Физика не всегда сродни прямолинейной логике. Если человек поставит на печку пустую металлическую емкость, она нагреется за 1 минуту.
В предположении, при наполнении ёмкости водой, ее скорость нагрева должна быть равна скорости нагрева стенок сосуда, но это не так. Хозяйки знают, что вне зависимости от скорости нагрева кастрюли, вода в ней будет повышать свою температуру постепенно.
Подобная зависимость обусловлена удельной теплоемкостью стали и других веществ. В сегодняшней статье как раз и будет рассмотрен данный вопрос через призму физических процессов и промышленного применения.
Содержание
Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды.
Но, когда лёд плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку — лёд получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии — энергия не может исчезнуть.
В данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению — удельной теплоте плавления.
Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении
Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?
Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении — колеблются.
Рисунок 1. Строение кристаллического кварца
Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).
Рисунок 2. График плавления и отвердевания льда
Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.
Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления.
При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.
Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.
Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается — участок графика BC.
Преимущества и недостатки
Стали сочетают большую жёсткость с высокой прочностью. На эти характеристики можно влиять в большом диапазоне с помощью варьирования концентрации углерода, легирующих добавок и технологических процессов (химико-термической и термической обработки).
К основным достоинствам стали можно отнести следующие характеристики:
- высокая твёрдость и прочность;
- множество различных свойств, которые обуславливаются разным составом и способами обрабатывания;
- упругость и вязкость;
- очень высокая износоустойчивость;
- большое распространение сырья и выгодный с экономической точки зрения способ изготовления, что приводит к невысокой цене сплавов.
У стали и продукции, изготовленной из нее, имеются и недостатки. Их меньше, чем достоинств, но все же знать о них необходимо:
- отсутствие временной устойчивости к коррозии (за исключением нержавейки);
- способность накапливать электрическую энергию;
- большой вес;
- многоэтапность изготовления обыкновенных изделий.
Стоит иметь в виду, что сталь — довольно сложный в обработке материал, поэтому для производства продукции из нее необходимы дорогостоящие станки и приспособления.
Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании
При отвердевании происходит обратное.
Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.
Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным — образуется кристалл (участок графика EF).
Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.
Теперь мы можем сказать, что
При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.
Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.
Удельная теплота плавления
Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.
Удельная теплота плавления — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1 \space кг$, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.
- обозначается буквой $\lambda$
- единица измерения — $1 \frac{Дж}{кг}$
Что такое удельная теплоемкость стали и других материалов: терминология + расчётные особенности
Простой эксперимент выше четко дает понять, что у каждого химического элемента имеется собственный физический показатель, именуемый удельной теплоемкостью. В рамках нашего сайта вопрос рассматривается для стали и ее сплавов, ибо в черной/цветной металлургии оговоренный параметр крайне важен. Давайте рассмотрим термин «удельная теплоемкость» и особенность стали поподробнее.
1) Понятие удельной теплоемкости
Термин состоит из 2 слов – удельная и теплоемкость. Для простоты усвоения полного, разберем частное. Теплоемкостью называют количество поглощаемой теплоты при нагревании на температуру в 1 кельвин.
Более точное определение дается в учебнике 8 класса – физическая величина, просчитывающаяся как отношение количества теплоты в бесконечно малой смене температуры, к показателю этого изменения.
Теперь перейдём к удельной теплоемкости. В международной системе единиц величина представляется как заглавная/прописная латинская «С», а единица измерения величины одна из двух – Джоули на килограммы, перемноженные на кельвины (Дж/(кг•К), или калории, деленные на килограммы, умноженные на градусы Цельсия (калория/(кг•°C). Второй вариант относится к одному из многих вариантов внесистемных единиц.
Важно: удельная теплоемкость напрямую зависит от значения температуры, а потому, в науке более точным считается формула со значениями, которые формально бесконечно малы.
