Site Loader

Содержание

Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов.

Раздел недели: Плоские фигуры. Свойства, стороны, углы, признаки, периметры, равенства, подобия, хорды, секторы, площади и т.д.


Поиск на сайте DPVA

Поставщики оборудования

Полезные ссылки

О проекте

Обратная связь

Ответы на вопросы.

Оглавление

Таблицы DPVA.ru — Инженерный Справочник



Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru:  главная страница / / Техническая информация/ / Физический справочник / / Электрические и магнитные величины / / Электрическое сопротивление и проводимость проводников, растворов, почв. / / Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов.

Поделиться:   

Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов.

Электропроводимость (электрическая проводимость) и электрическое сопротивление для железа, сталей и суперсплавов.
Материал Проводимость Сопротивление
  (% IACS) (Сименс/м) (Ом*м)
Железо и чугун      
Железо чистое 18. 00 1.044*107 9.579*10-8
В слитке Iron Ingot (непр.назв.ignot) (99.9% Fe) 15.60 9.048*106 1.105*10-7
Низкоуглеродистый белый чугун 3.25   5.300*10-7

Мартенситное хромо-никелевое (стое) железо /martensitic nickel-chromium iron

2.16   8.000*10-7
Высококремнистый чугун / high-silicon iron 3.45  
5.000*10-7
Железо-никелевые сплавы/ h igh-nickel iron 1. 0-1.2   1.4*10-6—1.7*10-6
Хромо-никелевое кремнистое железо / nickel-chromium-silicon iron 1.0-1.2   1.5*10-6—1.7*10-6
Алюминиево-железные сплавы/ high-aluminum iron 0.72
 
2.400*10-6
Кремнистый чугун/ medium-silicoon ductile iron 2.0-3.0   5.8*10-7—8.7*10-7
Ниель-железные сплавы / high-nickel ductile (20% Ni) 1.69   1.020*10-6
Углеродистые и низколегированные стали. AISI      
1008 (Отожженная) 11.
81
  1.460*10-7
1010 12.06   1.430*10-7
1015 (Отожженная) 10.84   1.590*10-7
1016 (Отожженная) 10.78   1.600*10-7
1018 (Отожженная) 10.84
 
1.590*10-7
1020 10.84   1.590*10-7
1022 (Отожженная) 10.84   1.590*10-7
1025 (Отожженная) 10. 84   1.590*10-7
1029 (Отожженная) 10.78   1.600*10-7
1030 (Отожженная) 10.39   1.660*10-7
1035 (Отожженная) 10.58   1.630*10-7
1040 (Отожженная) 10.78   1.600*10-7
1042 (Отожженная) 10.08   1.710*10
-7
1043 (Отожженная) 10.58   1. 630*10-7
1045 (Отожженная) 10.64   1.620*10-7
1046 10.58   1.630*10-7
1050 (Отожженная) 10.58  
1.630*10-7
1055 10.58   1.630*10-7
1060 9.58   1.800*10-7
1065 10.58   1.630*10-7
1070 10.26   1. 680*10-7
1078 (Отожженная) 9.58   1.800*10-7
1080 9.58   1.800*10-7
1095 9.58   1.800*10-7
1137 10.14   1.700*10-7
1141 10.14   1.700*10-7
1151
10.14   1.700*10-7
1524 8.29   2. 080*10-7
1524 (Отожженная) 10.78   1.600*10-7
1552 10.58   1.630*10-7
4130 (Закаленная и отпущенная) 7.73   2.230*10-7
4140 (Закаленная и отпущенная) 7.84   2.200*10-7
4626 (Нормализованная и отпущенная) 8.62   2.000*10-7
4815 6.63   2.600*10-7
5132 8. 21   2.100*10-7
5140 (Закаленная и отпущенная) 7.56   2.280*10-7

Холоднодеформированные нержавеющие стали отожженные AISI

     
201 2.50   6.900*10-7
202 2.50   6.900*10-7
301 2.39   7.200*10-7
302 2.39   7. 200*10-7
302B 2.39   7.200*10-7
303 2.39   7.200*10-7
304 2.39   7.200*10-7
302Cu 2.39   7.200*10-7
304N 2.39   7.200*10-7
304 2.50 1.450*106 6.897*10-7
304 2.50 1.450*106 6. 897*10-7
305 2.39   7.200*10-7
308 2.39   7.200*10-7
309 2.21   7.800*10-7
310 2.21   7.800*10-7
314 2.24   7.700*10-7
316 2.33   7.400*10-7
316N 2.33   7.400*10-7
316 2. 30 1.334*106 7.496*10-7
317 2.33   7.400*10-7
317L 2.18   7.900*10-7
321 2.39   7.200*10-7
329 2.30   7.500*10-7
330 1.69   1.020*10-6
347 2.36   7.300*10-7
347 2. 40 1.392*106 7.184*10-7
384 2.18   7.900*10-7
405 2.87   6.000*10-7
410 3.02   5.700*10-7
414 2.46   7.000*10-7
416 3.02   5.700*10-7
420 3.13   5.500*10-7
429 2. 92   5.900*10-7
430 2.87   6.000*10-7
430F 2.87   6.000*10-7
431 2.39   7.200*10-7
434 2.87   6.000*10-7
436 2.87   6.000*10-7
439 2.74   6.300*10-7
440A 2.87   6. 000*10-7
440C 2.87   6.000*10-7
444 2.78   6.200*10-7
446 2.57   6.700*10-7
PH 13-8 Mo 1.69   1.020*10-6
15-5 PH 2.24   7.700*10-7
17-4 PH 2.16   8.000*10-7
17-7 PH 2.08   8. 300*10-7
Холоднодеформированные и спеченные суперсплавы (супераллои, супералои)      
Elgiloy 1.73   9.950*10-7
Hastelloy Хастеллой «A» 1.40 8.120*105 1.232*10-6
Hastelloy Хастеллой»B» и «C» 1.30 7.540*105 1.326*10-6
Hastelloy Хастеллой»D» 1.50 8.700*105 1.149*10-6
Hastelloy Хастеллой»X» 1. 50 8.700*105 1.149*10-6
Haynes 150 2.13   8.100*10-7
Haynes 188 1.87   9.220*10-7
Haynes 230 1.38   1.250*10-6
Incoloy 800 Инкаллой 1.74   9.890*10-7
Incoloy 825 1.53   1.130*10-6
Incoloy 903 2.83   6.100*10-7
Incoloy 907 2. 47   6.970*10-7
Incoloy 909 2.37   7.280*10-7
Inconel 600 Инконель 1.70 9.860*105 1.014*10-6
Inconel 600 1.67   1.030*10-6
Inconel 601 1.45   1.190*10-6
Inconel 617 1.41   1.220*10-6
Inconel 625 1.34   1.290*10-6
Inconel 690 11. 65   1.480*10-7
Inconel 718 1.38   1.250*10-6
Inconel X750 1.41   1.220*10-6
L-605 1.94   8.900*10-7
M-252 1.58   1.090*10-6
MP35N 1.71   1.010*10-6
Nimonic? 263 1.50   1.150*10-6
Nimonic 105 1. 32   1.310*10-6
Nimonic 115 1.24   1.390*10-6
Nimonic 75 1.39   1.240*10-6
Nimonic 80A 1.36   1.270*10-6
Nimonic 90 1.46   1.180*10-6
Nimonic PE.16 1.57   1.100*10-6
Nimonic PK.33 1.37   1.260*10-6
Rene 41 1. 32   1.308*10-6
Stellite 6B Стеллит, стелит 1.89   9.100*10-7
Udimet 500 1.43   1.203*10-6
Waspaloy 1.39   1.240*10-6

*проводимость чистой отожженной меди при 20°C (5.8108 x 107 S/m) принимается за 100% IACS это сокращение от «Международного стандарта по отожженной меди» = International Annealed Copper Standard.


Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:

Дополнительная информация от Инженерного cправочника DPVA, а именно — другие подразделы данного раздела:

Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:

Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.

Коды баннеров проекта DPVA.ru
Начинка: KJR Publisiers

Консультации и техническая
поддержка сайта: Zavarka Team

Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator

Белорусский государственный университет транспорта — БелГУТ (БИИЖТ)

Регистрация на конференцию «Проблемы безопасности на транспорте»

Регистрация на конференцию «Тихомировские чтения»

Как поступить в БелГУТ:


дневное, заочное полное,
заочное сокращенное

Как получить место


в общежитии БелГУТа

Как поступить иностранному гражданину

События

Все события

Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс

1

Дата : 2022-09-01

2

3

4

5

Дата : 2022-09-05

6

Дата : 2022-09-06

7

Дата : 2022-09-07

8

Дата : 2022-09-08

9

Дата : 2022-09-09

10

Дата : 2022-09-10

11

Дата : 2022-09-11

12

13

14

15

Дата : 2022-09-15

16

Дата : 2022-09-16

17

Дата : 2022-09-17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Все анонсы

  • Матч по мини-футболу между БелГУТом и ГГТУ. ..
  • Велопробег «В единстве — сила»…
  • Логистика. Обучение для студентов выпускных курсов…
  • Акция «Мы едины» — поем гимн вместе…
  • ЕДИ «История белорусской государственности – основ…
  • Диалоговая площадка «Беларусь адзіная»…
  • Набор в студию рисунка и живописи…
  • Открытая лекция Быченко Олега Владимировича…
  • Квиз «Гісторыя майго жыцця»…
  • Набор в волонтерский сектор Студсовета…

Анонсы

Университет

Абитуриентам

Студентам

Конференции

Приглашения

Матч по мини-футболу между БелГУТом и ГГТУ…

Велопробег «В единстве — сила»…

Логистика. Обучение для студентов выпускных курсов…

Акция «Мы едины» — поем гимн вместе…

Новости

Университет

Международные связи

Спорт

Воспитательная работа

Жизнь студентов

Новости подразделений



  • Университет

Диалоговая площадка «Беларусь адзіная». ..
15 сентября 2022

  • Студенческая жизнь

Встреча секретаря БРСМ БелГУТа со студентами…
15 сентября 2022

  • Университет

Встреча ректора со студентами в студенческом городке…
15 сентября 2022

  • Университет

Проект студента востребован в городе
14 сентября 2022

  • Университет

Будущее Беларуси — в единстве
14 сентября 2022

  • Университет

Видео-репортаж Дня рождения Гомеля
13 сентября 2022

  • Воспитательная работа

Віктарына да Дня народнага адзінства
13 сентября 2022

  • Студенческая жизнь

Интервью с участниками открытия фестиваля «Сожскi карагод» и видео-реп. ..
13 сентября 2022

  • Спорт

Неделя спорта и здоровья
13 сентября 2022

Другие новости

  • Опубликован сборник материалов конференции «Водоснабжение, химия и при…
  • Студент БелГУТа из Марокко рассказывает об учебе в Беларуси…
  • БРСМ — всегда на помощь! День города Гомеля…
  • Новый номер газеты «Вести БелГУТа»
  • Республиканский легкоатлетический студенческий забег…
  • БелГУТ предлагает жилые помещения арендного использования…
  • С Днем рождения, Гомель!
  • Живой герб Гомеля на открытии «Сожскага карагода» …
  • Круглый стол «Вопросы подготовки специалистов в области правовой инфор…
  • Встреча первокурсников с инспектором по делам несовершеннолетних желез…
  • Атрымай асалоду ад роднай мовы

КУДА ПОСТУПАТЬ

Все факультеты

БелГУТ на Доске почета

Достижения университета

Предложения

Все предложения

Видеотека

Все видео

Фотогалерея

Все фото

от чего зависит и как используется в производстве

Из этого материала вы узнаете:

  • Природа электропроводности металлов
  • Электрическое сопротивление металлов
  • Степень электропроводности разных металлов и сплавов
  • Опасность металлов с высокой электропроводностью
  • Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.

Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.

Природа электропроводности металлов

Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность. Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током. Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».

 

В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.

Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.

VT-metall предлагает услуги:

Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.

По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.

Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала. Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов. Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.

 

Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.

Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.

Электрическое сопротивление металлов

Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.

Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.

Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.

Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.

 

В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:

  • Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
  • Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.

Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:

Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.

Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех. Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе. В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.

В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.

Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Опасность металлов с высокой электропроводностью

Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.

Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.

Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.

Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:

  • температурой;
  • давлением;
  • наличием магнитных полей;
  • светом;
  • агрегатным состоянием вещества.

Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала. Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.

Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.

Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:

На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.

У полупроводников зависимость будет представлена так:

Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.

Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.

Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.

Рекомендуем статьи

  • Сплав железа и меди: область применения
  • Углерод в металле и его влияние на свойства материала
  • Легированные конструкционные стали: характеристики и применение

Стоит пояснить, что под сплавом замещения понимают такой, в котором несколько элементов формируют одну кристаллическую решетку. Данная особенность прослеживается у нихрома, используемого для изготовления спиралей электроплит. Удельное сопротивление, а значит, и электропроводность этого металла совпадает с показателем проводников, а при подключении к сети он нагревается до красноты.

Выше были представлены только основные теории, касающиеся физических свойств металлов, а именно электропроводности, сопротивления. Например, не была затронута квантовая теория проводимости Зоммерфельда. Этого краткого знакомства вполне достаточно, чтобы понять, что сопротивление является сложным и комплексным понятием, которое невозможно полностью разобрать на основе простейшего закона Ома.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

  • цветные металлы;
  • чугун;
  • нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

кондуктометр, кондуктометры, измерение электропроводности кондуктометром

кондуктометр, кондуктометры, измерение электропроводности кондуктометром

Главная страница / Статьи сайта / Основные направления

Электропроводность – математическая оценка способности раствора проводить электрический ток, зависит в основном от степени минерализации исследуемого раствора и его температуры.
Весь каталог кондуктометров тут.

Удельная электропроводимость используется для оценки общего количества растворенных в воде твердых веществ. На численном показателе этой физической величины основан такой метод аналитической химии как кондуктометрия. Рассматривая конкретно воду, которая представляет собой растворы смесей сильных и слабых электролитов: минеральную часть воды составляют ионы натрия, калия, кальция, хлора, сульфата (SO42-), гидрокарбоната,- можем заключить, что именно этими ионами обусловлена электропроводность воды. Наличие таких ионов как двух- и трехвалентного железа, марганца, алюминия, нитрата, и т. п. не оказывает сколько-нибудь серьезного влияния на электропроводность (если, конечно же, эти ионы не содержатся в воде в значительном количестве). Электропроводность не нормируется, но величина 2000 мкС/см примерно соответствует общей минерализации в 1000 мг/л. Как уже было замечено, электропроводимость изменяется в зависимости от температуры, что часто приводит к погрешности измерений. Однако, современные приборы ( кондуктометры ) позволяют минимизировать погрешности измерения благодаря рассчитанным и занесенным в память физическим зависимостям удельной проводимости от температуры.

Кондуктометры представляют собой приборы для измерения удельного сопротивления или удельной проводимости, которые используются для контроля качества воды, конденсата или пара. Рекомендуемые области применения — фармакология, медицина, биохимия, биофизика, химические технологии, пищевая промышленность, водоочистка и водоподготовка на очистительных сооружениях. Главным назначением кондуктометров является анализ свойств и качества воды, ее пригодность для хозяйственного употребления. Широко применяются кондуктометры в случаях, когда необходим контроль за условиями развития водной флоры и фауны. С помощью электропроводности возможно косвенно оценить электрохимический состав воды и сопоставить его с параметрами среды, благоприятной для развития живых организмов. Именно это обусловило популярность кондуктометров в профессиональной аквариумистике.

