Что происходит с вкладышами при нагревании. Почему вода бывает легче самой воды?! Парообразование и конденсация

При нагревании тело получает тепло, а при охлаждении отдает его.

Количество теплоты, полученное телом при нагревании, можно рассчитать по формуле:

где с - удельная теплоемкость вещества,
m - масса вещества,

Разность конечной и начальной температур.

Эта же формула годится для расчета количества теплоты, выделившейся при охлаждении тела.

Удельная теплоемкость вещества - это физическая величина, показывающая количество теплоты, которое нужно передать 1 кг этого вещества для нагревания его на 1 °С.
Единица измерения удельной теплоемкости в системе СИ:
[ с ] = 1 Дж/(кг°С).

При охлаждении тела до прежней температуры выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на нагревание этого тела.

.......................

ИНТЕРЕСНО

1. Почему в водоемах летом вода на достаточной глубине плохо прогревается?

Нагревание воды солнечными лучами происходит сверху. Однако вода обладает плохой теплопроводностью.

2. Почему зимой на глубине у дна водоема сохраняется температура +4 градуса по Цельсию?

Первое – лёд не тонет.
Второе – вода, охладившаяся до +4 градусов по Цельсию, обладает наибольшей плотностью, поэтому опускается на дно.
Третье - плохая теплопроводность воды не может привести к выравниванию температуры по всей глубине.

Нагревание пузырька плотничьего уровня

С помощью этого прибора плотники выставляют горизонтальный уровень при строительных работах.
Если прибор лежит на горизонтальной поверхности, то пузырек воздуха, имеющийся в стеклянной трубке, заполненной водой, будет располагаться ровно по центру. При наклоне уровня пузырек сместится к одному из концов трубки.
Длина пузырька воздуха меняется при колебаниях температуры. Но, как? Когда пузырек больше: в теплую или в холодную погоду? В этих условиях газ не может расширяться, т.к. этому препятствует замкнутая в уровне жидкость. При нагревании расширение жидкости окажется больше расширения трубки, что и сжимает пузырек.
Итак, пузырек уровня в теплую погоду меньше, чем в холодную.
А, ты, согласен с этим?

Очень часто лед используется для охлаждения. Это возможно, потому что при таянии (плавлении) льда поглощается большое количество тепла.

Воде присущи поразительные свойства, которые сильно отличают ее от прочих жидкостей. Но это и хорошо, иначе, обладай вода «обычными» свойствами, планета Земля была бы абсолютно другой.

Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.

Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.

При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.

Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.

Влияние расширения воды на климат

Исключительные свойства воды при нагревании серьезным образом влияют на климат Земли, поскольку около 79% поверхности нашей планеты покрыто водой. За счет солнечных лучей происходит нагревание верхних слоев, которые затем опускаются ниже, а на их месте оказываются холодные слои. Те тоже, в свою очередь, постепенно нагреваются и опускаются ближе ко дну.

Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.

Объем тела напрямую связан с межатомным или межмолекулярным расстоянием вещества. Соответственно, увеличение объема обусловлено увеличением данных расстояний за счет различных факторов. Одним из таких факторов является нагрев.

Вам понадобится

• Учебник по физике, лист бумаги, карандаш.

Инструкция

Прочитайте в учебнике по , как устроены вещества, имеющие различное агрегатное состояние. Как известно, одно агрегатное состояние вещества отличается от другого явными внешними различиями, например, такими, как твердость, текучесть, масса или объем. Если же взглянуть внутрь каждого из видов веществ, можно заметить, что разница выражается в межатомном или межмолекулярном расстояниях.

Обратите внимание, что масса определенного объема газа всегда меньше массы такого же , а та, в свою очередь, всегда ниже массы твердого тела. Это говорит о том, что количество частиц вещества, умещающихся на единичный объем, у газов гораздо меньше, чем у жидкостей, и еще меньше, чем у твердых тел. Иначе, можно сказать, что концентрация частиц более твердых веществ всегда больше, чем у менее твердых, в частности, у жидких или газообразных. Значит, твердые тела имеют в своей структуре более плотную упаковку атомов, меньшее расстояние между частицами, чем, скажем, у жидкостей или газов.

