– 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 ini, 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 bahan 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 terpenting, 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 bersifat feromagnetik, kinerjanya dalam 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 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:
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 ekstensif, yang ditentukan oleh jumlah suatu zat, misalnya massa, volume, energi dan lain-lain.
Nilai kebalikan dari konduktivitas termal adalah ketahanan 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 dipindahkan 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 baja untuk mentransfer panas 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 material 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.
Di antara sejumlah besar parameter yang mengkarakterisasi logam, ada konsep seperti konduktivitas termal. Pentingnya hal ini sulit untuk ditaksir terlalu tinggi. Parameter ini digunakan saat menghitung suku cadang dan rakitan. Misalnya saja transmisi gigi. Secara umum, seluruh cabang ilmu pengetahuan yang disebut termodinamika berkaitan dengan konduktivitas termal.
Apa itu konduktivitas termal dan ketahanan termal
Konduktivitas termal logam dapat dicirikan sebagai berikut - ini adalah kemampuan bahan (gas, cairan, dll.) untuk mentransfer energi panas berlebih dari area tubuh yang panas ke area tubuh yang dingin. Transfer dilakukan oleh partikel elementer yang bergerak bebas, termasuk atom, elektron, dll.
Proses pertukaran panas itu sendiri terjadi di setiap benda, tetapi metode perpindahan energi sangat bergantung pada keadaan agregasi benda tersebut.
Selain itu, konduktivitas termal dapat diberikan definisi lain - ini adalah parameter kuantitatif kemampuan suatu benda untuk menghantarkan energi panas. Jika kita membandingkan jaringan termal dan listrik, konsep ini mirip dengan konduktivitas listrik.
Kemampuan suatu benda fisik untuk mencegah perambatan getaran termal molekul disebut ketahanan termal. Ngomong-ngomong, ada yang salah, mengacaukan konsep ini dengan konduktivitas termal.
Konsep koefisien konduktivitas termal
Koefisien konduktivitas termal adalah nilai yang sama dengan jumlah panas yang dipindahkan melalui suatu satuan permukaan dalam satu detik.
Konduktivitas termal logam ditetapkan pada tahun 1863. Saat itulah terbukti bahwa elektron bebas, yang banyak terdapat dalam logam, bertanggung jawab atas perpindahan panas. Inilah sebabnya mengapa koefisien konduktivitas termal logam jauh lebih tinggi dibandingkan bahan dielektrik.
Konduktivitas termal bergantung pada apa?
Konduktivitas termal adalah besaran fisika dan sangat bergantung pada parameter suhu, tekanan, dan jenis zat. Sebagian besar koefisien ditentukan secara empiris. Banyak metode telah dikembangkan untuk ini. Hasilnya dikompilasi menjadi tabel referensi, yang kemudian digunakan dalam berbagai perhitungan ilmiah dan teknik.
Benda-benda mempunyai suhu yang berbeda-beda dan selama pertukaran panas (suhu) akan terdistribusi secara tidak merata. Dengan kata lain, Anda perlu mengetahui bagaimana koefisien konduktivitas termal bergantung pada suhu.
Banyak percobaan menunjukkan bahwa untuk banyak bahan, hubungan antara koefisien dan konduktivitas termal itu sendiri adalah linier.
Konduktivitas termal logam ditentukan oleh bentuk kisi kristalnya.
Dalam banyak hal, koefisien konduktivitas termal bergantung pada struktur material, ukuran pori-pori, dan kelembapannya.
Kapan koefisien konduktivitas termal diperhitungkan?
Parameter konduktivitas termal harus diperhitungkan ketika memilih bahan untuk struktur penutup - dinding, langit-langit, dll. Di ruangan yang dindingnya terbuat dari bahan dengan konduktivitas termal tinggi, cuaca akan cukup sejuk di musim dingin. Mendekorasi ruangan juga tidak akan membantu. Untuk menghindari hal tersebut, dinding harus dibuat cukup tebal. Hal ini tentu akan menyebabkan peningkatan biaya bahan dan tenaga kerja.
