Принципи розрахунку теплоємності металевого посуду застосовуються для батарей та ванн.

Чавунна батарея остигає довше.

Ще раз зверну увагу, що темпи охолодження предмета безпосередньо залежать від маси та питомої теплоємності матеріалу, з якого він виготовлений. Не плутати теплоємність та теплопровідність!

Чавунна батарея важча алюмінієвої втричі. Отже, має більшою теплоємністюу 2,5 рази.

Дуже часто ставлять питання: чому чавунні батареї остигають довше за сталеві?

І питомі теплоємності – 540 Дж/(кг*К) для чавуну та 460 Дж/(кг*К) для сталі – відносно мало відрізняються (15%). А весь секрет - значною мірою - полягає у значно більшій масі чавунних батарей.

Маса секції батарей:

Якщо ж порівнювати дві однакові за масою батареї – зі сталі та чавуну – то при однаковій температурі прогріву чавунна батарея збереже тепла більше на 15%.

Чавунна ванна зберігає тепло.

Чавунна ванна

Сталева ванна:

Тобто кількість тепла, що виділяється при охолодженні на 1 градус у чавунної ванни більше, ніж у ванни зі сталі (у нашому прикладі) в 2,5 рази.

Теплоємність води у ванні:

З чого випливає, температура гарячої води(40 градусів), налита у ванну за кімнатної температури (20 градусів) впаде на 1 градус для сталевої ванни і на 2,5 градуса для чавунної ванни.

Металевий посуд очима фізика

Повертаючись до теми металевого посуду, покажу у цифрах фізику процесів.

Теплопровідність.

Теплопровідність чисельно дорівнює кількості теплоти (Дж), що проходить через одиницю площі (кв.м) за одиницю часу (сек) за одиничного температурного градієнта.

Коефіцієнти теплопровідності із довідника:

Висновок: чавун розподіляє тепло повільно. Іншими словами, м'ясо на чавунній сковороді не пригорятиме (у тому числі) через рівномірніший розподіл тепла.

Схожа ситуація у приготуванні шашлику на природі. Приготування м'яса на вугіллі дозволяє пропекти шматки. Приготування на відкритому вогні просто засмажує зовнішню частину шматків м'яса, залишивши внутрішні сирими.

Теплоємність.

Теплоємність чисельно дорівнює кількості теплоти (Дж), яку необхідно передати, щоб змінити її температуру на одиницю (К).

Питома теплоємність.

Питома теплоємність – кількість теплоти (Дж), яку необхідно передати одиниці маси речовини (кг), щоб температура змінилася на одиницю температури (К).

Іншими словами, щоб порахувати теплоємність металевого посуду – скільки теплової енергії буде у прогрітому до потрібної температури посуді – необхідно масу посуду (кг) помножити на питому теплоємність металу (Дж/(кг*К)), з якого він виготовлений.

Значення питомої теплоємності із довідника:

Питома теплоємність – важливий параметр, що визначає характеристики сталі. Він показує кількість тепла, яке потрібно витратити на нагрівання кілограма металу на 1 градус. На теплоємність впливають різні особливості сталі, що особливо важливо при

Під питомою теплоємністюсталі розуміється кількість тепла, необхідне збільшення температури одного кілограма речовини рівно однією градус. Так само може використовуватися і шкала Цельсія, і Кельвіна.

На теплоємність впливають численні фактори:

• агрегатний стан речовини, що нагрівається;
• атмосферний тиск;
• спосіб нагрівання;
• тип сталі.

Зокрема, високолеговані сталі містять великі обсяги вуглеців, відносяться до тугоплавких. Відповідно, щоб нагріти на один градус необхідно більше тепла, ніж стандартні 460 Дж/(кг*К). Низьколеговані сталі нагріваються швидше та легше. Максимальна кількість тепла та енергії необхідна для нагрівання жароміцних матеріалів з антикорозійною обробкою.