Вспомните, что происходит с металлами, когда их нагревают. Они расплавляются и приобретают свойство текучести. То есть металлы становятся жидкостями. Если провести эксперимент, то можно заметить, что при расплавлении объем металлического вещества увеличивается. Вспомните также, что происходит с водой при нагревании и последующем кипении. Вода превращается в пар, представляющий собой газообразное состояние воды. Известно, что объем пара гораздо выше объема первоначальной жидкости. Таким образом, при нагревании тел межатомное или межмолекулярное расстояние увеличивается, что подтверждается опытами.

Раздел молекулярной физики, который изучает передачу энергии, закономерности превращения одних видов энергии в другие. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике не учитывается внутреннее строение веществ и микропараметры .

Термодинамическая система

Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры .

Количество теплоты

Это энергия , которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.

В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.

Нагревание и охлаждение

Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле

Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость - известная, уже вычисленная для всех веществ величина, в физических таблицах.

Теплоемкость вещества С - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.

Плавление и кристаллизация

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.

Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле

Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, в физических таблицах.

Парообразование (испарение или кипение) и конденсация

Парообразование - это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.

Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина,

Нагрев металлов перед ковкой является важной и ответственной операцией, от которой во многом зависит не только качество будущих деталей, но также производительность труда, работа оборудования, стойкость инструмента и себестоимость продукции.

В процессе нагрева изменяется строение металла, его свойства, состояние поверхностных слоев и др. Каждый сплав имеет температурный интервал обработки давлением и определенный режим нагрева. Нарушение указанных параметров нагрева ведет к снижению качества деталей, а возможно и к разрушению металла. Поэтому для будущего специалиста необходимо изучение явлений, происходящих в металле при нагревании.

Изменение размеров заготовки . При нагревании металлы расширяются, при охлаждении сжимаются. Изменение размеров заготовки определяют по формуле ∆l = l₀β∆t, где ∆l - изменение размера заготовки длиной l₀ при изменении ее температуры на ∆t"С, β - коэффициент линейного расширения (для стали β = 0,0000122, для алюминия β = 0,000024).

При ковке стальных поковок, которые деформируют, как правило, при температуре 1100 - 1200"С, величину усадки определяют приближенно, считая, что усадка составляет 1,2% от размера заготовки в горячем состоянии. Например, поковка длиной 500 мм после охлаждения до цеховой температуры будет иметь длину 495 мм, Если усадку металла не учесть, то получится брак поковки по размерам.

Влияние усадки на форму и размеры поковки особенно сказывается при ковке заготовок деталей сложной формы с длинными отростками, так как усадка может привести к сильному короблению поковки. Очень важно учитывать усадку металла при изготовлении рабочих ручьев штампов для объемной штамповки, особенно при точной объемной штамповке дорогостоящих сплавов.

Явления, происходящие при нагреве в поверхностных слоях заготовок. С повышением температуры активность взаимодействия металлов с атмосферой печи увеличивается. При нагреве сталей на поверхности заготовки образуется слой окислов железа FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, называемый также окалиной. Толщина слоя окалины зависит от температуры и времени нагрева, расположения заготовок в печи, состава печных газов и химического состава сплава. Наиболее интенсивно стали окисляются при температуре выше 900" С. Так, по сравнению со скоростью окисления при температуре 900" С при 1000" С скорость окисления увеличивается в два раза, при 1200"С - в пять раз.

Образование окалины ведет к потерям металла, увеличению припусков на механическую обработку, снижает производительность труда и, являясь твердым веществам, снижает стойкость инструмента при обработке давлением и обработке резанием.

Нагрев углеродистых сталей сопровождается образованием рыхлого слоя окалины, который легко удаляется, но не предохраняет металл от дальнейшего окисления. Окалина у сталей, легированных хромом, кремнием, вольфрамом, никелем, имеет малую толщину, плотное строение, не растрескивается и является защитой от дальнейшего окисления. Хромоникелевая сталь с 15 - 20% никеля. практически не окисляется и называется поэтому жароупорной.