Повсеместное использование цифровых технологий и микропроцессорных средств, естественно не обошло стороной и приборы для определения электропроводимости растворов. Современный кондуктометр способен обеспечить высочайший технический уровень получения, обработки и передачи информации, а также предумастривает удобство монтажа, эксплуатации и настройки. Все опции приборов максимально упрощены и унифицированы, пользовательский интерфейс предельно прост и удобен. Используя такие кондуктометры, не представляет никакой сложности организовать автоматизированную или автоматическую систему управления, которая бы полностью контролировала технологический процесс, зависящий от электролитических свойств раствора. В наличии кондуктометры как для еденичных непериодических замеров, так и для получение непрерывных данных о проводимости среды в составе систем автоматического контроля различного уровня.

Использование механизмов теплокомпенсации (линейная и нелинейная), встроенная память, позволяющая хранить результаты анализов, функции распознавания буферных растворов, калибровка прибора в соответствии с действующими стандартами делают любой предлагаемый нами кондуктометр незаменимым в любой отрасли промышленности, где необходим жесткий контроль электрохимических свойств воды. Приборы снабжаются водонепроницаемыми противоударными корпусами, для измерения применяются высококачественные и высокоточные электроды, нечувствительные к загрязнению. Диапазон рабочих температур для всех кондуктометров 0…50 градусов Цельсия. Во всех предлагаемых кондуктометрах для эффективности восприятия результатов измерений предусмотрены жидкокристаллические дисплеи, система сигнализирующих оповещений в случаях несоответствия температурных условий пробы — все для того, чтобы максимально оптимизировать процесс измерения кондуктометром, эффективно произвести замеры и оперативно получить результаты.

При выборе кондуктометра следует учитывать предполагаемые диапазоны измерения удельной электропроводимости (удельного сопротивления), диапазоны солености и общего солесодержания, возможные виды температурной компенсации и их погрешности, референсные температуры.

Существует масса предложений в области приборов по анализу свойств и качества воды. Мы же предлагаем наиболее оптимальные по всем параметрам кондуктометры для любых потребностей в контроле электрохимических свойств воды как на бытовом, так и на промышленном уровне. Точность измерения и восстребованность функциональных возможностей наших кондуктомеров от компании Экоюнит.

Важные понятия водоподготовки

Деионизованная вода —

это очень хорошо очищенная вода, в которой не содержится ионов загрязнителей. Основным критерием степени очистки деионизованной воды является электропроводность и её обратная величина — удельное сопротивление. Кроме того, деионизованная вода определяется и другими показателями: содержанием ТОС (общим органическим углеродом), значением рН, модержанием металлов (бора, калия, натрия, железа, никеля, меди, цинка, хрома), содержанием анионов(хлоридов, нитратов, фосфатов, сульфатов), содержанием микрочастиц и микроорганизмов, содержанием кремниевой кислоты. В мировой практике в зависимости от содержания в деионизованной воде ионных примесей — общего содержания растворённых солей (TDS) — её подразделяют на три категории: воду общелабораторного назначения (вода типа 3), воду аналитического качества (вода типа 2) и сверхчистую или ультрачистую воду (вода типа 1). 

Ультрачистая (особо чистая) вода —

это глубоко обессоленная сверхчистая вода, не содержащая ионов примесей. В зависимости от назначения ультрачистая вода имеет удельное сопротивление 10МОм•см и более. Ультрачистая вода применяется в электронном приборостроении, энергетике, при выращивании кристаллов, просизводстве печатных плат. В микроэлектронике используется вода трёх классов чистоты: класс «В» — вода, получаемая из исходной путём предварительной подготовки и деионизации на установках централизованной очистки воды, класс «Б» — вода, получаемая из воды класса «В» путём финишной деионизации и очистки от бактериальных и микрочастиц размером 0,2 мкм, класс «А» — вода высшей степени чистоты, получаемая из воды класса «Б» путём финишной деионизации с применением систем стерилизации, микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса. Для получения ультрачистой воды ООО «БМТ» предлагает линейку мембранных деионизаторов производительностью 5, 10, 25, 35, 50 и 100 л/ч методами обратного осмоса, ионного обмена и электродеионизации. Для получения ультрачистой воды используются химические или физические методы, например, ионный обмен, мембранное разделение, микрофильтрация, электродеионизация.

Удельная электропроводность и удельное сопротивление —

Электропроводность (или электрическая проводимость) — это cпособсть материала пропускать через себя электрический ток. Применительно к воде — это суммарный показатель наличия в воде загрязнителей (кислот, щелочей или солей), диссоциированных на ионы. Поэтому Обратная величина электропроводности — это удельное сопротивление, значение которого (МОм·см) используется в качестве критерия оценки качества ультрачистой воды. Максимальное значение удельного сопротивления, равное 18,2 МОм·см при 25°С соответствует значению электропроводности воды, равному 0,055 мкСм/см. Электропроводность и удельное сопротивление измеряют кондуктометрическим методом. Электропроводность и электросопротивление воды зависят от температуры. Так, при повышении температуры ультрачистой воды на 1°С её электропроводность увеличивается на 6%. Поэтому на практике значения электросопротивления и электропроводности воды приводятся к 25°С. Современные кондуктометры выполняют эту функцию автоматически. Тем не менее, для компенсации влияния температуры на результаты измерения одновременно с электропроводностью измеряют и температуру воды. Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя и учёного — основателя фирмы Siemens — Эрнста Вернера фон Сименса.

Содержание ТОС —

ТОС (Total Organic Carbon) — общий органический углерод — показатель содержания в воде органических веществ. Источником углерода в воде могут быть как природные органические вещества к (арбоновые кислоты с длинной органической цепью — гумины и танины), так и искусственные органические соединения, которые могут вымываться из конструкционных материлов, используемых при получении деионизованной воды (фенолы, резины, клеи, пластики и др). Не существует классификации деионизованной воды по показателю ТОС, тем не менее, существующие отраслевые стандарты для микроэлектроники, для реагентной воды, для биотехнологи и т.д. устанавливают его предельные нормативы. Для измерения общего органического углерода используются ТОС-анализаторы, в которых содержащийся в воде углерод с помощью УФ-облучения окисляется до СО2, который взаимодействуя с водой образует угольную кислоту. При этом присутствующий в воде неорганический углерод (карбонаты, бикарбонаты) должен быть удалён аэрацией, либо подкислением исходной воды.

Умягчение натрий-катионированием —

Натрий-катионирование — самый распространённый метод умягчения воды фильтрованием через слой катионита в натриевой форме. При этом ионы Ca2+ и Mg2+, обуславливающие жёсткость исходной воды, задерживаются катионитом в обмен на эквивалентное количество ионов Na2+.Замена ионов кальция и магния ионом натрия гарантирует отсутствие накипеобразований на греющих поверхностях. Анионный состав Na-катионированной воды остаётся неизменным, поэтому карбонатная жёсткость исходной воды переходит в гидрокарбонат натрия. Минерализация воды после натрий-катионирования увеличивается вследствие того, что эквивалентная масса иона натрия несколько больше эквивалентных масс инов Ca2+ и Mg2+. По мере пропускаяни воды через слой катионита количество ионов натрия, способных к обмену, уменьшается, а количество ионов кальция и магния, задержанных на смоле, возрастает, то есть катионит «истощается». Для восстановления обменной способности катионита его необходимо регенерировать 5-10% раствором хлорида натрия. Продукты регенерации CaCl2 и MgCl2 хорошо растворимы в воде.

Основные показатели качества воды — техническая информация

  • Главная

ОСТ 11.029.003-80 «Требования к качеству воды для электронной промышленности»

Подробнее


СП 31. 13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84* (с Изменениями N 1, 2, 3, 4)

Подробнее


СП 89.13330.2012 Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП II-35-76

Подробнее


ГОСТ Р 51232-98 Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества

Подробнее


ГОСТ 2761-84 Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора (с Изменением N 1)

Подробнее


ГОСТ 2874-82 Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством (с Изменениями N 1, 2)

Подробнее


Нормы качества воды

Подробнее


Мутность и прозрачность

Мутность – показатель качества воды, обусловленный присутствием в воде нерастворенных и коллоидных веществ неорганического и органического происхождения. Причиной мутности поверхностных вод являются илы, кремниевая кислота, гидроокиси железа и алюминия, органические коллоиды, микроорганизмы и планктон. В грунтовых водах мутность вызвана преимущественно присутствием нерастворенных минеральных веществ, а при проникании в грунт сточных вод – также и присутствием органических веществ. В России мутность определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результат измерений выражают в мг/дм3 при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/дм3 (единицы мутности на дм3) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit). 1FTU=1ЕМФ=1ЕМ/ дм3. В последнее время в качестве основной во всем мире утвердилась фотометрическая методика измерения мутности по формазину, что нашло свое отражение в стандарте ISO 7027 (Water quality — Determination of turbidity). Согласно этому стандарту, единицей измерения мутности является FNU  (Formazine Nephelometric Unit). Агентство по Охране Окружающей Среды США (U.S. EPA) и Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) используют единицу измерения мутности NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Соотношение между основными единицами измерения мутности следующее: 1 FTU(ЕМФ)=1 FNU=1 NTU.

ВОЗ по показаниям влияния на здоровье мутность не нормирует, однако с точки зрения внешнего вида рекомендует, чтобы мутность была не выше 5 NTU (нефелометрическая единица мутности), а для целей обеззараживания – не более 1 NTU.

Мера прозрачности – высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах.

Характеристика вод по прозрачности (мутности)

Прозрачность

Еденица измерения, см

Прозрачная

Более 30

Маломутная

Более 25 до 30

Средней мутности

Более 20 до 25

Мутная

Более 10 до 20

Очень мутная

Менее 10

Цветность

Цветность – показатель качества воды, обусловленный главным образом присутствием в воде гуминовых и фульфовых кислот, а также соединений железа (Fe3+). Количество этих веществ зависит от геологических условий в водоносных горизонтах и от количества и размеров торфяников в бассейне исследуемой реки. Так, наибольшую цветность имеют поверхностные воды рек и озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов, наименьшую – в степях и степных зонах. Зимой содержание органических веществ в природных водах минимальное, в то время как весной в период половодья и паводков, а также летом в период массового развития водорослей – цветения воды — оно повышается. Подземные воды, как правило, имеют меньшую цветность, чем поверхностные. Таким образом, высокая цветность является тревожным признаком, свидетельствующим о неблагополучии воды. При этом очень важно выяснить причину цветности, так как методы удаления, например, железа и органических соединений отличаются. Наличие же органики не только ухудшает органолептические свойства воды, приводит к возникновению посторонних запахов, но и вызывает резкое снижение концентрации растворенного в воде кислорода, что может быть критично для ряда процессов водоочистки. Некоторые в принципе безвредные органические соединения, вступая в химические реакции (например, с хлором), способны образовывать очень вредные и опасные для здоровья человека соединения.

Цветность измеряется в градусах платино-кобальтовой шкалы и колеблется от единиц до тысяч градусов – Таблица 2.

Характеристика вод по цветности

Цветность

Еденица измерения, градус платино-кобальтовой шкалы

Очень малая

более 25 до 50

Средняя

более 50 до 80

Высокая

более 80 до 120

Очень высокая

более 120

Вкус и привкус

Вкус воды определяется растворенными в ней веществами органического и неорганического происхождения и различается по характеру и интенсивности. Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами (щелочной, металлический, вяжущий и т.п.). Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20 °С и оценивают по пятибалльной системе, согласно ГОСТ 3351-74*.

Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений – привкуса – выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький – сульфатом магния, кислый – избытком свободного диоксида углерода и т.д. Порог вкусового восприятия соленых растворов характеризуется такими концентрациями (в дистиллированной воде), мг/л: NaCl – 165; CaCl2 – 470; MgCl2 – 135; MnCl2 – 1,8; FeCl2 – 0,35; MgSO4 – 250; CaSO4 – 70; MnSO4 – 15,7; FeSO4 – 1,6; NaHCO3 – 450.

По силе воздействия на органы вкуса ионы некоторых металлов выстраиваются в следующие ряды:

O  катионы: Nh5+ > Na+ > K+; Fe2+ > Mn2+ > Mg2+ > Ca2+;

O  анионы: ОН- > NO3- > Cl- > HCO3- > SO42- .

Характеристика вод по интенсивности вкуса

Интенсивность вкуса и привкуса

Характер появления вкуса и привкуса

Оценка интенсивности, балл

Нет

Вкус и привкус не ощущаются

Очень слабая

Вкус и привкус не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при лабораторном исследовании

1

Слабая

Вкус и привкус замечаются потребителем, если обратить на это его внимание

2

Заметная

Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительные отзывы о воде

3

Отчетливая

Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья

4

Очень сильная

Вкус и привкус настолько сильные, что делают воду непригодной к употреблению

5

Запах

Запах – показатель качества воды, определяемый органолептическим методом с помощью обоняния на основании шкалы силы запаха. На запах воды оказывают влияние состав растворенных веществ, температура, значения рН и целый ряд прочих факторов. Интенсивность запаха воды определяют экспертным путем при 20 °С и 60 °С и измеряют в баллах, согласно требованиям.

Следует также указывать группу запаха по следующей классификации:

 

По характеру запахи делят на две группы:

  • естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.)
  • искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).

Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т.д.

Запахи естественного происхождения

Обозначение запаха

Характер запаха

Примерный род запаха

А

Ароматический

огуречный, цветочный

Б

Болотный

илистый, тинистый

Г

Гнилостный

фекальный, сточный

Д

Древесный

запах мокрой щепы, древесной коры

З

Землистый

прелый, запах свежевспаханной земли, глинистый

П

Плесневый

затхлый, застойный

Р

Рыбный

запах рыбьегожира, рыбный

С

Сероводородный

запах тухлых яиц

Т

Травянистый

запах скошенной травы, сена

Н

Неопределенный

Запахи естественного происхождения, не попадающие под предыдущие определения

Интенсивность запаха по ГОСТ 3351-74* оценивают в шестибальной шкале – см. следующую страницу.

Характеристика вод по интенсивности запаха

Интенсивность запаха

Характер появления запаха

Оценка интенсивности, балл

Нет

Запах не ощущаются

Очень слабая

Запах не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при лабораторном исследовании

1

Слабая

Запах замечаются потребителем, если обратить на это его внимание

2

Заметная

Запах легко замечаются и вызывают неодобрительные отзывы о воде

3

Отчетливая

Запах обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья

4

Очень сильная

Запах настолько сильные, что делают воду непригодной к употреблению

5

Водородный показатель (рН)

Водородный показатель (рН) — характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде и выражает степень кислотности или щелочности воды (соотношение в воде ионов Н+ и ОН- образующихся при диссоциации воды) и количественно определяется концентрацией ионов водорода pH = — Ig [H+]

Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода (рН>7) по сравнению с ионами ОН-, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н+ (рН<7)- кислую. В идеально чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. В таких случаях вода нейтральна и рН=7. При растворении в воде различных химических веществ этот баланс может быть нарушен, что приводит к изменению уровня рН.

Определение pH выполняется колориметрическим или электрометрическим методом. Вода с низкой реакцией рН отличается коррозионностью, вода же с высокой реакцией рН проявляет склонность к вспениванию.

