Теплоемкость чугуна и стали
Теплофизические свойства чугуна
Коэффициент линейного расширения α, удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).
| Температура, °C | α, 1/°C | c, Дж/(кг∗°C) | λ, Вт/(м∗°C) |
|---|---|---|---|
| 60 | 10,0 | 502 | 54,4 |
| 160 | 11,0 | 523 | 50,2 |
| 260 | 13,1 | 553 | 48,1 |
| 360 | 13,7 | 586 | 46,0 |
| 510 | 15,9 | 620 | — |
Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:
| Структурная составляющая | α 100 200, 1/°C | c 100 0,Дж/(кг∗°C) | λ0 100 Вт/(м∗°C) |
| Феррит | 12,0-12,6 | 460-470 | 72,8-75,5 |
| Аустенит | 18-19 | 502 | 41,8 |
| Цементит | 6,0-6,5 | 615 | 49,0 |
| Перлит | 10,0-11,6 | 486 | 50,3-51,9 |
| Графит | 1,4-3,7 | 795 | 355,8 |
Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.
На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.
Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.
Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.
В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.
Коэффициент линейного расширения α
Коэффициент линейного расширения α. Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,
Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается : и достигает минимума при 35—37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.
Удельная теплоемкость чугуна
Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Feα→Feλ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.
Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).
Теплопроводность чугуна.
Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства, зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.
Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).
Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.
Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.
Дамир.рф
Ванны и батареи физика
Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.
Чугунная батарея остывает дольше.
Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!
Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.
Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?
И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.
Масса секции батарей:
| Металл секции | Масса секции, кг |
|---|---|
| алюминий | 0,5 — 1,5 |
| биметалл (сталь с алюминием) | 1,5 |
| чугун | 3,7 — 5,9 |
Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.
Чугунная ванна сохраняет тепло.
Чугунная ванна:
| Масса | 100 кг |
| Коэффициент удельной теплоёмкости чугуна | 540 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость самой ванны из чугуна | 100 кг * 540 Дж/(кг*К) = 54 кДж/К |
Стальная ванна:
| Масса | 30 кг |
| Коэффициент удельной теплоёмкости стали | 720 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость самой ванны из стали | 30 кг * 720 Дж/(кг*К) = 21,6 кДж/К |
То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.
Теплоёмкость воды в ванне:
| Объем | 100 литров = 0,1 куб. м |
| Плотность воды | 1000 кг/куб. м |
| Коэффициент удельной теплоёмкости воды | 4183 Дж/(кг*К) |
| Теплоёмкость воды в ванне | 0,1 куб. м * 1000 кг/куб. м * 4183 Дж/(кг*К) = 418,3 кДж/К |
Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.
Похожие статьи:
- Посуда из фарфора
- Энергия боеприпасов
- Декорирование фарфора
- Я подарю тебе звезду
- Немецкий фарфор
Металлическая посуда глазами физика
Возвращаясь к теме металлической посуды, покажу в цифрах физику процессов.
Теплопроводимость.
Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.
Коэффициенты теплопроводности из справочника:
| Металл | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) |
|---|---|
| Медь | 390 |
| Алюминий | 236 |
| Сталь | 47 |
| Чугун | 42 |
Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.
Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.
Теплоёмкость.
Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).
Удельная теплоёмкость.
Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).
Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.
Значения удельной теплоёмкости из справочника:
| Металл | Удельная теплоёмкость, Дж/(кг*К) |
|---|---|
| Алюминий | 930 |
| Чугун | 540 |
| Сталь | 460 |
| Медь | 385 |
Приблизительные массы металлических сковород:
| Сковорода | Масса, кг |
|---|---|
| Алюминиевая сковорода с ручкой (диаметр 260 мм) | 0,65 |
| Чугунная сковорода с ручкой (черный чугун; диаметр 250 мм; глубина 40 мм) | 2,10 |
Вывод: чугунная посуда массой 2,1кг будет почти в два раза (1,9 раза) больше отдавать тепла, чем алюминиевая посуда массой 0,65кг. И наоборот, чугунная посуда требует в два раза больше энергии для прогрева, чем алюминиевая посуда.
Иными словами, для поддержания (сохранения) температуры готовки чугунная посуда подходит лучше. А для разогрева еды будет более пригодна алюминиевая посуда.
