Физические свойства алюминия и меди: теплопроводность

Тяжело представить современный мир без такого металла, как алюминий. Благодаря таким своим качествам, как лёгкость, стойкость к коррозии, прочность и возможности входить в соединения с другими металлами алюминий стал важнейшим конструкционным материалом XX и XXI века.

Этот серебристый металл применяется во многих отраслях промышленности: в автомобилестроении, самолётостроении, в строительстве и безусловно, в электроэнергетике. Алюминий является 13 элементом в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. На данный момент подсчитано, что на него приходится примерно 8% от всей массы твёрдой земной коры и он является 3 химическим элементом по распространённости на планете Земля, уступая место только кислороду и кремнию.

История открытия

Но так как алюминий обладает высокой химической активностью, то в чистом виде он практически не встречается в природе, поэтому в отличие от многих других металлов о нём стало известно только в начале XIX века, когда алюминий был формально получен.

В 1824 году датский физик в процессе электролиза впервые получил алюминий. Хотя металл и содержал примеси ртути и калия, этот случай является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных условиях.

Имя учёного, привёдшего к революционному методу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но понадобилось ещё почти полвека, чтобы разработать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Именно благодаря этому минералу алюминий и получил своё название, которое на латыни звучит Alumen.

Алюминиевая руда

В современном мире при производстве алюминия применяют широко распространённую в природе алюминиевую руду — бокситы. Бокситы являются глинистой горной породой, в состав которой входят разнообразные модификации гидроксида с такими примесями, как хром, кремний, титан, сера, ванадий, карбонатные соли магния, кальций, железо.

В бокситах можно встретить почти половину таблицы химических элементов Менделеева. Ценность этой руды состоит в том, что помимо одной тонны алюминия, добытой из четырёх тонн бокситов, ценность для промышленности имеют и примеси. Из бокситов в процессе переработки получают белый порошок — оксид алюминия (Al2O3), который ещё имеет название «глинозём». Именно из глинозёма путём электролиза на современных предприятиях производят металл.

Роль электроэнергетики в производстве

При производстве алюминия затрачивается колоссальное количество электроэнергии. Для того чтобы получить одну тонну металла, энергии тратится столько, что её хватило бы на нужды 100-квартирного дома на протяжении целого месяца. А именно 15 МВт*ч. Поэтому большинство алюминиевых заводов располагаются недалеко от гидроэлектростанций, атомных электростанций или имеют собственные тепловые электростанции, а также развитую структуру электроэнергетических систем и сетей.

Свойства алюминия

В алюминии заложено редкое сочетание таких свойств, как:

• небольшой вес;
• пластика, электропроводность;
• возможность образовывать сплавы с другими металлами.

Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей оксидной плёнкой, которая является очень прочной и не позволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в горячем, и в холодном состоянии легко поддаётся обработке давлением. Такие методы обработки, как прокатка, штамповка, волочение часто производятся на предприятии при производстве тех или иных деталей.

Ещё одна ценность алюминия заключается в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в дополнительной окраске: это делает его применение в авто- и авиастроении незаменимым элементом. Ковкость алюминия удивляет: из него удалось изготовить лист и очень тонкую проволоку толщиной всего в 4 микрона, а толщины фольги — добиться в три раза тоньше волоса человека.

Благодаря возможности алюминия образовывать соединения с большой группой химических элементов появилась большая группа сплавов. Например, сочетание алюминия и цинка используется в создании корпусов различных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния используется при производстве различных типов двигателей, в составе элементов шасси и всевозможных двигателей. Различные сплавы применяются и в электроэнергетике.

Современная наука продолжает изучать и изобретать новейшие типы алюминиевых сплавов. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовался алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды промышленности, как авиационная, космическая, энергетическая, автомобильная, пищевая, электронная получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.

Нельзя не упомянуть о таком важном свойстве, как теплопроводность. Ведь именно это свойство металла требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому подобных. Теплоёмкость — это процесс переноса тепловой энергии в физических телах или их частицах от горячих объектов к холодным на основе закона Фурье. Конкурентом алюминия в данной области является медь.

Так какой же металл имеет большую теплопроводность? Это не совсем однозначный вопрос. Известно, что алюминий по теплопроводности уступает меди при средних температурах, но когда заходит речь о низких температурах, а именно при 50 К, тогда теплопроводность алюминия значительно возрастает, в то время как у меди теплопроводность становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это примерно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводность и плотность, уменьшаются.

Плотность серебристого металла определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м³, а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность равняется 2368 кг/м³. Снижение плотности метала в зависимости от температуры обуславливается его расширением при непосредственном нагревании.

Таблицы свойств алюминия и меди

Далее, рассмотрим таблицы физических свойств и теплопроводности алюминия и меди при соответствии разных температур.

• плотность Cu и Al, кг/м³;
• удельная теплоёмкость Cu и Al, Дж/(кг·K);
• температуропроводность Cu и Al, м²/с;
• теплопроводность Cu и Al, Вт/(м·K);
• удельное электрическое сопротивление Cu и Al, Ом·м;
• функция Лоренца Cu и Al;

Таблица физических свойств алюминия

Таблица физических свойств меди

Из всего вышеперечисленного ясно видно, что алюминий является одним из приоритетных металлов в промышленности, но у него есть ещё одно свойство: этот металл и его сплавы можно переплавлять, причём неоднократно, без потерь его характеристик. Помимо прочего, это экономически выгоднее, чем добыча из руды. Так, на одной электроэнергии экономия превышает 14 кВт/ч. По подсчётам, 75% добытого за всё время алюминия и его сплавов используются по настоящее время.