Itulah sebabnya konstruksi dinding memerlukan penggunaan bahan dengan konduktivitas termal rendah (wol mineral, busa polistiren, dll.).
Indikator untuk baja
- Dalam bahan referensi tentang konduktivitas termal berbagai bahan, tempat khusus ditempati oleh data yang disajikan pada baja dengan kualitas berbeda.
Dengan demikian, bahan referensi berisi data eksperimen dan perhitungan untuk jenis baja paduan berikut:
tahan terhadap korosi dan suhu tinggi; - dimaksudkan untuk produksi pegas dan alat pemotong;
- jenuh dengan aditif paduan.
Tabel tersebut merangkum indikator yang dikumpulkan untuk baja dalam kisaran suhu dari -263 hingga 1200 derajat.
Indikator rata-rata adalah untuk:
- baja karbon 50 – 90 W/(m×deg);
- paduan tahan korosi, tahan panas dan panas yang diklasifikasikan sebagai martensit - dari 30 hingga 45 W/(m×deg);
- paduan yang diklasifikasikan sebagai austenitik dari 12 hingga 22 W/(m×deg).
Bahan referensi ini berisi informasi tentang sifat-sifat besi cor.
Koefisien konduktivitas termal paduan aluminium, tembaga dan nikel
Saat melakukan perhitungan terkait logam dan paduan non-ferrous, desainer menggunakan bahan referensi yang terdapat di tabel khusus.
Mereka menyajikan materi tentang konduktivitas termal logam dan paduan non-ferrous; selain data ini, informasi diberikan tentang komposisi kimia paduan. Penelitian dilakukan pada suhu dari 0 hingga 600 °C.
Berdasarkan informasi yang dikumpulkan dalam bahan tabel ini, jelas bahwa logam non-ferrous dengan konduktivitas termal yang tinggi termasuk paduan berbahan dasar magnesium dan nikel. Logam dengan konduktivitas termal rendah antara lain nichrome, invar dan beberapa lainnya.
Kebanyakan logam memiliki konduktivitas termal yang baik, ada yang lebih banyak, ada yang lebih sedikit. Logam dengan konduktivitas termal yang baik antara lain emas, tembaga dan beberapa lainnya. Bahan dengan konduktivitas termal rendah termasuk timah, aluminium, dll.
Konduktivitas termal yang tinggi dapat menjadi keuntungan dan kerugian. Itu semua tergantung pada ruang lingkup penerapannya. Misalnya, konduktivitas termal yang tinggi baik untuk peralatan dapur. Bahan dengan konduktivitas termal rendah digunakan untuk membuat sambungan permanen bagian logam. Ada seluruh keluarga paduan berbahan dasar timah.
Kerugian dari konduktivitas termal yang tinggi dari tembaga dan paduannya
Tembaga memiliki nilai yang jauh lebih tinggi dibandingkan aluminium atau kuningan. Namun bahan ini memiliki sejumlah kekurangan yang terkait dengan aspek positifnya.
Konduktivitas termal yang tinggi dari logam ini memaksa terciptanya kondisi khusus untuk pemrosesannya. Artinya, billet tembaga harus dipanaskan lebih akurat dibandingkan billet baja. Selain itu, sering kali dilakukan pemanasan awal atau tambahan sebelum memulai perawatan.
Kita tidak boleh lupa bahwa pipa yang terbuat dari tembaga menyiratkan bahwa isolasi termal yang hati-hati akan dilakukan. Hal ini terutama berlaku dalam kasus di mana sistem pasokan pemanas dirakit dari pipa-pipa ini. Hal ini secara signifikan meningkatkan biaya pekerjaan instalasi.
Kesulitan tertentu muncul saat menggunakan pengelasan gas. Untuk menyelesaikan pekerjaan, diperlukan alat yang lebih canggih. Terkadang, untuk mengolah tembaga dengan ketebalan 8 - 10 mm, mungkin perlu menggunakan dua atau bahkan tiga obor. Dalam hal ini, salah satu dari mereka mengelas pipa tembaga, dan sisanya sibuk memanaskannya. Selain itu, pengerjaan dengan tembaga membutuhkan lebih banyak bahan habis pakai.