Теплоемкость стали от температуры. Теплофизические свойства чугуна
Удельная теплоемкость — важный параметр, определяющий характеристики стали. Он показывает количество тепла, которое нужно затратить на нагрев килограмма сплава на 1 градус. На теплоемкость влияют разные особенности стали, что особо важно при
Под удельной теплоемкостью стали понимается количество тепла, необходимое для увеличения температуры одного килограмма вещества ровно на один градус. В равной степени может использоваться и шкала Цельсия, и Кельвина.
На теплоемкость влияют многочисленные факторы:
- агрегатное состояние нагреваемого вещества;
- атмосферное давление;
- способ нагрева;
- тип стали.
В частности высоколегированные стали содержат большие объемы углеродов, относятся к тугоплавким. Соответственно, чтобы нагреть на один градус необходимо больше тепла, чем стандартные 460 Дж/(кг*К). Низколегированные стали нагреваются быстрее и легче. Максимальное количество тепла и энергии необходимо для нагрева жаропрочных материалов, с антикоррозийной обработкой.
Расчет теплоемкости производится для каждого конкретного случая. Необходимо учитывать и то, что с повышением температуры нагреваемого вещества меняется его теплоемкость.
Удельная теплоемкость важна при проведении индукционной закалки или отпуске деталей из стали, чугуна, композитных материалов. При повышении температуры изделия на определенное количество градусов в структуре происходят фазовые изменения, соответственно, меняется и удельная теплоемкость. Для дальнейшего нагрева потребуются большие/меньшие объемы тепла.
Удельная теплоемкость характеризует не только процесс нагрева стали или композитных материалов, но и их охлаждение. Каждый материал при остывании отдает определенное количество тепла и/или энергии. Удельная теплоемкость позволяет рассчитать, какое количество тепла будет получено при остывании одного килограмма металла на один градус. На теплоотдачу влияют площадь охлаждаемого материала, наличие/отсутствие дополнительной вентиляции.
Как рассчитывают удельную теплоемкость
Рассчитывают удельную теплоемкость чаще по шкале Кельвина. Но благодаря лишь разнице в точке отсчета, показатель можно перевести в градусы Цельсия.
Параметр удельной теплоемкости определяет количество топлива, нужного для нагрева детали до заданной точки. От этого зависит тип и марка стали. Высоколегированный сплав имеет более высокое значение параметра при одинаковой температуре. Низколегированные и углеродистые стали — меньше.
Пример:
Для сравнения, сталь Г13 имеет теплоемкость 0,520 кДж/(кг*град) при температуре в 100оС. Этот сплав высоколегированный, то есть содержит больше хрома, никеля, кремния и других дополнительных элементов. Углеродистая сталь марки 20 при аналогичной температуре имеет удельную теплоемкость 0,460 кДж/(кг*град).
Таким образом, удельная теплоемкость зависит не только от температуры, но и от вида стали. Высоколегированные стали менее устойчивы к образованию трещин, хуже поддается сварке. Тугоплавкость у таких материалов повышена. Эти показатели прямо влияют на , которые делают из разных марок стали. Устойчивость, легкость, прочность — важнейшие критерии, которые определяются качеством такого сплава.
В таблицах можно наблюдать показатели удельной теплоемкости высоколегированных сталей Г13 и Р18, а также ряда низколегированных сплавов. Диапазоны температур — 50:650оС.
α , удельная теплоемкость с и теплопроводность λ зависят от состава и структуры чугуна, а также от температуры. Поэтому значения их приводят в соответствующем интервале температур. С повышением температуры значения α и с обычно увеличиваются, а λ уменьшается (табл 1).
Коэффициент линейного расширения α и удельная теплоемкость c реальных неоднородных структур, в том числе чугуна, может быть определена по правилу смешения:
где x 1 , х 2 , . х n — α или c структурных составляющих (табл. 2);
a 1 , a 2 , . a n — количественное содержание их.
Теплопроводность сплавов и смесей в отличие от коэффициента α и теплоемкости c не может быть определена по правилу смешения. Влияние отдельных элементов на теплопроводность расчетным путем можно установить лишь приближенно.
На коэффициент α и удельную теплоемкость с влияет главным образом состав чугуна, а на теплопроводность λ — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.