Розрахунок теплоємності провадиться для кожного конкретного випадку. Необхідно враховувати і те, що з підвищенням температури речовини, що нагрівається, змінюється його теплоємність.

Питома теплоємність важлива під час проведення індукційного загартування чи відпуску деталей із сталі, чавуну, композитних матеріалів. При підвищенні температури виробу на певну кількість градусів у структурі відбуваються фазові зміни, відповідно змінюється і питома теплоємність. Для подальшого нагрівання знадобляться більші/менші обсяги тепла.

Питома теплоємність характеризує як процес нагрівання сталі чи композитних матеріалів, а й їх охолодження. Кожен матеріал при охолодженні віддає певну кількість тепла та/або енергії. Питома теплоємність дозволяє розрахувати, скільки тепла буде отримано при охолодженні одного кілограма металу однією градус. На тепловіддачу впливають площа матеріалу, що охолоджується, наявність/відсутність додаткової вентиляції.

Як розраховують питому теплоємність

Розраховують питому теплоємністьчастіше за шкалою Кельвіна. Але лише завдяки різниці в точці відліку, показник можна перевести в градуси Цельсія.

Параметр питомої теплоємності визначає кількість палива, необхідного нагріву деталі до заданої точки. Від цього залежить тип та марка сталі. Високолегований метал має більш високе значення параметра при однаковій температурі. Низьколеговані та вуглецеві сталі – менше.

Приклад:

Для порівняння, сталь Г13 має теплоємність 0,520 кДж/(кг*град) при температурі 100оС. Цей сплав є високолегованим, тобто містить більше хрому, нікелю, кремнію та інших додаткових елементів. Вуглецева сталь марки 20 при аналогічній температурі має питому теплоємність 0,460 кДж/(кг*град).

Таким чином, питома теплоємність залежить не тільки від температури, а й від виду сталі. Високолеговані сталі менш стійкі до утворення тріщин, що гірше піддається зварюванню. Тугоплавкість таких матеріалів підвищена. Ці показники прямо впливають на , які роблять із різних марок сталі. Стійкість, легкість, міцність – найважливіші критерії, що визначаються якістю такого сплаву.

У таблицях можна спостерігати показники питомої теплоємності високолегованих сталей Г13 та Р18, а також ряду низьколегованих сплавів. Діапазони температур – 50:650оС.

Чавун є сполукою заліза з вуглецем. Серед основних властивостей можна виділити масу, форму, обсяг та розміщення графітних домішок. В стані термодинамічної рівноваги будову сплавів заліза з вуглецями можна описати діаграмою. Під час модифікації складу змінюється:

Температура евтектики (про З) Т = 1135 + 5 * Si - 35 * P - 2 * Mn + 4 * Cr;
насиченість евтектики вуглецем (%) С = 4,3 - 0,3 * (Si + P) - 0,04 * Ni - 0,07 * Cr;
температура евтектоїдного перетворення (про С) T = 723 + 20 * Si + 8 * Cr - 30 * Ni - 10 * Cu - 20 * Mn;
насиченість евтектоїду вуглецем (%) C = 0,8 - 0,15 * Si - 0,8 * Ni - 0,05 * (Cr + Mn).

Розміщення критичних точок залежить від ступеня нагріву – у разі охолодження вони рухаються трохи вниз. Встановлено максимально точні прості формули для переважного числа, що не містить легуючих компонентів:

Насиченість евтектики вуглецем C = 4,3 - 0,3 * (Si + P);
насиченість евтектоїду вуглецем C = 0,8 - 0,15 * Si.

Вплив сполук на будову можна побачити в таблиці 1. Коефіцієнти, що визначають умовну графітизуючу дію, можна брати до уваги лише у разі наявності (C) (близько 3%) та кремнію (Si) (близько 2%).