В зависимости от уровня рН воды можно условно разделить на несколько групп:

Характеристика вод по рН

Тип воды

Величина рН

сильнокислые воды

кислые воды

слабокислые воды

5 — 6,5

нейтральные воды

6,5 — 7,5

слабощелочный воды

7,5 — 8,5

щелочные воды

8,5 — 9,5

сильнощелочные воды

Контроль над уровнем рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его «уход» в ту или иную сторону может не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий. Оптимальная требуемая величина рН варьируется для различных систем водоочистки в соответствии с составом воды, характером материалов, применяемых в системе распределения, а также в зависимости от применяемых методов водообработки.

Обычно уровень рН находится в пределах, при которых он непосредственно не влияет на потребительские качества воды. Так, в речных водах pH обычно находится в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3. Поэтому ВОЗ не предлагает какой-либо рекомендуемой по медицинским показателям величины для рН. Вместе с тем известно, что при низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, способна вызывать раздражение глаз и кожи. Именно поэтому для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень рН в диапазоне от 6 до 9.

Кислотность

Кислотностью называют содержание в воде веществ, способных вступать в реакцию с гидроксид-ионами (ОН-). Кислотность воды определяется эквивалентным количеством гидроксида, необходимого для реакции.

В обычных природных водах кислотность в большинстве случаев зависит только от содержания свободного диоксида углерода. Естественную часть кислотности создают также гуминовые и другие слабые органические кислоты и катионы слабых оснований (ионы аммония, железа, алюминия, органических оснований). В этих случаях pH воды не бывает ниже 4.5.

В загрязненных водоемах может содержаться большое количество сильных кислот или их солей за счет сброса промышленных сточных вод. В этих случаях pH может быть ниже 4.5. Часть общей кислотности, снижающей pH до величин < 4.5, называется свободной.

Жесткость

Общая (полная) жесткость – свойство, вызванное присутствием растворенных в воде веществ, в основном — солей кальция (Ca2+) и магния (Mg2+), а также других катионов, которые выступают в значительно меньших количествах, таких как ионы: железа, алюминия, марганца (Mn2+) и тяжелых металлов (стронций Sr2+, барий Ba2+).

Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов – и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния – общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов.

В России жесткость воды выражают в мг-экв/дм3 или в моль/л.

Карбонатная жесткость (временная) – вызвана присутствием растворенных в воде бикарбонатов, карбонатов и углеводородов кальция и магния. Во время нагревания бикарбонаты кальция и магния частично оседают в растворе в результате обратимых реакций гидролиза.

Некарбонатная жесткость (постоянная) – вызывается присутствием растворенных в воде хлоридов, сульфатов и силикатов кальция (не растворяются и не оседают в растворе во время нагревания воды).

Характеристика вод по значению общей жесткости

Группа вод

Еденица измерения, ммоль/л

Очень мягкая

до 1,5

Мягкая

1,5 — 4,0

Средней жесткости

4,0 — 8,0

Жесткая

8,0 — 12,0

Очень жесткая

более 12

Щелочность

Щелочностью воды  называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов слабых кислот и гидроксильных ионов (выражена в ммоль/л), вступающих в реакцию при лабораторных исследованиях с соляной или серной кислотами с образованием хлористых или сернокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов.

Различают следующие формы щелочности воды: бикарбонатная (гидрокарбонатная), карбонатная, гидратная, фосфатная, силикатная, гуматная – в зависимости от анионов слабых кислот, которыми обусловливается щелочность. Щелочность природных вод, рН которых обычно < 8,35, зависит от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов. Щелочность других форм появляется в процессах обработки воды. Так как в природных водах почти всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости.

Железо, марганец

Железо, марганец — в натуральной воде выступают преимущественно в виде углеводородов, сульфатов, хлоридов, гумусовых соединений и иногда фосфатов. Присутствие ионов железа и марганца очень вредит большинству технологических процессов, особенно в целлюлозной и текстильной промышленности, а также ухудшает органолептические свойства воды.

Кроме того, содержание железа и марганца в воде может вызывать развитие марганцевых бактерий и железобактерий, колонии которых могут быть причиной зарастания водопроводных сетей.

Хлориды

Хлориды – присутствие хлоридов в воде может быть вызвано вымыванием залежей хлоридов или же они могут появиться в воде вследствие присутствия стоков. Чаще всего хлориды в поверхностных водах выступают в виде NaCl, CaCl2 и MgCl2, причем, всегда в виде растворенных соединений.

Соединения азота

Соединения азота (аммиак, нитриты, нитраты) – возникают, главным образом, из белковых соединений, которые попадают в воду вместе со сточными водами. Аммиак, присутствующий в воде, может быть органического или неорганического происхождения. В случае органического происхождения наблюдается повышенная окисляемость.

Нитриты возникают, главным образом, вследствие окисления аммиака в воде, могут также проникать в нее вместе с дождевой водой вследствие редукции нитратов в почве.

Нитраты — это продукт биохимического окисления аммиака и нитритов или же они могут быть выщелочены из почвы.

Сероводород

Сероводород придает воде неприятный запах, приводит к развитию серобактерий и вызывает коррозию. Сероводород, преимущественно присутствующий в подземных водах, может быть минерального, органического или биологического происхождения, причем в виде растворенного газа или сульфидов. То, под каким видом проявляется сероводород, зависит от реакции pH:

O  при pH < 5 имеет вид h3S;

O  при pH > 7 выступает в виде иона HS-;

O  при pH = 5 : 7 может быть в виде, как h3S, так и HS-.

воде. Они поступают в воду вследствие вымывания осадочных горных пород, выщелачивания почвы и иногда вследствие окисления сульфидов и серы – продуктов расклада белка из сточных вод. Большое содержание сульфатов в воде может быть причиной болезней пищеварительного тракта, а также такая вода может вызывать коррозию бетона и железобетонных конструкций.

Двуокись углерода

Двуокись углерода (CO2) – в зависимости от реакции pH воды может быть в следующих видах:

Сероводород придает воде неприятный запах, приводит к развитию серобактерий и вызывает коррозию. Сероводород, преимущественно присутствующий в подземных водах, может быть минерального, органического или биологического происхождения, причем в виде растворенного газа или сульфидов. То, под каким видом проявляется сероводород, зависит от реакции pH:

  • при pH < 5 имеет вид h3S;
  • при pH > 7 выступает в виде иона HS-;
  • при pH = 5 : 7 может быть в виде, как h3S, так и HS-.

Сульфаты

Сульфаты (SO42-) – наряду с хлоридами являются наиболее распространенными видами загрязнения в воде. Они поступают в воду вследствие вымывания осадочных горных пород, выщелачивания почвы и иногда вследствие окисления сульфидов и серы – продуктов расклада белка из сточных вод. Большое содержание сульфатов в воде может быть причиной болезней пищеварительного тракта, а также такая вода может вызывать коррозию бетона и железобетонных конструкций.

Двуокись углерода

Двуокись углерода (CO2) – в зависимости от реакции pH воды может быть в следующих видах:

  • pH < 4,0 – в основном, как газ CO2;
  • pH = 8,4 – в основном в виде иона бикарбоната НСО3- ;
  • pH > 10,5 – в основном в виде иона карбоната CO32-.

Агрессивная двуокись углерода – это часть свободной двуокиси углерода (CO2), которая необходима для удержания растворенных в воде углеводородов от разложения. Она очень активна и вызывает коррозию металлов. Кроме того, приводит к растворению карбоната кальция СаСО3 в строительных растворах или бетоне и поэтому ее необходимо удалять из воды, предназначенной для строительных целей. При оценке агрессивности воды, наряду с агрессивной концентрацией двуокиси углерода, следует также учитывать содержание солей в воде (солесодержание). Вода с одинаковым содержанием агрессивного CO2, тем более агрессивна, чем выше ее солесодержание.

Растворенный кислород

Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л. В артезианской воде кислород практически отсутствует.

Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения кислородом. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации. Вычисляется по формуле: M = (ax0,1308×100)/NxP, где

М – степень насыщения воды кислородом, %;

а – концентрация кислорода, мг/дм3;

Р – атмосферное давление в данной местности, МПа.

N – нормальная концентрация кислорода при данной температуре и общем давлении 0,101308 МПа, приведенная в следующей таблице:

Растворимость кислорода в зависимости от температуры воды

Температура воды, °С

10

20

30

40

50

60

80

100

мг О2/дм3

14,6

11,3

9,1

7,5

6,5

5,6

4,8

2,9

0,0


Окисляемость

Окисляемость – это показатель, характеризующий содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых сильным окислителем. Окисляемость выражается в мгO2 необходимого на окисление этих веществ, содержащихся в 1 дм3 исследованной воды.

Различают несколько видов окисляемости воды: перманганатную (1 мг KMnO4 соответствует 0,25 мг O2), бихроматную, иодатную, цериевую. Наиболее высокая степень окисления достигается бихроматным и иодатным методами. В практике водоочистки для природных малозагрязненных вод определяют перманганатную окисляемость, а в более загрязненных водах – как правило, бихроматную окисляемость (называемую также ХПК – химическое потребление кислорода). Окисляемость является очень удобным комплексным параметром, позволяющим оценить общее загрязнение воды органическими веществами. Органические вещества, находящиеся в воде весьма разнообразны по своей природе и химическим свойствам. Их состав формируется как под влиянием биохимических процессов протекающих в водоеме, так и за счет поступления поверхностных и подземных вод, атмосферных осадков, промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Величина окисляемости природных вод может варьироваться в широких пределах от долей миллиграммов до десятков миллиграммов О2 на литр воды.

Поверхностные воды имеют более высокую окисляемость, а значит в них содержится высокие концентрации органических веществ по сравнению с подземными. Так, горные реки и озера характеризуются окисляемостью 2-3 мг О2/дм3, реки равнинные – 5-12 мг О2/дм3, реки с болотным питанием – десятки миллиграммов на 1 дм3.

Подземные же воды имеют в среднем окисляемость на уровне от сотых до десятых долей миллиграмма О2/дм3 (исключения составляют воды в районах нефтегазовых месторождений, торфяников, в сильно заболоченных местностях, подземных вод северной части РФ).

Электропроводность

Электропроводность – это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от степени минерализации (концентрации растворенных минеральных солей) и температуры. Благодаря этой зависимости, по величине электропроводности можно с определенной степенью погрешности судить о минерализации воды. Такой принцип измерения используется, в частности, в довольно распространенных приборах оперативного измерения общего солесодержания (так называемых TDS-метрах).

Дело в том, что природные воды представляют собой растворы смесей сильных и слабых электролитов. Минеральную часть воды составляют преимущественно ионы натрия (Na+), калия (K+), кальция (Ca2+), хлора (Cl–), сульфата (SO42–), гидрокарбоната (HCO3–).

Этими ионами и обуславливается в основном электропроводность природных вод. Присутствие же других ионов, например трехвалентного и двухвалентного железа (Fe3+ и Fe2+), марганца (Mn2+), алюминия (Al3+), нитрата (NO3–), HPO4–, h3PO4– и т.п. не столь сильно влияет на электропроводность (конечно при условии, что эти ионы не содержатся в воде в значительных количествах, как например, это может быть в производственных или хозяйственно-бытовых сточных водах). Погрешности же измерения возникают из-за неодинаковой удельной электропроводимости растворов различных солей, а также из-за повышения электропроводимости с увеличением температуры. Однако, современный уровень техники позволяет минимизировать эти погрешности, благодаря заранее рассчитанным и занесенным в память зависимостям.

Электропроводность не нормируется, но величина 2000 мкС/см примерно соответствует общей минерализации в 1000 мг/л.

Окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал, Eh)

Окислительно-восстановительный потенциал (мера химической активности) Eh вместе с рН, температурой и содержанием солей в воде характеризует состояние стабильности воды. В частности этот потенциал необходимо учитывать при определении стабильности железа в воде. Eh в природных водах колеблется в основном от -0,5 до +0,7 В, но в некоторых глубоких зонах Земной коры может достигать значений минус 0,6 В (сероводородные горячие воды) и +1,2 В (перегретые воды современного вулканизма).

Подземные воды классифицируются:

  • Eh > +(0,1–1,15) В – окислительная среда; в воде присутствует растворенный кислород, Fe3+, Cu2+, Pb2+, Mo2+ и др.
  • Eh – 0,0 до +0,1 В – переходная окислительно-восстановительная среда, характеризуется неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием кислорода и cероводорода, а также слабым окислением и слабым восстановлением разных металлов;
  • Eh < 0,0 – восстановительная среда; в воде присутствуют сероводород и металлы Fe2+, Mn2+, Mo2+ и др.

Зная значения рН и Eh, можно по диаграмме Пурбэ установить условия существования соединений и элементов Fe2+, Fe3+, Fe(ОН)2, Fe(ОН)3, FeСО3, FeS, (FeOH)2+.


Тепло- и электропроводность железа в условиях ядра Земли

  • Опубликовано:
  • Моника Поццо 1 ,
  • Крис Дэвис 2 ,
  • Дэвид Губбинс 2,3 и
  • Дарио Альфеты 1,4
.

Природа том 485 , страницы 355–358 (2012 г.)Процитировать эту статью

  • 6918 доступов

  • 407 цитирований

  • 58 Альтметрический

  • Сведения о показателях

Предметы

  • Основные процессы
  • Металлы и сплавы
  • Физика

Abstract

Земля действует как гигантская тепловая машина, приводимая в действие распадом радиогенных изотопов и медленным охлаждением, что приводит к тектонике плит, вулканам и горообразованию. Другим ключевым продуктом является геомагнитное поле, создаваемое в жидком железном ядре динамо-машиной, работающей на тепле, выделяемом при охлаждении и замораживании (по мере роста твердого внутреннего ядра), и в результате химической конвекции (из-за легких элементов, вытесняемых из жидкости при замерзании). . Мощность, подаваемая на геодинамо, измеряемая потоком тепла через границу ядра и мантии (CMB), накладывает ограничения на эволюцию Земли 1 . Оценки теплового потока реликтового излучения 2,3,4,5 зависят от свойств смесей железа в экстремальных температурно-барических условиях в активной зоне, наиболее критично от тепло- и электропроводности. Эти величины остаются малоизвестными из-за присущих им экспериментальных и теоретических трудностей. Здесь мы используем теорию функционала плотности, чтобы вычислить эти проводимости в жидких смесях железа в основных условиях из первых принципов — в отличие от предыдущих оценок, которые основывались на экстраполяции. Смеси железа, кислорода, серы и кремния взяты из более ранней работы 6 и соответствовать сейсмологически определенной плотности ядра и скачку плотности на границе ядра 7,8 . Мы находим, что обе проводимости в два-три раза выше оценок, используемых в настоящее время. Изменения настолько велики, что необходимо переоценить тепловую историю активной зоны и требования к мощности. Новые оценки показывают, что адиабатический тепловой поток составляет от 15 до 16 тераватт в реликтовом излучении, что выше нынешних оценок теплового потока реликтового излучения, основанных на мантийной конвекции 1 ; верхняя часть ядра должна быть термически расслоена, и любая конвекция в верхней части ядра должна быть обусловлена ​​химической конвекцией против неблагоприятной термической плавучести или боковых изменений теплового потока реликтового излучения. Мощность геодинамо сильно ограничена, и будущие модели эволюции мантии должны будут учитывать высокий тепловой поток реликтового излучения и объяснять недавнее формирование внутреннего ядра.

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

Соответствующие статьи

Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

  • Разделение фононного, магнитного и электронного вкладов в теплопроводность: вычислительное исследование альфа-железа

    • Николов С.
    • , Транчида Дж.
    •  … М. А. Вуд

    Журнал материаловедения Открытый доступ 03 февраля 2022 г.