Коэффициент линейного расширения определяет не только изменения размеров в зависимости от температуры, но и напряжения, образующиеся в отливках. Уменьшение α является полезным с этих позиции и облегчает условия получения качественных отливок. Но в случае совместной работы чугунных деталей с деталями из цветных сплавов или других материалов, имеющих больший коэффициент линейного расширения, приходится стремиться к увеличению значения α для чугуна.
Теплоемкость и теплопроводность имеют большое значение для таких отливок, как отопительные трубы, изложницы, детали холодильных установок и двигателей внутреннего сгорания и т.д., так как определяют равномерность распределения температуры в отливках и интенсивность отвода теплоты.
В табл. 3 приведены теплофизические свойства чугунов различных групп.
| Чугун | α 20 100 ∗10 6 , 1/°C | c 20 100 , Дж/(кг∗°C) | c 20 1000 , Дж/(кг∗°C) | λ 20 100 , Вт/(м∗°C) |
|---|---|---|---|---|
| Серый с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85): | СЧ10-СЧ18 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 46,0-54,4 |
| СЧ20-СЧ30 | 10-11 | 502-544 | 586-628 | 41,8-50,2 |
| СЧ35 | 11,5-12,0 | 502-544 | 628-670 | 37,6-46,0 |
| Высокопрочный (ГОСТ 7293-85): | ||||
| ВЧ 35-ВЧ 45 | 11,5-12,5 | 460-502 | 586-628 | 37,6-46,0 |
| ВЧ 60-ВЧ 80 | 10-11 | 502-523 | 628-670 | 33,5-41,9 |
| ВЧ 100 | 9-10 | 523-565 | 628-670 | 29,3-37,6 |
| Ковкий (ГОСТ 7769-82): | ||||
| КЧ 30-6/КЧ 37-12 | 10,5-11,0 | 460-511 | 586-628 | 54,4-62,8 |
| КЧ 45-5/КЧ 65-3 | 10,3-10,8 | 527-544 | 628-670 | 50,2-54,4 |
| Легированный (ГОСТ 7769-82) | ||||
| никелевый ЧН20Д2Ш | 17-19 | — | 460-502 | 17,4 |
| с 35-37% Ni | 1,5-2,5 | — | — | — |
| хромистый: | ||||
| ЧХ16 | — | — | — | 32,5 *1 |
| ЧХ22 | — | — | — | 25,5 *1 |
| ЧХ28 | 9-10 | — | — | 17,4 *1 |
| ЧХ32 | 9-10 | — | — | 19,8 *1 |
| кремнистый: | ||||
| ЧС5 | 14-17 *2 | — | — | 21,0 *3 |
| ЧС15, ЧС17 | 4,7 *1 | — | — | 10,5 |
| алюминиевый: | ||||
| ЧЮ22Ш | 17,5 *1 | — | — | 15,1-28,0 *3 |
| ЧЮ30 | 22-23 *2 | — | — | — |
| *1 В интервале 20-200 °C. | ||||
| *2 В интервале 20-900 °C. | ||||
| *3 В интервале 20-500 °C. | ||||
Коэффициент линейного расширения α
Коэффициент линейного расширения α . Наибольшее влияние на коэффициент α оказывает углерод, в особенности в связанном состоянии. Одному проценту углерода соответствует примерно в 5 раз большее количество цементита, чем графита. Поэтому графитизирующие элементы (Si, Al, Ti, Ni, Сu и др.) повышают, а антиграфнтизирующие (Cr, V, W, Мо, Мn и др.) уменьшают коэффициент линейного расширения,
Наибольшим значением α отличаются аустенитные никелевые чугуны, а также ферритные алюминиевые чугуны типа чугаль и пирофераль. Поэтому при достаточно высоком содержании Ni, Сu, Мn значение α ; резко увеличивается. Однако при содержании Ni>20% α понижается: и достигает минимума при 35-37 % Ni. Форма графита существенно влияет на коэффициент линейного расширения лишь при низких температурах; α высокопрочного чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем α чугуна с пластинчатым графитом.
Удельная теплоемкость чугуна
Удельная теплоемкость с чугуна, как и железа, увеличивается с повышением температуры (см. табл. 2) и характеризуется скачкообразным повышением при фазовом превращении Fe α →Fe λ ; затем удельная теплоемкость чугуна резко падает, но с дальнейшим повышением температуры вновь увеличивается.
