Тепловые свойства меди

Характерной особенностью меди является ее высокая теплопроводность, в 6 раз большая, чем у железа, и более высокая, чем у железа, механическая стойкость при низких температурах.
Коэффициент теплопроводности меди при температуре 20–100 °С составляет 394 Вт/(м*К) – выше только у серебра. Стальной прокат уступает меди по этому показателю почти в 9 раз, а железо – в 6. Различные примеси по-разному влияют на физические свойства металлов. У меди скорость передачи тепла снижается при добавлении в материал или попадании в результате технологического процесса алюминия, железа, кислорода, мышьяка, сурьмы, серы, селеа, фосфора.
Высокая теплопроводность характеризуется быстрым распространением энергии нагрева по всему объему предмета. Эта способность обеспечила меди широкое применение в любых системах теплообмена, особенно труб, листовой меди и медной проволоки. Ее используют при изготовлении трубок и радиаторов холодильников, кондиционеров, вакуумных установок, автомашин для отвода избыточного тепла охлаждающей жидкости. В отопительных приборах подобные изделия из меди служат для обогрева. 
Способность меди проводить тепло снижается при нагреве. Значения коэффициента теплопроводности меди в воздухе зависит от температуры последнего, которая влияет на теплоотдачу (охлаждение). Чем выше температура окружающей среды, тем медленнее остывает металл и ниже его теплопроводность. Поэтому во всех теплообменниках используют принудительный обдув вентилятором – это повышает эффективность работы устройств и одновременно поддерживает тепловую проводимость на оптимальном уровне.
Тепловое расширение меди (при 20 — 100 град. C) — 0,0168 мм / м / ºC.
Чистая медь и ее сплавы не являются жаростойкими материалами, однако, в некоторых случаях они применяются при повышенных температурах, когда от конструкции требуется повышенная электропроводность или теплопроводность. Используется медь с низким содержанием кислорода (<<0,04 %). Когда требуется прочность изделия, то вводится мышьяк (0,4 %). Добавки Сё (1,0 %), Сг (0,3 %) и Ag (0,1 %) также улучшают механические свойства меди при повышенных температурах, причем электропроводность при этом остается практически без изменения.
У меди высокая теплопроводность, что обуславливает достаточно сложный процесс монтажных и других работ, имеющих свою специфику. Сварка, пайка, резка меди требует более концентрированного нагрева, чем для стали, и зачастую предварительного и сопутствующего подогрева металла.
Медь, помимо широкого применения в технике по причине ее высокой электропроводности, используется в химическом машиностроении в качестве конструкционного материала для изготовления разнообразной химической аппаратуры и, в особенности, теплообменной аппаратуры (выпарные аппараты, теплообменники, конденсаторы, испарители, змеевики). Объясняется это высокой теплопроводностью меди и ее сплавов, их благоприятными физико-механическими свойствами при достаточно высокой.
Существует несколько марок меди, теплопроводность которых при низких температурах может быть весьма различной в зависимости от количества и характера примесей.

Температура плавления меди 1083,85 C (1357.77 ± 0.20·K).

+7(495)988-30-04

Дополнительные мобильные телефоны —

+7(915)332-61-30 +7(916)328-86-67

МЕДЬ

• МЕДНЫЙ ПРОКАТ
• СВОЙСТВА МЕДИ
• ГОСТы на МЕДЬ
• Контакты и реквизиты
• РАСЧЁТ ВЕСА МЕТАЛЛА

МЕТАЛЛОПРОКАТ

• ЛАТУНЬ
• МЕДЬ
• БРОНЗА
• АЛЮМИНИЙ
• ТИТАН
• ОЛОВО
• НИКЕЛЬ
• ЦИНК
• РАСЧЁТ ВЕСА МЕТАЛЛА

электропроводность, свойства, особенности и применение

Во многих отраслях современной промышленности очень широко используется такой материал, как медь. Электропроводность у этого металла очень высокая. Этим и объясняется целесообразность его применения прежде всего в электротехнике. Из меди получаются проводники с отличными эксплуатационными характеристиками. Конечно же, используется этот металл не только в электротехнике, но и в других отраслях промышленности. Объясняется его востребованность в том числе и такими его качествами, как стойкость к коррозионным разрушениям в ряде агрессивных сред, тугоплавкость, пластичность и т.д.

Историческая справка

Медь является металлом, известным человеку с глубокой древности. Объясняется раннее знакомство людей с эти материалом прежде всего его широкой распространенностью в природе в виде самородков. Многие ученые считают, что именно медь была первым металлом, восстановленным человеком из кислородных соединений. Когда-то горные породы просто нагревали на костре и резко остужали, в результате чего они растрескивались. Позднее восстановление меди начали производить на кострах с добавлением угля и поддувом мехами. Совершенствование этого способа в конечном итоге привело к созданию шахтной печи. Еще позже этот металл начали получать методом окислительной плавки руд.

