Konduktivitas termal yang tinggi dari tembaga dan karakteristik bermanfaat lainnya adalah salah satu alasan awal pengembangan logam ini oleh manusia. Dan sampai hari ini mereka digunakan di hampir semua bidang kehidupan kita.
Sedikit tentang konduktivitas termal
Dalam fisika, konduktivitas termal dipahami sebagai perpindahan energi suatu benda dari partikel kecil yang lebih panas ke partikel kecil yang lebih panas. Berkat proses ini, suhu benda yang bersangkutan secara keseluruhan menjadi seimbang. Besarnya kemampuan menghantarkan panas ditandai dengan koefisien konduktifitas termal. Parameter ini sama dengan jumlah kalor yang melewati suatu bahan setebal 1 meter melalui luas permukaan 1 m2 selama satu detik pada perbedaan suhu satuan.
Tembaga memiliki koefisien konduktivitas termal 394 W/(m*K) pada suhu 20 hingga 100 °C. Hanya perak yang bisa bersaing dengannya. Dan untuk baja dan besi angka ini masing-masing 9 dan 6 kali lebih rendah (lihat tabel). Perlu dicatat bahwa konduktivitas termal produk yang terbuat dari tembaga sangat bergantung pada pengotor (namun, ini juga berlaku untuk logam lain). Misalnya, laju konduksi panas menurun jika zat seperti:
- besi;
- arsenik;
- oksigen;
- selenium;
- aluminium;
- antimon;
- fosfor;
- sulfur.
Jika Anda menambahkan seng ke tembaga, Anda mendapatkan kuningan, yang memiliki koefisien konduktivitas termal jauh lebih rendah. Pada saat yang sama, menambahkan zat lain ke tembaga dapat secara signifikan mengurangi biaya produk jadi dan memberikan karakteristik seperti kekuatan dan ketahanan aus. Misalnya, kuningan memiliki ciri teknologi, mekanik, dan anti-gesekan yang lebih tinggi.
Karena konduktivitas termal yang tinggi ditandai dengan distribusi energi panas yang cepat ke seluruh objek, tembaga banyak digunakan dalam sistem pertukaran panas. Saat ini, radiator dan tabung untuk lemari es, unit vakum, dan mobil dibuat darinya untuk menghilangkan panas dengan cepat. Elemen tembaga juga digunakan dalam instalasi pemanas, tetapi untuk pemanasan.
Untuk menjaga konduktivitas termal logam pada tingkat tinggi (dan karenanya membuat pengoperasian perangkat tembaga seefisien mungkin), aliran udara paksa melalui kipas digunakan di semua sistem pertukaran panas. Keputusan ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika suhu lingkungan meningkat, konduktivitas termal suatu material menurun secara signifikan, karena perpindahan panas melambat.
Aluminium dan tembaga - mana yang lebih baik?
Aluminium memiliki satu kelemahan dibandingkan tembaga: konduktivitas termalnya 1,5 kali lebih kecil, yaitu 201–235 W/(m*K). Namun, dibandingkan dengan logam lain, nilainya cukup tinggi. Aluminium, seperti tembaga, memiliki sifat anti korosi yang tinggi. Selain itu juga mempunyai keunggulan seperti:
- kepadatan rendah (berat jenis 3 kali lebih kecil dari tembaga);
- biaya rendah (3,5 kali lebih murah dari tembaga).
Berkat perhitungan sederhana, ternyata harga komponen aluminium hampir 10 kali lipat lebih murah dibandingkan komponen tembaga, karena bobotnya jauh lebih ringan dan terbuat dari bahan yang lebih murah. Fakta ini, bersama dengan konduktivitas termal yang tinggi, memungkinkan penggunaan aluminium sebagai bahan peralatan masak dan kertas makanan untuk oven. Kerugian utama dari aluminium adalah lebih lembut, sehingga hanya dapat digunakan dalam paduan (misalnya duralumin).
Untuk perpindahan panas yang efektif, laju perpindahan panas ke lingkungan memainkan peran penting, dan pendinginan radiator secara aktif berkontribusi pada hal ini. Akibatnya, konduktivitas termal aluminium yang lebih rendah (dibandingkan dengan tembaga) menjadi merata, dan berat serta biaya peralatan berkurang. Keuntungan penting ini memungkinkan aluminium secara bertahap menggantikan tembaga dari penggunaan dalam sistem pendingin udara.
