7.Тепловые свойства металлов. Электрическое сопротивление жидких металлов.

Способность металлов пропускать электрический характеризуется удельной электропроводностью. Однако удобнее пользоваться обратной характеристикой - удельным электрическим сопротивлением, которое принято обозначать греческой буквой р. Единицей удельного электросопротивления системе СИ является 1 Ом*м. В физике обычно пользуется единицей 1 мкОм*см, а в технике - 1 Ом мм²/м. трудно показать соотношение 1 мкОмсм = 1 10^-8 Омм, 1Ом*мм²/м = 1•10^-6 Ом*м = 1*10² мкОм см. Известно, что электросопротивление твердых металлов возрастает с ростом температуры . К моменту достижения температуры плавления электросопротивление большинства металлов увеличивается в 2-10 раз по сравнению со значениями при комнатной температуре. Увеличение элек­тросопротивления отражает те затруднения, которые испы­тывают электроны при движении в кристаллической решетке из-за возрастающей амплитуды тепловых колебаний, атомов, находящихся в узлах решетки. Плавление металла, связанное с разрушением кристаллической решетки, сопровождается существенным увеличением электросопротивления металлов, примерно в 1,2-2,2 раза. Металлы, у которых между атомами в решетке действуют ковалентные связи, при плавлении показывают снижение электросопротивления. Это снижение сравнительно невелико у сурьмы и висмута - в 1,5-3,5 раза, так как у них в решетке довольно сильно выражена металли­ческая связь. У германия и кремния, решетка которых цели­ком удерживается ковалентными силами, это снижение очень значительно - в 15-30 раз. Падение электросопротивления у этих элементов объясняется появлением свободных электро­нов, способных создавать электрический ток. Повышение температуры вызывает у всех жидких металлов возрастание электросопротивления.

Электросопротивление жидких сплавов зависит от их состава. Имеются случаи, когда сопротивление жидких сплавов изменяется в пределах, определяемых значениями этого свойства у чистых компонентов. Часто, особенно если в твердом состоянии в сплавах образуются промежуточные фазы, на изотермах электросопротивления отмечаются экс­тремумы. Для технических расчетов электросопротивление жидких сплавов при небольшом содержании легирующих компонентов можно принимать равным электросопротивлению основы сплава.

Теплота плавления q. Если сравнивать теплоты плавления, выраженные в Дж/г, то бросается в глаза очень большая разница в величинах. У легкоплавких металлов - олова, висмута, цинка - теп­лота плавления составляет несколько десятков джоулей на 1 г; у меди, никеля, железа она измеряется величиной в 200-300 Дж/г; у магния и, алюминия теплота плавления при­ближается к 400 Дж/г. Очень большие теплоты плавлении имеют кремний и бериллий- 1800 и 1590 Дж/г, что в 20-30 раз больше, чем у олова и висмута. Однако, если учесть, что теп­лота плавления отражает энергию, необходимую для разру­шения кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы (у металлов - ионы), то более правильно теплоту плавления относить не к единице массы, а к одинаковому числу атомов. Иначе говоря, надо сравнивать атомные теп­лоты плавления, приходящиеся на один моль металла, эта энергия необходима для разрушения такого объема кристал­лической решетки, в узлах которого находится совершенно одинаковое число атомов - 6,03-10²³ (число Авогадро), Пере­ход к атомной теплоте плавления, выраженной в кДж/моль, дает возможность увидеть, что у типичных металлов, обладающих четко выраженной металлической связью в кристаллической решетке, атомная теплота плавления составляет 4-18 кДж. Это объ­ясняется тем, что температура плавления также отражает энергию межатомных связей кристаллической решетки.

Теплоемкость жидких металлов. По сравнению с теплоемкостью твердого металла при точке плавления эти значения примерно в 1,1-25 раза боль­ше. Какой-либо закономерности не усматривается при срав­нении теплоемкости, выраженной через Дж/г. Переход к атомной теплоемкости позволяет сказать, что у жидких ме­таллов она составляет- 29-40 Дж/моль-К и явно возрастает с увеличением температуры плавления металлов. Причины этого те же, что и в случае атомной теплоты плавления.

Теплоемкость жидких металлов, как и твердых, воз­растает с перегревом. Эту зависимость выражают уравнением второй степени.

Теплопроводность ( ) жидких металлов изучена недо­статочно, и составляет примерно 0,4-0,6 от тепло­проводности твердых металлов вблизи точки плавления.

Теплообмен в жидких металлах осуществляется не только теплопроводностью, по и за счет свободной конвенции, которая определяется зависимостью плотности жидкого ме­талла от температуры, вязкостью металла, его теплопровод­ностью и земным ускорением. Теплообмен в этом случае ха­рактеризуется коэффициентом теплоотдачи а (Вт/м²-К) от жидкого металла с температурой tс к стенке t_П . Вбли­зи стенки температура снижается от tс к t_П Величина tс-tп= называется температурным напором, который и определяет теплообмен. Зависимость между и является критерием Нуссельта:

где - коэффициент теплоотдачи; - теплопроводность жид­кого металла; :L - линейный размер стенки в вертикальном направлении (см. рис.3); С - постоянный множитель, величи­на которого выбирается по справочнику в зависимости от величины критерия.

Теплота образования жидких сплавов измеряется той энергией, которая поглощается или выделяется при взаим­ном растворении двух или более жидких металлов, взятых при одинаковой температуре. В термодинамике принято счи­тать положительной энергию, поглощенную системой, и приписывать ей знак "+". Энергия, выделившаяся из си­стемы, считается отрицательной и обозначается знаком "-". Этот же подход будет соблюдаться и в данном случае. Коли­чество энергии, поглощенное или выделенное при образова­нии сплавов, относят к 1 молю сплава и называют его инте­гральной молярной теплотой смешения или образования.

В двухкомпонентных сплавах указанная величина ( ) обычно меняется по кривой с экстремумом, проходящей естественно, через нуль у чистых компонентов. Эта кривая близка к параболе. Максимум или минимум кривой приходится на сплавы приблизительно эквиатомного соста­ва, то есть при атомной доле каждого из компонентов около 0,5 иди 50% атм. Эта наибольшая по абсолютному значению теплота образования . Теплоты образования жидких сплавов могут иметь в различных системах положительные и отрицательные значе­ния, при этом в последнем случае может достигать очень больших величин, сравнимых и даже превосходящих теплоты плавления металлов.

Необходимо напомнить еще раз, что отрицательный знак теплоты образования свидетельствует о выделении тепла при сплавлении