Медь: электропроводность материала

В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом^-1.

Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см^-1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.

Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.

Влияние примесей на электропроводность меди

Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0. 1 %.

Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.

Сплавы

Разного рода добавки могут использоваться и специально для повышения прочности такого пластичного материала, как медь. Электропроводность ее они также снижают. Но зато их применение позволяет значительно продлить срок службы разного рода изделий.

Чаще всего в качестве повышающей прочность меди добавки используется Cd (0.9 %). В результате получается кадмиевая бронза. Ее проводимость составляет 90 % от проводимости меди. Иногда вместо кадмия в качестве добавки используют также алюминий. Проводимость этого металла составляет 65 % от этого же показателя меди. Для повышения прочности проводов в виде добавки могут применяться и другие материалы и вещества — олово, фосфор, хром, бериллий. В результате получается бронза определенной марки. Соединение меди с цинком называется латунью.

Характеристики сплавов

Зависеть электропроводность металлов может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.

Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.

Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.

Медные сплавы высокого сопротивления

Такие проводниковые материалы применяют в основном при изготовлении резисторов, реостатов, измерительных приборов и электронагревательных устройств. Чаще всего для этой цели используются медные сплавы константан и манганин. Удельное сопротивление первого (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) составляет 0.42-0.48 мкОм/м, а второго (60 % Cu, 40 % Ni) — 0.48-0.52 мкОм/м.

Связь с коэффициентом теплопроводности

Удельная электропроводность меди — 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 ^оС. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует определенная связь. Устанавливает его закон Видемана — Франца. Выполняется он для металлов при высоких температурах и выражается в такой формуле: K/γ = π² / 3 (k/e)²T, где y — удельная проводимость, k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд.

Разумеется, существует подобная связь и у такого металла, как медь. Теплопроводность и электропроводность у нее очень высокие. На втором месте после серебра она находится по обоим этим показателям.

Соединение медных и алюминиевых проводов

В последнее время в быту и промышленности начало использоваться электрооборудование все более высокой мощности. Во времена СССР проводка изготавливалась в основном из дешевого алюминия. Новым требованиям ее эксплуатационные характеристики, к сожалению, уже не соответствуют. Поэтому сегодня в быту и в промышленности очень часто алюминиевые провода меняются на медные. Основным преимуществом последних, помимо тугоплавкости, является то, что при окислительном процессе их токопроводящие свойства не уменьшаются.

Часто при модернизации электросетей алюминиевые и медные провода приходится соединять. Делать это напрямую нельзя. Собственно, электропроводность алюминия и меди различается не слишком сильно. Но только у самих этих металлов. Окислительные же пленки у алюминия и меди свойства имеют неодинаковые. Из-за этого значительно снижается проводимость в месте соединения. Окислительная пленка у алюминия отличается гораздо большим сопротивлением, чем у меди. Поэтому соединение этих двух разновидностей проводников должно производиться исключительно через специальные переходники. Это могут быть, к примеру, зажимы, содержащие пасту, защищающую металлы от появления окиси. Данный вариант переходников обычно используется при соединении проводов на улице. В помещениях чаще применяются ответвительные сжимы. В их конструкцию входит специальная пластина, исключающая прямой контакт между алюминием и медью. При отсутствии таких проводников в бытовых условиях вместо скручивания проводов напрямую рекомендуется использовать шайбу и гайку в качестве промежуточного «мостика».

Физические свойства

Таким образом, мы выяснили, какая электропроводность у меди. Показатель этот может меняться в зависимости от входящих в состав этого металла примесей. Однако востребованность меди в промышленности определяется и другими ее полезными физическими свойствами, получить информацию о которых можно из представленной ниже таблицы.

Химические свойства

По таким характеристикам медь, электропроводность и теплопроводность которой очень высокие, занимает промежуточное положение между элементами первой триады восьмой группы и щелочными первой группы таблицы Менделеева. К основным ее химическим свойствам относят:

Наиболее характерным для меди является двухвалентное состояние. Сходства с щелочными металлами она не имеет практически никакого. Химическая активность ее также невелика. В присутствии СО₂ или же влаги на поверхности меди образуется зеленая карбонатная пленка. Все соли меди являются ядовитыми веществами. В одно- и двухвалентном состоянии этот металл образует очень устойчивые комплексные соединения. Наибольшее значение для промышленности имеют аммиачные.

Сфера использования

Высокая тепло- и электропроводность меди определяет ее широкое применение в самых разных отраслях промышленности. Конечно же, чаще всего этот металл используется в электротехнике. Однако это далеко не единственная сфера его применения. Помимо всего прочего, медь может использоваться:

Для изготовления разного рода ювелирных изделий используется в основном сплав меди с золотом. Это позволяет увеличить стойкость украшений к деформациям и истиранию. В архитектуре медь может использоваться при облицовке кровель и фасадов. Основным преимуществом такой отделки является долговечность. К примеру, листами именно этого металла обшита крыша широко известной архитектурной достопримечательности — католического собора в немецком городе Хильдесхайме. Медная кровля этого здания надежно защищает его внутреннее пространство вот уже почти 700 лет.

