C стали в физике: Удельная теплоёмкость — урок. Физика, 8 класс.

Удельная теплоёмкость — урок. Физика, 8 класс.

Для того чтобы нагреть на определённую величину тела, взятые при одинаковой температуре, изготовленные из различных веществ, но имеющие одинаковую массу, требуется разное количество теплоты.

Пример:

Для нагревания \(1\) кг воды на \(1 \)°C требуется количество теплоты, равное \(4200\) Дж. А если нагревать \(1\) кг цинка на \(1\) °C, то потребуется всего \(400\) Дж. 

Удельная теплоёмкость вещества — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать веществу массой \(1\) кг для того, чтобы его температура изменилась на \(1~°C\).
\([c]=1\frac{Дж}{кг \cdot °C}\).

Пример:

По таблице удельной теплоёмкости твёрдых веществ находим, что удельная теплоёмкость алюминия составляет \(c(Al)=920 \frac{Дж}{кг \cdot °C}\). Поэтому при охлаждении \(1\) килограмма алюминия на \(1\) градус Цельсия (\(°C\)) выделяется \(920\) джоулей энергии. Столько же необходимо для нагревания \(1\) килограмма на алюминия на \(1\) градус Цельсия (\(°C\)).

Ниже представлены значения удельной теплоёмкости для некоторых веществ.

 

Твёрдые вещества

Вещество	\(c\), Дж/(кг·°С)
Алюминий	\(920\)
Бетон	\(880\)
Дерево	\(2700\)
Железо, сталь	\(460\)
Золото	\(130\)
Кирпич	\(750\)
Латунь	\(380\)
Лёд	\(2100\)
Медь	\(380\)
Нафталин	\(1300\)
Олово	\(230\)
Парафин	\(3200\)
Песок	\(970\)
Платина	\(130\)
Свинец	\(120\)
Серебро	\(240\)
Стекло	\(840\)
Цемент	\(800\)
Цинк	\(400\)
Чугун	\(550\)
Сера	\(710\)

 

Жидкости

Вещество	\(c\), Дж/(кг·°C)
Вода	\(4200\)
Глицерин	\(2400\)
Железо	\(830\)
Керосин	\(2140\)
Масло подсолнечное	\(1700\)
Масло трансформаторное	\(2000\)
Ртуть	\(120\)
Спирт этиловый	\(2400\)
Эфир серный	\(2300\)

 

Газы (при постоянном давлении и температуре \(20\) °С)

Вещество	\(c\), Дж/(кг·°C)
Азот	\(1000\)
Аммиак	\(2100\)
Водород	\(14300\)
Водяной пар	\(2200\)
Воздух	\(1000\)
Гелий	\(5200\)
Кислород	\(920\)
Углекислый газ	\(830\)

 

Удельная теплоемкость реальных газов, в отличие от идеальных газов, зависит от давления и температуры. И если зависимостью удельной теплоемкости реальных газов от давления в практических задачах можно пренебречь, то зависимость удельной теплоемкости газов от температуры необходимо учитывать, поскольку она очень существенна.

 

Обрати внимание!

Удельная теплоёмкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, различна.

Пример:

Вода в жидком состоянии имеет удельную теплоёмкость, равную \(4200\) Дж/(кг·°С), в твёрдом состоянии (лёд) — \(2100\) Дж/(кг·°С), в газообразном состоянии (водяной пар) — \(2200\) Дж/(кг·°С).

Вода — вещество особенное, обладающее самой высокой среди жидкостей удельной теплоёмкостью. Но самое интересное, что теплоёмкость воды снижается при температуре от \(0\) °С до \(37\) °С и снова растёт при дальнейшем нагревании (рис. 1).

 

Рис. 1. График удельной теплоемкости воды

 

В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Данное явление оказывает на климат данного региона. Летом здесь нет изнуряющей жары, а зимой — лютых морозов.

 

Высокая удельная теплоёмкость воды нашла широкое применение в различных областях: от медицинских грелок до систем отопления и охлаждения.

 

Не задумывались ли вы, почему воду используют при тушении пожаров? Из-за большой теплоемкости. При соприкосновении с горящим предметом вода забирает у него большое количество теплоты. Оно значительно больше, чем при использовании такого же количества любой другой жидкости.