Графитизация понижает удельную теплоемкость чугуна; отсюда с белого; чугуна несколько выше, чем серого и высокопрочного (см. табл. 4).
Теплопроводность чугуна.
Теплопроводность чугуна в большей мере, чем другие физические свойства , зависит от структуры, ее дисперсности и мельчайших загрязнений, т. е. является структурно-чувствительным свойством.
Графитизация повышает теплопроводность; следовательно, элементы увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность структурных составляющих, понижают. Указанное влияние графитизация меньше для шаровидного графита (см. табл. 4).
Форма графита, его выделение и распределение также влияют на теплопроводность. Например, высокопрочный чугун имеет более низкую теплопроводность, чем серый чугун. Теплопроводность чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) выше, чем у ЧШГ, и близка к λ серого чугуна с пластинчатым графитом.
Высоколегированные чугуны характеризуются, как правило, более низкой теплопроводностью, чем обычные.
Принципы расчета теплоёмкости металлической посуды применимы для батарей и ванн.
Чугунная батарея остывает дольше.
Еще раз обращу внимание, что темпы остывания предмета напрямую зависят от массы и удельной теплоёмкости материала, из которого он изготовлен. Не путать теплоёмкость и теплопроводность!
Чугунная батарея тяжелее алюминиевой раза в три. Следовательно, обладает большей теплоёмкостью в 2,5 раза.
Очень часто задают вопрос: почему чугунные батареи остывают дольше стальных?
И удельные теплоёмкости — 540 Дж/(кг*К) для чугуна и 460 Дж/(кг*К) для стали — относительно мало отличаются (15%). А весь секрет — в значительной степени — заключается в существенно большей массе чугунных батарей.
Масса секции батарей:
Если же сравнивать две одинаковые по массе батареи — из стали и чугуна — то при одинаковой температуре прогрева чугунная батарея сохранит тепла больше на 15%.
Чугунная ванна сохраняет тепло.
То есть количество выделяемого тепла при остывании на 1 градус у чугунной ванны больше, чем у ванны из стали (в нашем примере) в 2,5 раза.
Теплоёмкость воды в ванне:
Из чего следует, температура горячей воды (40 градусов), налитая в ванну при комнатной температуре (20 градусов) упадет на 1 градус для стальной ванны и на 2,5 градуса для чугунной ванны.
Металлическая посуда глазами физика
Возвращаясь к теме металлической посуды , покажу в цифрах физику процессов.
Теплопроводимость.
Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.
Коэффициенты теплопроводности из справочника:
Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.
Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.
Теплоёмкость.
Теплоёмкость численно равна количеству теплоты (Дж), которое необходимо передать, чтобы изменить его температуру на единицу (К).
Удельная теплоёмкость.
Удельная теплоёмкость – количество теплоты (Дж), которое необходимо передать единице массы вещества (кг), чтобы его температура изменилась на единицу температуры (К).
Иными словами, чтобы посчитать теплоёмкость металлической посуды – сколько тепловой энергии будет в прогретой до нужной температуры посуде – необходимо массу посуды (кг) умножить на удельную теплоёмкость металла (Дж/(кг*К)), из которого она изготовлена.
Значения удельной теплоёмкости из справочника:
Что лучше: алюминий или чугун?
Немного о физических свойствах металлов:
1. Теплопроводность — это способность вещества передавать тепло (энергию движущихся молекул) от одной части тела к другой. Чем выше значение теплопроводности, тем быстрее происходит нагрев металла.
Коэффициент теплопроводности алюминия = 200-220 Вт/м/К
Коэффициент теплопроводности чугуна = 50-70 Вт/м/К
2. Теплоемкость вещества — это количество теплоты поглощаемое веществом при нагревании на 1 градус. Чем больше значение теплоемкости, тем больше тепла запасает в себе 1 кг вещества.
Теплоемкость алюминия = 920 Дж/кг/К
Теплоемкость чугуна = 540 Дж/кг/К
3. Плотность вещества — это масса вещества приходящаяся на единицу объема. Чем больше значение плотности, тем тяжелее тело при равных размерах.