Таблиця 1. Орієнтовний вплив елементів на структуру чавуну

Елементи				Відносна графітизуюча дія
		На основну металеву масу	На графіт	При затвердінні	У твердому стані
		Зменшення вмісту перліту
		Зменшення вмісту перліту	Збільшення кількості та укрупнення		від +0,2 до +0,5
Марганець	більше 0,8 більше 1,0	Роздрібнення перліту Освіта сірчистого марганцю	Слабке подрібнення Те саме, але зменшення кількості		від -0,2 до +0,5
		Освіта сірчистого марганцю	Те саме, але зменшення кількості		від -0,2 до +0,5
		Утворення сульфідів	Зменшення кількості
		Роздрібнення перліту	Збільшення кількості та слабке подрібнення		від +4 до -0,2
		Роздрібнення перліту	Зменшення кількості та слабке подрібнення		від -1,2 до -3,0
		Не впливає	Не встановлено		від +0,3 до -0,2
Молібден		Роздрібнення перліту. Освіта голчастої структури			від -0,5 до -1,5
		Роздрібнення перліту	Зменшення кількості. Значне подрібнення
Алюміній		Зменшення вмісту перліту	Збільшення кількості та укрупнення
Церій та магній			Сфероідінізація

Фізико-механічні властивості

Найважливіші показники фізико-механічних властивостей мікроструктури чавуну можна знайти у табл. 2, фізичних властивостей – у табл. 3. Зазначений у 3-й табл. питома вага здатна сильно відхилятися у зв'язку з коливаннями об'єму з'єднаного вуглецю та змінами кількості пір. Питома маса чавуну в останній момент його плавлення дорівнює 7 ± 0,1 г/см 3 . При додаванні різних домішок вона знижується. На зазначений у таблиці 3 коефіцієнт теплового розширення впливає будову чавуну.

Сильний неповоротний приріст обсягу відбувається у разі зміни температури, коли у фізичної системі відбувається рівноважний фазовий перехід. Показник може досягти 30 %, але найчастіше він не перевищує 3 % при розігріві до 500 о С. Приросту обсягу сприяють компоненти, що утворюють графіти, а заважають компоненти, що утворюють карбіди, а також покриття чавуну методом емальування, металізації та гальванізації.

Таблиця 2. Фізичні та механічні властивості структурних складових нелегованого чавуну

Структурна складова

Питома вага Г/см 3

Коефіцієнт теплового лінійного розширення a*10 - 1/оС при температурах 20 -100 про З

Теплоємність в кал/Г* o З при температурі

Теплопровідність в кал/см*сек С

Електроопір у мкОм 9 см

Межа міцності при розтягуванні σ в кГ/мм 2

Подовження σ у %

Твердість НВ

Аустеніт

Цементіт

Теплові властивості

Показник теплоємності чавуну конкретного складу можна встановити згідно із законом змішування, використовуючи інформацію, наведену в таблиці 2. Вона може дорівнювати 0,00018 ккал/(г о С) при подоланні температурою порога фазового переходу, аж до температури плавлення. Після подолання температури плавлення – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г·о С). Тепловий ефект при застиганні дорівнює 0,055 ± 0,005 ккал/г, а у разі евтектоїдного розпаду аустеніту обумовлюється об'ємом включеного перліту, і може досягати 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при евтектоїдній концентрації 0,8 %.

Теплоємність одиниці об'єму цієї речовини може використовуватися для укрупнених обчислень: для чавуну у твердому стані – приблизно 0,001 ккал/см 3 · С, а в рідкому стані – 0,0015 ккал/см 3 · С.

Теплопровідність не можна встановити за законом змішування; зазначені у табл. 2 її показники для елементів, при зростанні їх розмірів у дисперсних системах, знижуються. Типові показники теплопровідності вказані у табл. 3. Роль компонентів, що входять до чавуну, у зміні теплопровідності можна побачити на відхиленнях рівня графітизації. Показники теплопровідності заліза знижуються при підвищенні обсягу різних добавок, що входять до нього.

