3.2.3. Температуропроводность

Температуропроводность (α) – это параметр, характеризующий скорость передачи температуры в материале. Температуропроводность определяется соотношением

α = λ/сρ ,

где λ – коэффициент теплопроводности; с – удельная теплоёмкость; ρ – плотность. Размерность α – м²/с. Температуроповодность металлов имеет порядок 10^-5, у полимеров – порядка 10^-7 м²/с. Температуропроводность полимеров мало меняется при изменении температуры и химического состава, а с увеличением молекулярной массы и степени кристалличности несколько возрастает.

В композиционных материалах температуропроводность зависит от состава и количества фаз.

3.2.4. Тепловое расширение.

Характеристикой теплового расширения является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР)  = L/LТ, величина которого уменьшается по мере повышения энергии связи. Так, материалы с сильной ковалентной связью (алмаз, кремний) имеют низкий ТКЛР,  = (3 – 5) 10^-6 К^-1 , а полимеры, в которых, наряду с ковалентной связью вдоль макромолекулы действуют слабые межмолекулярные связи, имеют  = (3 – 8) 10^-5 К^-1. У металлов  =(0,8 – 3) 10^-5 К^-1, стекло и керамика имеют  = (3 – 8) 10^-6. Области ТКЛР схематично представлены на рис. 3.4.

_ _________________________________________________________________

1^. 10^-6 . 1^.10^-5 1^.10^-4 

Рис. 3.4. Области значений ТКЛР материалов различной природы.

Коэффициент объёмного расширения  для твёрдых веществ приближённо равен 3. Это верно для изотропных тел. Для анизотропных материалов (многие кристаллы, волокна, плёнки) коэффициент линейного расширения в разных направлениях различен.

3.2.5.Температуры фазовых переходов.

Точкой плавления называется температура, при которой кристаллическое вещество и жидкость находятся в равновесии при давлении 760 мм. рт. ст.

Температурой плавления называется температура, при которой кристаллическое вещество и жидкость находятся в равновесии при полном приложенном давлении Р, т.е. в любых, а не только в стандартных условиях. Этим подчёркивается, что температура плавления зависит от давления. Если в справочниках специально не оговорено, при каких условиях измерена температура плавления, то значит, приведенные данные соответствуют давлению 760 мм рт.ст.

Температуры плавления металлов лежат в очень широком диапазоне – от –38,87^оС у ртути до +3380^оС у вольфрама. Керамические материалы обычно имеют достаточно высокие температуры плавления. Рекордсменами среди них являются керамики на основе диоксида тория ТhО₂ (3050⁰С), карбидов циркония ZrC (3530⁰С), тантала ТаС (3877^оС), гафния НfС (3887^оС).

Кристаллизующиеся полимеры обычно имеют не точку плавления, а температурную область плавления. Весь диапазон изменений температур плавления полимеров – от –55⁰С (полигексен–1) до +700⁰С (тринитроцеллюлоза). Температуры плавления наиболее распространённых полимеров находятся в диапазоне 100 – 300⁰С.

Аморфные материалы (стёкла, аморфные полимеры) характеризуются температурой размягчения.

Вообще, для оценки поведения материалов в широком температурном интервале необходимы сведения об их хладо-, тепло-, термо-, и огнестойкости.

Теплостойкость – это деформационная устойчивость при нагревании и кратковременном нагружении.

Термостойкость – это химическая устойчивость при нагревании, т.е. сохранение исходной химической структуры.

Тепло-, термо- и огнестойкость особенно важны для оценки работоспособности органических, в частности, полимерных материалов. Для неорганических стёкол и керамики очень важна способность выдерживать без разрушения резкие смены температуры – так называемая стойкость к термоударам. Она определяется несколькими факторами: теплопроводностью , коэффициентом линейного термического расширения , прочностными характеристиками – модулем упругости Е, напряжением, при котором происходит разрушение _р. Параметром, определяющим стойкость к термоударам, является R_ту = _р  / Е  . Чем выше этот параметр, тем выше стойкость к термоударам. Так, щелочное стекло имеет R_ту = 0,1 ^. 10³, у А1₂О₃ – 1,4 ^. 10³, у ВеО – 11,5 ^. 10³, у медной проволоки – 95 ^. 10³. Бериллиевая керамика выдерживает 21 теплосмену с 1400 ⁰С до 20 ⁰С и 4 теплосмены с 1700 до 20⁰С. Очевидно, что количество теплосмен, выдерживаемых материалом, зависит от перепада температур и толщины образца.

Т = К ^._р ^. ( /с ^. d )^0,5 / ^. Е ,

где К – константа, d – плотность, с – удельная теплоёмкость.

Вопросы для самопроверки

1. Основные характеристики теплофизических свойств материалов, их физический смысл.

2. Причины различия теплофизических свойств материалов различной природы.

3. Обоснуйте важность теплофизической совместимости материалов в различных устройствах и конструкциях.

4. Какая кружка – алюминиевая или полиэтиленовая нагреется быстрее, если в них налить горячий чай и почему?

5. Могут ли стёкла иметь температуру плавления выше температуры плавления полимеров?