В промышленности удельная теплоемкость с предельно минимальными значениями почти не используется поэтому в дальнейшем будет рассмотрена исключительно классическая формулировка формулы расчёта.
Справочные значения веса стального круга
2) Что такое сталь: особенности материала + классификация
Нужно знать, с чем имеем дело, и в отношении стали это особо важно, ведь 95% производства держится именно на данном металлургийном сырье. По сути, сталь – это сплав на основании железа и углерода. Вкрапление углерода меняется в рамках 0.1-3%. В 2022 году при производстве стали, доля легированных добавок может колебаться в рамках 40%, из чего следует, что чистое вхождение железа составляет не более 50% от общего объема.
| Преимущества стали | Недостатки материала |
| Материал с высокими показателями прочности + обилие свойств, что обуславливается различными добавками и способами обработки стали. | Слабая стойкость классической стали к коррозии. Частично решает проблему покрытие нержавейкой/полимером. Нержавеющая сталь в 3-10 раз дороже своего «черного» собрата. |
| Хорошая вязкость с упругостью, что позволяет применять материал в местах как с динамическими, так и статическими нагрузками. | Из-за накопления электричества повышается электромеханическая коррозия. |
| Низкий показатель износостойкости, что обеспечивает материалу эксплуатационную долговечность. | Конструкции из стали имеют большой вес, что может усложнить монтаж/демонтаж и даже эксплуатацию. |
| Экономически обоснованный вариант сырья, ибо добыча железа по себестоимости в десятки раз ниже, нежели другие типы металлов периодической системы. | Мельчайшие неточности в многоэтапном процессе изготовления стали оборачиваются фатальными провалами в качестве итоговой продукции. |
Благодаря простоте сгибания, нарезания и сварки, стальные конструкции, часто используемые не только в промышленных масштабах, но и в домашнем хозяйстве. В зависимости от способа производства, свойства сплава могут варьироваться очень сильно. И удельной теплоемкости это касается, в том числе.
Классификация стали
| Параметр | Компоненты + описание |
| По химическому составу | Углеродистые . Легирующим элементом выступает углерод. В зависимости от его доли в сплаве, идет подразделение на малоуглеродистые (менее 0.3%), среднеуглеродистые (от 0.3% до 0.8%) и высокоуглеродистые (более 0.7%). |
| Легированные . Здесь также 3 подгруппы в зависимости от долевого вхождения примесей – меньше 2.5%, от 2.5% до 10%, и более 10%. Низко-, средне-, и высоколегированные соответственно. Добавками могут быть как металлы, так и неметаллические вещества. Самая популярная из легированных сталей – нержавейка. | |
| По структурному составу | Перлитная . Разновидности стали с низким содержанием углерода. |
| Мартенситные . В сплаве большое количество примесей. | |
| Аустенитная. Высоколегированная сталь. | |
| По раскислителю | Спокойная . В сплаве не содержится закись железа, что делает металл однородным и стабильным. Используется не часто из-за дороговизны производства. |
| Полуспокойная . Твердеет без кипения, но сопутствующие газы выделяются + часть из них остается в сплаве и после отвердевания. Сталь используется в конструкционных целях. | |
| Кипящая . С содержанием газов в остывшем материале. Из-за этого слабо пригоден к сварке. По технологии изготовления – это самый дешевый вариант, потому используется для большинства простых конструкций. | |
| По назначению | Строительная . Обычные и низколегированные разновидности стали с хорошими показателями свариваемости. Используются в конструкциях с высокими статическими нагрузками. |
| Инструментальная. Относят стали с высоким содержанием углерода и сторонних примесей (более 20%). В категории имеется классификация на штампованные, измерительные и режущие. | |
| Конструкционные . Сплавы имеют незначительное содержание марганца. Основная область применения – узловые элементы конструкций. Из-за необходимости разнообразия в свойствах, в категории популярные среднелегированные стали. | |
| Специальные . По сути, это специфические разновидности конструкционных сталей. Специализированное назначение – устойчивость к жару, кислоте и другим агрессивным средам. | |
| По примесям | Рядовые . Содержание серы и фосфора не более 7 сотых процента. |
| Качественные . Долевое содержание серы меньше 0.04% и фосфора меньше 0.35%. По изготовлению обходятся дороже, но в отношении механических свойств – куда лучше. | |
| Высококачественные . Долевое содержание серы и фосфора менее 0.025%. Технология изготовления – электрические печи, где требуется низкое вкрапление неметаллических примесей. | |
| Особовысококачественные . Элита среди стали. Процентное содержание серы менее 0.015%, а фосфора менее 0.025%. |
Вдаваться в тонкости производства не будем, но вы должны понимать, что удельная теплоемкость марки стали напрямую зависит от методов ее производства. В 2022 году выделяют 4 метода изготовления стальных сплавов – мартеновский, кислотно-конвертерный, электроплавильный и прямой. По своей сути, производство стальных сплавов – это переработка чугуна с отжиганием излишних примесей и введением легирующих компонентов. И чем дороже сырье/технология, тем лучше результат.