Bekerja dengan tembaga memerlukan penggunaan alat khusus. Misalnya, saat memotong bagian yang terbuat dari perunggu atau kuningan dengan ketebalan 150 mm, Anda memerlukan pemotong yang dapat mengerjakan baja dengan jumlah krom yang banyak. Jika digunakan untuk mengolah tembaga, maka ketebalan maksimum tidak akan melebihi 50 mm.
Mungkinkah meningkatkan konduktivitas termal tembaga?
Belum lama ini, sekelompok ilmuwan Barat melakukan serangkaian penelitian untuk meningkatkan konduktivitas termal tembaga dan paduannya. Untuk pekerjaan mereka, mereka menggunakan film yang terbuat dari tembaga dengan lapisan tipis graphene yang diendapkan pada permukaannya. Untuk penerapannya digunakan teknologi pengendapan gas. Selama penelitian, banyak instrumen yang digunakan yang dirancang untuk memastikan objektivitas hasil yang diperoleh.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa graphene memiliki salah satu konduktivitas termal tertinggi. Setelah diaplikasikan pada substrat tembaga, konduktivitas termal sedikit menurun. Namun, selama proses ini, tembaga memanas dan butiran di dalamnya bertambah, akibatnya permeabilitas elektron meningkat.
Ketika tembaga dipanaskan, tetapi tanpa menggunakan bahan ini, butirannya tetap berukuran.
Salah satu kegunaan tembaga adalah menghilangkan panas berlebih dari rangkaian elektronik dan listrik. Penggunaan deposisi graphene akan memecahkan masalah ini dengan lebih efektif.
Pengaruh konsentrasi karbon
Baja dengan kandungan karbon rendah memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Itulah sebabnya bahan-bahan kelas ini digunakan untuk pembuatan pipa dan perlengkapannya. Konduktivitas termal baja jenis ini berada pada kisaran 47-54 W/(m×K).
Pentingnya dalam kehidupan sehari-hari dan produksi
Penerapan konduktivitas termal dalam konstruksi
Setiap bahan memiliki indeks konduktivitas termalnya sendiri. Semakin rendah nilainya, semakin rendah pula tingkat pertukaran panas antara lingkungan eksternal dan internal. Artinya, bangunan yang terbuat dari bahan dengan konduktivitas termal rendah akan menjadi hangat di musim dingin dan sejuk di musim panas.
Ketika membangun berbagai bangunan, termasuk bangunan tempat tinggal, tidak mungkin dilakukan tanpa pengetahuan tentang konduktivitas termal bahan bangunan. Saat merancang struktur bangunan, perlu memperhitungkan data tentang sifat-sifat material seperti beton, kaca, wol mineral dan banyak lainnya. Diantaranya, konduktivitas termal maksimum dimiliki oleh beton, sedangkan pada kayu 6 kali lebih kecil.
Sistem pemanas
Tugas utama dari setiap sistem pemanas adalah transfer energi panas dari cairan pendingin ke dalam ruangan. Untuk pemanasan seperti itu, baterai atau radiator digunakan. Mereka diperlukan untuk mentransfer energi panas ke dalam ruangan.
- Radiator pemanas adalah struktur di dalamnya yang menggerakkan cairan pendingin. Ciri-ciri utama produk ini antara lain:
bahan dari mana itu dibuat; - jenis konstruksi;
- dimensi, termasuk jumlah bagian;
- indikator perpindahan panas.
Perpindahan panas adalah parameter kuncinya. Intinya adalah menentukan jumlah energi yang ditransfer dari radiator ke ruangan. Semakin tinggi indikator ini, semakin rendah kehilangan panasnya.
Terdapat tabel referensi yang menentukan bahan yang optimal untuk digunakan dalam sistem pemanas. Dari data yang dikandungnya, terlihat jelas bahwa tembaga dianggap sebagai bahan yang paling efektif. Namun, karena harganya yang mahal dan kesulitan teknologi tertentu terkait pengolahan tembaga, penerapannya tidak begitu tinggi.