Чавун у розплавленому стані має теплопровідність близько 0,04 кал/см·с · про С.
З використанням укрупнених обчислень коефіцієнт теплопровідності чавуну в твердому стані прирівнюється до його теплопровідності, а в розплавленому стані - до 0,3 мм 2 /с.

Таблиця 3. Типові Фізичні властивостічавуну

Тип чавуну				Примітка з підвищенням температури: "+" - підвищується; "-" - знижується
Питома вага Г/см 3
Коефіцієнт теплового лінійного розширення a·10 -1/о С, при температурах 20-100 про С
Дійсно усадка в %
Теплопровідність в кал/см·сек про С
Динамічна в'язкість при температурі ліквід дин·сек/см 2
Поверхневий натяг у дин/см 2
Електроопір в Мк · ом · см
Теплоємність у кал/Г · про С
Коерцитивна сила в е
Залишковий магнетизм у гс

Гідродинамічні властивості

Показники абсолютної в'язкості можна знайти у табл. 4. В'язкості властиво знижуватися при зростанні частки, а також у разі зниження частини сірки та добавок неметалічного походження, обумовленого температурними показниками.

Зниження показників в'язкості та співвідношення абсолютних температур досвіду та моменту затвердіння знаходяться у прямій залежності. Під час переходу температури початку затвердіння показники в'язкості стрімко зростають.

Дані про поверхневе натяг чавуну для проведення укрупнених обчислень можна взяти з таблиці 3. Воно зростає зі зниженням частки вуглецю і стрімко змінюється при додаванні до складу компонентів неметалічного походження.

Для визначення електричних показників можна скористатися законом Курнакова. Приблизні величини домішок можна знайти у табл. 2, саме чавуну – в табл. 3. Вплив вхідних компонентів на електричний опір твердої речовиниумовно можна розмістити в такій послідовності, за спаданням: (Si), марганець (Mn), (Cr), (Ni), (Co).

Таблиця 4. Коефіцієнти в'язкості чавуну

Температура в о С	Коефіцієнт в'язкості (дин · сек/см 2) чавуну з вмістом вуглецю в %
Чавун застигає білим
Чавун застигає сірим

Механічні властивості

Статистичні показники. Межу міцності (поріг механічної напруги) чавуну можна обчислити якісним шляхом, виходячи з його будови згідно з показниками, зазначеними в таблиці 2. Міцність компонентів, що входять до структури чавуну, зростає з підвищенням їх зважених розмірів у дисперсних системах. На поріг механічної напруги найбільше впливає будова, чисельність, об'єм та розташування графітних складових; структура загальної маси металу не така важлива.

Максимальне зменшення міцності відзначається при розміщенні ланцюжкоподібних компонентів графіту, що роблять структуру металу не такою безперервною. Максимальні показники міцності металу надають сфероїдальної структури графіту. При збільшенні температури випробувального процесу поріг механічної напруги за великим рахунком не змінюється аж до 400 про C (на проміжку від 100 до 200 про C міцність незначно зменшується, в межах 10 - 15%). Після подолання показника 400 про C фіксується постійна втрата показників порога механічної напруги.

Характеристики пластичності обумовлені будовою загальної маси металу (згідно з показниками, наведеними в таблиці 2), але ще значніше – формою графітних домішок. Якщо форма сфероїдальна, то подовження може сягати 30 %. У сірому чавуні таке подовження практично ніколи не досягає десятої частини відсотка. Подовження в обпаленому сірому чавуні (з феритною будовою) можуть становити приблизно 1,5%.

Гнучкість обумовлюється, за великим рахунком, графітною структурою. Вона не змінюється у процесі теплового на чавун, а то й вносилися зміни у форму графітних домішок. Тести на вигин показують частку пружних деформацій рівну 50 - 80% від усієї деформації.

