Capacitatea termică specifică a aluminei

Ceramicele tehnice din alumină sunt printre cele mai utilizate datorită performanțelor lor superioare la un preț atractiv. Alumina se mândrește cu o capacitate termică specifică remarcabilă și este disponibilă în diferite clase.

Prezenta lucrare investighează impactul nanoparticulelor de alumină (NP) asupra coeficienților de hidrofobicitate unică (SHC) ai nanofluidelor pe bază de sare topită. Datele experimentale au arătat că SHC scad odată cu scăderea atât a dimensiunii, cât și a concentrației de NPs; în plus, au fost propuse și predicții teoretice care susțin aceste rezultate experimentale.

Proprietăți termodinamice

Alumina este una dintre cele mai utilizate ceramici tehnice, cunoscută pentru proprietățile sale excelente de rezistență termică, la coroziune și la uzură. Alumina tehnică cu granulație fină oferă o rezistență mecanică și la compresiune mai mare decât orice altă ceramică oxidică; în plus, se mândrește cu o constantă dielectrică scăzută și inerție chimică, ceea ce o face potrivită pentru medii dificile.

Cu toate acestea, proprietățile sale termodinamice sunt încă puțin cunoscute; de exemplu, căldura sa specifică ridicată face dificilă răcirea sa rapidă. Prin urmare, înțelegerea proprietăților sale termodinamice este vitală atunci când se utilizează alumina în diverse aplicații; o modalitate de a face acest lucru este măsurarea entropiei stării standard și a energiei libere Gibbs, după cum se arată mai jos.

Datele termodinamice privind alumina pot fi utilizate pentru a calcula entalpia de vaporizare și entropia de cristalizare a acesteia, furnizând informații neprețuite la proiectarea proceselor care necesită acest material sau la compararea performanțelor sale între diverse produse. Entalpia de vaporizare a probelor de alumină depinde de temperatura, presiunea și densitatea acestora - aceasta poate fi determinată din dependența de temperatură a presiunii de vaporizare și a entalpiei obținute prin rezolvarea ecuației lui Poisson în volume cilindrice pentru probe cu geometrie similară celei găsite aici.

Această formulă poate fi utilizată pentru a calcula entalpia de vaporizare a probelor solide pe baza datelor de temperatură și presiune, deși este important de reținut că probele cu suprafață mare ar putea duce la entalii de vaporizare mai mari decât echivalentele lor volumetrice.

Calcularea entalpiei de vaporizare necesită luarea în considerare a temperaturii, deoarece valoarea sa depinde de fluctuațiile de temperatură; întrucât valoarea sa crește odată cu creșterea temperaturii probei. Ca atare, este esențial ca măsurătorile pentru căldura specifică și entalpie să fie efectuate la temperaturi similare.

Datele termodinamice ale aluminei pot fi obținute fie cu ajutorul unui calorimetru adiabatic, fie prin picurarea unei picături într-un calorimetru cu gheață Bunsen și măsurarea entropiei sale în stare standard folosind oricare dintre tehnici. După cum se demonstrează în figura 4, entropia sa în stare standard crește odată cu creșterea temperaturii, atingând cea mai mare valoare la 14 K.

Conductivitate termică

Conductivitatea termică măsoară cât de ușor trece căldura prin materiale. Această proprietate este determinată de interacțiunile dintre moleculele unui material și de modul în care acestea se deplasează în interiorul acestuia, de structura și dispunerea sa care influențează conductivitatea termică, precum și de tehnicile de măsurare utilizate. Alumina are una dintre cele mai mari conductivități termice dintre ceramicele tehnice - ceea ce o face un candidat excelent pentru utilizarea în aplicații de abrazive și refractare.

Conductivitatea termică a aluminei este determinată de aranjamentul său molecular și de lungimea căii prin care trebuie să treacă căldura, care la rândul său depinde de temperatură. Temperaturile scăzute tind să ducă la o conductivitate mai mare, în timp ce structura sa poate fi modificată prin manipulare; de exemplu, impuritățile din alumină ar putea avea un impact asupra conductivității sale, deoarece acestea determină valori mai scăzute decât formele pure.

Dimensiunea joacă, de asemenea, un rol în proprietățile termice ale aluminei; granulele mai mici tind să prezinte o conductivitate termică mai mică decât cele mai mari, deoarece au o suprafață mai mare care interacționează între ele și schimbă energie cu mediul înconjurător. Granulele mai mari, în schimb, tind să rămână izolate și să nu facă schimb de energie cu ușurință între ele.

Conductivitatea termică poate fi afectată atât de interacțiunile atomice și moleculare, cât și de densitatea materialului. Un aliaj metalic va avea o conductivitate termică mai scăzută din cauza vibrațiilor atomilor din solidul său care reduc calea liberă medie a electronilor liberi din acesta, ceea ce îi determină să piardă energia termică mai eficient decât omologul său din metal pur.

Capacitatea termică specifică a aluminei - sau câtă energie este necesară pentru a crește temperatura cu o anumită valoare - are un efect asupra conductivității sale termice, deoarece o valoare termică specifică mai mare înseamnă că necesită mai multă energie pentru creșterea temperaturii.