Нагрев углеродистых сталей сопровождается выгоранием углерода с поверхностного слоя на глубину до 2 - 4 мм. Уменьшение содержания углерода, называемое обезуглероживанием, ведет к снижению прочности и твердости стали и ухудшению закаливаемости детали. Обезуглероживание особенно вредно для поковок небольших размеров, имеющих малые припуски на механическую обработку и подвергаемых последующей закалке. Для крупных поковок обезуглероживание не опасно, поскольку в процессе ковки и охлаждения углерод из внутренних слоев заготовки дифундирует в наружные и химический состав сплава выравнивается.

Неравномерность нагрева и выравнивание температуры по сечению заготовки. Прогрев заготовки по сечению осуществляется за счет теплопередачи от наружных слоев к внутренним. Чем меньше коэффициент теплопередачи металла, больше скорость нагрева* и площадь поперечного сечения заготовки, тем больше разность температур между наружными и внутренними слоями заготовки. Под действием высокой температуры наружные слои расширяются больше внутренних и между ними возникают большие напряжения, которые могут привести даже к разрушению. Большинство заготовок из углеродистых конструкционных сталей сечением до 100 мм «не боится» быстрого нагрева и поэтому их можно закладывать холодными в печь с температурой до 1300"С.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многие сложные сплавы имеют низкую теплопроводность и во избежание образования трещин требуют медленного нагрева. Такие стали и сплавы загружают сначала в печь, имеющую невысокую температуру, некоторое время выдерживают при этой температуре и только после прогрева всего сечения начинают дальнейший подъем температуры.

После того как наружные слои заготовки нагреются до ковочной температуры, заготовки оставляют еще некоторое время в печи для выравнивания температуры металла по всему сечению. Это время называется временем выдержки.

Ковать неравномерно нагретую заготовку опасно из-за неравномерной по его сечению деформации металла и возможного его разрушения. При объемной штамповке и ковке в подкладных штампах неравномерный нагрев приводит к незаполнению рабочего ручья штампа и к снижению стойкости инструмента.

Аналогично нагреву охлаждение поковок из легированных сталей также должно выполняться с небольшой скоростью. При быстром охлаждении возникают термические напряжения, из-за которых могут появиться трещины в поковках и привести к браку.

* Скорость нагрева представляет собой увеличение температуры заготовки в единицу времени (за одну минуту или за один час, "С/ч) .

Влияние нагрева на структуру металла . Структура металлов и сплавов и связанные с ней механические и технологические свойства зависят от химического состава сплавов; от температуры и режимов их обработки. Ниже рассмотрено влияние температуры на структуру и свойства углеродистых сталей - сплавов, чаще всего применяемых для изготовления поковок ручной ковкой.

Структура стали в зависимости от содержания углерода и температуры графически описывается диаграммой состояния железо - углерод (Fe - С) (рис. 18). При оси абсцисс откладывается процентное содержание углерода (С), по оси ординат - температура ("С).

При температуре выше линии АС все стали находятся в жидком состоянии (Ж), ниже этой линии из жидкого расплава выпадают твердые кристаллы аустенита (А). Ниже линии АЕ весь сплав имеет структуру аустенита. Аустенит - твердый раствор внедрения* углерода в у-железе (Fey), который имеет гранецентрированную кубическую решетку (см. ).

* Твердый раствор внедрения - это сплав, имеющий кристаллическую решетку основного металла, в которую внедрено несколько атомов другого компонента. В твердых растворах замещения несколько атомов основного металла замещены атомами другого компонента. При определенных соотношениях железо с углеродом образуют твердые растворы внедрения, железо с никелем - твердые растворы замещения .

С понижением температуры растворимость углерода в Fey уменьшается.