Инженерные коммуникации

Основными преимуществами медных водопроводов также являются долговечность и надежность. Кроме того, этот металл способен придавать воде особые уникальные свойства, делая ее полезной для организма. Для сборки газопроводов и систем отопления медные трубы также подходят идеально — в основном благодаря своей коррозийной стойкости и пластичности. При аварийном повышении давления такие магистрали способны выдерживать гораздо большую нагрузку, чем стальные. Единственным недостатком медных трубопроводов является их дороговизна.

Что такое теплопроводность?

Медь известна многими свойствами: коррозионной стойкостью, электропроводностью, противомикробными свойствами, возможностью вторичной переработки и теплопроводностью. Но что такое теплопроводность и почему она так важна для определенных отраслей? Давайте посмотрим вместе.

Вы когда-нибудь внимательно рассматривали чайник и сомневались в его конструкции? Хотя большая часть этого предмета сделана из нержавеющей стали, ручка и крышка часто изготавливаются из пластика. Почему это? Ну, причина кроется в разной теплопроводности двух материалов. Нержавеющая сталь, как и практически все металлы, хорошо проводит тепло. Это важно для чайника, так как его задача — нагревать воду. Тем не менее, вы не хотите обжечь руки при кипячении воды. Поэтому ручка сделана из пластика, так как этот материал очень плохо проводит тепло. Таким образом, чайник выполняет именно ту цель, которую он должен выполнять.

Старинный медный чайник с деревянной ручкой

Что такое теплопроводность металлов?

Теплопроводность определяется как способность передавать тепло от горячего объекта к холодному объекту. Каждый материал имеет разную теплопроводность. Это зависит от трех факторов: пористости, содержания воды и плотности. В неметаллических твердых телах теплопроводность в значительной степени основана на механическом соединении соседних атомов и связанной с этим передачей колебательной энергии.

С другой стороны, в металлах электроны проводимости в значительной степени ответственны за теплопроводность. Те же самые электроны проводимости ответственны за электронную проводимость. Они гарантируют, что металлы имеют очень хорошую теплопроводность.

Свободные электроны сталкиваются с частицами решетки. Поскольку они вибрируют более сильно в точке нагрева, они передают часть своей избыточной энергии другим электронам при ударе. Они могут свободно перемещаться в решетке металла и, следовательно, передавать ранее поглощенную дополнительную энергию частицам решетки вне точки нагрева при их столкновении с ними. Твердые тела, которые не состоят из металла, не имеют свободных электронов — поэтому они не проводят электрический ток — и поэтому гораздо хуже проводят тепло.

Медь и ее теплопроводность

Медь очень хорошо проводит электричество и используется для изготовления электрических кабелей во многих областях. Гораздо менее известно, что медь также хорошо проводит тепло. И не случайно кастрюли и сковороды из меди пользуются популярностью для приготовления пищи.

Лишь немногие материалы лучше проводят тепло, чем медь. Одним из них, например, является алмаз. Ни один другой материал не обладает лучшей теплопроводностью, чем алмаз. Алмаз достигает своей непревзойденной теплопроводности благодаря своей уникальной кристаллической структуре – схеме расположения атомов. В отличие от металлов, в алмазах тепло переносится колебаниями решетки, а не электронами проводимости.

Из-за своей высокой теплопроводности медь является популярным материалом для труб отопления.

Серебро – единственный металл, имеющий более высокую теплопроводность, чем медь. Однако он лишь незначительно выше. А поскольку и алмаз, и серебро довольно дороги для покупки, медь является наиболее часто используемым металлом для изготовления проводящих устройств. Это связано с его превосходной теплопроводностью, а также с хорошей электропроводностью, высокой температурой плавления и умеренной скоростью коррозии.

Теплопроводность в обрабатывающей промышленности

Хорошая теплопроводность делает медь востребованным материалом в промышленности. Медь является лучшим выбором там, где требуется быстрая теплопередача. Часто забывают, что медь не только превосходно поглощает тепло, но и рассеивает его. Это делает медь отличным охлаждающим материалом. Например, медь используется в теплообменниках систем кондиционирования воздуха, автомобильных радиаторах или в качестве процессорных кулеров в компьютерах. И даже в производстве пластмасс медные сплавы, такие как AMPCOLOY®, могут помочь сделать процесс более эффективным.

Хотите узнать больше о металлургии меди и сплавов на основе меди? Download now a free extract of our book «Metallurgy of Copper and Copper Alloys»

Conductivity

проводимость

Серебро

СОЕДИНЕНИЯ

http://www.