Capacitatea termică specifică a aluminei poate varia considerabil în funcție de temperatura de calcinare și de conținutul de apă al materialului, corindonul (a-Al2O3) având cea mai mare capacitate termică specifică dintre toate formele. Fazele G-Al2O3 tind să aibă capacități termice specifice mai mici în comparație cu fazele lor similare, ceea ce se reflectă în conductivitățile lor termice mai mici.

Rezistența la coroziune

Alumina este un material ceramic tehnic rezistent, cu proprietăți excelente de rezistență la coroziune, stabilitate termică și rezistență la temperatură. În plus, Alumina este disponibilă în diferite forme, dimensiuni și grade pentru a răspunde nevoilor specifice ale aplicațiilor.

Cuprul sau alte metale pot contribui la îmbunătățirea rezistenței la coroziune a aluminei prin adăugarea lor în matricea acesteia, contribuind la reducerea structurilor cristaline și la promovarea formării mai multor straturi protectoare. Niobiu, titan și vanadiu pot fi, de asemenea, adăugate pentru îmbunătățirea suplimentară a rezistenței la coroziune.

O altă modalitate de creștere a rezistenței la coroziune a aluminei este încorporarea acesteia în alte aliaje. Odată combinate cu alte elemente, cum ar fi nichelul sau titanul, oțelurile inoxidabile austenitice care formează alumină (AFA SSs) au capacități de funcționare la temperaturi mai ridicate decât în stare simplă [1]. De exemplu, acestea pot rezista la temperaturi de peste 750 °C fără a afecta durata de viață la rupere prin fluaj [1].

Niobiul poate spori semnificativ rezistența la coroziune a aluminei în medii agresive. Atunci când este adăugat la o matrice de alumină, acesta formează carbură de niobiu (NbC), care este rezistentă la temperaturi ridicate. În plus, adăugarea de niobiu ajută la stabilizarea microstructurii aluminei și la prevenirea oricăror deteriorări în timpul proceselor de sinterizare.

Această metodă poate fi utilizată pentru a produce aliaje pe bază de alumină cu proprietăți dorite pentru diverse aplicații, inclusiv pentru industria auto, prelucrarea chimică, electrică și electronică.

Alumina s-a dovedit foarte rezistentă la coroziunea cauzată de soluțiile apoase corozive, rezistând atacurilor acizilor sulfuric și fosforic, precum și sărurilor de sulfat și clorură, fiind în același timp impermeabilă la acizii organici precum acidul citric. Datorită acestor caracteristici, alumina este un material ideal pentru producerea de combustibili gazoși pe bază de hidrogen; în plus, este utilizată pe scară largă în procesele de generare a apei supercritice, fiind un material de alegere excelent.

Punct de topire

Punctele de topire sau temperaturile de tranziție ale substanțelor sunt un factor integral al aplicațiilor de producție, deoarece determină dacă solidele încep să se transforme din formă solidă în formă lichidă. Aluminiul are al șaselea cel mai înalt punct de topire dintre metale, de la 1220 F la 660 C; acest punct de topire ridicat permite aluminiului să tolereze condiții dificile fără a se deforma sau a deveni fragil.

Alumina are un punct de topire extrem de ridicat datorită energiei necesare pentru ruperea legăturilor sale covalente dintre atomii de aluminiu și oxigen, ceea ce duce la punctul său de topire extrem de ridicat. În plus, acest lucru înseamnă că își păstrează integritatea structurală la temperaturi foarte ridicate, ceea ce o face un material refractar excelent utilizat pentru căptușirea cuptoarelor și a cuptoarelor.

Prin topirea aluminei se obține un metal alb, topit, cu o textură extrem de netedă, perfect pentru a fi turnat în diverse forme și în foi sau blocuri mari pentru diverse utilizări. Cu toate acestea, procesul său de topire necesită cunoștințe aprofundate, deoarece impuritățile chimice din topitură îi pot modifica proprietățile, inclusiv punctul de topire. Prin urmare, este esențial ca procesele de producție să fie gestionate îndeaproape, monitorizând în același timp calitatea topiturii pentru a identifica impuritățile înainte de turnare.

Impuritățile chimice pot afecta punctul de topire al aluminei, dar punctul său de topire poate varia și datorită compoziției sale. Factorii care îi influențează punctul de topire includ procentul de alumină, fracțiunea de fază g și conținutul de porozitate; adăugarea acestor componente suplimentare poate crește semnificativ punctul de topire în comparație cu utilizarea doar a aluminei pure ca material de fabricație.

În afară de variațiile proprietăților sale termodinamice și energetice, capacitatea calorică a aluminei depinde, de asemenea, de modul în care este fabricată. Experimentele au arătat că funcțiile capacității calorice ale probelor create folosind diverse alcoxizi de aluminiu calcinați la diferite temperaturi finale pot diferi semnificativ - subliniind complexitatea lor ca măsurători, precum și importanța practicilor calorimetrice riguroase în timpul creării lor.