В заэвтектоидных сталях (С > 0,8%) избыток углерода, выделяясь из аустенита, образует химическое соединение Fe₃C - цементит*. Поэтому в области температур ниже линии SE и выше линии РК заэвтектоидные стали имеют структуру аустенит ± цементит. С понижением температуры количество цементита увеличивается, концентрация углерода в аустените уменьшается.

* В цементите углерода содержится 6,67% .

При 723С выпадает такое количество цементита, что концентрация углерода в аустените составит 0,8%. В доэвтектоидных сталях (С < 0,8%) при температуре ниже линии GS из аустенита выпадают зерна феррита*, в котором углерод практически отсутствует. С понижением температуры от линии GS (температура 723" С) количество феррита увеличивается, за счет чего концентрация углерода в аустенитных зернах увеличивается до 0,8%.

* Феррит - твердый раствор внедрения углерода в а-железе (Fea), имеющий объемно-центрированную кристаллическую решетку .

Таким образом, в области GSP доэвтектоидные стали имеют структуру феррит+аустенит. При температуре 723"С кристаллическая структура железа претерпевает аллотропическое превращение: из гранецентрированной она перестраивается в кубическую объемно-центрированную (Fey → Fea). В этом случае аустенит должен был бы превратиться в феррит, но в феррите углерод практически отсутствует, а в аустените при t = 723"С его содержится 0,8%. Поэтому при 723"С из аустенита выделяется феррит, а избыток углерода образует цементит. Феррит и цементит при концентрации углерода 0,8% образуют при температуре ниже 723"С механическую смесь - перлит.

Поскольку
аустенит в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях при температуре 723"С также превращается в перлит, то при охлаждении до комнатной температуры доэвтектоидные стали будут иметь структуру перлит+феррит, а заэвтектоидные - перлит+цементит. На рис. 19, а - г представлены структуры сталей.

При нагревании сталей до 723" С в них не происходит аллотропических превращений и стали не меняют своей структуры. При повышении температуры выше 723"С Fey → Fey и перлит переходит в аустенит. При температуре выше линии GSE любая сталь имеет структуру аустенита.

Наибольшую пластичность имеют стали в состоянии аустенита. Объясняется это тем, что, во-первых, структура металла является однородной: все зерна имеют одинаковую структуру аустенита; во-вторых, кристаллическая структура аустенита имеет гранецентрированную кубическую решетку, а металлы, имеющие такой тип решетки, являются наиболее пластичными (свинец, медь, алюминий и др.).

Перлит имеет высокую механическую прочность и низкую пластичность. Следовательно, стали нужно обрабатывать давлением при температуре выше линии РК. На диаграмме штриховой линией Тк обозначена нижняя граница температурного интервала ковки. Деформировать стали ниже этой границы, т. е. при t < Тк, не следует, так как это может привести к разрушению металла.

Температура нагрева металла ограничена не только нижним температурным пределом Тк, но и верхним пределом, называемым температурой начала ковки Тн. На диаграмме состояния (см. рис. 18) верхняя граница допустимого нагрева обозначена штриховой линией Тн. При нагревании до более высоких температур в металле появляются два вида дефекта нагрева: перегрев и пережог.

При перегреве увеличиваются размеры зерен, металл приобретает крупнозернистую структуру, его пластичность начинает уменьшаться. Кроме того, поковки с крупнозернистой структурой имеют низкие механические свойства. Хотя перегрев и можно исправить дополнительной термической обработкой или ковкой, его исправление требует дополнительных расходов и времени.

Нагрев до температуры, близкой к линии АЕ, является недопустимым. Такой нагрев ведет к пережогу - окислению металла по границам зерен в результате ускоренной диффузии кислорода внутрь металла. Пережог - неисправимый брак. Из-за нарушения связей между зернами при ковке такой металл разрушается полностью. Таким образом, металлы обрабатывают давлением в определенных для каждого сплава интервале температур Т к < t нагр < Т н. На диаграмме состояния железо - углерод такой интервал определен для углеродистых сталей заштрихованной областью, расположенной между линиями Тк и Тн.