  • Структура, материалы и процессы в ядре и мантии Земли

    • Вероник Деан
    • , Сайоа А. Кампузано
    •  … Вим ван Вестренен

    Исследования в области геофизики Открытый доступ 01 февраля 2022 г.

  • Быстрые вариации магнитного поля ядра Земли

    • В. Лесур
    • , Н. Жилле
    •  … М. Мандеа

    Геофизические исследования Открытый доступ 06 января 2022 г.

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за номер

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Рисунок 1: Электро- и теплопроводность железа в условиях внешнего ядра Земли. Рисунок 2: Стабилизирующие и дестабилизирующие градиенты для трех основных моделей энергетики.

Ссылки

  1. Лэй, Т. , Хернлунд, Дж. и Баффет, Б. Тепловой поток на границе ядра и мантии. Природа Геофизика. 1 , 25–32 (2008)

    АДС КАС Статья Google ученый

  2. Лаброс С., Пуарье Ж.-П. и Ле Муэль, Ж.-Л. Об остывании ядра Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 99 , 1–17 (1997)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  3. Баффет Б., Гарнеро Э. и Жанло Р. Отложения в верхней части ядра Земли. Наука 290 , 1338–1342 (2000)

    АДС КАС Статья Google ученый

  4. Листер, Дж. Р. и Баффет, Б. А. Сила и эффективность тепловой и композиционной конвекции в геодинамо. Физ. Планета Земля. Интер. 91 , 17–30 (1995)

    АДС Статья Google ученый

  5. Габбинс, Д. , Алфе, Д., Мастерс, Т. Г. и Прайс, Д. Общая термодинамика конвекции двухкомпонентного ядра. Геофиз. Дж. Междунар. 157 , 1407–1414 (2004)

    АДС КАС Статья Google ученый

  6. Алфе Д., Гиллан М. Дж. и Прайс Г. Д. Температура и состав ядра Земли. Контемп. физ. 48 , 63–80 (2007)

    АДС Статья Google ученый

  7. Мастерс Т. Г. и Габбинс Д. О разрешении плотности Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 140 , 159–167 (2003)

    АДС Статья Google ученый

  8. Дзиевонски А. М. и Андерсон Д. Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 25 , 297–356 (1981)

    АДС Статья Google ученый

  9. Сильвестрелли, П. Л., Алави, А. и Парринелло, М. Расчет электропроводности в ab initio моделировании металлов: приложение к жидкому натрию. Физ. B 55 , 15515–15522 (1997)

    ADS КАС Статья Google ученый

  10. Маттссон, Т. Р. и Дежарле, М. П. Фазовая диаграмма и электропроводность воды с высокой плотностью энергии на основе теории функционала плотности. Физ. Преподобный Летт. 97 , 017801 (2007)

    АДС Статья Google ученый

  11. Поццо, М., Дежарле, М.П. и Альфе, Д. Электро- и теплопроводность жидкого натрия на основе первых принципов расчета. Физ. Версия Б 84 , 054203 (2011)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  12. Алфе, Д., Гиллан, М. Дж. и Прайс, Г. Д. Кривая плавления железа при давлениях в условиях ядра Земли. Природа 401 , 462–464 (1999)

    АДС Статья Google ученый

  13. Альфе, Д. Температура внутренней границы ядра Земли: плавление железа при высоком давлении из первых принципов моделирования сосуществования. Физ. B 79 , 060101(R) (2009)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  14. Альфе, Д., Поццо, М. и Дежарле, М. П. Удельное электрическое сопротивление решетки магнитного объемно-центрированного кубического железа на основе расчетов из первых принципов. Физ. B 85 , 024102 (2012)

    АДС Статья Google ученый

  15. Bi, Y., Tan, H. & Jing, F. Электропроводность железа при ударном сжатии до 200 ГПа. J. Phys. Конденс. Материя 14 , 10849–10854 (2002)

    АДС КАС Статья Google ученый

  16. Киллер, Р. Н. и Ройс, Э. Б. в Physics of High Energy Density (редакторы Caldirola, P. & Knoepfel, H.) 106–125 (Proc. Int. Sch. Phys. Enrico Fermi Vol. 48, 1971) )

    Google ученый

  17. Стейси, Ф. Д. и Андерсон, О. Л. Электрическая и теплопроводность сплава Fe–Ni–Si в основных условиях. Физ. Планета Земля. Интер. 124 , 153–162 (2001)

    АДС КАС Статья Google ученый

  18. Хиросе, К. Гоми, Х. Охта, К. Лаброс, С. и Хернлунд, Дж. Высокая проводимость железа и тепловая эволюция ядра Земли. Минерал. Маг. 75 , 1027 (2011)

    Google ученый

  19. де Кокер, Н., Стейнле-Нойманн, Г. и Влчек, В. Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T, а также тепловой поток в ядре Земли. Проц. Натл акад. науч. 109 , 4070–4073 (2012)

    АДС КАС Статья Google ученый

  20. Дэвис, С. Дж. и Габбинс, Д. Профиль плавучести ядра Земли. Геофиз. Дж. Междунар. 187 , 549–563 (2011)

    АДС Статья Google ученый

  21. Олсон, П. в Земное ядро ​​и нижняя мантия (редакторы Джонс, К., Совард, А. и Чжан, К.) 1–49(Тейлор и Фрэнсис, Лондон, 2000 г.)

    Google ученый

  22. Накагава Т. И. Тэкли, П. Дж. Боковые вариации теплового потока реликтового излучения и сейсмической скорости в глубине мантии, вызванные пограничным слоем термохимической фазы в трехмерной сферической конвекции. Планета Земля. науч. лат. 271 , 348–358 (2008)

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

  23. Джексон, А. , Джонкерс, А. Р. Т. и Уокер, М. Р. Четыре века геомагнитных вековых вариаций из исторических записей. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд. Б 358 , 957–990 (2000)

    АДС КАС Статья Google ученый

  24. Габбинс, Д. в Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма (ред. Габбинс, Д. и Эрреро-Бервера, Э.) 287–300 (Springer, 2007)

    Книга Google ученый

  25. Дэвис Г. Топография: надежное ограничение потоков мантии. Хим. геол. 145 , 479–489 (1998)

    АДС КАС Статья Google ученый

  26. Дэвис Г. Регулирование охлаждения ядра в мантии: геодинамо без радиоактивности ядра? Физ. Планета Земля. Интер. 160 , 215–229 (2007)

    АДС КАС Статья Google ученый

  27. McDonough, W. in Трактат по геохимии Vol. 2 (изд. Carlson, RW) 547–568 (Elsevier, 2003)

    Книга Google ученый

  28. Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективность расчетов полной энергии ab-initio для металлов и полупроводников с использованием базисного набора плоских волн. Вычисл. Матер. науч. 6 , 15–50 (1996)

    КАС Статья Google ученый

  29. Blöchl, P. E. Метод дополненной волны проектора. Физ. B 50 , 17953–17979 (1994)

    ADS Статья Google ученый

  30. Кресс Г. и Жубер Д. От ультрамягких псевдопотенциалов к проекторному методу дополненной волны. Физ. B 59 , 1758–1775 (1999)

    ADS КАС Статья Google ученый

  31. Ван Ю. и Пердью Дж. П. Корреляционная дыра спин-поляризованного электронного газа с точным масштабированием малого волнового вектора и высокой плотности. Физ. B 44 , 13298–13307 (1991)

    ADS КАС Статья Google ученый

  32. Дежарле, М.П., ​​Кресс, Дж.Д. и Коллинз, Л.А. Электропроводность теплой, плотной алюминиевой плазмы и жидкостей. Физ. Ред. E 66 , 025401(R) (2002)

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  33. Альфе, Д. Молекулярная динамика Ab initio, простой алгоритм экстраполяции заряда. Вычисл. физ. коммун. 118 , 31–33 (1999)

    АДС Статья Google ученый

  34. Баффет, Б. А. Оценки теплового потока в глубинной мантии на основе требований к мощности для геодинамо. Геофиз. Рез. лат. 29 , 1566–1569 (2002)

    АДС Статья Google ученый

  35. Куанг В. и Блоксхэм Дж. Численная модель динамо, подобная Земле. Природа 389 , 371–374 (1997)

    АДС КАС Статья Google ученый

  36. Габбинс Д., Алфе Д., Мастерс Т. Г., Прайс Д. и Гиллан М. Дж. Может ли динамо-машина Земли работать только на тепле? Геофиз. Дж. Междунар. 155 , 609–622 (2003)

    АДС Статья Google ученый

  37. Ануфриев А. П., Джонс С. А. и Совард А. М. Приближения Буссинеска и неупругой жидкости для конвекции в ядре Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 152 , 163–190 (2005)

    АДС Статья Google ученый

  38. Габбинс, Д. и Робертс, П. Х. в Геомагнетизм (изд. Джейкобс, Дж. А.) 30–32 (Академический, 1987)

    Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Д. Г. поддерживается грантом CSEDI EAR1065597 Национального научного фонда. CD. поддерживается личной стипендией Совета по исследованию окружающей среды, NE/H01571X/1. член парламента поддерживается грантом NERC NE/H02462X/1 для D.A. Расчеты проводились на национальной установке Великобритании HECToR.

Информация об авторе

Авторы и организации

  1. Департамент наук о Земле и Центр Томаса Янга в UCL, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK,

    Моника Поццо и Дарио Альфе

  2. Школа Земли и окружающей среды, Университет Лидса, Лидс LS2 9JT, Великобритания,

    Крис Дэвис и Дэвид Габбинс

  3. Институт геофизики и планетарной физики, Институт океанографии Скриппса, Калифорнийский университет в Сан-Диего, 9500 Гилман Драйв нет. 0225, Ла-Хойя, Калифорния -0225, США,

    Дэвид Габбинс

  4. Департамент физики и астрономии и Лондонский центр нанотехнологий, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK,

    Dario Alfè

Авторы

  1. Monica Pozzo

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  2. Chris Davies

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  3. David Gubbins

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  4. Dario Alfè

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Вклады

Д. А. и Д.Г. разработал проект. член парламента и Д.А. выполнил первые расчеты. CD. и Д.Г. выполнены расчеты термической истории и расслоения керна. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

Автор, ответственный за переписку

Дарио Алфе.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Дополнительная информация

Дополнительные таблицы

Этот файл содержит дополнительные таблицы 1-3. (PDF 203 kb)

PowerPoint slides

PowerPoint slide for Fig. 1

PowerPoint slide for Fig. 2

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Further reading

  • Поддержание магнитного динамо Земли

    • Майлис Ландо
    • Александр Фурнье
    • Натанаэль Шеффер

    Обзоры природы Земля и окружающая среда (2022)

  • Суперионные сплавы железа и их сейсмические скорости во внутреннем ядре Земли

    • Ю Хе
    • Шичуань Сунь
    • Хо Кван Мао

    Природа (2022)

  • Теплопроводность материалов под давлением

    • Ян Чжоу
    • Цзо-Юань Донг
    • Сяо-Цзя Чен

    Nature Reviews Physics (2022)

  • Гравитационные вариации и деформации грунта в результате динамики ядра

    • Матье Дамберри
    • Миоара Мандеа

    Геофизические исследования (2022)

  • Структура, материалы и процессы в ядре и мантии Земли

    • Вероник Деан
    • Сайоа А. Кампусано
    • Вим ван Вестренен

    Геофизические исследования (2022)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Прямое измерение теплопроводности твердого железа в условиях ядра планеты

Сохранить цитату в файл

Формат: Резюме (текст)PubMedPMIDAbstract (текст)CSV

Добавить в коллекции

  • Создать новую коллекцию
  • Добавить в существующую коллекцию

Назовите свою коллекцию:

Имя должно содержать менее 100 символов

Выберите коллекцию:

Не удалось загрузить вашу коллекцию из-за ошибки
Повторите попытку

Добавить в мою библиографию

  • Моя библиография

Не удалось загрузить делегатов из-за ошибки
Повторите попытку

Ваш сохраненный поиск

Название сохраненного поиска:

Условия поиска:

Тестовые условия поиска

Эл. адрес: (изменить)

Который день? Первое воскресеньеПервый понедельникПервый вторникПервая средаПервый четвергПервая пятницаПервая субботаПервый деньПервый рабочий день

Который день? воскресеньепонедельниквторниксредачетвергпятницасуббота

Формат отчета: SummarySummary (text)AbstractAbstract (text)PubMed

Отправить максимум: 1 штука5 штук10 штук20 штук50 штук100 штук200 штук

Отправить, даже если нет новых результатов

Необязательный текст в электронном письме:

Создайте файл для внешнего программного обеспечения для управления цитированием

. 2016 2 июня; 534 (7605): 99-101.

дои: 10.1038/nature18009.

Зузана Конопкова 1 , Р Стюарт МакВильямс 2 , Наталья Гомес-Перес 2 3 , Гончаров Александр Ф. 4 5

Принадлежности

  • 1 DESY Photon Science, Notkestrasse 85, DE-22607 Гамбург, Германия.
  • 2 Школа физики и астрономии и Центр изучения экстремальных условий Эдинбургского университета, Peter Guthrie Tait Road, Edinburgh EH93FD, Великобритания.
  • 3 Departamento de Geociencias, Университет Лос-Андес, Богота, Колумбия.
  • 4 Ключевая лаборатория физики материалов Института физики твердого тела Китайской академии наук, 350 Shushanghu Road, Хэфэй, Аньхой 230031, Китай.
  • 5 Геофизическая лаборатория, Институт Карнеги в Вашингтоне, 5251 Broad Branch Road NW, Вашингтон, округ Колумбия, 20015, США.
  • PMID: 27251283
  • DOI: 10.1038/природа18009

Бесплатная статья

Зузана Конопкова и др. Природа. .

Бесплатная статья

. 2016 2 июня; 534 (7605): 99-101.

дои: 10.1038/nature18009.

Авторы

Зузана Конопкова 1 , Р. Стюарт МакВильямс 2 , Наталья Гомес-Перес 2 3 , Гончаров Александр Ф. 4 5

Принадлежности

  • 1 DESY Photon Science, Notkestrasse 85, DE-22607 Гамбург, Германия.
  • 2 Школа физики и астрономии и Центр изучения экстремальных условий Эдинбургского университета, улица Питера Гатри Тейта, Эдинбург EH9 3FD, Великобритания.
  • 3 Departamento de Geociencias, Университет Лос-Андес, Богота, Колумбия.
  • 4 Ключевая лаборатория физики материалов Института физики твердого тела Китайской академии наук, 350 Shushanghu Road, Хэфэй, Аньхой 230031, Китай.
  • 5 Геофизическая лаборатория, Институт Карнеги в Вашингтоне, 5251 Broad Branch Road NW, Вашингтон, округ Колумбия, 20015, США.
  • PMID: 27251283
  • DOI: 10.1038/природа18009

Абстрактный

Проведение тепла через минералы и расплавы при экстремальных давлениях и температурах имеет центральное значение для эволюции и динамики планет. В охлаждающемся ядре Земли теплопроводность сплавов железа определяет адиабатический поток тепла и, следовательно, тепловую и композиционную энергию, доступную для поддержки производства магнитного поля Земли посредством действия динамо. Попытки описать перенос тепла в ядре Земли были проблематичными, поскольку предсказания высокой теплопроводности противоречили традиционным геофизическим моделям и являлись прямым свидетельством изначального магнитного поля в горных породах. Для разрешения этой разницы необходимы измерения переноса тепла в активной зоне. Здесь мы представляем прямые измерения теплопроводности твердого железа при условиях давления и температуры, соответствующих ядрам планет размером от Меркурия до Земли, с использованием динамически нагреваемой лазером ячейки с алмазными наковальнями. Наши измерения показывают, что теплопроводность ядра Земли близка к нижнему пределу предыдущих оценок, на уровне 18-44 ватт на метр на кельвин. Результат согласуется с палеомагнитными измерениями, указывающими на то, что геодинамо Земли сохранилось с самого начала истории Земли, и допускает существование твердого внутреннего ядра, столь же древнего, как и динамо.

Похожие статьи

  • Теплопроводность сплавов Fe-Si и тепловая стратификация в ядре Земли.

    Чжан Ю., Луо К., Хоу М., Дрисколл П., Салке Н.П., Минар Дж., Пракапенка В. Б., Гринберг Э., Хемли Р.Дж., Коэн Р.Е., Лин Дж.Ф. Чжан И и др. Proc Natl Acad Sci U S A. 4 января 2022 г .; 119 (1): e21119. doi: 10.1073/pnas.21119. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022. PMID: 34969863 Бесплатная статья ЧВК.

  • Экспериментальное определение удельного электрического сопротивления железа в условиях ядра Земли.

    Охта К., Куваяма Ю., Хиросе К., Симидзу К., Охиши Ю. Охта К. и др. Природа. 2016 2 июня; 534 (7605): 95-8. дои: 10.1038/nature17957. Природа. 2016. PMID: 27251282

  • Питание динамо-машины Земли за счет осаждения магния из ядра.

    О’Рурк Дж.Г., Стивенсон Д.Дж. О’Рурк Дж. Г. и соавт. Природа. 2016 21 января; 529 (7586): 387-9. дои: 10.1038/nature16495. Природа. 2016. PMID: 267

  • Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T и поток тепла в ядре Земли.

    де Кокер Н., Штайнле-Нойманн Г., Влчек В. де Кокер Н. и соавт. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 13 марта; 109(11):4070-3. doi: 10.1073/pnas.1111841109. Epub 2012, 28 февраля. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012. PMID: 22375035 Бесплатная статья ЧВК.

  • Низкая теплопроводность железо-кремниевых сплавов в условиях ядра Земли с последствиями для геодинамо.

    Се В.П., Гончаров А.Ф., Лаброс С., Холтгрев Н., Лобанов С.С., Чувашова И., Дешам Ф., Лин Ж.Ф. Хси В.П. и др. Нац коммун. 2020 3 июля; 11 (1): 3332. doi: 10.1038/s41467-020-17106-7. Нац коммун. 2020. PMID: 32620830 Бесплатная статья ЧВК.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Высокая напряженность геомагнитного поля, фиксируемая ксенолитами анортозитов, требует мощного позднемезопротерозойского геодинамо.

    Чжан И, Суонсон-Хайселл Н.Л., Эвери М.С., Фу Р.Р. Чжан И и др. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 Jul 19;119(29):e2202875119. doi: 10.1073/pnas.2202875119. Epub 2022 11 июля. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022. PMID: 35858328 Бесплатная статья ЧВК.

  • Удельное сопротивление твердого и жидкого Fe-Ni-Si в приложениях к ядрам Земли, Меркурия и Венеры.

    Беррада М., Секко Р.А., Йонг В. Беррада М. и соавт. Научный представитель 2022 г. 15 июня; 12 (1): 9941. doi: 10.1038/s41598-022-14130-z. Научный представитель 2022. PMID: 35705611 Бесплатная статья ЧВК.

  • Спутниковые магнитные данные показывают межгодовые волны в ядре Земли.

    Жилле Н., Герик Ф., Жо Д., Швайгер Т., Обер Дж., Истас М. Жиллет Н. и соавт. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022 29 марта; 119 (13): e2115258119. doi: 10.1073/pnas.2115258119. Epub 2022 21 марта. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022. PMID: 35312364

  • Теплопроводность сплавов Fe-Si и тепловая стратификация в ядре Земли.

    Чжан Ю., Луо К., Хоу М., Дрисколл П., Салке Н.П., Минар Дж., Пракапенка В.Б., Гринберг Э., Хемли Р.Дж., Коэн Р.Е., Лин Дж.Ф. Чжан И и др. Proc Natl Acad Sci USA, 4 января 2022 г., 119(1):e21119. doi: 10.1073/pnas.21119. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022. PMID: 34969863 Бесплатная статья ЧВК.

  • Система лазерного нагрева на линии луча для экстремальных условий, P02.2, PETRA III.

    Конопкова З., Моргенрот В., Муж Р., Джордано Н., Пахомова А., Гутовски О., Вендт М., Глазырин К., Энес А., Делиц Ю.Т., Гончаров А.Ф., Пракопенко В.Б., Лиерманн Х.П. Конопкова З. и соавт. J Синхротронное излучение. 2021 1 ноября; 28 (часть 6): 1747-1757. дои: 10.1107/S1600577521009231. Epub 2021 7 окт. J Синхротронное излучение. 2021. PMID: 34738928 Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

использованная литература

    1. Природа. 2012 11 апреля; 485 (7398): 355-8 — пабмед
    1. Наука. 2013 26 апреля; 340 (6131): 464-6 — пабмед
    1. Преподобный Научный Инструм. 2010 ноябрь;81(11):113902 — пабмед
    1. Phys Rev Lett. 2004 7 мая; 92 (18): 185701 — пабмед
    1. Phys Rev Lett. 2000 21 февраля; 84 (8): 1720-3 — пабмед

Типы публикаций

Полнотекстовые ссылки

Издательская группа «Природа» ОСНОВНОЙ

Укажите

Формат: ААД АПА МДА НЛМ

Отправить по телефону

Является ли чугун хорошим проводником тепла?

«Если металлы так хорошо проводят тепло, — спросил недавно читатель, — то как ручка моей чугунной сковороды остается холодной, даже когда сковорода горячая?»

Одно из самых частых заблуждений относительно чугуна состоит в том, что, поскольку из него изготавливается такая хорошая посуда, он должен быть отличным проводником тепла.

К великому удивлению многих, верно как раз обратное.

Из чугуна делают отличные сковороды, сковороды-гриль и жаровни, потому что он плохо проводит тепло. Вот почему посуда для приготовления пищи из чугуна дольше нагревается, но, оказавшись там, поддерживает постоянную температуру приготовления и распределяет тепло равномерно, без холодных участков.

Тогда как чугун весит по сравнению с другими металлами?

Теплопроводность чугуна составляет 52 Вт на метр-Кельвин (Вт/м·К), по сравнению с 54 Вт/м·К для углеродистой стали, 237 Вт/м·К для алюминия и 413 Вт/м·К для меди ( с помощью Engineering Toolbox).

Другими словами, чугун на 4 1/2 хуже проводит тепло, чем алюминий, наиболее распространенный металл для керамической посуды и посуды с антипригарным покрытием, и в 8 раз хуже, чем медь, металл, который выбирают для некоторых из самых высоких -конечные производители посуды в мире.

При этом нержавеющая сталь еще хуже проводит тепло, чем чугун. Теплопроводность нержавеющей стали марки 304, марки стали, из которой изготовлено большинство сковородок и кастрюль, составляет 14,4 Вт/м·К.

Материал Вт/м·К
Чугун 52 Вт/м·К
Углеродистая сталь 54 Вт/м·К
Алюминий 237 Вт/м K
Медная 413 Вт/м K
Термопроводящие материалы. Спутниковые материалы. разогреть чугунную сковороду, чем антипригарную или медную сковороду.

Если у вас дома есть несколько кухонных принадлежностей, вы, вероятно, видели это сами. На какой бы плите вы ни готовили, сковорода с антипригарным покрытием нагреется почти мгновенно, а чугунная может прогреться за 3-4 минуты.

Во-вторых, чугунные сковороды и кастрюли хуже реагируют на регулировку регулятора нагрева, и им требуется относительно много времени для выделения тепла, накопленного во время приготовления. Это объясняет, почему голландская печь может поддерживать температуру вашей пищи в течение нескольких часов подряд.

Для чего нужны чугунные сковороды?

Если вы поместите толстый стейк в горячую алюминиевую или медную сковороду, температура его варочной поверхности почти мгновенно упадет (и так же быстро восстановится). Сделайте то же самое на чугунной сковороде или сковороде-гриль и измерьте температуру инфракрасным термометром, и она упадет гораздо меньше.

Кстати, то же самое относится и к тому, когда вы увеличиваете или уменьшаете мощность плиты.

Чугун отлично подходит для обжаривания стейка рибай или приготовления гамбургеров, что требует постоянного и равномерного нагрева. В меньшей степени для обжаривания рыбы или грибов, когда вам нужно быстро отрегулировать температуру приготовления.

Чугунная посуда также подходит для выпечки. Просто введите в Google запрос «рецепты выпечки из чугуна», и вы получите около 170 миллионов результатов по таким вещам, как кукурузный хлеб, булочки, пицца, пироги, печенье и торты, среди прочего.

Чугунная сковорода настолько хорошо удерживает тепло, что ее можно заменить на камень для пиццы.

Хитрость в том, чтобы заставить чугунную пиццу работать, для читателей, которые хотят попробовать это, заключается в предварительном разогреве сковороды в течение от 45 минут до часа в вашей духовке, а затем вскоре положите пирог с пиццей без верха на горячую поверхность. после его формирования.

Высокие стенки сковороды не позволят вам выложить пирог на поверхность с помощью кожуры для пиццы, как это было бы в противном случае, если бы вы использовали камень для выпечки или сталь для пиццы. Вам просто нужно открыть духовку и слегка выдвинуть решетку, пока вам не будет достаточно легко положить пиццу на сковороду.

Как только вы приедете, быстро добавьте начинку, затем закройте плиту и выпекайте пиццу до тех пор, пока она не станет красивой и воздушной.

Тепло вашей чугунной посуды поднимет тесто и подрумянит его, напоминая пиццу, которую вам подают в Pizza Hut.

Продукты, которые не следует готовить в чугуне

Чугунные сковороды и кастрюли отлично подходят для подрумянивания мяса, такого как говядина, свинина, телятина, баранина и птица, а также для приготовления зерен или крахмалистых овощей, таких как рис, бобы и картофель. Как мы уже выяснили, они также подходят для запекания в духовке всевозможных изделий.

Однако чугун не подходит для чрезмерно кислых продуктов, таких как помидоры, уксус, лимон и вино (или соусы, которые их содержат). Чугун имеет тенденцию реагировать на кислоты в ваших блюдах, выщелачивая огромное количество пищевого железа и придавая им металлический вкус.

Благодаря своей пористой поверхности чугун улавливает запах всего, что вы в нем готовите, и может очень неохотно расставаться с ним для многократного использования. Это не обязательно проблема, когда вы подрумяниваете стейк в масле, но может стать проблемой, если вы готовите лосося или сига.

Итак, для кислых продуктов и вонючей рыбы выбирайте посуду с гладкой поверхностью, например из нержавеющей стали, керамики или с антипригарным покрытием.

По иронии судьбы (каламбур), из чугуна делают хорошую посуду, потому что он плохо проводит тепло. Конечно, для нагрева требуется несколько минут. Но когда он есть, он равномерно распределяет тепло и хорошо его удерживает.

Вы можете использовать его для приготовления любых блюд с использованием различных способов приготовления (мелкое обжаривание, фритюр, запекание), если ингредиенты не слишком кислые.

P.S. Секрет в том, что ручка не нагревается слишком сильно? На конце есть небольшое отверстие, которое позволяет ему излучать тепло, а не накапливать его.

Ржавчина никогда не спит — Лаборатория Беркли — Центр новостей

Оксид железа (ржавчина) — плохой электрический проводник, но электроны в оксиде железа могут использовать тепловую энергию для перехода от одного атома железа к другому. Эксперимент в лаборатории Беркли точно показал, что происходит с электронами после переноса на частицу оксида железа. (Изображение предоставлено Бенджамином Гилбертом, лаборатория Беркли)

Ржавчина — оксид железа — плохо проводит электричество, поэтому электронное устройство с проржавевшей батареей обычно не работает. Несмотря на эту плохую проводимость, электрон, переданный частице ржавчины, будет использовать тепловую энергию для постоянного движения или «прыжка» от одного атома железа к другому. Подвижность электронов в оксиде железа может иметь огромное значение для широкого спектра реакций, связанных с окружающей средой и энергией, включая реакции, связанные с ураном в подземных водах, и реакции, относящиеся к недорогим устройствам солнечной энергии. Предсказание влияния прыжков электронов на реакции оксида железа в прошлом было проблематичным, но теперь, впервые, многопрофильная группа исследователей во главе с учеными из Министерства энергетики США (DOE) Лоуренса Беркли Национальная лаборатория (Лаборатория Беркли) непосредственно наблюдала, что происходит с электронами после того, как они были перенесены на частицу оксида железа.

«Мы считаем, что эта работа является отправной точкой для новой области геохимии с временным разрешением, которая стремится понять механизмы химических реакций путем создания различных фильмов, которые в реальном времени показывают, как атомы и электроны движутся во время реакций», — говорит Бенджамин Гилберт, геохимик из отдела наук о Земле лаборатории Беркли и соучредитель Центра наногеофизических исследований Беркли, руководивший этим исследованием. «Используя сверхбыструю рентгеновскую спектроскопию с насосом-зондом, мы смогли измерить скорость, с которой электроны переносятся через спонтанные переходы от железа к железу в окислительно-восстановительных оксидах железа. Наши результаты показали, что скорости зависят от структуры оксида железа, и подтвердили правильность некоторых аспектов современной модели прыжков электронов в оксидах железа».

Гилберт является соответствующим автором статьи в журнале Science , в которой описывается эта работа. Статья называется «Маленькие электронные поляроны и их подвижность в наночастицах (оксигидроксида) оксида железа». Соавторами статьи были Джордан Кац, Сяойи Чжан, Клаус Аттенкофер, Карена Чапман, Кэтрин Франдсен, Петр Зажицки, Кевин Россо, Роджер Фальконе и Гленн Вейчунас.

В макромасштабе горные породы и минералы кажутся не очень реакционноспособными — подумайте о миллионах лет, которые требуются горам, чтобы вступить в реакцию с водой. Однако в наномасштабе многие распространенные минералы способны вступать в окислительно-восстановительные реакции — обмениваться одним или несколькими электронами — с другими молекулами в окружающей их среде, воздействуя на почву и воду, морскую воду, а также пресную воду. Среди наиболее важных из этих окислительно-восстановительных реакций — образование или преобразование минералов оксида железа и оксигидроксида в процессах переноса заряда, в которых железо переключается между двумя его обычными состояниями окисления — железом (III) и железом (II).

Бенджамин Гилберт, геохимик из отдела наук о Земле лаборатории Беркли, провел эксперимент, в ходе которого впервые непосредственно наблюдался термически активированный скачок электронов в частицах оксида железа.

«Поскольку железо (II) значительно более растворимо, чем железо (III), восстановительные преобразования оксида железа (III) и минералов оксигидроксида могут существенно повлиять на химический и минералогический состав почвы и поверхности», — говорит Гилберт. «В случае оксида железа (III) восстановление до железа (II) может вызвать растворение минералов в очень коротком временном масштабе, что меняет минералогию и пути потока воды. Также может происходить мобилизация железа в раствор, который может стать важным источником биодоступного железа для живых организмов».

Гилберт также отметил, что многие органические и неорганические загрязнители окружающей среды могут обмениваться электронами с фазами оксида железа. Будь то оксид железа (III) или железа (II), является важным фактором для разложения или связывания данного загрязняющего вещества. Кроме того, некоторые бактерии могут передавать электроны оксидам железа в рамках своего метаболизма, связывая окислительно-восстановительную реакцию железа с углеродным циклом. Механизмы, которые управляют этими критическими биогеохимическими результатами, остаются неясными, потому что окислительно-восстановительные реакции минералов сложны и включают в себя несколько стадий, которые происходят в течение нескольких миллиардных долей секунды. До недавнего времени эти реакции нельзя было наблюдать, но все изменилось с появлением установок синхротронного излучения и сверхбыстрой рентгеновской спектроскопии.

«Подобно тому, как спортивный фотограф должен использовать камеру с очень короткой выдержкой, чтобы запечатлеть спортсмена в движении без размытия, чтобы иметь возможность наблюдать за движением электронов, нам нужно было использовать чрезвычайно короткий и очень яркий (мощный) импульс X -лучи», — говорит Джордан Кац, ведущий автор статьи Science , который сейчас работает в Университете Денисона. «Для этого исследования рентгеновские лучи были получены в усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории».

В дополнение к коротким ярким импульсам рентгеновского излучения, Кац сказал, что он и его соавторы также должны были разработать экспериментальную систему, в которой они могли бы включать желаемые реакции с помощью сверхбыстрого переключателя.

Джордан Кац, в настоящее время работающий в Университете Денисона, разработал экспериментальную систему, которая синхронизировала перенос многих электронов в частицы оксида железа, чтобы можно было контролировать их совокупное поведение.

«Единственный способ сделать это в нужное время — с помощью света, в данном случае сверхбыстрого лазера», — говорит Кац. «Нам нужна была система, в которой электрон, который мы хотели изучить, мог быть немедленно введен в оксид железа в ответ на поглощение света. Это позволило нам эффективно синхронизировать перенос многих электронов в частицы оксида железа, чтобы мы могли контролировать их совокупное поведение».

С помощью своей системы спектроскопии накачки-зонда с временным разрешением в сочетании с расчетами ab initio , выполненными соавтором Кевином Россо из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Гилберт, Кац и их коллеги определили, что скорости, с которыми электроны прыгают из одного железа переход от одного атома к другому в оксиде железа варьируется от одного прыжка в наносекунду до пяти прыжков в наносекунду, в зависимости от структуры оксида железа. Их наблюдения согласовывались с установленной моделью описания поведения электронов в таких материалах, как оксиды железа. В этой модели электроны, введенные в оксид железа, соединяются с фононами (вибрациями атомов в кристаллической решетке), искажая структуру решетки и создавая небольшие энергетические ямы или ямки, известные как поляроны.

«Эти небольшие поляроны электронов эффективно образуют локализованные позиции металлов с более низкой валентностью, а проводимость происходит за счет термически активированных электронов, перескакивающих с одного сайта металла на другой», — говорит Гилберт. «Измеряя скорость прыжков электронов, мы смогли экспериментально продемонстрировать, что отрыв железа (II) от кристалла ограничивает скорость общей реакции растворения. Мы также смогли показать, что прыжки электронов в оксидах железа не являются узким местом для роста микробов, использующих эти минералы в качестве акцепторов электронов. Скорость переноса электронов от белка к минералу медленнее».

Кац воодушевлен применением этих результатов для поиска способов использования оксида железа для сбора и преобразования солнечной энергии.

«Оксид железа — широко распространенный, стабильный и экологически чистый полупроводник, а его свойства оптимальны для поглощения солнечного света», — говорит он. «Однако, чтобы использовать оксид железа для сбора и преобразования солнечной энергии, важно понять, как электроны передаются внутри материала, который при использовании в традиционной конструкции не обладает высокой проводимостью. Подобные эксперименты помогут нам разработать новые системы с новой наноструктурной архитектурой, которые способствуют желаемым окислительно-восстановительным реакциям и подавляют вредные реакции, чтобы повысить эффективность нашего устройства».

Гилберт добавляет: «Также важна демонстрация того, что очень быстрые этапы геохимической реакции, такие как скачки электронов, могут быть измерены с помощью сверхбыстрых методов накачки-зонда».

Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США, которое также поддерживает усовершенствованный источник фотонов.

#  #  #

Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли решает самые насущные научные проблемы мира, продвигая устойчивую энергетику, защищая здоровье человека, создавая новые материалы и раскрывая происхождение и судьбу Вселенной. Основан в 1931 марта научный опыт Berkeley Lab был отмечен 13 Нобелевскими премиями. Калифорнийский университет управляет лабораторией Беркли для Управления науки Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации посетите сайт www.lbl.gov.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Управления науки по адресу science.energy.gov/.

Дополнительная информация

Чтобы узнать больше об исследованиях Бенджамина Гилберта, перейдите сюда

Чтобы узнать больше об исследованиях Джордана Каца, перейдите сюда

Для получения дополнительной информации об усовершенствованном источнике фотонов перейдите сюда

Чтобы прочитать новость об этой работе из Аргоннской национальной лаборатории, перейдите сюда

Теплопроводность композита с металлической матрицей на месте — чугун

  • Группа авторов Авторизация

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы представляем собой сообщество из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, посвященный открытому доступу, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь:

Карьера:

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Открытый доступ

Автор:

Дж.К. Чен и С.Ф. Chen

Поступило: 15 ноября 2010 г. Опубликовано: 20 июля 2011 г.

DOI: 10.5772/21537

Скачать бесплатно

из отредактированного тома

Под редакцией Джона Купполетти

Заказ о заказах. железо представляет собой типичный композит с металлической матрицей на месте, состоящий из микроструктур графита, феррита и перлита. Хорошо известно, что большой диапазон прочности и пластичности может быть достигнут путем контроля формы графита и конструкции сплава в чугунах. С ростом применения чугуна в условиях высоких температур, т.е. дисковых тормозов, выпускных коллекторов и цилиндров двигателей и т. д., особенно важны теплопроводные свойства таких материалов.

Однако моделирование теплопроводности композита – непростая задача, особенно для разнородных материалов, таких как чугун. Чугуны представляют собой сочетание графита различной формы, феррита и перлита. Кроме того, легирующие элементы могут влиять на их теплопроводность в двух аспектах: собственная теплопроводность различных фаз и стабильность различных фаз из-за изменений состава (Helsing and Grimvall 199).1).

В данной статье чугун рассматривается как композит с металлической матрицей посредством применения теории эффективной среды. Обсуждается влияние трех факторов на теплопроводность чугунов, включая матричные фазы, формы графита и легирующие элементы. Эти эффекты связаны с анизотропными свойствами и морфологией частиц второй фазы в композитах. Например, перлит представляет собой пластинчатую композитную структуру, тогда как шаровидный и чешуйчатый графит представляет собой различные формы частиц второй фазы. Таким образом, целью этой статьи является обсуждение влияния различных фаз и их морфологии на теплопроводность чугуна посредством измерений и теоретических прогнозов.

Исследование начинается с обзора теорем, описывающих теплопроводность композитов. Теория эффективной среды представляет особый интерес для применения в чугунах из-за ее универсальности в моделировании различной морфологии частиц второй фазы и пластинчатых структур. Теплопроводность чугуна и основных матричных структур измеряется как при комнатной, так и при высокой температуре для сравнения с теоретически предсказанными значениями. Кроме того, шаровидный, компактный и чешуйчатый графит формируются путем контроля процесса легирования и литья.

Теплопроводность чугунов колеблется в широком диапазоне от 20 до 70 Вт/м/°С. Установлено, что расчетная теплопроводность хорошо согласуется с измеренными значениями. Серые чугуны с чешуйчатым графитом значительно увеличивают теплопроводность из-за своей анизотропии. В этом случае железо с шаровидным графитом имеет более низкую теплопроводность. Ферритовая структура имеет почти вдвое большую теплопроводность, чем пластинчатая перлитная матрица. Затем легирующие элементы оказывают двоякое влияние на теплопроводность чугуна: одно на собственную теплопроводность различных микроструктур, а другое на количество составляющих фаз. Отмечено, что влияние легирующих элементов на теплопроводность в основном связано с количеством образующихся различных фаз, а не с фазовым составом. Текущая работа демонстрирует комплексный подход к моделированию теплопроводности в сложных композитных системах.

Advertisement

2. Теория

Понятия теории эффективной среды или аппроксимации эффективной среды возникли в работах Максвелла-Гарнетта (1904) и Брюггемана (1935). С тех пор на основе этих оснований было разработано множество расширенных формул (Choy, 1999). Такое приближение было разработано для описания физических свойств неоднородных тел через сочетание однородных изотропных фаз. Таким образом, комбинированные композиты обеспечивают эффективное свойство, соответствующее однородной среде. Поскольку развитие теории эффективной среды было основано на эффектах поляризации под действием электромагнитных полей, наиболее распространенными физическими свойствами, рассматриваемыми с использованием теории эффективной среды, среди всех являются проводимость и диэлектрическая проницаемость.

В исследовании Cheng and Vachon (1969) теплопроводность двух- и трехфазных твердых гетерогенных смесей рассматривалась на основе модели Tsao (1961). Модель Цао делит композитные тела на параллельные пластины перпендикулярно направлению теплопередачи. Доли дисперсных фаз в каждой пластине относят к растворам эффективной величины. Полученная таким образом эффективная величина не подходит для описания анизотропной фазы, такой как чешуйки графита в чугунах.

Методология, разработанная Helsing and Helte (1991), представляет интерес в настоящей статье, в которой сплошная среда рассматривается как изотропный агрегат анизотропных зерен. Концепция была основана на исследовании Шульгассера (1977) проводимости поликристаллических материалов, когда каждый равноосный кристалл выровнен в различной ориентации (рис. 1). Такая модель особенно выгодна при построении ферритных и перлитных матричных структур в чугунах. Таким образом, можно моделировать анизотропную природу графитовых и перлитных зерен.

2.1. Теплопроводность матричной фазы

2.1.1. Теплопроводность ферритовой матрицы

Для ферритовой матрицы различного состава необходимо учитывать как ее фононную, так и электронную теплопроводность. Электронная теплопроводность может быть получена с использованием функции Лоренце L e , связывающей электронную теплопроводность K e и удельное электрическое сопротивление ρ м чистого железа по закону Видемана – Франца. :

Ke,pureiron=(ρmLeT)−1E1

Для ферритных сплавов влияние легирующих легирующих элементов должно быть добавлено с учетом удельного электрического сопротивления i-го элемента (Williams, 1981):

Ke,ferrite=(ρmLeT+ 1LoT∑iρi’Ci)−1E2

, где L o число Зоммерфельда-Лоренца 2,44×10 -8 Вт·Ом C -2 , ρi’ -th относительное электрическое сопротивление сплава i элемент по сравнению с чистым железом, C i — концентрация i -го элемента в мольных долях, Т — температура. Член L e представляет собой изменение функции Лоренца чистого железа с температурой и предполагается, что он не зависит от легирующих элементов (таблица 1). Таким образом, уравнение (2) включает зависящую от температуры часть электропроводности чистого железа железа, а второй член учитывает изменения, вызванные легирующими элементами.

Рис. 1.

Схема поликристаллов с анизотропными зернами (по Schulgasser 1977)

27°C 200°C 300°C
p m
μΩ cm
11.16 14.76 21.76 27.36
L e x 10 8
WΩ°C -2
2.09 2.22 2.31

Таблица 1.

Функции Лоренца и удельное сопротивление чистого железа при различных температурах (Williams, 1981) ,ferrite=(1Kp,pureiron+∑iAiCi)−1E3

где K p,pure iron – фононный вклад теплопроводности в чистом железе, а второй член в уравнении (3) представляет фононное рассеяние ( А i ) за счет примесных атомов, i .

Si Al Cr Mo
ρ i
μΩ cm/at.%
7 6.4 4. 6 4.8
10 3 xA i
m°C/W/at.%
8 7 0.1 13

Таблица 2.

Коэффициенты ρi’ и A i (Helsing and Grimvall, 1991) для различных легирующих элементов электрические и фононные вклады,

Kферрит=Ke,феррит+Kp,ферритE4

2.
1.2. Теплопроводность перлитной матрицы

Структура перлита представлена ​​ферритом и цементитом в параллельных пластинах. По-видимому, такая структура является анизотропной, а агрегация анизотропного зерна должна обеспечивать эффективную теплопроводность. Теплопроводность перлита, параллельного ламелям, можно записать как

Kперлит, //=fFe3CKFe3C+ферритKферритE5

, а перлита, перпендикулярного ламелям, составляет

Kперлит,⊥=(fFe3C/KFe3C+феррит/Kферрит)−1E6

, где f

Fe603(

Fe60C ) и,. f феррит (=0,878) – объемные доли Fe 3 C и феррита соответственно. K Fe3C – теплопроводность цементита или 8 Вт/м/Кл (Helsing and Grimvall, 1991). Таким образом, эффективная изотропная теплопроводность перлита Kpearliteeff, оцененная в приближении эффективной среды, определяется выражением (Helsing and Grimvall, 19).91)

Kpearliteeff=14[Kpearlite,//+Kpearlite,//2+8Kpearlite,//Kpearlite,⊥]E7

Перлит K ,// вычисляется как порядка 58 Вт/м/ C, тогда как перлит K имеет только около 35 Вт/м/C. Таким образом, эффективная теплопроводность перлита составляет порядка 45~50 Вт/м/C.

2.1.3. Экспериментальная и теоретическая теплопроводность матрицы

Теплопроводность объемных матричных материалов измерялась с использованием стали со свободными включениями (C<50 ppm) и стали AISI 1080 (C=0,80 вес.%) для имитации ферритной и перлитной структуры. На рис. 2 представлены микроструктуры этих образцов.

Теплопроводность ферритных и перлитных материалов измеряется методом горячего диска (Gustafsson, 1991) с использованием двух образцов диаметром 50 мм × 20 мм t. Предсказанные значения путем объединения уравнений. Показано, что (1)~(7) хорошо согласуются с измеренными значениями, как показано на рис. 3.

Наблюдается большая разница в теплопроводности ферритной и перлитной матриц. Это не обязательно все происходит из-за вклада цементита, на долю которого приходится около 6,9Только разница Вт/м/Ц. Основное снижение теплопроводности происходит за счет укладки феррита и цементита. Проводимость в ориентации, перпендикулярной перлитным ламелям, перлит K , ┴ составляет всего 60% от проводимости в ориентации, параллельной перлитным ламелям, что указывает на то, что ламеллярные структуры представляют собой регулярный и большой барьер как для электронной, так и для фононной проводимости.

Рис. 2.

Микроструктуры ферритной (а) и перлитной (б) структур

Рис. 3.

Расчетная (кал.) и измеренная (эксп.) теплопроводность ферритных и перлитных структур.

2.2. Влияние типов графита на теплопроводность

2.2.1. Теплопроводность чугунов с различной морфологией графита

Различные типы графита сильно влияют на механические свойства чугунов. Есть две экстремальные формы графита, а именно сферический и чешуйчатый графит. В текущем исследовании, помимо ковких чугунов (FCD) со сферическим графитом и обычных серых чугунов (FC) с чешуйчатым графитом, также рассматриваются чугуны с компактным графитом (CGI), которые попадают между двумя крайними случаями.

Рис. 4.

Микроструктуры OM образцов (a) чугуна с шаровидным графитом (FCD), (b) чугуна с компактным графитом (CGI) и (c) серого чугуна (FC)

Образец FC представляет собой отливку класса JIS FC250 железо с углеродным эквивалентом 3,83. Образец FCD готовят с использованием железа класса JIS FCD450 (CE% = 4,51), сфероидизированного с использованием 1,1 мас.% сфероидизатора в течение 40 с перед отливкой. Затем образец CGI был приготовлен из того же железа марки FCD450, сфероидизированного с использованием 0,5 мас. % сфероидизатора в течение 60 с, чтобы разрушить образование шаровидного графита.

Из микроструктур, показанных на рис. 4, видно, что серый чугун (рис. 4c) с чешуйчатым графитом придает сильно анизотропные свойства благодаря своим характерным плоским формам. Проводимость в ориентациях, параллельных поверхности чешуек, намного выше, чем в перпендикулярных направлениях. Эффективная теплопроводность серого чугуна определяется путем решения следующего уравнения: //−KmatrixKcastironeff+p//(Kgraphite,//−Kcastironeff)]E8

Здесь коэффициенты формы при ориентации параллельно и перпендикулярно графитовым чешуйкам, p//и p⊥, записываются как

p//=ε(2−2ε2)−1[(1−ε2)−12cos−1(ε )−ε]E9

p⊥=1−2p//E10

соответственно. Параметр ε представляет собой отношение толщины графита к длине и принимается равным 0,05 для образцов FC. Теплопроводность графита в направлении, параллельном и перпендикулярном поверхности чешуек, Kgraphite// и Kgraphite,⊥, принимается равной 500 и 10 Вт/м/Кл соответственно (Helsing and Grimvall, 19). 91).

Для высокопрочных чугунов со сферическим графитом теплопроводность может быть определена следующим образом: /+ηKграфит,⊥2+η−Kматрица)E11

где f др. и K др. объемная доля и теплопроводность других микрокомпонентов, таких как аустенит или карбиды, и

η=12[(1+ 8Кграфит,//Кграфит,⊥)12−1]E12

Что касается образцов CGI, которые имеют морфологию графита между шаровидной и чешуйчатой ​​формами, уравнение путем объединения формул. (8) и (11) можно вывести линейно. Фракции графита шаровидной формы и чешуйчатой ​​формы, f шаровидный графит и f чешуйчатый графит , учитываются по следующему уравнению: ⊥−KmatrixKcastironeff+p⊥(Kграфит,⊥−Kcastironeff)+2Kграфит,//−KmatrixKcastironeff+p//(Kграфит,//−Kcastironeff)]+гнодулярный графит(32+ηKграфит,///Kductileironeff))(2Kграфит,⊥ +ηKграфит,//2+η−Kматрица)E13

2.2.2. Расчетная и измеренная теплопроводность для чугунов с различной морфологией графита

На рис. 5. представлены расчетные и измеренные значения теплопроводности для различных чугунов на рис. 4. Образцы компактного графита и серого чугуна показывают хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными значениями. при температурах ниже 100°C, но расходятся при температурах выше 200°C. Дальнейшие наблюдения показывают, что измеренная теплопроводность постоянно снижается с повышением температуры. Это связано с тем, что температурная зависимость проводимости графита не учитывается. Поэтому на рис. 6 используется оценочный температурный коэффициент теплопроводности для графита -3000 ppm/C. Предсказанные коэффициенты теплопроводности, по-видимому, улучшают согласованность с измеренными значениями, когда рассматривается температурная зависимость теплопроводности графита.

Также замечено, что серые чугуны имеют самую высокую проводимость среди всех по сравнению с чугунами с шаровидным графитом и чугунами с компактным графитом. Разница может достигать 2-3 раз. Это говорит о том, что анизотропные свойства серых чугунов улучшают их эффективную проводимость. Это связано с выровненными чешуйками графита в случайной ориентации для увеличения общей теплопроводности. Несмотря на то, что чугуны с компактным графитом состоят из графита, похожего по форме на серые чугуны, их эффективная теплопроводность ближе к таковым у чугунов с шаровидным графитом.

Рис. 5.

Расчетная (кал.) и измеренная теплопроводность серого чугуна (FC), чугуна с компактным графитом (CGI) и чугуна с шаровидным графитом (FCD).

Рис. 6.

Теплопроводность серого чугуна с учетом температурной зависимости теплопроводности графита (новая кал.) в сравнении с предсказанными значениями (кал. ) без зависимости от температуры и измеренными значениями.

2.3. Влияние легирующих элементов на теплопроводность

Легирующие элементы оказывают двоякое влияние на теплопроводность чугунов. Различные легирующие элементы могут влиять на составляющие микроструктуры. Легирующие элементы, такие как Si и Cu, являются стабилизаторами графита, а Cu также способствует образованию перлита (рис. 7а и 7б). С другой стороны, Mo и Cr являются карбидными стабилизаторами. Следовательно, разные легирующие элементы индуцируют различное количество графита и типов матрицы (рис. 7.)

Рис.6. демонстрирует серию образцов ТЭ с дополнительным 1 мас.% Si, Cu, Cr, Mo и Al. Например, на рис. 7б серый чугун с добавкой 1 мас.% меди действительно способствует образованию перлита в матрице, в то время как чешуйки графита кажутся тоньше и меньше по сравнению с железом с добавкой 1 мас.% Si на рис. 7а.

Для серых чугунов с добавками Cr и Mo матрица, по-видимому, дает много белых областей, которые соответствуют карбидам сплава, и их необходимо учитывать при рассмотрении теплопроводности. С другой стороны, серый чугун с добавлением 1 мас.% алюминия содержит большое количество феррита, примыкающего к графиту. Легирующие элементы контролируют количество образующихся различных микрокомпонентов и влияют на теплопроводность легированных серых чугунов.

Между тем, легирующие элементы также могут влиять на состав различных микроструктур, таких как феррит и карбиды. Замечено, что морфология графита меняется в зависимости от добавленных элементов. Это повлияет на значения, оцениваемые по уравнению (2), и, таким образом, продемонстрирует зависимость теплопроводности от легирующих элементов.

При рассмотрении теплопроводности чугунов с легирующими элементами количественная металлография и анализ SEM-EDS используются для расчета количества различных фаз и подтверждения состава каждого микрокомпонента. Таким образом, составы каждой составляющей фазы могут быть введены в уравнения для оценки теплопроводности каждой фазы.

На рис. 8 представлена ​​зависимость теплопроводности с легирующими элементами. На рис.6 базовая теплопроводность серого чугуна FC составляет ~55 Вт/м/°С при комнатной температуре. Это значение сравнивается с измеренным или предсказанным для легированных чугунов на рис. 8. Наблюдается, что все легирующие элементы оказывают снижающее влияние на теплопроводность. Это связано с рассеянием как электронов, так и фононов на примесных атомах в серых чугунах.

Среди всех добавленных легирующих элементов алюминий и медь оказывают наименьшее влияние на снижение теплопроводности. В таблице 2 отмечено, что алюминий не обязательно дает более высокое электрическое сопротивление и эффекты рассеяния фононов по сравнению с другими легирующими элементами. Меньшие эффекты снижения теплопроводности, скорее всего, связаны с фактором микроструктуры. В частности, стабилизаторы графита, такие как медь и алюминий, могут генерировать большее количество более тонкого графита, что компенсирует некоторые негативные эффекты легирующих элементов на теплопроводность.

Карбидообразующие хром и молибден оказывают двойное влияние на теплопроводность. Они не только влияют на общую теплопроводность за счет образования карбидов, но и уменьшают образование графита. Хром оказывает относительно меньшее влияние на рассеяние фононов (таблица 2) и показывает немного более высокое значение проводимости, чем железо, легированное молибденом. Молибден дает самые высокие эффекты рассеяния фононов среди легирующих элементов и обуславливает самую низкую теплопроводность на рис. 8.9.0033

Таким образом, снижение теплопроводности чугуна в основном связано с микроструктурой, на которую воздействуют легирующие элементы. Количество чешуйчатого графита, карбида и феррита может способствовать общей теплопроводности. Состав в каждой фазе, такой как феррит, менее выраженно влияет на эффективную проводимость.

Рис. 7.

Оптические микроструктуры (a) FC-1мас. %Si, (b) FC-1мас.%Cu, (c) FC-1мас.%Cr, (d) FC-1мас.%Mo, и (e) образцы FC-1 мас.% Al.

Рис. 8.

Измеренная теплопроводность (a)FC-1 мас.%Si, (b)FC-1 мас.%Cu, (c)FC-1 мас.%Cr, (d)FC-1 вес.%Mo и (e)FC-1 вес.%Al образцы и их прогнозы (кал.)

Реклама

3. Заключение

Текущее исследование сообщает о влиянии микроструктуры, легирующих элементов и морфологии графита на тепловую электропроводность чугунов на основе как экспериментальных измерений, так и теоретических оценок. Хорошее соответствие между измеренными и расчетными значениями может быть получено с использованием приближений эффективной среды. Таким образом, можно обсудить причины больших различий теплопроводности чугунов разных типов. Из этих дискуссий делаются следующие выводы.

  1. Структура феррита имеет аж на порядок теплопроводность выше, чем у цементита. Когда две структуры уложены слоями, анизотропные свойства приводят к тому, что ориентации параллельно и перпендикулярно структуре ламелей имеют разницу в 60%. Это сильно влияет на эффективную теплопроводность перлита, указывая на то, что границы между фазами с большими различиями играют важную роль.

  2. Графитовая фаза представляет собой микроструктуру с самой высокой электропроводностью среди всех микрокомпонентов чугуна. Она также имеет еще большую анизотропию по сравнению с перлитной структурой. Это оказывает большое влияние на эффективную теплопроводность графита различной морфологии. В частности, в чугунах с чешуйчатым графитом достигается теплопроводность до 55 Вт/м/°C, тогда как в чугунах с шаровидным графитом достигается теплопроводность только 25 Вт/м/°C. Анизотропный эффект очевиден. Кроме того, показано, что чугуны с компактным графитом или графит с формами между чешуйками и сфероидами имеют теплопроводность (~ 35 Вт / м / C), более похожую на чугуны с шаровидным графитом, а не на серые чугуны, даже несмотря на то, что форма компактного графита кажется ближе к чешуйчатому графиту.

  3. Влияние легирующих элементов на чугун также обсуждается путем фиксации графита в виде чешуйчатой ​​морфологии. Хорошо известно, что легирующие элементы вызывают как эффекты рассеяния электронов, так и фононов в теплопроводности. Между тем появляется и большая разница в фазовых составах за счет легирующих элементов. В частности, добавки меди и алюминия способствуют тому, что графит образует большее количество более тонкого графита и снижает влияние снижения легирования на теплопроводность чугунов. С другой стороны, добавки хрома и молибдена вызывают образование карбидов, которые не только увеличивают удельное тепловое сопротивление, но также уменьшают образование графита и, следовательно, снижают теплопроводность наиболее сильно среди всех рассматриваемых легирующих элементов. Таким образом, делается вывод, что легирующие элементы влияют на теплопроводность в большей степени за счет количества составляющих фаз, а не за счет состава каждой фазы.

Объявление

4.

Приложение – список условных обозначений

A и : рассеяние фононов на примесных атомах, и .

C i : concentration of i -th element in molar fraction

ε : thickness-length ratio of graphite

f Fe3C and f ferrite : volume fractions of Fe 3 C и феррит в перлите соответственно

f прочее объемная доля других микрокомпонентов, таких как аустенит или карбиды

f шаровидный графит и f чешуйчатый графит : фракции графита с шаровидной формой и формой чешуек соответственно.

K E, Pure Iron : вклад электронов в теплопроводность чистого железа

K E, Феррит : вклад электронов в термообразовательстве феррита

K 5555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555н. колебаний решетки к теплопроводности феррита

K феррит : теплопроводность феррита

K Fe3C : теплопроводность цементита или 8 Вт/м/C

Kpearliteeff: эффективная изотропная теплопроводность перлита перлит,┴ : теплопроводность перлита в ориентации, параллельной и перпендикулярной ламелям, соответственно

Kграфит,//и Kграфит,⊥: теплопроводность графита в ориентации, параллельной и перпендикулярной поверхности графита, соответственно

ρ M : электрическое удельное сопротивление чистого железа

K Другие : теплопроводность других микроконстаточек, таких как Austenite или Carbides

L E : Lorre или Carbides

L E : Lorre или Carbides

L E : Lorre. и ρ м .

L o : число Зоммерфельда-Лоренца 2,44×10 -8 Вт·Ом C -2

ρi’: относительное электрическое сопротивление и -й легирующий элемент по сравнению с чистым железом

р // и р Á : коэффициенты формы в ориентации, параллельной и перпендикулярной чешуйкам графита, соответственно

Реклама

Благодарности

Завершение исследования частично поддерживается грантом Национального научного совета Тайваня в рамках проекта # NSC98-2221-E-027-031. Материалы, предоставленные China Metal Products, и помощь в измерении теплопроводности центром EMO при Национальном технологическом университете Тайбэя получили признание.

Ссылки

  1. 1. BruggemanD. А.Г.1935 Диэлектрическая проницаемость и проводимость смесей изотропных материалов. Анн. физ. (Лейпциг), 24636679.
  2. 2. ЧойТ. C.1999 Теория эффективных сред, принципы и приложения, Oxford Science Publications, 0-19851-892-7York, USA.
  3. 3. ЧенгС. К.ВачонР. I.1969 Прогнозирование теплопроводности двух- и трехфазных твердых гетерогенных смесей, Int. Дж. Тепломассообмен., 12249264.
  4. 4. Густафссон С. Д.1991 Методы переходного плоского источника для измерения теплопроводности и температуропроводности твердых материалов, Rev. науч. Инструм.,623797804.
  5. 5. HelsingJ.GrimvallG.1991Теплопроводность чугуна: модели и анализ экспериментов.Journal of Applied Physics,70311981206.
  6. 6. HelsingJ.HelteA.1991Эффективная проводимость агрегатов анизотропных зерен,J. заявл. Физ., 69635833588.
  7. 7. Максвелл-Гарнетт Дж. C.1904 Цвета в металлических стеклах и металлических пленках. Philos. Транс. Р. Соц. А, 203385420.
  8. 8. Schulgasser K.1977 Границы проводимости статистически изотропных поликристаллов,J. физ. C: Физика твердого тела, 10407417.
  9. 9. ЦаоГ. Т. Н. (1961). Теплопроводность двухфазных материалов, Инд. инж. хим., 53535395397.
  10. 10. Уильямс Р. К. Ярбро Д. В. Мэйси Дж. В. .Холдер Т. К.ГрейвсР. S.1981 Экспериментальное определение фононной и электронной составляющих теплопроводности ОЦК-железа, Дж. заявл. физ., 52851675175.

Секции

Информация о авторе

  • 1. Введение
  • 2. Theory
  • 3. Conclusion
  • 4. Приложение — Список символов
  • Благодарности

Ссылки

. Adbkingsisments

. Чен и С.Ф. Chen

Опубликовано: 15 ноября 2010 г. Опубликовано: 20 июля 2011 г.

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

© 2011 Автор(ы). Лицензиат IntechOpen. Эта глава распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike-3.0, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение в некоммерческих целях при условии, что оригинал правильно процитирован, а производные работы, основанные на этом содержании, распространяются в соответствии с лицензией такая же лицензия.