Калькулятор веса стального круга
Удельная теплота плавления некоторых веществ
В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.
| Вещество | $\lambda, \frac{Дж}{кг}$ | Вещество | $\lambda, \frac{Дж}{кг}$ |
| Алюминий | $8.9 \cdot 10^5$ | Сталь | $0.84 \cdot 10^5$ |
| Лёд | $3.4 \cdot 10^5$ | Золото | $0.67 \cdot 10^5$ |
| Железо | $2.7 \cdot 10^5$ | Водород | $0.59 \cdot 10^5$ |
| Медь | $2.1 \cdot 10^5$ | Олово | $0.59 \cdot 10^5$ |
| Парафин | $1.5 \cdot 10^5$ | Свинец | $0.25 \cdot 10^5$ |
| Спирт | $1.1 \cdot 10^5$ | Кислород | $0.14 \cdot 10^5$ |
| Серебро | $0.87 \cdot 10^5$ | Ртуть | $0.12 \cdot 10^5$ |
Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)
Удельная теплота плавления золота составляет $0.67 \cdot 10^5 \frac{Дж}{кг}$. Что это означает?
Для того чтобы расплавить кусок золота массой $1 \space кг$, взятого при температуре $1064 \degree C$ (температура плавления золота), до жидкого состояния, нам потребуется затратить $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.
Опытным путём доказано, что
при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.
То есть, при кристаллизации расплавленного золота массой $1 \space кг$ выделится $0.67 \cdot 10^5 \space Дж$ энергии.
Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества
Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для плавления кристаллического тела массой $m$, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную теплоту плавления $\lambda$ умножить на массу тела $m$: $Q = \lambda m$.
Мы можем выразить из этой формулы массу $m$ и удельную теплоту плавления $\lambda$:
$m = \frac{Q}{\lambda}$, $\lambda = \frac{Q}{m}$.
Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.
Безникилевые коррозионностойкие марки стали
Недорогие коррозионностойкие безникелевые хромистые стали марок AISI 409 и 430 (400-й серии) сегодня являются одними из наиболее востребованных на рынке металлопроката .
Согласно стандарту ASTM А240, безникелевые хромистые стали марок AISI 409 и 430 (серии AISI 400) относятся к категории общего применения и могут быть адаптированы к различным условиям эксплуатации в любых отраслях промышленности. К тому же это оптимальный выбор материала для решения целого комплекса технических задач.
Механические свойства листового проката из различных нержавеющих сталей в соответствии со стандартами ASTM A240 и А 176-99 приведены в табл. 1.
Следует отметить, что реальные величины предела прочности, предела текучести и относительного удлинения листового проката из сталей 409, 430 и 439 существенно превышают регламентируемые стандартом A240 значения ( В=500-550 МПа; 0,2 =250-350 МПа; 5=25-30%).