Плотность алюминия = 2700 кг/куб.м
Плотность чугуна = 7000 кг/куб.м
Судя по табличным данным чугун обладает значительно меньшей теплопроводностью, следовательно чугунная посуда нагревается медленнее алюминиевой. Сравнив остальные свойства металлов получим, что плотность чугуна больше в 2,5 раза, а теплоемкость меньше лишь в 1,7 раза. Таким образом, если взять два совершенно одинаковых (по форме и объему) казана из алюминия и чугуна и нагреть их до одинаковых температур, то чугунный казан будет остывать намного дольше (так как масса чугуна намного больше, теплопроводность намного меньше, а количество запасённого тепла чуть меньше, чем у алюминия).
Преимущества алюминия :
- посуда имеет малый вес.
- очень доступный и распространенный металл, поэтому цена на алюминиевую посуду ниже;
- долговечна.
Преимущества чугуна:
- чугунная посуда не тускнеет, не деформируется и не боится царапин;
- при правильном обращении чугунная посуда практически вечна.
Недостатки алюминия :
- из-за высокой теплопроводимости в ней легко пригорают продукты, а следы нагара трудно удаляются с ее поверхности;
- тонкостенная алюминиевая посуда легко деформируется и теряет свой первоначальный привлекательный внешний вид;
- посуда покрывается плёнкой оксида алюминия и начинает темнеть, но это не влияет на вкус пищи в процессе приготовления;
- нельзя хранить пищу в алюминиевой посуде долгое время (> 3 часов), так как посуда окисляется и меняет вкус еды.
Недостатки чугуна:
- склонность к ржавчине, поэтому после мойки ее следует тщательно вытирать или просушивать на плите, а затем смазывать маслом;
- большой вес;
- как и в алюминевой посуде нельзя хранить пищу долгое время (> 3 часов).
Достаточно физики! Пора готовить!
Чугунную посуду рекомендуют для приготовления птицы, тушеных овощей и мяса, а также для приготовления плова.
В алюминиевых кастрюлях хорошо варить макароны, каши и овощи, а вот тушить мясо, готовить борщ и кислые щи в них не следует.
Не следует использовать алюминиевую и чугунную посуду для хранения готовой пищи, для соления и квашения, поскольку в ней пища окисляется и теряет свои вкусовые качества.
Таким образом, чтобы ответить на вопрос: «Что лучше: чугунная или алюминиевая посуда?», нужно решить детскую задачку, про «Кто победит – кит или слон?». Алюминиевая и чугунная посуда отличаются по большому перечню характеристик и просто не смогут друг друга заменить. Сложно приготовить в алюминиевой посуде вкусный плов, а в чугунной посуде — макароны по-флотски.
Теплоемкость нержавеющей стали
Удельная теплоемкость стали распространенных марок
В сводной таблице представлена удельная теплоемкость стали распространенных марок: углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, а также чугуна при различной температуре.
Приведены значения средней удельной теплоемкости низколегированных сталей, углеродистых сталей при различных температурах, указана теплоемкость высоколегированных сталей с особыми свойствами в зависимости от температуры.
По данным таблицы видно, что значение удельной теплоемкости стали с ростом температуры увеличивается. Следует отметить, что теплоемкость стали при комнатной температуре находится в диапазоне от 440 до 550 Дж/(кг·град); удельная теплоемкость стали в таблице представлена в интервале температуры от 20 до 1000°С.