Повзучість чавуну не варто плутати з нагоди зростання (необоротного збільшення його обсягу). Чавун, у складі якого відсутні легуючі компоненти, при нагріванні, що перевищує 550 про C, характеризується залишковими деформаціями, що залежать від його зростання, переважають деформації, прийнятними при визначенні повзучості. Якщо її швидкість дорівнює 0,00001 % на годину, то за 1 тис. годин при навантаженні в межах 3 кг/мм 2 сірий чавун без легуючих компонентів виявляє стійкість при температурах у межах 400 о C, а чавун, що містить легуючі компоненти – аж до 500 о C. Підвищення опору повзучості можна досягти у аустенітного чавуну, а також у чавуну з добавкою молібдену або з підвищеною наявністю нікелю та хрому.

Якщо чавуні є добавки як графіту, його модуль пружності буде лише умовним. Цей показник не обумовлений будовою основного обсягу металу, і характеризується часткою графітних добавок та їх будовою: він знижується при підвищенні частки графітних добавок та при зменшенні їхньої схожості з глобулярною структурою.

Ударна в'язкість не зовсім точної характеристикою динамічних якостей. Вона зростає з підвищенням включень фериту, у разі зниження включень графіту, а також коли структура графітної складової максимально схожа з кулястою. При нерівномірному періоді навантажень, межа втоми досягає максимуму внаслідок підвищення напруги, що виникають у напрямку застосування навантаження. Межа втоми підвищується при зростанні порога механічної напруги та повторюваності навантажень.

Технологічні властивості

Рідкотечність визначається металевими властивостями та структурою. Найчастіше вона залежить від довжини заповнюваної виливки, і зростає при зниженні в'язкісних показників, підвищенні перегріву (разом з тим, найбільше на рідину впливає перегрів понад температуру початку застигання), зниженні проміжку застигання і обумовлюється прихованою теплотою плавлення і теплом.

Хімічні властивості

Ступінь протидії окисленню обумовлена ​​будовою чавуну та довкіллям (хімічний склад, температура та її перебіг). Елементи, що входять до складу чавуну, мають електродний потенціал. За зменшенням цієї величини їх можна розташувати в такій послідовності: графіт (карбідне залізо), подвійна або потрійна фосфідна евтектика – оксифер.

Напруга між графітом та оксифером (феритом) дорівнює 0,56 вольтам. Ступінь протидії корозії знижується при відповідному підвищенні рівня дисперсності компонентів, що входять до складу. Тим не менш, дуже велике зниження рівня дисперсності карбідного заліза знижує ступінь протидії окисленню. Легуючі компоненти впливають на здатність чавуну протидіяти окисленню разом із впливом на структурний склад. Надмірна протидія окислювальним процесам відзначається у чавунних виливків з кіркою після .

α , питома теплоємність зта теплопровідність λ залежить від складу і структури чавуну, і навіть від температури. Тому значення їх наводять у відповідному інтервалі температур. З підвищенням температури значення α і ззазвичай збільшуються, а λ зменшується (табл. 1).

Коефіцієнт лінійного розширення α та питома теплоємність cреальних неоднорідних структур, зокрема чавуну, можна визначити за правилом змішування:

де x 1 , х 2 , ..., х n - α або cструктурних складових (табл. 2);
a 1 , a 2 , ..., a n- кількісний зміст їх.

Теплопровідність сплавів та сумішей на відміну від коефіцієнта α та теплоємності cне може бути визначено за правилом змішування. Вплив окремих елементів на теплопровідність розрахунковим шляхом можна встановити лише приблизно.

на коефіцієнт α та питому теплоємність звпливає переважно склад чавуну, але в теплопровідність λ - ступінь графітизації, дисперсність структури, неметалеві включення тощо.

Коефіцієнт лінійного розширення визначає як зміни розмірів залежно від температури, а й напруги, що утворюються у виливках. Зменшення α є корисним з цих позицій і полегшує умови отримання якісних виливків. Але у разі спільної роботи чавунних деталей з деталями з кольорових сплавів або інших матеріалів, що мають більший коефіцієнт лінійного розширення, доводиться прагнути збільшення значення α для чавуну.

