Теплопровідність металів та її застосування
Метали - це речовини, що мають кристалічну структуру. При нагріванні вони здатні плавитися, тобто переходити в текучий стан. Одні з них мають невисоку температуру плавлення: їх можна розплавити, помістивши в звичайну ложку і тримаючи над полум'ям свічки. Це свинець і олово. Інші можливо розплавити тільки в спеціальних печах. Високою температурою плавлення володіють мідь і залізо. Для її пониження в метал вводять добавки. Отримані сплави (сталь, бронза, чавун, латунь) мають температуру плавлення нижче, ніж вихідний метал.
Від чого ж залежить температура плавлення металів? Всі вони мають певні характеристики - теплоємність і теплопровідність металів. Теплоємністю називають здатність при нагріванні поглинати теплоту. Її чисельний показник - питома теплоємність. Під нею розуміється кількість енергії, яку здатна поглинути одиниця маси металу, що нагрівається на 1 ° С. Від цього показника залежить витрата палива на нагрівання металевої заготовки до потрібної температури. Теплоємність більшості металів знаходиться в межах 300-400 Дж / (кг * К), металевих сплавів - 100-2000 Дж / (кг * К).
Теплопровідність металів - це перенесення тепла від більш гарячих часток до більш холодним за законом Фур'є при їх макроскопічної нерухомості. Вона залежить від структури матеріалу, його хімічного складу і типу межатомной зв'язку. У металах передача тепла виробляється електронами, в інших твердих матеріалах - фононами. Теплопровідність металів тим вище, чим більш досконалу кристалічну структуру вони мають. Чим більше метал має домішок, тим більше спотворена кристалічна решітка, і тим нижче теплопровідність. Легування вносить такі спотворення в структуру металів і знижує теплопровідність щодо основного металу.
У всіх металів хороша теплопровідність, але в одних вище, ніж у інших. Приклад таких металів - золото, мідь, срібло. Більш низька теплопровідність - у олова, алюмінію, заліза. Підвищена теплопровідність металів є гідністю або недоліком, залежно від сфери їх використання. Наприклад, вона необхідна металевому посуді для швидкого нагріву їжі. У той же час застосування металів з високою теплопровідністю для виготовлення ручок посуду ускладнює її використання - ручки занадто швидко нагріваються, і до них неможливо доторкнутися. Тому тут використовують теплоізолюючі.
Ще одна характеристика металу, що впливає на його властивості - теплове розширення. Воно виглядає як збільшення в обсязі металу при його нагріванні і зменшення - при охолодженні. Це явище обов'язково необхідно враховувати при виготовленні металевих виробів. Так, наприклад, кришки каструль роблять накладними, у чайників теж передбачений зазор між кришкою і корпусом, щоб при нагріванні кришку не заклинило.
Для кожного металу обчислений коефіцієнт теплового розширення. Його визначають нагріванням на 1 ° С дослідного зразка, що має довжину 1 м. Найбільший коефіцієнт мають свинець, цинк, олово. Поменше він у міді і срібла. Ще нижче - заліза і золота.
За хімічними властивостями метали діляться на кілька груп. Існують активні метали (наприклад, калій або натрій), здатні миттєво вступати в реакцію з повітрям або водою. Шість найактивніших металів, що становить першу групу періодичної таблиці, називають лужними. Вони мають маленьку температуру плавлення і так м'які, що можуть бути розрізані ножем. З'єднуючись з водою, вони утворюють лужні розчини, звідси і їх назва.
Другу групу складають лужноземельні метали - кальцій, магній та ін. Вони входять до складу багатьох мінералів, більш тверді і тугоплавкі. Прикладами металів наступних, третьої та четвертої груп, можуть служити свинець і алюміній. Це досить м'які метали і вони часто використовуються в сплавах. Перехідні метали (залізо, хром, нікель, мідь, золото, срібло) менш активні, більш кування і часто застосовуються в промисловості у вигляді сплавів.
Положення кожного металу в ряду активності характеризує його здатність вступати в реакцію. Чим активніше метал, тим легше він забирає кисень. Їх дуже важко виділити із з'єднань, в той час, як малоактивні види металів можна зустріти в чистому вигляді. Найактивніші з них - калій і натрій - зберігають в гасі, поза його вони відразу ж окислюються. З металів, що використовуються в промисловості, найменш активним є мідь. З неї роблять резервуари і труби для гарячої води, а також електричні дроти.