Удельная теплоемкость стали при различных температурах
| Марка стали | Температура, °С | Теплоемкость стали, Дж/(кг·град) |
| 02Х17Н11М2 | 20…400…600…800 | 470…560…610…650 |
| 02Х22Н5АМ3 | 20…100…200…300…400 | 480…500…530…550…590 |
| 03Х24Н6АМ3 (ЗИ130) | 20…100…200…300…400 | 480…500…530…550…570 |
| 05ХН46МВБЧ (ДИ65) | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 445…465…480…490…500…510…515…520 |
| 06Х12Н3Д | 100…200…300…400 | 523…544…577…594 |
| 07Х16Н6 (Х16Н6, ЭП288) | 100…200…300…400…500…600…700 | 440…500…550…590…630…670…710 |
| 08 | 100…200…400…600 | 465…477…510…565 |
| 08кп | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 482…498…514…533…555…584…626…695…695 |
| 08Х13 (0Х13, ЭИ496) | 20 | 462 |
| 08Х14МФ | 20…100…200…300…400…500…600 | 460…473…502…540…574…682…754 |
| 08Х17Т (0Х17Т, ЭИ645) | 20 | 462 |
| 08Х17Н13М2Т (0Х17Н13М2Т) | 20 | 504 |
| 08Х18Н10 (0Х18Н10) | 20 | 504 |
| 08Х18Н10Т (0Х18Н10Т, ЭИ914) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…494…515…536…549…561…574…595 |
| 08ГДНФЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 483…500…517…529…554…571…613…697…693 |
| 09Х14Н19В2БР1 (ЭИ726) | 20 | 502 |
| 015Х18М2Б-ВИ (ЭП882-ВИ) | 100…200…300…400 | 473…519…578…636 |
| 1Х14Н14В2М (ЭИ257) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…486…515…536…544…557…590…624 |
| 4Х5МФ1С (ЭП572) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 431…477…519…565…620…703…888…766…749 |
| 10 | 100…200…400…600 | 465…477…510…565 |
| 10кп | 100…200…400…600 | 466…479…512…567 |
| 10Х12Н3М2ФА(Ш) (10Х12Н3М2ФА-А(Ш)) | 100…200…300…400…500 | 510…538…562…588…627 |
| 10Х13Н3М1Л | 20 | 495 |
| 10Х17Н13М2Т (Х17Н13М2Т, ЭИ448) | 20 | 504 |
| 10Х17Н13М3Т (Х17Н13М3Т, ЭИ432) | 20 | 504 |
| 10Х18Н9Л | 100 | 504 |
| 10ГН2МФА, 10ГН2МФА-ВД, 10ГН2МФА-Ш | 100…200…300…400 | 469…553…599…628 |
| 12МХ | 20…200…300…400…500…600…700 | 498…519…569…595…653…733…888 |
| 12X1МФ (ЭИ575) | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 507…597…607…643…695…783…934…1025 |
| 12Х13 (1Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 473…487…506…527…554…586…636…657…666 |
| 12Х13Г12АС2Н2 (ДИ50) | 100…200…300…400…500…600…700 | 523…559…602…613…648…668…690 |
| 12Х18Н9 (Х18Н9) | 20 | 504 |
| 12Х18Н9Т (Х18Н9Т) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 469…486…498…511…519…528…532…544…548 |
| 12Х18Н12Т (Х18Н12Т) | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 461…494…515…540…548…561…574…595 |
| 14Х17Н2 (1Х17Н2, ЭИ268) | 20 | 462 |
| 15 | 100…200…400…500 | 469…481…523…569 |
| 15Г | 100…300…500 | 496…538…592 |
| 15К | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 15кп | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 465…486…515…532…565…586…620…691 |
| 15Л | 100…200…400…600 | 469…477…515…570 |
| 15Х2НМФА-А, 15Х2НМФА-А класс 1 | 100…200…300…400 | 490…515…540…569 |
| 15Х11МФБЛ (1Х11МФБЛ, Х11ЛА) | 100…200…300…400…500…600 | 494…528…574…641…741…867 |
| 15Х25Т (Х25Т, ЭИ439) | 20 | 462 |
| 15ХМ | 100 | 486 |
| 17Х18Н9 | 20 | 504 |
| 18Х11МНФБ (2Х11МНФБ, ЭП291) | 100…200…300…400…500…600 | 490…540…590…666…766…900 |
| 18ХГТ | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 495…508…525…537…567…588…626…705 |
| 20 | 100…200…400…500 | 469…481…536…569 |
| 20Г | 100…200…400…500 | 469…481…536…569 |
| 20ГСЛ | 100…200…400…500 | 469…482…536…569 |
| 20К | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 20Л | 100…200…400…600 | 469…481…536…570 |
| 20кп | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 486…498…514…533…555…584…636…703…695 |
| 20ХМЛ | 100…200…300…400…500 | 498…572…588…612…660 |
| 20ХМФЛ | 100…200…300…400…500…600 | 498…574…590…615…666…741 |
| 20Х3МВФ (ЭИ415, ЭИ579) | 100…200…300…400…500…600 | 502…561…611…657…716…754 |
| 20Х23Н13 (Х23Н13, ЭИ319) | 20 | 538 |