Теплоємність та теплопровідність мають велике значеннядля таких виливків, як опалювальні труби, виливниці, деталі холодильних установокта двигунів внутрішнього згорянняі т.д., оскільки визначають рівномірність розподілу температури у виливках та інтенсивність відведення теплоти.

У табл. 3 наведено теплофізичні властивості чавунів різних груп.

Таблиця 3. Теплофізичні властивостічавуну

Чавун	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)
Сірий із пластинчастим графітом (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
Високоміцний (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
Легований (ГОСТ 7769-82)
нікелевий ЧН20Д2Ш	17-19	—	460-502	17,4
з 35-37% Ni	1,5-2,5	—	—	—
хромистий:
ЧХ16	—	—	—	32,5 *1
ЧХ22	—	—	—	25,5 *1
ЧХ28	9-10	—	—	17,4 *1
ЧХ32	9-10	—	—	19,8 *1
крем'янистий:
ЧС5	14-17 *2	—	—	21,0 *3
ЧС15, ЧС17	4,7 *1	—	—	10,5
алюмінієвий:
ЧЮ22Ш	17,5 *1	—	—	15,1-28,0 *3
ЧЮ30	22-23 *2	—	—	—
*1 В інтервалі 20-200 °C.
*2 В інтервалі 20-900 °C.
*3 В інтервалі 20-500 °C.

Коефіцієнт лінійного розширення α

Коефіцієнт лінійного розширення α . Найбільший вплив на коефіцієнт α надає вуглець, особливо у зв'язаному стані. Одному відсотку вуглецю відповідає приблизно 5 разів більша кількістьцементиту, ніж графіту. Тому графітуючі елементи (Si, Al, Ti, Ni, Су та ін.)підвищують, а антиграфтизують (Cr, V, W, Мо, Мn та ін.)зменшують коефіцієнт лінійного розширення,

Найбільшим значенням α відрізняються аустенітні нікелеві чавуни, а також феритні алюмінієві чавуни типу чугаль та пірофераль. Тому за досить високого змісту Ni, Сu, Мnзначення α ; різко зростає. Однак за змістом Ni>20% α знижується: і досягає мінімуму при 35-37% Ni. Форма графіту істотно впливає коефіцієнт лінійного розширення лише за низьких температурах; α високоміцного чавуну з кулястим графітом трохи вище, ніж α чавуну з пластинчастим графітом.

Питома теплоємність чавуну

Питома теплоємність із чавуну, як і заліза, збільшується з підвищенням температури (див. табл. 2) та характеризується стрибкоподібним підвищенням при фазовому перетворенні Fe α → Fe λ ;потім питома теплоємність чавунурізко падає, але з подальшим підвищенням температури знову зростає.

Графітизація знижує питому теплоємність чавуну; звідси з білого; чавуну трохи вище, ніж сірого та високоміцного (див. табл. 4).

Теплопровідність чавуну.

Теплопровідність чавуну більшою мірою, ніж інші Фізичні властивості, залежить від структури, її дисперсності та дрібних забруднень, тобто є структурно-чутливою властивістю.

Графітизація підвищує теплопровідність; отже, елементи, що збільшують ступінь графітизації та розмір графіту, підвищують, а елементи, що перешкоджають графітизації та збільшують дисперсність структурних складових, знижують. Вказаний вплив графітизації менше для кулястого графіту (див. табл. 4).

Форма графіту, його виділення та розподіл також впливають на теплопровідність. Наприклад, високоміцний чавун має нижчу теплопровідність, ніж сірий чавун. Теплопровідність чавуну з вермікулярним графітом (ЧВГ) вища, ніж у ЧШГ, та близька до λ сірого чавуну з пластинчастим графітом.

Високолеговані чавуни характеризуються, як правило, нижчою теплопровідністю, ніж звичайні.