водорода (AirLiquide Arcal10) и гелия с 4 об. % водорода (специальная газовая смесь AirLiquide). Соотношение газовых смесей было адаптировано на протяжении всего эксперимента, чтобы контролировать отвод тепла от образца и, таким образом, реализовать различные температуры образца. Идея использования газовых смесей, обогащенных водородом, заключалась в том, чтобы препятствовать образованию оксида алюминия (оксида алюминия) и восстанавливать уже присутствующий оксид алюминия на поверхности образца до алюминия и пара. [15]

Бесконтактное измерение температуры было выполнено с помощью коммерческого пирометра NIR (IMPAC IGA 6 Advanced, LumaSense), работающего в полосе пропускания 1.От 45 до 1,80 мкм м. Значения температуры, зарегистрированные программным обеспечением (InfraWin 5.0.1.52), относятся к температуре абсолютно черного тела ( T
bb ) обнаруженного сияния. Чтобы получить истинную температуру, коэффициент излучения при эталонной температуре был определен путем сопоставления зарегистрированной температуры абсолютно черного тела на плато затвердевания исследуемого образца с реальной температурой плавления Al, , то есть , T
м = 933.47 К (660,32 ° C), [4] по формуле [9], как указано в ссылке 16

$$ \ varepsilon = {\ exp} \ left ({\ frac {{c_ {2}}} {\ lambda} \ cdot \ left ({\ frac {1} {{T _ {\ text {m}}) }} — \ frac {1} {{T _ {\ text {bb}}}}} \ right)} \ right) $$

(9)

с с
2 = 0,014388 м К, вторая радиационная постоянная. {2} \ cdot \ left ({1.{2}}}, $$

(13)

$$ a = \ sqrt [3] {{\ frac {3 \ cdot M} {4 \ cdot \ pi \ cdot D}}}, $$

(14)

где z
0 пропорциональна относительному положению капли в поле; г — ускорение свободного падения; и a — радиус образца, который может быть вычислен из массы образца M и плотности D .{2}. $

(15)

Значение v
2,0 в уравнении. [12] — наблюдаемая частота для режима колебаний l = 2, m = 0. Члены v
2,1 и v
2,2 в уравнении. [12] можно рассчитать как

$$ \ nu_ {2, m} = \ frac {1} {2} \ cdot \ left ({\ nu_ {2, + m} ({\ varOmega}) + \ nu_ {2, — m} ({\ varOmega})} \ right) $$

(16)

, поскольку расщепление наблюдаемых частот для мод колебаний l = 2, m = 1, 2 из-за вращения образца с частотой Ω , обозначенное ν
2, ± м
( Ом, ) симметричный.

Движение и колебания образца регистрировались сверху с учетом симметрии вертикальной оси. Высокоскоростная камера записала 4096 изображений на каждую температурную точку. Частоту кадров камеры, обычно 600 кадров в секунду (fps) при разрешении 1024 x 1024 пикселей, пришлось снизить до значения 200 fps для низких температур образца, чтобы время выдержки достигло 5 мс. Эта регулировка была необходима для обеспечения достаточной яркости записанных изображений, поскольку спектральная яркость в видимом диапазоне снижалась до очень низкого уровня при температурах, близких к точке плавления.

Серии изображений были проанализированы с использованием программного обеспечения для обнаружения краев, которое определяет положение и размер образца на изображениях. Программа создает таблицу, в которой для каждого изображения хранятся координаты центра масс, а также радиусы в зависимости от азимутального угла с шагом 5 градусов. Используя эту таблицу, можно получить спектр координат, а также радиусов, применяя быстрое преобразование Фурье к соответствующему временному ряду.

Чтобы идентифицировать пять частот колебаний, были использованы дополнительные спектры суммы и разности двух произвольных перпендикулярных радиусов, как представлено в ссылке 13.

Для измерения плотности была записана серия из 4100 теневых изображений, полученных сбоку, с частотой кадров 120 кадров в секунду для каждой точки температуры. Из этих теневых изображений средняя форма образца была определена программным обеспечением с использованием алгоритмов обнаружения краев для определения положения и размера образца на изображениях.

Высокоточные сферы на шарикоподшипниках известного диаметра, левитирующие потоком аргона через охлаждающее сопло, использовались для соотнесения площади образца на изображениях теневой диаграммы с реальной (метрической) величиной.В предположении симметрии капли по вертикальной оси рассчитывается объем и, при известной массе образца, определяется плотность.

Скрытая теплота плавления некоторых металлов

Скрытая теплота ряда обычных металлов была измерена путем определения общей теплоты жидкости и твердого тела по серии начальных высоких температур.

Калориметрия проводилась методом смесей с некоторыми уточнениями, главными из которых были использование довольно больших зарядов металла (порядка 2 килограммов) и устройства, с помощью которого горячий заряд не допускал контакта водой калориметра до полного закрытия последнего; это исключает ошибку из-за образования и утечки пара с последующей потерей тепла.Упомянутое устройство заключалось в обеспечении сосуда из листового металла, подвешенного на резьбе к основной крышке калориметра. Отверстие, через которое вводился заряд, закрывалось вращающейся крышкой в ​​основной крышке, а вводимый тигель погружался после закрытия этой меньшей крышки с помощью проволоки, проходящей через ушко в основании калориметра. , и наверху.

Результаты для скрытой теплоты приведены ниже: —

910 910 6

Металл. Температура плавления, ° С. Скрытая теплота. (Калорий на грамм)
Алюминий 657 92,4
Сурьма 630 24,3
Висмут 269 1010 269 269
Магний 644 46,5
Олово 232 14.6
Цинк 420 26,6

В документе также содержатся значения удельной теплоемкости до точки плавления, полученные путем дифференциации кривых температура-общая теплота.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
    Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
    браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
    Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

.

Related Posts

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.