Itulah sebabnya model yang terbuat dari baja atau paduan aluminium semakin banyak digunakan. Kombinasi bahan yang berbeda, seperti baja dan aluminium, sering digunakan.
Setiap produsen radiator, ketika menandai produk jadi, harus menunjukkan karakteristik seperti daya keluaran panas.
Di pasar sistem pemanas, Anda dapat membeli radiator yang terbuat dari besi cor, baja, aluminium, dan bimetal.
Metode untuk mempelajari parameter konduktivitas termal
Saat mempelajari parameter konduktivitas termal, harus diingat bahwa karakteristik logam tertentu atau paduannya bergantung pada metode produksinya. Misalnya, parameter logam yang dihasilkan melalui pengecoran mungkin berbeda secara signifikan dari karakteristik bahan yang diproduksi menggunakan metode metalurgi serbuk. Sifat-sifat logam mentah pada dasarnya berbeda dengan logam yang telah mengalami perlakuan panas.
Ketidakstabilan termal, yaitu transformasi sifat individu logam setelah terkena suhu tinggi, umum terjadi pada hampir semua bahan. Sebagai contoh, logam setelah paparan suhu yang berbeda dalam waktu lama mampu mencapai tingkat rekristalisasi yang berbeda, dan ini tercermin dalam parameter konduktivitas termal.
Kita dapat mengatakan hal berikut: ketika melakukan studi parameter konduktivitas termal, perlu menggunakan sampel logam dan paduannya dalam keadaan teknologi standar dan spesifik, misalnya, setelah perlakuan panas.
Misalnya, ada persyaratan bagi penggilingan logam untuk melakukan penelitian menggunakan metode analisis termal. Memang benar, persyaratan seperti itu ada dalam sejumlah penelitian. Ada juga persyaratan seperti produksi pelat khusus dan banyak lainnya.
Stabilitas logam non-termal menimbulkan sejumlah keterbatasan dalam penggunaan metode penelitian termofisika. Faktanya, metode penelitian ini memerlukan pemanasan sampel setidaknya dua kali, dalam kisaran suhu tertentu.
Salah satu metodenya disebut relaksasi-dinamis. Ini dirancang untuk melakukan pengukuran massa kapasitas panas logam. Dalam metode ini, kurva transisi suhu sampel antara dua keadaan stasionernya dicatat. Proses ini merupakan konsekuensi dari lonjakan daya termal yang dimasukkan ke dalam sampel uji.
Cara ini bisa disebut relatif. Ini menggunakan sampel uji dan perbandingan. Hal utama adalah sampel memiliki permukaan pancaran yang sama. Saat melakukan penelitian, suhu yang mempengaruhi sampel harus berubah secara bertahap, dan setelah mencapai parameter yang ditentukan, perlu dipertahankan dalam jangka waktu tertentu. Arah perubahan suhu dan langkahnya harus dipilih sedemikian rupa sehingga sampel yang akan diuji dipanaskan secara merata.
Pada saat-saat ini, aliran panas akan sama dan rasio perpindahan panas akan ditentukan sebagai perbedaan laju fluktuasi suhu.
Kadang-kadang selama penelitian ini, sumber pemanasan tidak langsung dari tes dan sampel pembanding.
Beban termal tambahan dapat terjadi pada salah satu sampel dibandingkan dengan sampel kedua.
Metode pengukuran konduktivitas termal manakah yang terbaik untuk material Anda?
Ada metode untuk mengukur konduktivitas termal seperti LFA, GHP, HFM dan TCT. Mereka berbeda satu sama lain dalam ukuran dan parameter geometris sampel yang digunakan untuk menguji konduktivitas termal logam.
Singkatan ini dapat diuraikan sebagai:
- GHP (metode zona penjaga panas);
- HFM (metode aliran panas);
- TCT (metode kawat panas).
Metode di atas digunakan untuk menentukan koefisien berbagai logam dan paduannya. Pada saat yang sama, dengan menggunakan metode ini, mereka mempelajari bahan lain, misalnya keramik mineral atau bahan tahan api.
Sampel logam yang dilakukan penelitian memiliki dimensi keseluruhan 12,7 × 12,7 × 2.