 

Помимо непосредственного отвода тепла, вода гасит пламя ещё и косвенным образом. Водяной пар, образующийся при контакте с огнём, окутывает горящее тело, предотвращая поступление кислорода, без которого горение невозможно.

Какой водой эффективнее тушить огонь: горячей или холодной? Горячая вода тушит огонь быстрее, чем холодная. Дело в том, что нагретая вода скорее превратится в пар, а значит, и отсечёт поступление воздуха к горящему объекту.

Источники:

Рис. 1. Автор: Epop — собственная работа, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10750129.

Справочный материал для ЕГЭ по физике / Блог / Справочник :: Бингоскул

Физические величины и единицы их измерения

Десятичные приставки

Наименование	Обозначение	Множитель
гига	Г	109
мега	М	106
кило	к	103
гекто	г	102
деци	д	10-1
санти	с	10-2
милли	м	10-3
микро	мк	10-6
нано	н	10-9
пико	п	10-12

Константы

число π	π = 3,14
ускорение свободного падения на Земле	g = 10 м/с2
гравитационная постоянная	G = 6,7·10–11 Н·м2/кг2
универсальная газовая постоянная	R = 8,31 Дж/(моль·К)
постоянная Больцмана	k = 1,38·10–23 Дж/К
постоянная Авогадро	NА = 6·1023 моль–1
скорость света в вакууме	с = 3·108 м/с
коэффициент пропорциональности в законе Кулона	k = 1/4πε0= 9·109 Н·м2/Кл2
модуль заряда электрона (элементарный электрический заряд)	e = 1,6·10–19 Кл
постоянная Планка	h = 6,6·10–34 Дж·с

Соотношение между различными единицами

температура	0 К = –273 °С
атомная единица массы	1 а. е.м. = 1,66⋅10–27 кг
1 атомная единица массы эквивалентна	931,5 МэВ
1 электронвольт	1 эВ = 1,6⋅10–19 Дж
1 астрономическая единица	1 а.е. ≈ 150 000 000 км
1 световой год	1 св. год ≈ 9,46·1015 м
1 парсек	1 пк ≈3,26 св. года

Масса частиц

электрона	9,1⋅10–31кг ≈ 5,5⋅10–4 а.е.м.
протона	1,673⋅10–27 кг ≈ 1,007 а.е.м.
нейтрона	1,675⋅10–27 кг ≈ 1,008 а.е.м.

Астрономические величины

средний радиус Земли	R⊕ =6370 км
радиус Солнца	R = 6,69 ⋅ 108 м
температура поверхности Солнца	T = 6000 К

Плотность

воды	1000 кг/м3
древесины (сосна)	400 кг/м3
керосина	800 кг/м3
подсолнечного масла	900 кг/м3
алюминия	2700 кг/м3
железа	7800 кг/м3
ртути	13600 кг/м3

Удельная теплоёмкость

воды	4,2⋅103 Дж/(кг⋅К)
льда	2,1⋅103 Дж/(кг⋅К)
железа	460 Дж/(кг⋅К)
свинца	130 Дж/(кг⋅К)
алюминия	900 Дж/(кг⋅К)
меди	380 Дж/(кг⋅К)
чугуна	500 Дж/(кг⋅К)

Удельная теплота

парообразования воды	2,3⋅106 Дж/кг
плавления свинца	2,5⋅104 Дж/кг
плавления льда	3,2⋅105 Дж/кг

Нормальные условия: давление – 10⁵ Па, температура – 0°С

Молярная маcса

азота	28⋅10–3 кг/моль
аргона	40⋅10–3 кг/моль
водорода	2⋅10–3 кг/моль
воздуха	29⋅10–3 кг/моль
воды	18⋅10–3 кг/моль
гелия	4⋅10–3 кг/моль
кислорода	32⋅10–3 кг/моль
лития	6⋅10–3 кг/моль
неона	20⋅10–3 кг/моль
углекислого газа	44⋅10–3 кг/моль

---

Смотри также:

Российские школьники завоевали пять золотых медалей на международной олимпиаде по физике

Триумф российских школьников на Всемирной олимпиаде по физике! Все пятеро участников нашей сборной завоевали награды высшей пробы. Сложнейшие задания, ограниченное время на их выполнение, да и соперники не дают расслабиться. Но все это для наших ребят не преграда.

Они — лучшие из лучших. Пять золотых медалей на Международной олимпиаде по физике. Феноменальный результат российской сборной школьников. Высшую награду получили все ее участники. Физика для них — как большой спорт. Время ограничено, нужно найти лучшее решение, в такие моменты — адреналин зашкаливает.

«Олимпиадная физика, она на самом деле, ну это мой личный пример, что-то вроде как «Что? Где? Когда?». Это какие-то красивые вопросы, которые требуют смекалки, какого-то ума, понимания, конечно, определенно самой физики, чтобы их раскрыть. Это челендж, реши меня, сделай, задачи кричат, пойми, что тут нужно, как это решать — это просто очень интересно», — рассказывает победительница Международной физической олимпиады Татьяна Емельянова.

Вот в таких полевых условиях ребята проводили эксперименты по кристалографии. Нужно быстро собрать установку, и с помощью лазера изучить образцы. Оптика — любимая сфера Ивана Харичкина, он показал самый высокий результат.

«Только наука двигает прогресс, я считаю. Когда-нибудь нам понадобятся новые технологии, чтобы улучшить нашу жизнь, и только наука сможет их предоставить», — говорит победитель Международной физической олимпиады Иван Харичкин.

Победа автоматически обеспечила ребятам места в университете, сейчас они первокурсники Московского физико-технического института. Говорят, что конкретно планируют делать в будущем, еще не решили, но любовь к науке — точно навсегда.

«Физика — это не наука о том, как камень с горы скатывается, физика — это наука о том, чтобы посчитать, как он это делает максимально дешево. Физика — это некая философия о том, как максимально упростить расчеты, сохранив при этом суть явления», — рассказывает победитель Международной физической олимпиады Александр Зенькович.

В Международной физической олимпиаде участвовали школьники из 41 страны. Олимпиада должна была проходить в Латвии, но страна отказалась из-за пандемии. Россия предложила все-таки провести соревнования в онлайн-формате и выступила организатором.

«Были разработаны эксперименты, какие надо сделать, экспериментальные задачи, было закуплено оборудование, оно было отправлено примерно в 40 стран мира, в том числе в Сирию на военно-транспортном самолете, и на местах были организованы команды, которые следили за тем, чтобы это была честная борьба», — рассказывает ректор Московского физико-технического института Николай Кудрявцев.

К таким рубежам, как международная олимпиада школьники готовятся по несколько лет. Самый важный этап тренировок осложнился из-за пандемии. Тренер нашей сборной, физик Михаил Осин, заболел коронавирусом, но продолжал заниматься с ребятами каждый день онлайн. Говорит, работа с ними помогала держать себя в тонусе.

«Я их очень боялся. Они знают все и гораздо больше, теперь я их меньше боюсь — опыт появился. Ну, это какие-то, как сказать аккуратно, это вообще не люди, это ненормальный школьник, который знает столько, сколько не знает почти ни один преподаватель», — отмечает тренер российской сборной Международной физической олимпиады, доцент кафедры общей физики МФТИ Михаил Осин.

Первое место в командном зачете Россия поделила с китайскими школьниками. У них также пять золотых медалей. На церемонии награждения, все участники вновь встретились онлайн. И, возможно, скоро они услышат имена друг друга уже в мире большой науки.

Нобелевскую премию по физике присудили за изучение черных дыр | Новости из Германии о событиях в мире | DW

Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2020 году стали англичанин Роджер Пенроуз, немец Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и американка Андреа Гез. Их наградили за изучение черных дыр. Гез стала четвертой женщиной-лауреатом за время присуждения премии. Нобелевский комитет огласил имена во вторник, 6 октября.

Пенроуз открыл, что «образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности» Альберта Эйнштейна, говорится в пресс-релизе комитета.  Генцель и Гез открыли сверхмассивный компактный объект в центре Млечного пути.