Di beberapa industri, misalnya industri radio dan elektronik, tembaga sangat penting. Faktanya adalah bahwa logam ini sangat ulet: dapat ditarik menjadi kabel yang sangat tipis (0,005 mm), dan juga dapat digunakan untuk membuat elemen konduktif spesifik lainnya untuk perangkat elektronik. Dan konduktivitas termal yang tinggi memungkinkan tembaga menghilangkan panas yang pasti timbul selama pengoperasian peralatan listrik dengan sangat efektif, yang sangat penting untuk peralatan modern berpresisi tinggi, tetapi pada saat yang sama kompak.
Penggunaan tembaga relevan jika perlu untuk memberikan bentuk tertentu pada bagian baja. Dalam hal ini, templat tembaga digunakan, yang tidak terhubung ke elemen yang dilas. Tidak mungkin menggunakan aluminium untuk tujuan ini, karena akan meleleh atau terbakar. Perlu juga disebutkan bahwa tembaga dapat bertindak sebagai katoda saat mengelas dengan busur karbon.
1 - roda gigi, 2 - pengencang templat, 3 - gigi roda gigi yang dilas, 4 - templat tembaga
Kerugian dari konduktivitas termal yang tinggi dari tembaga dan paduannya
Tembaga memiliki harga yang jauh lebih tinggi dibandingkan kuningan atau aluminium. Pada saat yang sama, logam ini juga memiliki kekurangan yang berhubungan langsung dengan kelebihannya. Konduktivitas termal yang tinggi menyebabkan perlunya menciptakan kondisi khusus selama pemotongan, pengelasan dan penyolderan elemen tembaga. Karena unsur tembaga perlu dipanaskan jauh lebih pekat dibandingkan dengan baja. Selain itu, pemanasan awal dan bersamaan pada bagian tersebut sering kali diperlukan.
Jangan lupa bahwa pipa tembaga memerlukan insulasi yang hati-hati jika menjadi jalur utama atau distribusi sistem pemanas. Hal ini menyebabkan peningkatan biaya pemasangan jaringan dibandingkan dengan opsi ketika bahan lain digunakan.
Kesulitan juga muncul dengan tembaga: proses ini membutuhkan pembakar yang lebih kuat. Saat mengelas logam setebal 8–10 mm, diperlukan dua atau tiga obor. Sementara satu obor digunakan untuk mengelas, obor lainnya digunakan untuk memanaskan bagian tersebut. Pada umumnya pekerjaan pengelasan dengan tembaga memerlukan peningkatan biaya bahan habis pakai.
Perlu juga disebutkan perlunya menggunakan alat khusus. Jadi, untuk memotong dengan ketebalan hingga 15 cm, diperlukan alat pemotong yang mampu mengerjakan baja kromium tinggi setebal 30 cm, apalagi alat yang sama cukup untuk mengerjakan dengan ketebalan hanya 5 cm.
Logam memiliki banyak karakteristik yang menentukan kualitas kinerjanya dan kemampuannya untuk digunakan dalam pembuatan produk tertentu. Karakteristik penting dari semua bahan adalah konduktivitas termal. Indikator ini menentukan kemampuan suatu benda material untuk mentransfer energi panas. Tabel konduktivitas termal logam dapat ditemukan di berbagai buku referensi; ini mungkin bergantung pada berbagai fiturnya. Contohnya adalah mekanisme perpindahan energi panas sangat bergantung pada keadaan agregasi suatu zat.
Konduktivitas termal bergantung pada apa?
Ketika mempertimbangkan konduktivitas termal logam dan paduan (tabel dibuat tidak hanya untuk logam, tetapi juga untuk bahan lain), harus diingat bahwa indikator yang paling penting adalah koefisien konduktivitas termal. Hal ini tergantung pada poin-poin berikut:
Dalam tabel untuk beberapa logam dan paduan, koefisien konduktivitas termal sudah ditunjukkan dalam fase cair.
Hari ini hampir dipraktekkan jangan mengukur indikator yang dimaksud. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa koefisien konduktivitas termal praktis tidak berubah dengan sedikit perubahan dalam komposisi kimia. Data tabel digunakan dalam desain dan perhitungan lainnya.
Konsep koefisien konduktivitas termal
Untuk menunjukkan nilai yang dipertimbangkan, simbol λ digunakan - jumlah panas yang ditransfer per satuan waktu melalui satuan permukaan pada saat suhu naik. Nilai ini digunakan dalam berbagai perhitungan.