Чтобы поковки имели высокие механические свойства, стремятся к тому, чтобы ковку заканчивать при температуре, близкой к температуре Тк. В этом случае в металле успеет произойти рекристаллизация, а структура останется мелкозернистой.

Многие металлы и сплавы, нагретые до высокой температуры, становятся пластичными. Железо, сталь, медь, алюминий, магний, латунь, алюминиево-железистая бронза, дюралюмин и некоторые другие металлы и сплавы при нагревании приобретают способность коваться и изменять свою форму без разрушения. Другие металлы и сплавы, например, серый чугун, оловянистая бронза, цинковые сплавы в нагретом состоянии не приобретают способности деформироваться, при ударах и сдавливании становятся хрупкими и разрушаются. Для железа и стали обычно чем выше температура нагрева, тем выше пластичность. Так, например, для стали, нагретой до. 950°, усилие при ковке потребуется в 2,2 раза больше, чем для стали, нагретой до 1200°, а для стали, нагретой до 700°, усилие потребуется в 4,5 раза больше.
Между прочим, улучшение пластичности относится к температурам нагрева выше 600°, т. е. когда в стали начнут происходить внутренние превращения, о чем подробно будет сказано позднее. При нагреве же от комнатной температуры, т. е. от 15° до 600° прочность стали изменяется не одинаково, а именно: до температуры 300° предел прочности углеродистой стали на растяжение увеличивается и только при нагреве выше 300° он начинает уменьшаться. Ho, получая при температуре около 300° повышенный предел прочности, сталь при этих температурах становится хрупкой и приобретает, как говорят, синеломкость.
При температуре, близкой к 600°, предел прочности стали уменьшается очень резко. Так, если взять обычную углеродистую сталь марки 45, то предел ее прочности падает с 60 кг/мм2 при 15° до 25 кг/мм2 при 600°, т. е. больше чем в два раза. При температурах выше 600° уменьшение предела прочности идет медленнее, но все же очень значительно. Так, при температуре 700° сталь марки 45 имеет предел прочности 15 кг/мм2; при 1000°-5,5 кг/мм2; при 1200° - 2,5 кг/мм2; при 1300° - 2,0 кг/мм2. Таким образом, прочность стали, нагретой до температуры 1200-1300°, по сравнению с холодной сталью уменьшается примерно в 25-30 раз.
При нагреве цветных металлов и сплавов наблюдается сходная картина. Разница лишь только в том, что поскольку они имеют температуру плавления более низкую, чем сталь, то все критические температуры их смещаются вниз. Например, при нагреве до 800° прочность меди уменьшается в 6-7 раз, прочность алюминия при нагреве до 600° уменьшается в 30-35 раз.
Таким образом, нагретые металлы становятся в 25-35 раз менее прочными. Следовательно, в нагретом состоянии они требуют примерно во столько же раз меньше усилий и расхода энергии для их деформации.
Если сталь нагревать еще дальше, т. е. до еще более высокой температуры - выше 1300°, то зерна становятся очень крупными и может начаться их быстрое оплавление. Этому часто препятствует сама печь, которая не может дать температуры, необходимой для расплавления стали - более 1400° Когда зерна или кристаллы начинают оплавляться, то в межкристаллическое пространство будет проникать кислород воздуха, образуя там на гранях зерен хрупкую пленку окислов железа. Металл начинает разрушаться вначале на поверхности, а затем разрушения проникают в глубину заготовки. Это и есть пережог стали. Чтобы не допустить пережога, который является неисправимым браком, нужно знать точно, какую наивысшую температуру может дать печь, и следить за тем, чтобы при этой температуре заготовки нагревались в течение только положенного короткого времени.
С изменением структуры изменяются и механические свойства металла. Чем крупнее зерна, тем сталь имеет меньшую прочность и не только за счет собственного металла, а также и за счет меж-кристаллического пространства, в котором расположены различные, менее прочные неметаллические материалы, например, сера и фосфор, которые плавятся при низких температурах. Нагретый металл, с увеличенными кристаллами, легче растянуть, а следовательно, потребуется меньшее усилие и для сжатия.