В 2019 году Нобелевскую премию по физике разделили канадец Джеймс Пиблз и швейцарские астрономы Майкл Мэджор и Дидье Кело за открытия в космологии и революцию в астрономии. Годом ранее лауреатами стали американец Артур Ашкин, француз Жерар Муру и канадка Донна Стриклэнд за достижения в области лазерной физики.

Нобелевская премия в области физики

Премию в области физики присуждает Шведская королевская академия наук. В общей сложности Нобелевская премия по физике вручалась уже 113 раз, ее лауреатами до 2019 года включительно становились 213 человек, из них лишь 3 женщины. 7 октября Нобелевский комитет назовет лауреатов премии по химии, 8 октября — по литературе. В последний день «нобелевской недели» станет известно имя лауреата премии мира.

Размер Нобелевской премии в 2020 году увеличен с 9 до 10 миллионов шведских крон (в пересчете около 956 тысяч евро). Традиционная церемония вручения наград сменила формат из-за пандемии заболевания COVID-19. Награждение по традиции происходило в Стокгольме и Осло в день смерти Альфреда Нобеля 10 декабря.

Смотрите также:

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Создатель удобрений и химического оружия

  Одним из самых спорных обладателей Нобелевской премии стал Фриц Габер (Fritz Haber). Премия по химии была присуждена ему в 1918 году за изобретение метода синтеза аммиака — открытие, имеющее решающее значение для производства удобрений. Однако он также известен и как «отец химического оружия» из-за работ в области применения отравляющего газа хлора, использовавшегося в ходе Первой мировой войны.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Смертельное открытие

  Другой немецкий ученый, Отто Ган (Otto Han) — на фото в центре — был удостоен «нобелевки» в 1945 году за открытие расщепления атомного ядра. Несмотря на то, что он никогда не работал над военным применением этого открытия, оно напрямую привело к разработке ядерного оружия. Ган получил премию спустя несколько месяцев после того, как были сброшены ядерные бомбы на Хиросиму и Нагасаки.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Прорыв, оказавшийся под запретом

  Швейцарский химик Пауль Мюллер получил премию по медицине в 1948 году за открытие того, что ДДТ может эффективно убивать насекомых, распространяющих такие болезни, как малярия. Использование пестицида спасло в свое время миллионы жизней. Однако позже экологи стали утверждать, что ДДТ представляет угрозу для здоровья человека и вредит природе. Сегодня его использование запрещено по всему миру.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Неудобная награда

  Из-за своей явной и косвенной политической окраски премия мира, пожалуй, самая противоречивая из всех нобелевских наград. В 1935 году немецкий пацифист Карл фон Осецкий (Carl von Ossietzky) получил ее за разоблачение секретного перевооружения Германии. Сам Осецкий находился в тюрьме по обвинению в измене, и возмущенный Гитлер обвинил комитет во вмешательстве во внутренние дела Германии.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Премия (возможного) мира

  Решение норвежского комитета присудить премию мира Госсекретарю США Генри Киссинджеру и лидеру Северного Вьетнама Ле Дык Тхо в 1973 году столкнулось с жесткой критикой. Нобелевская премия должна была стать символом признания заслуг в достижении прекращения огня в ходе вьетнамской войны, однако Ле Дык Тхо отказался от ее получения. Война во Вьетнаме продолжалась еще два года.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Либертарианец и диктатор

  Защитник свободного рынка Милтон Фридман — один из самых спорных получателей Нобелевской премии мира по экономике. Решение комитета в 1976 году вызвало международные протесты из-за связей Фридмана с чилийским диктатором Аугусто Пиночетом. Годом ранее Фридман действительно посетил Чили, и критики утверждают, что его идеи вдохновили режим, где применялись пытки и были убиты тысячи людей.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Напрасные надежды

  Премия мира, которую в 1994 году разделили палестинский лидер Ясир Арафат, премьер-министр Израиля Ицхак Рабин и израильский министр иностранных дел Шимон Перес, должна была послужить дополнительным стимулом для мирного урегулирования конфликта на Ближнем Востоке. Вместо этого дальнейшие переговоры провалились, а Рабин был убит израильским националистом год спустя.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Жуткие мемуары

  Правозащитница Ригоберта Менчу, отстаивающая интересы народа майя, получила премию мира в 1992 году «за борьбу за социальную справедливость». Впоследствии это решение вызвало много споров, так как в ее мемуарах были якобы обнаружены фальсификации. Описанные ею зверства о геноциде коренных народов Гватемалы сделали ее знаменитой. Однако многие убеждены, что она в любом случае заслуживала награды.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Преждевременная награда

  Когда премию мира в 2009 году присудили Бараку Обаме, удивлены были многие, включая и его самого. Находящийся к тому моменту менее года на посту президента, он получил премию за «огромные усилия по укреплению международной дипломатии». Критики и некоторые сторонники Обамы посчитали, что награда была преждевременной, и он получил ее еще до того, как у него появился шанс сделать реальные шаги.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  Посмертная награда

  В 2011 году Нобелевский комитет назвал лауреатами премии по медицине Жюля Хоффмана, Брюса Бётлера и Ральфа Стейнмана за их открытия в области изучения иммунной системы. Проблема была в том, что за несколько дней до этого Стейнман умер от рака. Согласно правилам, премия не вручается посмертно. Но комитет все же присудил ее Стейнману, обосновав тем, что о его смерти тогда было еще не известно.

• От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

  «Величайшее упущение»

  Нобелевская премия вызывает споры не только из-за того, кому она была присуждена, но и потому, что кто-то ее так и не получил. В 2006 году член Нобелевского комитета Гейр Лундестад заявил, что «несомненно, величайшим упущением за всю нашу 106-летнюю историю стало то, что Махатма Ганди так никогда и не получил Нобелевскую премию мира».

  Автор: Натали Мюллер, Максим Филимонов

российские инвесторы стали доминирующей силой на IPO

Фото: Сергей Коньков

В России ожидается бум IPO, где всё большую роль будут играть инвесторы–физлица.

Участники ПМЭФ тревожились, как бы это увлечение не закончилось для них разочарованием из–за недостаточной финграмотности.

Алексей Яковицкий, генеральный директор «ВТБ Капитал», высказал мнение, что российские инвесторы стали доминирующей силой на IPO местных компаний. «Без них IPO в России давно уже не происходят, — заявил он. — Некоторые из последних сделок можно было закрыть вообще без привлечения иностранного спроса. В этом радикальное отличие от того, что мы имели 10 лет назад. Мы говорим о сотнях миллионов долларов спроса со стороны российских инвесторов в крупных российских размещениях».

Приток инвесторов пробудил интерес строителей к закрытым паевым фондам Финансы

Приток инвесторов пробудил интерес строителей к закрытым паевым фондам

По мнению Яковицкого, следует ждать в ближайшие годы бума российских IPO, связанного с эволюцией российской экономики, с выходом на биржу огромного количества технологических компаний, но не только. «Огромные инфраструктурные проекты, которые в стране начинаются, тоже закончатся так или иначе выходом на биржу некоторого количества эмитентов из разных секторов, которым будет нужен доступ к акционерному капиталу, — предсказал он. — Наша оценка однозначна: иностранный спрос не удовлетворит эту потребность. Поэтому надо развивать и лелеять российского розничного инвестора, чтобы у него был позитивный опыт».

Андрей Шеметов, старший вице–президент Сбербанка, руководитель SberCIB, также напомнил, что банки несут большую ответственность за миллионы людей, которых они привели на биржу в последние годы. «Если мы подорвём доверие людей, то этот тренд, который мы наблюдаем, прекратится», — уверен банкир. По его словам, для этого будет достаточно нескольких неудачных IPO, где акции выходят на рынок по завышенной цене и потом резко падают.

Сергей Швецов, первый заместитель председателя Банка России, рассказал об изменениях в регулировании, которые готовятся совместно с правительством РФ и которые должны в скором времени увеличить аппетит российских компаний к проведению IPO на Московской бирже, а возможно, и не только на ней.