Sifat konduktivitas termal banyak logam dijelaskan menggunakan rumus k = 2,5·10−8σT. Rumus ini memperhitungkan:
- Suhu diukur dalam Kelvin.
- Indikator konduktivitas listrik.
Hubungan ini paling cocok untuk menentukan sifat-sifat konduktor pada saat pengoperasian selama pemanasan, namun belakangan ini juga telah digunakan untuk mengukur derajat konduktivitas energi panas.
Semikonduktor dan isolator memiliki konduktivitas termal yang lebih rendah karena karakteristiknya struktur kisi kristalnya.
Kapan hal ini diperhitungkan?
Saat mempertimbangkan berbagai sifat material, perhatian sering kali diberikan pada konduktivitas termal. Indikator ini penting dalam kasus berikut:
Sebagai kesimpulan, kami mencatat bahwa sebelum berkembangnya teori kinetik molekuler, perpindahan energi panas biasanya dianggap sebagai tanda aliran kalori hipotetis. Munculnya peralatan modern memungkinkan untuk mempelajari struktur material dan mempelajari perilaku partikel ketika terkena suhu tinggi. Transfer energi terjadi karena adanya pergerakan cepat molekul-molekul yang mulai bertumbukan dan menggerakkan molekul-molekul lain yang berada dalam keadaan tenang.
Konduktivitas termal adalah besaran fisika yang menentukan kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan panas. Dengan kata lain, konduktivitas termal adalah kemampuan suatu zat untuk mentransfer energi kinetik atom dan molekul ke zat lain yang bersentuhan langsung dengannya. Dalam SI, besaran ini diukur dalam W/(K*m) (Watt per Kelvin meter), yang setara dengan J/(s*m*K) (Joule per detik-Kelvin meter).
Konsep konduktivitas termal
Ini adalah besaran fisika intensif, yaitu besaran yang menggambarkan sifat suatu materi yang tidak bergantung pada jumlah materi tersebut. Besaran intensif juga merupakan suhu, tekanan, daya hantar listrik, yaitu sifat-sifat ini sama di setiap titik pada zat yang sama. Kelompok besaran fisis lainnya bersifat luas, yang ditentukan oleh jumlah suatu zat, misalnya massa, volume, energi dan lain-lain.
Besaran kebalikan dari konduktivitas termal adalah resistansi termal, yang mencerminkan kemampuan suatu material untuk mencegah perpindahan panas yang melewatinya. Untuk bahan isotropik, yaitu bahan yang sifat-sifatnya sama di semua arah spasial, konduktivitas termal adalah besaran skalar dan didefinisikan sebagai rasio fluks panas melalui suatu satuan luas per satuan waktu terhadap gradien suhu. Jadi, konduktivitas termal sebesar satu watt per meter Kelvin berarti satu Joule energi panas ditransfer melalui material:
- dalam satu detik;
- melintasi area seluas satu meter persegi;
- pada jarak satu meter;
- ketika perbedaan suhu pada permukaan-permukaan yang berjarak satu meter dalam suatu bahan sama dengan satu Kelvin.
Jelas bahwa semakin tinggi nilai konduktivitas termal, semakin baik bahan tersebut menghantarkan panas, dan sebaliknya. Misalnya, nilai tembaga ini adalah 380 W/(m*K), dan logam ini mentransfer panas 10.000 kali lebih baik daripada poliuretan, yang konduktivitas termalnya 0,035 W/(m*K).
Perpindahan panas pada tingkat molekuler
Ketika materi memanas, energi kinetik rata-rata partikel penyusunnya meningkat, yaitu tingkat ketidakteraturan meningkat, atom dan molekul mulai berosilasi lebih intens dan dengan amplitudo lebih besar di sekitar posisi kesetimbangannya dalam materi. Perpindahan panas, yang pada tingkat makroskopis dapat dijelaskan dengan hukum Fourier, pada tingkat molekuler adalah pertukaran energi kinetik antar partikel (atom dan molekul) suatu zat, tanpa perpindahan zat tersebut.
Penjelasan mekanisme konduksi termal pada tingkat molekuler ini membedakannya dengan mekanisme konveksi termal, di mana perpindahan panas terjadi karena perpindahan materi. Semua benda padat mempunyai kemampuan menghantarkan panas, sedangkan konveksi termal hanya mungkin terjadi pada zat cair dan gas. Memang, padatan mentransfer panas terutama karena konduktivitas termal, dan cairan dan gas, jika ada gradien suhu di dalamnya, mentransfer panas terutama karena proses konveksi.
Konduktivitas termal bahan
Logam memiliki kemampuan yang nyata untuk menghantarkan panas. Polimer dicirikan oleh konduktivitas termal yang rendah, dan beberapa di antaranya praktis tidak menghantarkan panas, misalnya fiberglass; bahan tersebut disebut isolator panas. Agar aliran panas ini atau itu melalui ruang ada, harus ada suatu zat di ruang tersebut, oleh karena itu di ruang terbuka (ruang kosong) konduktivitas termal adalah nol.
Setiap bahan homogen (homogen) dicirikan oleh koefisien konduktivitas termal (dilambangkan dengan huruf Yunani lambda), yaitu nilai yang menentukan berapa banyak panas yang perlu ditransfer melalui area seluas 1 m² sehingga dalam satu detik, melewati bahan setebal satu meter, suhu di ujungnya berubah sebesar 1 K. Sifat ini melekat pada setiap bahan dan bervariasi tergantung pada suhunya, oleh karena itu koefisien ini biasanya diukur pada suhu kamar (300 K ) untuk membandingkan karakteristik zat yang berbeda.
Jika bahannya heterogen, misalnya beton bertulang, maka konsep koefisien konduktivitas termal yang berguna diperkenalkan, yang diukur berdasarkan koefisien zat homogen yang menyusun bahan tersebut.
Tabel di bawah menunjukkan koefisien konduktivitas termal beberapa logam dan paduan dalam W/(m*K) untuk suhu 300 K (27 °C):
- baja 47-58;
- aluminium 237;
- tembaga 372.1-385.2;
- perunggu 116-186;
- seng 106-140;
- titanium 21,9;
- timah 64.0;
- memimpin 35,0;
- besi 80,2;
- kuningan 81-116;
- emas 308,2;
- perak 406.1-418.7.
Tabel berikut menyajikan data padatan bukan logam:
- fiberglass 0,03-0,07;
- gelas 0,6-1,0;
- asbes 0,04;
- pohon 0,13;
- parafin 0,21;
- bata 0,80;
- berlian 2300.
Dari data yang dipertimbangkan jelas bahwa konduktivitas termal logam jauh lebih tinggi dibandingkan nonlogam. Pengecualian adalah berlian, yang memiliki koefisien perpindahan panas lima kali lebih besar dari tembaga. Sifat berlian ini disebabkan oleh ikatan kovalen yang kuat antara atom karbon yang membentuk kisi kristalnya. Berkat khasiat inilah seseorang merasa kedinginan saat menyentuh berlian dengan bibirnya. Properti berlian untuk mentransfer energi panas dengan baik digunakan dalam mikroelektronika untuk menghilangkan panas dari sirkuit mikro. Properti ini juga digunakan dalam perangkat khusus yang memungkinkan seseorang membedakan berlian asli dari yang palsu.
Beberapa proses industri mencoba meningkatkan kemampuan perpindahan panas, yang dicapai melalui konduktor yang baik atau dengan meningkatkan area kontak antar komponen struktur. Contoh struktur tersebut adalah penukar panas dan pembuangan panas. Dalam kasus lain, sebaliknya, mereka mencoba mengurangi konduktivitas termal, yang dicapai melalui penggunaan isolator panas, rongga dalam struktur dan mengurangi area kontak elemen.
Koefisien perpindahan panas baja
Kemampuan perpindahan panas baja bergantung pada dua faktor utama: komposisi dan suhu.
Baja karbon sederhana, dengan meningkatnya kandungan karbon, mengurangi berat jenisnya, sehingga kemampuan mereka untuk mentransfer panas juga menurun dari 54 menjadi 36 W/(m*K) ketika persentase karbon dalam baja berubah dari 0,5 menjadi 1,5%.
Baja tahan karat mengandung kromium (10% atau lebih), yang bersama dengan karbon membentuk karbida kompleks yang mencegah oksidasi material, dan juga meningkatkan potensial elektroda logam. Konduktivitas termal baja tahan karat rendah dibandingkan baja lainnya dan berkisar antara 15 hingga 30 W/(m*K) tergantung pada komposisinya. Baja kromium-nikel tahan panas memiliki nilai koefisien yang lebih rendah lagi (11-19 W/(m*K).
Golongan lainnya adalah baja galvanis dengan berat jenis 7.850 kg/m3 yang diperoleh dengan mengaplikasikan pelapis pada baja yang terdiri dari besi dan seng. Karena seng lebih mudah menghantarkan panas dibandingkan besi, maka konduktivitas termal baja galvanis akan relatif tinggi dibandingkan dengan kelas baja lainnya. Kisarannya antara 47 hingga 58 W/(m*K).
Konduktivitas termal baja pada suhu yang berbeda, biasanya, tidak banyak berubah. Misalnya, koefisien konduktivitas termal baja 20 dengan peningkatan suhu dari suhu kamar hingga 1200 °C menurun dari 86 menjadi 30 W/(m*K), dan untuk baja kelas 08Х13, peningkatan suhu dari 100 menjadi 900 ° C tidak mengubah koefisien konduktivitas termalnya (27-28 W/(m*K).
Faktor-faktor yang mempengaruhi kuantitas fisik
Kemampuan menghantarkan panas bergantung pada sejumlah faktor, termasuk suhu, struktur, dan sifat listrik zat tersebut.
Suhu bahan
Pengaruh suhu terhadap kemampuan menghantarkan panas berbeda untuk logam dan nonlogam. Dalam logam, konduktivitas terutama disebabkan oleh elektron bebas. Menurut hukum Wiedemann-Franz, konduktivitas termal suatu logam sebanding dengan produk suhu absolut, yang dinyatakan dalam Kelvin, dan konduktivitas listriknya. Pada logam murni, konduktivitas listrik menurun seiring dengan meningkatnya suhu, sehingga konduktivitas termal kira-kira tetap konstan. Dalam kasus paduan, konduktivitas listrik sedikit berubah dengan meningkatnya suhu, sehingga konduktivitas termal paduan meningkat sebanding dengan suhu.
Di sisi lain, perpindahan panas pada nonlogam terutama terkait dengan getaran kisi dan pertukaran fonon kisi. Dengan pengecualian kristal berkualitas tinggi dan suhu rendah, jalur fonon dalam kisi tidak berkurang secara signifikan pada suhu tinggi, dan oleh karena itu konduktivitas termal tetap konstan di seluruh rentang suhu, yaitu tidak signifikan. Pada suhu di bawah suhu Debye, kemampuan nonlogam untuk menghantarkan panas, seiring dengan kapasitas panasnya, menurun secara signifikan.
Transisi fase dan struktur
Ketika suatu bahan mengalami transisi fasa orde pertama, misalnya dari padat ke cair atau dari cair ke gas, konduktivitas termalnya dapat berubah. Contoh mencolok dari perubahan tersebut adalah perbedaan antara kuantitas fisik es (2,18 W/(m*K) dan air (0,90 W/(m*K).
Perubahan struktur kristal bahan juga mempengaruhi konduktivitas termal, yang dijelaskan oleh sifat anisotropik dari berbagai modifikasi alotropik suatu zat dengan komposisi yang sama. Anisotropi mempengaruhi intensitas hamburan fonon kisi yang berbeda, pembawa panas utama dalam nonlogam, dan dalam arah yang berbeda dalam kristal. Contoh mencolok di sini adalah safir, yang konduktivitasnya bervariasi dari 32 hingga 35 W/(m*K) tergantung arahnya.
Konduktivitas listrik
Konduktivitas termal pada logam berubah seiring dengan konduktivitas listrik menurut hukum Wiedemann-Franz. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa elektron valensi, yang bergerak bebas di seluruh kisi kristal logam, tidak hanya mentransfer energi listrik, tetapi juga energi panas. Untuk bahan lain, korelasi antara jenis konduktivitas ini tidak terlihat karena kontribusi komponen elektronik yang tidak signifikan terhadap konduktivitas termal (dalam nonlogam, fonon kisi memainkan peran utama dalam mekanisme perpindahan panas).
Proses konveksi
Udara dan gas lainnya biasanya merupakan isolator panas yang baik jika tidak ada konveksi. Prinsip ini mendasari pengoperasian banyak bahan insulasi panas yang mengandung banyak rongga dan pori-pori kecil. Struktur ini tidak memungkinkan konveksi menyebar dalam jarak jauh. Contoh bahan buatan tersebut adalah polistiren dan aerogel silisida. Di alam, isolator panas seperti kulit binatang dan bulu burung bekerja dengan prinsip yang sama.