| 20Х23Н18 (Х23Н18, ЭИ417) | 20 | 538 |
| 20ХН3А | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 494…507…523…536…565…586…624…703 |
| 22К | 100…200…400…500 | 469…481…519…569 |
| 25 | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 25Л | 100…200…400…600 | 469…481…519…570 |
| 25Х1МФ | 20 | 461 |
| 25Х2М1Ф (ЭИ723) | 100…200…300…400…500…600 | 536…574…607…632…674…733 |
| 25ХГСА | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 496…504…512…533…554…584…622…693 |
| 30 | 100…200…300…400…500 | 469…481…544…523…762 |
| 30Г | 100…200…300…400…500 | 469…481…544…599…762 |
| 30Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…570 |
| 30Х13 (3Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 473…486…504…525…532…586…641…679…691 |
| 30ХГТ | 100…200…300…400…500…600…700…800 | 495…508…525…537…567…588…626…705 |
| 30Х | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 482…496…513…532…555…583…620…703…687…678 |
| 30ХН2МФА (30ХН2МВА) | 20…100…200…300…400 | 466…508…529…567…588 |
| 30ХН3А | 100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 494…504…518…536…558…587… 657…703…695…687 |
| 33ХС | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 466…508…529…563…599…622…634…664 |
| 35 | 100…200…400…500 | 469…482…524…570 |
| 35Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…574 |
| 35ХГСЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 496…504…512…533…554…584…622…693…689 |
| 35ХМЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 479…500…512…529…550…580…617…689…685 |
| 36Х18Н25С2 (4Х18Н25С2, ЭЯ3С) | 20 | 515 |
| 40 | 100…200…300…400…600 | 469…481…519…523…574 |
| 40Г | 100…200…400…600 | 486…481…490…574 |
| 40Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…574 |
| 40Х10С2М (4Х10С2М, ЭИ107) | 300…400…500 | 532…561…586 |
| 40Х13 (4Х13) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 452…477…502…528…553…578…620…666…691 |
| 40ХЛ | 100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 491…508…525…538…569…588…626…701…689 |
| 45 | 100…200…400…500 | 469…482…524…574 |
| 45Г2 | 100…200 | 444…427 |
| 45Л | 100…200…400…600 | 469…481…523…569 |
| 45Х14Н14В2М (ЭИ69) | 300…400…500…600 | 507…511…523…528 |
| 50 | 300…400…500 | 561…641…787 |
| 50Г | 20…100…200…300…400…500…600…700 | 487…500…517…533…559…584…609…676 |
| 50Л | 100…200…400…600 | 478…511…511…569 |
| 55 | 100…200…400…500 | 477…486…523…569 |
| 60 | 100…200…400…600 | 481…486…528…565 |
| ХН35ВТ (ЭИ612) | 100…200…300…400…500…600 | 511…544…569…590…595…595 |
| ХН64ВМКЮТЛ (ЗМИ3) | 20…100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 430…450…470…490…515…540…565… 590…625…650…1008 |
| ХН65ВКМБЮТЛ (ЭИ539ЛМУ) | 20…100…200…300…400…500…600… 700…800…900…1000 | 424…436…480…493…505…518…548… 596…650…692…710 |
| ХН65ВМТЮЛ (ЭИ893Л) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800 | 425…430…440…470…500…510…550…615…650 |
| ХН65КМВЮТЛ (ЖС6К) | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 380…400…420…445…470…485…515…560…610…660 |
| ХН70БДТ (ЭК59) | 100…200…300…400 | 450…475…500…505 |
| ХН70КВМЮТЛ (ЦНК17П) | 20 | 440 |
| ХН80ТБЮА (ЭИ607А) | 100…200…300…400…500…600 | 494…547…607…678…749…829 |
| Х15Н60-Н | 20 | 460 |
| Х20Н80-Н | 20 | 460 |
| Х23Ю5Т | 20…800 | 480…750 |
| Х27Ю5Т | 20…800 | 500…690 |
| А12 | 100…300…400…600 | 469…477…515…569 |
| Р6М5 | 100…200…300…400…500…600…700 | 440…470…500…550…580…670…900 |
| Р18 | 100…200…300…400…500…600…700 | 420…450…470…510…550…610…690 |
| У8, У8А | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 477…511…528…548…565…594…624…724…724…703 |
| У12, У12А | 20…100…200…300…400…500…600…700…800…900 | 469…503…519…536…553…720…611…712…703…699 |
Теплоемкость нержавеющей стали
1.3.2. Теплоемкость, теплопроводность материалов.
Теплоемкость , это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании .
Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу объема материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг·К)]. Эта величина экстенсивная, т.е. можно говорить о теплоемкости отдельной молекулы или атома, затем их просуммировать и получить теплоемкость одного грамма или одного моля вещества. Значение теплоемкости зависит от природы материала. Самая высокая теплоемкость у воды 4.2 ·10 3 Дж/(кг·К) или 4.2 кДж/(кГ·К). У подавляющего большинства материалов удельная теплоемкость порядка 1 кДж/(кг·К). Теплоемкость зависит от температуры. Вблизи нуля Кельвина она мала, в рабочем диапазоне температур — слабо меняется с ростом температуры.
Какие-либо скачки теплоемкости связаны со структурной перестройкой тел, например с растянутым плавлением у таких веществ, как парафин. Здесь можно упомянуть пример с парафиновой прогревающей повязкой, когда тепло долго сохраняется за счет высокой теплоемкости парафина и повязка греет длительное время.
Теплоемкость газов хорошо изучена теоретически. Для газов даже введено два типа теплоемкости: при постоянном давлении Cp и при постоянном объеме Cv. Обычно рассматривают теплоемкость, приходящуюся на одну молекулу. Тогда для одноатомного газа Cp=5/2 kT, а Cv=3/2 kT. Почему при постоянном давлении труднее нагревать молекулы? Ясно, что при этом газ расширяется, значит, нужна дополнительная энергия, чтобы нагревать газ при постоянном давлении. Отметим, что для многоатомных газов теплоемкость выше, т.к. при нагревании требуется энергия для вращения молекул, колебаний и т.п.
Приведем выражение для тепловой энергии материала:
Материал чугун: основные свойства и важные характеристики
Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.
Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.
Тепловые свойства чугуна
У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.
Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:
Теплоемкость
Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.
Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.
За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см 3 *ºС, для жидкого – 1,5 кал/см 3 *ºС.
Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы
Теплопроводность
В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.
Температуропроводность
Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см 2* /сек.
О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.
Температура плавления
Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.
В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.
В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.
Температура плавления чугуна и других металлов
Физические характеристики
Масса
Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.
Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см 3 , у белого — 7,5±0,2 г/см 3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см 3 .
О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:
Объем
Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.
Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.
О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.
Плотность
Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см 3 . Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.
Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.
Механические особенности
Предел прочности
Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.
- При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
- Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
- Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.
Пластичность
Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.
- В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
- В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.
Упругость
Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.
Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.
Ударная вязкость
Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:
- когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
- когда содержание феррита увеличивается;
- когда уменьшается содержание графита.
Предел выносливости
Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.
Гидродинамические свойства
Динамическая вязкость
На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).
Поверхностное натяжение
Это показатель равен 900±100 дин/см 2 . Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.
Токсичность
Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.
Электрические характеристики
Электропроводность чугуна оценивают с помощью закона Курнакова. Электросопротивление некоторых видов приведено ниже:
- белый чугун — 70±20 Мк·ои·см.
- серый чугун — 80±40 Мк·ои·см.
- ковкий чугун — 50±20 Мк·ои·см.
Технологические особенности
Жидкотекучесть может быть определенная различными методами. Этот показатель зависит от формы и свойств чугуна.
Жидкотекучесть становится больше, когда:
- увеличивается перегрев;
- уменьшается вязкость;
- становится меньше затвердевание.
Так же жидкотекучесть зависит от теплоты плавления и теплоемкости.
Химические свойства
Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.
Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.
Влияние примесей на характеристики металла
- Так, марганец тормозит процесс графитизации. Выделение графита приостанавливается, в результате чугун приобретает способность отбеливаться.
- Сера ухудшает литейные и механические характеристики.
- Сульфиды в основном образуются в сером чугуне.
- Фосфор улучшает литейные свойства, увеличивает износостойкость и повышает твердость. Однако на этом фоне чугун все же остается хрупким.
- Кремний больше всех влияет на структуру материала. В зависимости от количества кремня получаются белый и ферритный чугун.
Для получения определенных характеристик в чугун часто вводят специальные примеси при его изготовлении. Такие материалы получили название легированные чугуны. В зависимости от добавленного элемента чугуны могут называться алюминиевыми, хромистыми, серными. В основном элементы вводят с целю получить износостойкий, жаропрочный, немагнитный и коррозионностойкий материал.
В данном видео будет приведено сравнение свойств чугуна и стали:
