Специфичен топлинен капацитет на алуминия

Инженерната керамика от алуминий е сред най-широко използваните поради отличните си характеристики на атрактивна цена. Алуминият се отличава с изключителен специфичен топлинен капацитет и се предлага в различни класове.

В тази статия се изследва влиянието на наночастиците от алуминий (NPs) върху единичните коефициенти на хидрофобност (SHC) на нанофлуиди на основата на разтопена сол. Експерименталните данни разкриват, че SHC намаляват с намаляването на размера и концентрацията на NP; освен това са предложени и теоретични прогнози в подкрепа на тези експериментални резултати.

Термодинамични свойства

Алуминиевият оксид е една от най-широко използваните инженерни керамики, известна с отличните си свойства за устойчивост на топлина, корозия и износване. Финозърнестият технически алуминиев оксид предлага по-голяма механична якост и якост на натиск от всяка друга оксидна керамика; освен това се отличава с ниска диелектрична константа и химическа инертност, което го прави подходящ за работа в тежки условия.

Въпреки това термодинамичните му свойства все още не са достатъчно изяснени; например високата му специфична топлина затруднява бързото му охлаждане. Ето защо разбирането на термодинамичните му свойства е жизненоважно при използването на алуминиев оксид в различни приложения; един от начините за това е измерването на ентропията на стандартното състояние и свободната енергия на Гибс, както е показано по-долу.

Термодинамичните данни за алуминиевия оксид могат да се използват за изчисляване на неговата изпарителна енталпия и ентропия на кристализация, което предоставя безценна информация при проектирането на процеси, които изискват материала, или при сравняването на неговите характеристики с различни продукти. Енталпията на изпарение за пробите от алуминий зависи от тяхната температура, налягане и плътност - тя може да се определи от температурната зависимост на налягането на парите и енталпията, получени чрез решаване на уравнението на Поасон в цилиндрични обеми за проби с подобна геометрия, каквато е намерена тук.

Тази формула може да се използва за изчисляване на енталпията на изпарение на твърди проби въз основа на данни за температурата и налягането, въпреки че е важно да се помни, че пробите с голяма повърхност могат да доведат до по-високи енталпии на изпарение от обемните им еквиваленти.

Изчисляването на енталпията на изпарение изисква да се вземе предвид температурата, тъй като нейната стойност зависи от температурните колебания; тъй като стойността ѝ се увеличава при повишаване на температурата на пробата. Поради това е от решаващо значение измерванията както на специфичната топлина, така и на енталпията да се извършват при сходни температури.

Термодинамичните данни за алуминия могат да бъдат получени с помощта на адиабатен калориметър или чрез пускане на капка в леден калориметър на Бунзен и измерване на ентропията в стандартно състояние с помощта на една от двете техники. Както е показано на фигура 4, ентропията на стандартното състояние се увеличава с увеличаване на температурата, като достига най-високата си стойност при 14 K.

Топлопроводимост

Топлопроводимостта измерва колко лесно топлината преминава през материалите. Това свойство се определя от взаимодействията между молекулите в материала и начина, по който те се движат в него, от структурата и разположението му, които оказват влияние върху топлопроводимостта, както и от използваните техники за измерване. Алуминият има една от най-високите топлопроводимости сред инженерната керамика - което го прави отличен кандидат за използване в абразиви и огнеупорни материали.

Топлопроводимостта на алуминия се определя от молекулното му разположение и дължината на пътя, по който трябва да премине топлината, което от своя страна зависи от температурата. По-ниските температури обикновено водят до по-голяма проводимост, докато структурата му може да бъде променена чрез манипулации; например примесите в алуминия могат да окажат влияние върху проводимостта му, тъй като причиняват по-ниски стойности от чистите форми.

Размерът също играе роля в топлинните свойства на алуминиевия оксид; по-малките гранули са склонни да показват по-малка топлопроводимост от по-големите си аналози, тъй като имат по-голяма повърхност, която взаимодейства помежду си и обменя енергия със заобикалящата ги среда. По-големите гранули обаче са склонни да остават изолирани и не обменят лесно енергия помежду си.

Топлопроводимостта може да бъде повлияна както от атомни и молекулни взаимодействия, така и от плътността на материала. Една метална сплав ще има по-ниска топлопроводимост поради вибрациите на атомите в твърдото тяло, които намаляват средния свободен път на свободните електрони в нея, което ги кара да губят топлинна енергия по-ефективно, отколкото нейният аналог от чист метал.

Специфичният топлинен капацитет на алуминия - или колко енергия е необходима, за да се повиши температурата му с определено количество - оказва влияние върху неговата топлопроводимост, тъй като по-високата стойност на специфичната топлина означава, че е необходима повече енергия за повишаване на температурата.

Специфичният топлинен капацитет на алуминия може да варира значително в зависимост от температурата на калциниране и съдържанието на вода в материала, като корундът (a-Al2O3) има най-висок специфичен топлинен капацитет сред всички форми. Фазите G-Al2O3 обикновено имат по-ниски специфични топлинни капацитети в сравнение със своите аналози, което се отразява в по-ниската им топлопроводимост.

Устойчивост на корозия

Алуминият е издръжлив технически керамичен материал с отлична устойчивост на корозия, термична стабилност и температурна устойчивост. Освен това алуминият се предлага в различни форми, размери и класове, за да отговори на специфичните нужди на приложението.

Медта или други метали могат да помогнат за подобряване на корозионната устойчивост на алуминия, като се добавят в матрицата му, спомагат за намаляване на кристалните структури и насърчават образуването на повече защитни слоеве. Ниобий, титан и ванадий също могат да се добавят за допълнително подобряване на устойчивостта на корозия.

Друг начин за повишаване на корозионната устойчивост на алуминия е включването му в други сплави. След като се комбинират с други елементи, като никел или титан, аустенитните неръждаеми стомани (AFA SSs), образуващи алуминий, имат по-високи температурни експлоатационни възможности от самостоятелното си състояние [1]. Например, те могат да издържат на температури, надвишаващи 750 градуса по Целзий, без това да се отрази на живота при скъсване при пълзене [1].

Ниобият може значително да повиши устойчивостта на алуминия на корозия в агресивни среди. Когато се добави към матрица от алуминий, той образува ниобиев карбид (NbC), който е устойчив на високи температури. Освен това добавянето на ниобий спомага за стабилизиране на микроструктурата на алуминия и предотвратява всякакви повреди по време на процесите на синтероване.

Този метод може да се използва за производство на сплави на основата на алуминий с желани свойства за различни приложения, включително автомобилостроене, химическа обработка, електротехника и електроника.

Алуминият се е доказал като изключително устойчив на корозия, причинена от корозивни водни разтвори, като издържа на въздействието на сярна и фосфорна киселина, както и на сулфатни и хлоридни соли, и същевременно е неподатлив на органични киселини като лимонената киселина. Благодарение на тези характеристики алуминият е идеален материал за производство на газообразни горива от водород; освен това той се използва широко в процесите на производство на свръхкритична вода като отличен материал за избор.

Температура на топене

Температурите на топене или преходните температури на веществата са неразделна част от производствените приложения, тъй като те определят дали твърдите вещества започват да се превръщат от твърда в течна форма. Алуминият има шестата най-висока температура на топене сред металите - 1220 F до 660 C; тази висока температура на топене позволява на алуминия да понася тежки условия, без да се деформира или да стане крехък.

Алуминият има изключително висока температура на топене поради енергията, необходима за разкъсване на ковалентните връзки между атомите на алуминия и кислорода, което води до изключително високата му температура на топене. Това означава, че той запазва структурната си цялост при много високи температури, което го прави отличен огнеупорен материал, използван за облицовка на пещи и камини.

При топенето на алуминиев оксид се получава бял разтопен метал с изключително гладка структура, идеален за формоване в различни форми и за отливане на големи листове или блокове за различни приложения. Процесът на топене обаче изисква задълбочени познания, тъй като химическите примеси в стопилката могат да променят свойствата му, включително температурата на топене. Ето защо е от решаващо значение производствените процеси да се управляват отблизо, като същевременно се следи качеството на стопилката, за да се идентифицират примесите, преди да се извърши леенето.

Химическите примеси могат да повлияят на температурата на топене на алуминия, но температурата на топене може да варира и в зависимост от състава му. Факторите, които оказват влияние върху температурата на топене, включват процентното съдържание на алуминий, фазовата фракция g и съдържанието на порьозност; добавянето на тези допълнителни компоненти може значително да повиши температурата му на топене в сравнение с използването само на чист алуминий като материал за производство.

Освен от вариациите в термодинамичните и енергийните му свойства, топлинният капацитет на алуминия зависи и от начина на производство. Експериментите показват, че функциите на топлинния капацитет на образци, създадени с помощта на различни алуминиеви алкоксиди, калцинирани при различни крайни температури, могат да се различават значително - което подчертава тяхната сложност като измервания, както и важността на практикуването на строги калориметрични практики по време на създаването им.