Gas ringan seperti hidrogen dan gel memiliki konduktivitas termal yang tinggi, sedangkan gas berat seperti argon, xenon, dan radon merupakan konduktor panas yang buruk. Misalnya, argon, gas inert yang lebih berat daripada udara, sering digunakan sebagai pengisi gas isolasi pada jendela kaca ganda dan bola lampu. Pengecualiannya adalah sulfur heksafluorida (SF6), yang merupakan gas berat dan memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi karena kapasitas panasnya yang tinggi.
– bahan struktural pertama yang paling penting dan tersebar luas. Telah dikenal sejak zaman kuno, dan sifat-sifatnya sedemikian rupa sehingga ketika mereka belajar melebur besi dalam jumlah yang banyak, logam tersebut menggantikan semua paduan lainnya. Zaman besi telah tiba dan, dilihat dari masanya, masa ini tidak akan segera berakhir. Artikel ini akan memberi tahu Anda berapa massa jenis besi dan berapa titik lelehnya dalam bentuk murni.
Besi adalah logam yang khas, dan aktif secara kimia. Zat bereaksi pada suhu normal, dan pemanasan atau peningkatan kelembapan secara signifikan meningkatkan reaktivitasnya. Besi terkorosi di udara, terbakar di atmosfer dengan oksigen murni, dan dalam bentuk debu halus dapat terbakar di udara.
Besi murni pada dasarnya mudah ditempa, tetapi logam ini sangat jarang ditemukan dalam bentuk ini. Faktanya, besi berarti paduan dengan proporsi pengotor yang kecil - hingga 0,8%, yang ditandai dengan kelembutan dan kelenturan zat murni. Paduan dengan baja karbon, besi tuang, baja tahan karat - penting bagi perekonomian nasional.
Besi bercirikan polimorfisme: terdapat sebanyak 4 modifikasi, berbeda dalam parameter struktur dan kisi:
- α-Fe – ada dari nol hingga +769 C. Ia memiliki kisi kubik yang berpusat pada benda dan bersifat feromagnetik, yaitu mempertahankan magnetisasi tanpa adanya medan magnet eksternal. +769 C – Titik Curie untuk logam;
- dari +769 hingga +917 C β-Fe muncul. Ini berbeda dari fase α hanya pada parameter kisi. Hampir semua sifat fisik dipertahankan kecuali sifat magnetis: besi menjadi paramagnetik, yaitu kehilangan kemampuannya untuk menjadi magnet dan ditarik ke dalam medan magnet. Metalurgi tidak menganggap fase β sebagai modifikasi terpisah. Karena peralihan tidak mempengaruhi ciri fisik secara signifikan;
- dalam kisaran 917 hingga 1394 C terdapat modifikasi γ, yang dicirikan oleh kisi kubik berpusat muka;
- pada suhu di atas +1394 C, fase δ muncul, yang ditandai dengan kisi kubik yang berpusat pada benda.
Pada tekanan tinggi, serta ketika logam diolah dengan aditif tertentu, fase ε dengan kisi padat heksagonal terbentuk.
Suhu transisi fasa berubah secara nyata bila diolah dengan karbon yang sama. Sebenarnya kemampuan besi untuk membentuk begitu banyak modifikasi menjadi dasar pengolahan baja dalam kondisi temperatur yang berbeda. Tanpa transisi seperti itu, logam tidak akan tersebar luas.
Sekarang saatnya membahas sifat-sifat logam besi.
Video ini menceritakan tentang struktur besi:
Sifat dan karakteristik logam
Besi adalah logam yang cukup ringan, cukup tahan api, berwarna abu-abu keperakan. Mudah bereaksi dengan asam encer dan oleh karena itu dianggap sebagai elemen dengan aktivitas sedang. Di udara kering, logam secara bertahap ditutupi dengan lapisan oksida, yang mencegah reaksi lebih lanjut.
Tetapi pada kelembapan sekecil apa pun, karat muncul alih-alih film - komposisinya longgar dan heterogen. Karat tidak mencegah korosi lebih lanjut pada besi. Namun, sifat fisik logam, dan yang paling penting, paduannya dengan karbon, sedemikian rupa sehingga, meskipun ketahanan terhadap korosi rendah, penggunaan besi lebih dari cukup.
Massa dan kepadatan
Berat molekul besi adalah 55,8, yang menunjukkan relatif ringannya zat tersebut. Berapa massa jenis besi? Indikator ini ditentukan oleh modifikasi fasa:
- α-Fe – 7,87 g/kubik. cm pada 20 C, dan 7,67 g/cc. cm pada 600 C;
- Fase γ memiliki kepadatan yang lebih rendah lagi - 7,59 g/cc pada 1000C;
- Massa jenis fase δ adalah 7,409 g/cc.
Dengan meningkatnya suhu, kepadatan besi menurun secara alami.
Sekarang mari kita cari tahu berapa titik leleh besi dalam Celcius, bandingkan misalnya dengan besi tuang.
Kisaran Suhu
Logam ini cukup tahan api, yang berarti suhu perubahan keadaan agregasinya relatif rendah:
- titik leleh – 1539 C;
- titik didih – 2862 C;
- Suhu Curie, yaitu hilangnya kemampuan magnetisasi, adalah 719 C.
Perlu diingat bahwa ketika berbicara tentang titik leleh atau titik didih, yang dimaksud adalah fase δ zat.
Video ini akan bercerita tentang sifat fisik dan kimia besi:
Karakteristik mekanis
Besi dan paduannya tersebar luas sehingga, meskipun mulai digunakan lebih lambat dari, misalnya, dan, mereka telah menjadi standar asli. Saat membandingkan logam, mereka menunjuk pada besi: lebih kuat dari baja, 2 kali lebih lunak dari besi, dan seterusnya.
Ciri-ciri yang diberikan untuk logam yang mengandung sedikit pengotor:
- kekerasan pada skala Mohs – 4–5;
- Kekerasan Brinell – 350–450 MN/sq. m. Selain itu, besi murni secara kimia memiliki kekerasan yang lebih tinggi – 588–686;
Indikator kekuatan sangat bergantung pada jumlah dan sifat pengotor. Nilai ini diatur oleh Gost untuk setiap kelas paduan atau logam murni. Jadi, kuat tekan baja murni adalah 400–550 MPa. Ketika tingkat pengerasan ini meningkat, kekuatan tariknya meningkat menjadi 700 MPa.
- kekuatan benturan logam adalah 300 MN/sq m;
- kekuatan luluh –100 MN/sq. M.
Kita akan mempelajari lebih lanjut tentang apa saja yang diperlukan untuk menentukan kapasitas panas spesifik besi.
Kapasitas panas dan konduktivitas termal
Seperti logam lainnya, besi menghantarkan panas, meskipun kinerjanya di bidang ini rendah: dalam hal konduktivitas termal, logam ini lebih rendah daripada aluminium - 2 kali lebih sedikit, dan 5 kali lebih sedikit.
Konduktivitas termal pada 25 C adalah 74,04 W/(m K). Nilainya bergantung pada suhu;
- pada 100 k konduktivitas termalnya adalah 132 [W/(m.K)];
- pada 300 K – 80,3 [W/(m.K)];
- pada 400 – 69,4 [W/(m.K)];
- dan pada 1500 – 31,8 [W/(m.K)].
- Koefisien muai panas pada 20 C adalah 11,7·10-6.
- Kapasitas panas suatu logam ditentukan oleh struktur fasanya dan sangat bergantung pada suhu. Dengan peningkatan hingga 250 C, kapasitas panas perlahan meningkat, kemudian meningkat tajam hingga tercapai titik Curie, dan kemudian mulai menurun.
- Kapasitas kalor jenis pada rentang suhu 0 sampai 1000C adalah 640,57 J/(kg K).
Konduktivitas listrik
Besi menghantarkan arus, tetapi tidak sebaik tembaga dan perak. Resistivitas listrik logam dalam kondisi normal adalah 9,7·10-8 ohm·m.
Karena besi adalah feromagnet, kinerjanya di bidang ini lebih signifikan:
- induksi magnet saturasi sebesar 2,18 Tesla;
- permeabilitas magnetik – 1.45.106.
Toksisitas
Logam tersebut tidak menimbulkan bahaya bagi tubuh manusia. baja dan pembuatan produk besi bisa berbahaya, tetapi hanya karena suhu tinggi dan bahan tambahan yang digunakan dalam produksi berbagai paduan. Limbah besi - besi tua - menimbulkan bahaya bagi lingkungan, tetapi cukup moderat, karena logam berkarat di udara.
