Физические свойства материалов и их характеристики

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Физические свойства – внутренние, присущие данному материалу иливеществу особенности, обусловливающие их различие или общность с другимивеществами или материалами и проявляющиеся как ответная реакция на воздействие внешних физических полей или сред.

Свойства материала всегда оценивают числовыми показателями, которые

устанавливают путем испытаний. Для получения сопоставимых данных, кото

рыми можно воспользоваться при выборе и оценке материалов в инженерной

практике, испытания обязательно проводят единообразно и в соответствии с

требованиями государственных стандартов.

Физические свойства, определенные стандартными методами с указаниемсостава, строения и структуры, представляют собой стандартные справочныеданные веществ и материалов. Порядок разработки и аттестации стандартныхсправочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов установлен в правилах по межгосударственной стандартизации.

Масса и плотность материалов

Масса вещества рассматривается как мера его количества. Таким образом, для однородной системы масса характеризует число структурных элементов (атомов, ионов, молекул и др.), содержащихся в термодинамической системе, и ее строение. Для неоднородных веществ аддитивность массы позволяетввести понятие «плотность».

Плотность – мера количества вещества в единице объема кг/м3:

ρ = m/V.

Плотность, определенная для однородных веществ, может рассматриватьсякак теоретическая или истинная. Плотностью, близкой к теоретической, обладают, как правило, металлы, жидкости, некоторые полимеры и др. Для неоднородных веществ используют понятие «объемная плотность».

Объемная или средняя плотность – величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты.

Объемную плотность ρ срвычисляют по формуле

ρ ср = m/Vе,

где Vе – объем вещества в естественном состоянии.

Для инженерных расчетов используются понятия «относительная плотность» и «насыпная плотность».

Относительная плотность представляет собой отношение плотностивещества ρ к плотности эталонного вещества ρ этпри определенных внешнихусловиях:

ρ от = ρ / ρ эт.

Плотность твердых и жидких материалов обычно сравнивают с плотно-

стью воды при температуре 4º С (1000 кг/м3).

Насыпная плотность ρ н– масса единицы объема свободно насыпанныхдисперсных материалов (например, цемент, песок, минеральная вата и др.)

Плотность материалов (истинная и средняя) приводиться в справочных таблицах, в различной литературе, в том числе и в «Интернете», в чем Вы сами можете убедиться.

Пористость материалов

Пористость – степень заполнения объема материала порами. По значению пористость может выражаться в долях единицы и в процентах и определяется по формуле, которую Вы также можете найти в литературе.

Экспериментально пористость определяется замещением порового про-

странства в материале объемом жидкого гелия, который имеет высокую проникающую способность, а также водой или керосином.

Поры представляют собой ячейки, не заполненные структурным материалом. По величине они могут быть от миллионных долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Крупные поры, например, между зернами сыпучих материалов, в пустотелых кирпичах, панелях из железобетона называют пустотами. Поры обычно заполнены воздухом или водой.

Пористость материалов колеблется в широких пределах 0, 2…1, 8% – у гранита и мрамора; до 75…85% теплоизоляционных материалах и свыше 90% упенопластов и минеральной ваты.

От величины пористости и ее характера зависят важнейшие свойства материалов: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Сведения о пористости материала позволяютопределять целесообразные области его применения.

Температурные свойства материалов

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы.

Температурный диапазон физических явлений исключительно широк:

практически от абсолютного нуля температур до 10¹¹ К и выше.

Температура тела независимо от его массы и химического состава характеризует энергию, с которой движутся молекулы. Переход вещества в агрегатноесостояние, отвечающее более высокой температуре, требует подвода энергии, апереход в агрегатное состояние, отвечающее более низкой температуре, сопровождается выделением энергии.

В твердых телах характер плавления определяется их строением. Так, в

кристаллических веществах плавление (кристаллизация) происходит при пределенной, зависящей от внешнего давления температуре плавления Тпл. Приэтом в процессе плавления (кристаллизации) температура тела не меняется.

Температуры плавления сплавов обычно ниже температуры плавления самого легкоплавкого компонента, а температура затвердевания раствора понижается с увеличением концентрации растворенного вещества, и это понижениепропорционально числу растворенных молекул.