IntechOpen будет действовать в соответствии со своей опубликованной Политикой возврата средств, если будут сделаны запросы на возмещение.

2. Обоснованный отказ Автора от работы, которая уже была принята во время или после производства, но до публикации. В этом случае будет произведен возврат 50%. (IntechOpen оставляет за собой право по своему усмотрению определять, является ли отказ оправданным и, следовательно, следует ли возвращать деньги).

3.    В тех редких случаях, когда IntechOpen отказывается публиковать ранее принятую книгу, полный возврат средств будет произведен на тот же счет или кредитную карту, с которой Автор произвел первоначальный платеж.

Обратите внимание, что возвращаемые суммы не всегда будут точно такими же, как первоначальные суммы платежа из-за банковских комиссий и расходов. Любые такие расходы будут поровну разделены между IntechOpen и Автором.

2. Обоснованный отказ Автора от работы, которая уже была принята во время или после производства, но до публикации. В этом случае будет произведен возврат 50%. (IntechOpen оставляет за собой право по своему усмотрению определять, является ли отказ оправданным и, следовательно, следует ли возвращать деньги).

3.    В тех редких случаях, когда IntechOpen отказывается публиковать ранее принятую книгу, полный возврат средств будет произведен на тот же счет или кредитную карту, с которой Автор произвел первоначальный платеж.

Обратите внимание, что возвращаемые суммы не всегда будут точно такими же, как первоначальные суммы платежа из-за банковских комиссий и расходов. Любые такие расходы будут поровну разделены между IntechOpen и Автором.

Железо. Тепловые свойства. Температура плавления. Теплопроводность

О железе

Железо — металл первого переходного ряда. По массе это самый распространенный элемент на Земле, образующий большую часть внешнего и внутреннего ядра Земли. Это четвертый по распространенности элемент в земной коре. Его изобилие на скалистых планетах, таких как Земля, связано с его обильным образованием в результате синтеза звезд большой массы.

Тепловые свойства железа

Железо – температура плавления и температура кипения

Температура плавления железа 1538°С .

Температура кипения железа 2861°C .

Обратите внимание, что эти точки связаны со стандартным атмосферным давлением.

Железо – теплопроводность

Теплопроводность железа составляет 80,2 Вт/(м·К).

Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются свойством, называемым теплопроводностью , k (или λ), измеряемой в Вт/м·K . Это мера способности вещества передавать тепло через материал за счет теплопроводности. Обратите внимание, что Закон Фурье  применим ко всей материи, независимо от ее состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.

Коэффициент теплового расширения железа

Коэффициент линейного теплового расширения Железа  составляет 11,8 мкм/(м·K)

в температуре. Обычно его выражают в виде доли изменения длины или объема на единицу изменения температуры.

См. Также: Механические свойства железа

Плата элементов

. кипение
 является фазовым переходом  вещества из жидкой фазы в газовую. температура кипения вещества — это температура, при которой происходит это фазовое превращение (кипение или испарение). Температура, при которой испарение  (кипение) начинается при заданном давлении, также известном как  температура насыщения , и при этих условиях смесь пара и жидкости может существовать вместе. Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией. Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу. При температуре кипения две фазы вещества, жидкость и пар, имеют одинаковую свободную энергию и, следовательно, с равной вероятностью существуют. Ниже точки кипения жидкость является более стабильным состоянием из двух, тогда как выше предпочтительна газообразная форма. Давление, при котором начинается испарение (кипение) при данной температуре, называется давление насыщения . Когда ее рассматривают как температуру обратного перехода из пара в жидкость, ее называют точкой конденсации.

Как видно, точка кипения жидкости варьируется в зависимости от давления окружающей среды. Жидкость в частичном вакууме имеет более низкую температуру кипения, чем когда эта жидкость находится при атмосферном давлении. Жидкость при высоком давлении имеет более высокую температуру кипения, чем при атмосферном давлении. Например, вода кипит при 100 °C (212 °F) на уровне моря, но при 93,4°C (200,1°F) на высоте 1900 метров (6233 фута). С другой стороны, вода кипит при 350°C (662°F) при 16,5 МПа (типичное давление PWR).

В периодической таблице элементов элемент с самой низкой температурой кипения — гелий. Обе точки кипения рения и вольфрама превышают 5000 К при стандартном давлении. Поскольку трудно точно и беспристрастно измерить экстремальные температуры, в литературе упоминаются оба вещества с более высокой температурой кипения.

Точка плавления

В общем, плавление  является фазовым переходом  вещества из твердого состояния в жидкое. точка плавления вещества — это температура, при которой происходит это фазовое превращение. Точка плавления   также определяет состояние, при котором твердое тело и жидкость могут существовать в равновесии. Добавление тепла превратит твердое тело в жидкость без изменения температуры. В точке плавления две фазы вещества, жидкая и паровая, имеют одинаковую свободную энергию и поэтому с равной вероятностью существуют. Ниже точки плавления твердое состояние является более стабильным из двух, тогда как при температуре выше точки плавления предпочтительна жидкая форма. Температура плавления вещества зависит от давления и обычно указывается при стандартном давлении. Когда ее рассматривают как температуру обратного перехода из жидкого состояния в твердое, ее называют точкой замерзания или точкой кристаллизации.

См. также: Понижение точки плавления

Первая теория, объясняющая механизм плавления в объеме, была предложена Линдеманном, который использовал колебания атомов в кристалле для объяснения плавления. Твердые тела похожи на жидкости тем, что оба находятся в конденсированном состоянии, а частицы находятся гораздо ближе друг к другу, чем частицы газа. Атомы в твердом теле тесно связаны друг с другом либо в правильной геометрической решетке (кристаллические твердые тела, которые включают металлы и обычный лед), либо в неправильной (аморфное твердое тело, такое как обычное оконное стекло), и обычно имеют низкую энергию. движение отдельных атомов , ионов или молекул в твердом теле ограничивается колебательным движением вокруг фиксированной точки. Когда твердое тело нагревается, его частицы колеблются быстрее , поскольку твердое тело поглощает кинетическую энергию. В какой-то момент амплитуда колебаний становится настолько большой, что атомы начинают вторгаться в пространство своих ближайших соседей и возмущать их, и начинается процесс плавления. Точка плавления  – это температура, при которой разрушительные колебания частиц твердого тела преодолевают силы притяжения, действующие внутри твердого тела.

Как и в случае с точками кипения, точка плавления твердого тела зависит от силы этих сил притяжения. Например, хлорид натрия (NaCl) представляет собой ионное соединение, состоящее из множества сильных ионных связей. Хлорид натрия плавится при 801°С. С другой стороны, лед (твердый H 2 O) представляет собой молекулярное соединение, молекулы которого удерживаются вместе водородными связями, что является эффективным примером взаимодействия между двумя постоянными диполями. Хотя водородные связи являются самыми сильными из межмолекулярных сил, прочность водородных связей намного меньше, чем у ионных связей. Температура плавления льда 0°С.

Ковалентные связи часто приводят к образованию небольших наборов лучше связанных атомов, называемых молекулами, которые в твердых телах и жидкостях связаны с другими молекулами силами, которые часто намного слабее, чем ковалентные связи, удерживающие молекулы вместе внутри. Такие слабые межмолекулярные связи придают органическим молекулярным веществам, таким как воски и масла, их мягкий объемный характер и низкие температуры плавления (в жидкостях молекулы должны прекратить наиболее структурированный или ориентированный контакт друг с другом).

 

О теплопроводности

Характеристики теплопередачи твердого материала измеряются свойством, называемым теплопроводностью , k (или λ), измеряемой в Вт/м·K . Это мера способности вещества передавать тепло через материал за счет теплопроводности. Обратите внимание, что закон Фурье  применим ко всей материи, независимо от ее состояния (твердое, жидкое или газообразное), поэтому он также определен для жидкостей и газов.

Теплопроводность большинства жидкостей и твердых тел зависит от температуры. Для паров это также зависит от давления. В общем:

Большинство материалов почти однородны, поэтому обычно мы можем написать k = k (T) . Аналогичные определения связаны с теплопроводностями в направлениях y и z (ky, kz), но для изотропного материала теплопроводность не зависит от направления переноса, kx = ky = kz = k.

Теплопроводность металлов

Перенос тепловой энергии в твердых телах обычно может быть обусловлен двумя эффектами:

  • миграцией свободных электронов
  • решеточные колебательные волны (фононы)

Когда электроны и фононы переносят тепловую энергию, приводящую к теплопроводности в твердом теле, теплопроводность может быть выражена как:0823  являются твердыми телами и поэтому обладают кристаллической структурой, в которой ионы (ядра с окружающими их оболочками остовных электронов) занимают трансляционно эквивалентные положения в кристаллической решетке. Металлы обычно имеют высокую электропроводность , высокую теплопроводность и высокую плотность. Соответственно, перенос тепловой энергии может быть обусловлен двумя эффектами:

  • миграцией свободных электронов
  • решетчатые колебательные волны (фононы).

Когда электроны и фононы переносят тепловую энергию, приводящую к теплопроводности в твердом теле, коэффициент теплопроводности может быть выражен как: структура связана с наличием носителей заряда, в частности электронов . Электрическая и теплопроводность металлов обусловлена ​​ тем фактом, что их внешних электронов делокализованы . Их вклад в теплопроводность обозначается как электронная теплопроводность , k e . Фактически, в чистых металлах, таких как золото, серебро, медь и алюминий, тепловой ток, связанный с потоком электронов, намного превышает небольшой вклад, обусловленный потоком фононов. Напротив, для сплавов вклад k ph в k больше не является незначительным.

Теплопроводность неметаллов

Для неметаллические твердые вещества , k  определяется в первую очередь k ph , которое увеличивается по мере уменьшения частоты взаимодействий между атомами и решеткой. Фактически, решеточная теплопроводность является доминирующим механизмом теплопроводности в неметаллах, если не единственным. В твердых телах атомы колеблются вокруг своих положений равновесия (кристаллическая решетка). Колебания атомов не независимы друг от друга, а довольно сильно связаны с соседними атомами. Регулярность расположения решетки оказывает важное влияние на k ph , с кристаллическими (хорошо упорядоченными) материалами, такими как кварц , имеющими более высокую теплопроводность, чем аморфные материалы, такие как стекло. При достаточно высоких температурах k ph ∝ 1/T.

квантов колебательного поля кристалла называются « фононов ». Фонон представляет собой коллективное возбуждение в периодическом упругом расположении атомов или молекул в конденсированных средах, таких как твердые тела и некоторые жидкости. Фононы играют важную роль во многих физических свойствах конденсированного вещества, таких как теплопроводность и электропроводность. Фактически, для кристаллических неметаллических твердых тел, таких как алмаз, k ph  может быть довольно большим, превышая значения k, связанные с хорошими проводниками, такими как алюминий. В частности, алмаз обладает самой высокой твердостью и теплопроводностью (k = 1000 Вт/м·К) среди всех объемных материалов.

Теплопроводность жидкостей и газов

В физике жидкость — это вещество, которое непрерывно деформируется (течет) под действием приложенного напряжения сдвига. Жидкости  являются подмножеством фаз материи и включают жидкости , газы , плазму и, в некоторой степени, пластичные твердые тела. Поскольку межмолекулярное расстояние намного больше, а движение молекул более хаотично для жидкого состояния, чем для твердого состояния, транспорт тепловой энергии менее эффективен. Таким образом, теплопроводность газов и жидкостей обычно меньше, чем у твердых тел. В жидкостях теплопроводность обусловлена ​​атомной или молекулярной диффузией. В газах теплопроводность обусловлена ​​диффузией молекул с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень.

Теплопроводность газов

Влияние температуры, давления и химических веществ на теплопроводность газа может быть объяснена с точки зрения кинетической теории газов . Воздух и другие газы обычно являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. Следовательно, многие изоляционные материалы (например, полистирол) функционируют просто благодаря большому количеству заполненных газом карманов , которые предотвращают крупномасштабную конвекцию . Чередование газового кармана и твердого материала приводит к тому, что тепло должно передаваться через множество поверхностей раздела, что приводит к быстрому снижению коэффициента теплопередачи.

Теплопроводность газов прямо пропорциональна плотности газа, средней скорости молекул и особенно длине свободного пробега молекулы. Длина свободного пробега также зависит от диаметра молекулы, причем более крупные молекулы с большей вероятностью столкнутся, чем мелкие молекулы, что представляет собой среднее расстояние, пройденное энергоносителем (молекулой) до столкновения. Легкие газы, такие как водород и гелий  обычно имеют высокую теплопроводность . Плотные газы, такие как ксенон и дихлордифторметан, обладают низкой теплопроводностью.

Как правило, теплопроводность газов увеличивается с повышением температуры.

Теплопроводность жидкостей

Как уже писалось, в жидкостях теплопроводность обусловлена ​​атомной или молекулярной диффузией, но физические механизмы объяснения теплопроводности жидкостей изучены недостаточно. Жидкости, как правило, обладают лучшей теплопроводностью, чем газы, а способность течь делает жидкость подходящей для отвода избыточного тепла от механических компонентов. Тепло можно отводить, пропуская жидкость через теплообменник. Теплоносители, используемые в ядерных реакторах, включают воду или жидкие металлы, такие как натрий или свинец.

Теплопроводность неметаллических жидкостей обычно уменьшается с повышением температуры.

О тепловом расширении

Тепловое расширение  обычно это тенденция материи изменять свои размеры в ответ на изменение температуры. Обычно его выражают в виде доли изменения длины или объема на единицу изменения температуры. Тепловое расширение характерно для твердых тел, жидкостей и газов. В отличие от газов или жидкостей, твердые материалы, как правило, сохраняют свою форму при тепловом расширении. А коэффициент линейного расширения  обычно используется для описания расширения твердого тела, в то время как коэффициент объемного расширения более полезен для жидкости или газа.

Коэффициент линейного теплового расширения определяется как:

, где L  – это конкретное измерение длины, а dL/dT  – скорость изменения этого линейного размера на единицу изменения температуры.

Коэффициент объемного теплового расширения является основным коэффициентом теплового расширения и наиболее важным для жидкостей. Как правило, вещества расширяются или сжимаются при изменении их температуры, причем расширение или сжатие происходит во всех направлениях.

Коэффициент объемного теплового расширения определяется как:

, где л  объем материала, а dV/dT  это скорость изменения этого объема на единицу изменения температуры.

В твердом теле или жидкости существует динамическое равновесие между силами сцепления, удерживающими атомы или молекулы вместе, и условиями, создаваемыми температурой. Поэтому более высокие температуры подразумевают большее расстояние между атомами. Разные материалы имеют разную силу сцепления и, следовательно, разные коэффициенты расширения. Если кристаллическое твердое тело изометрично (имеет во всем одинаковую структурную конфигурацию), расширение будет равномерным во всех измерениях кристалла. Для этих материалов коэффициент площади и объемного теплового расширения соответственно примерно в два и три раза больше линейного коэффициента теплового расширения ( α В  = 3α Д ). Если он не изометричен, могут быть разные коэффициенты расширения для разных кристаллографических направлений, и кристалл будет менять форму при изменении температуры.

Сводка

Элемент Железо
Точка плавления 1538 °С
Точка кипения 2861 °С
Теплопроводность 80,2 Вт/мК
Коэффициент теплового расширения 11,8 мкм/мК
Плотность 7,874 г/см3

Источник: www.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.