Besi tidak bersifat inert secara biologis, oleh karena itu tidak digunakan sebagai bahan prostetik. Namun, dalam tubuh manusia, elemen ini memainkan salah satu peran paling penting: pelanggaran penyerapan zat besi atau jumlah zat besi yang tidak mencukupi dalam makanan paling baik menjamin anemia.
Zat besi diserap dengan susah payah - 5–10% dari jumlah total yang disuplai ke tubuh, atau 10–20% jika terjadi kekurangan.
- Kebutuhan zat besi harian yang biasa adalah 10 mg untuk pria dan 20 mg untuk wanita.
- Dosis toksik – 200 mg/hari.
- Mematikan – 7–35 g Hampir tidak mungkin mendapatkan zat besi sebanyak itu, sehingga keracunan zat besi sangat jarang terjadi.
Besi adalah logam yang karakteristik fisiknya, terutama kekuatannya, dapat diubah secara signifikan melalui pemrosesan mekanis atau penambahan unsur paduan dalam jumlah yang sangat kecil. Fitur ini, dikombinasikan dengan ketersediaan dan kemudahan ekstraksi logam, menjadikan besi sebagai bahan struktural paling populer.
Seorang spesialis akan memberi tahu Anda lebih banyak tentang sifat-sifat besi dalam video di bawah ini:
Tabel menunjukkan massa jenis besi D, serta nilai kapasitas panas spesifiknya C hal, difusivitas termal A, koefisien konduktivitas termal λ , resistivitas listrik ρ , fungsi Lorentz II 0 pada suhu berbeda - dalam kisaran 100 hingga 2000 K.
Sifat-sifat besi sangat bergantung pada suhu: ketika logam ini dipanaskan, kepadatannya, konduktivitas termal dan difusivitas termal menurun, dan nilai kapasitas panas spesifik besi meningkat.
Massa jenis besi adalah 7870 kg/m3 pada suhu kamar. Ketika besi dipanaskan, massa jenisnya berkurang. Karena besi merupakan unsur utama dalam baja, maka massa jenis besi juga menentukan nilainya. Ketergantungan massa jenis besi pada suhu lemah - ketika dipanaskan, massa jenis logam berkurang dan mengambil nilai minimum 7040 kg/m 3 pada titik leleh 1810 K atau 1537 °C.
Kapasitas kalor jenis besi menurut tabel adalah 450 J/(kg derajat) pada suhu 27°C. Tergantung pada strukturnya, kapasitas panas spesifik besi padat berubah secara berbeda seiring dengan peningkatan suhu. Nilai-nilai dalam tabel menunjukkan karakteristik maksimum kapasitas panas besi di dekat T c dan melonjak selama transisi struktural dan selama peleburan.
Dalam keadaan cair, sifat-sifat besi mengalami perubahan. Dengan demikian, massa jenis besi cair berkurang menjadi 7040 kg/m 3. Kapasitas kalor jenis besi dalam keadaan cair adalah 835 J/(kg derajat), dan konduktivitas termal besi menurun hingga 39 W/(m derajat). Dalam hal ini, resistivitas listrik logam ini meningkat dan pada 2000 K bernilai 138·10 -8 Ohm·m.
Konduktivitas termal besi pada suhu kamar adalah 80 W/(m derajat). Dengan meningkatnya suhu, konduktivitas termal besi menurun - ia memiliki koefisien suhu negatif pada kisaran suhu 100-1042 K, dan kemudian mulai sedikit meningkat. Nilai minimum konduktivitas termal besi adalah 25,4 W/(m derajat) di dekat titik Curie. Selama transisi β-γ, sedikit perubahan konduktivitas termal diamati, yang juga terjadi selama transisi γ-δ.
Konduktivitas termal besi turun tajam seiring dengan meningkatnya jumlah pengotor, khususnya dan . Besi elektrolitik yang sangat murni memiliki konduktivitas termal tertinggi - konduktivitas termalnya pada 27°C adalah 95 W/(m derajat).
Ketergantungan koefisien konduktivitas termal besi pada suhu juga ditentukan oleh derajat kemurnian logam tersebut. Semakin murni besi, semakin tinggi konduktivitas termalnya dan semakin besar nilai absolutnya menurun seiring dengan meningkatnya suhu.