Материалы с преимущественно аморфным строением, такие, как стекло ивысокомолекулярные полимеры, характеризуются не точкой, а периодом размягчения для которого самой низкой температурой является температура размягченияТр. Другой характеристической температурой для аморфных материалов является температура стеклования Тст.

Температура стеклования Тст– температура обратимого равновесного

фазового перехода вещества в стеклообразное состояние из переохлажденногорасплава при постоянном внешнем давлении.

Интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста в жидкости пузырьков пара (пузырьковое кипение) или пленкипара на поверхности (пленочное кипение) называется кипением и происходитпри определенной температуре кипенияТкип.

Температура кипения Ткип– температура равновесного перехода жидкости в пар при постоянном внешнем давлении.

Температура кипения повышается с увеличением внешнего давления и

концентрации растворенного вещества.

Для жидких высокополимерных материалов, в частности, для идентификации и оценки свойств масел, смазочных материалов и др., характерными являются температуры разложения, воспламенения и возгорания.

Температура разложения – минимальная температура окружающего образец воздуха, при которой из образца в результате разложения выделяется заметное количество газа.

Температура воспламенения – минимальная температура окружающегообразец воздуха, при которой выделяется достаточное количество горючих газов, способных воспламениться от внесенного пламени.

Температура возгорания – минимальная температура окружающего образец воздуха, при которой в отсутствие внешнего источника зажигания возникает самовозгорание.

Одной из основных физических характеристик материи, определяющей ееинертные и гравитационные свойства, является масса.

Тепловые свойства материалов.

Теплопроводность – способность материала передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Теплопроводность характеризуется коэффициентомтеплопроводности.

Коэффициент теплопроводностиλ – отношение произведения количества теплоты Q, проходящей через пластинку материала, на толщину пластинкиh к площади пластинки S, умноженной на разность температур на ее сторонах

(Т1– Т2), Вт/(м·К)

λ = Q·h/S·(Т1 –Т2).

Теплопроводность материала зависит от его строения, структуры, пористости и характера пор, от влажности и температуры, при которой происходит передача теплоты. Теплопроводность однородного материала зависит от плотности (с уменьшением плотности уменьшается теплопроводность).

Теплопроводность характеризует теплофизические свойства материалов, определяя их принадлежность по назначению к теплоизоляционным, конструкционно-теплоизоляционным и конструкционным материалам.

Теплопроводность очень важна для конструкционно-теплоизоляционных итеплоизоляционных материалов, используемых в качестве стен и перекрытийотапливаемых зданий, для изоляции холодильников и различных тепловых агрегатов (котлов, теплосетей и т.п.). Теплоизоляционные материалы, в свою очередь, делятся на классы по теплопроводности, Вт/(м·К): А – низкой теплопроводности(до 0, 058); Б – средней (0, 058...0, 116) и В – повышенной (0, 116...0, 15).

Тепловое расширение – способность материала к изменению формы иразмеров при его нагревании. Твердые тела расширяются при нагревании вовсех направлениях (стержни и проволоки расширяются в основном в длину).

Коэффициент линейного расширения твердых тел α – величина изменения линейного размера материала при изменении температуры на 1°С,

К^-1.

α = Δ l (I/l1 Δ T).

Коэффициент линейного расширения слабо зависит от температуры.

Объемное расширение твердых тел можно рассматривать как линейноерасширение в трех направлениях.

Жидкости расширяются во всех направлениях, причем сильнее твердых

тел.

Коэффициент объемного расширения жидкостиβ равен отношению относительного объемного расширения Δ V/ V1 к разности температур Δ T, К^-1:

β =Δ V/ (V1 ·Δ T).

Исключение среди жидкостей представляет вода, коэффициент объемногорасширения которой сильно зависит от температуры, а в интервале 0...4°С принимает отрицательное значение.

Газы расширяются при нагревании значительно сильнее, чем твердые и

жидкие тела, причем при повышении температуры произведение давления на

объем (pV) также возрастает.

12 Следующая ⇒