Но он призвал брокеров поднимать финансовую грамотность биржевых новичков и предостерёг их от вовлечения последних в сомнительные и сложные инвестиционные стратегии. «Если мы разочаруем “физиков”, получим некую апатию. Поэтому очень важно аккуратно относиться к тому, чтобы предлагать “физикам” сложные стратегии. Если мы даём им сложные стратегии или предлагаем самим что–то выбирать, то по теории вероятностей они должны проигрывать как непрофессионалы. Поэтому дешёвый трекинг индексов — это то, что должно получить распространение. Хотя брокерам в моменте это не очень выгодно, им выгоднее активная торговля», — отметил представитель регулятора.

По оценке Швецова, в России около 90% инвесторов торгуют самостоятельно и лишь 10% пользуются доверительным управлением, тогда как в США ситуация ровно обратная.

«Фондовый рынок точно позволяет заработать больше, чем на депозите, но для этого надо инвестировать вдолгую, — напомнил он. — Мы должны предлагать пассивные стратегии, которые это реализуют.

Мы рассматриваем приход “физиков” как большой позитив, к которому мы сознательно стремились. Но считаем, что это большая ответственность. Поэтому и индустрия, и регулятор должны заботиться о том, чтобы уровень знаний и компетенция соответствовали тем инвестиционным стратегиям, которые люди выбирают».

Президент — председатель правления банка «ФК Открытие»Михаил Задорнов решил поспорить с коллегами, заявив, что государству не надо пытаться передвигать инвесторам ноги, а надо дать им попробовать поторговать самостоятельно. Пусть это приведёт кого–то из них к убыткам, но зато позволит извлечь необходимые уроки.

Банк «Открытие» продаст 15–20% своих акций в ходе IPO в середине следующего года, рассказал Задорнов. «Постараемся не обидеть будущих инвесторов», — пообещал он.

Тест для любителей риска: Госдума осложнит жизнь инвесторам и брокерам Законопроект

Тест для любителей риска: Госдума осложнит жизнь инвесторам и брокерам

Выделите фрагмент с текстом ошибки и нажмите Ctrl+Enter

Российская сборная завоевала пять золотых медалей на Международной олимпиаде по физике

Сегодня, 15 декабря, в Москве объявили имена победителей Международной распределенной олимпиады по физике IdPhO 2020. По итогам двух туров все члены российской сборной – Иван Харичкин, Максим Покровский, Татьяна Емельянова, Александр Зенькович и Иван Русских – завоевали золотые медали. В неофициальном командном медальном зачете Россия разделила первое место с командой из Китая. Всего в олимпиаде приняли участие более 200 школьников и студентов первых курсов из 45 стран мира. 

Организаторами олимпиады по решению Правительства России стали Министерство просвещения Российской Федерации, Минобрнауки России, Правительство Москвы и Московский физико-технический институт. Мероприятие прошло дистанционно с 7 по 15 декабря в распределенном формате. Национальные сборные решали олимпиадные задачи в своих странах в два тура по пять часов каждый: 8 декабря – теоретический, 10 декабря – практический. Для российских участников оба этапа были организованы в Москве, в Центре педагогического мастерства.

Российскую сборную представляли Иван Харичкин из Санкт-Петербурга и москвичи Татьяна Емельянова, Александр Зенькович, Иван Русских и Максим Покровский. Сейчас ребята – первокурсники МФТИ. Все члены команды – участники профильных программ «Сириуса». К примеру, Иван Харичкин впервые приехал в Центр еще в 2016 году. За пять лет он участвовал в шести программах по физике, естественно-научному направлению. Александр Зенькович и Иван Русских были в «Сириусе» на четырех программах, Максим Покровский

– на трех.

Другая участница, Татьяна Емельянова, первый раз прошла отбор в «Сириус» больше трех лет назад, в восьмом классе. В финале программы участники написали заключительный этап Олимпиады имени Дж. К. Максвелла. И Татьяна стала призером состязания.

«До этого об олимпиадном движении по физике я даже не думала. Это были мои первые сборы, – вспоминает девушка. – Там я и поняла, что олимпиадные задания очень красивые и мне интересно решать необычные задачи. Ты не просто тренируешь технику, применяя свои знания, ты используешь смекалку, выходишь за рамки, мыслишь нестандартно».

Последний год Татьяна тренировалась как настоящий олимпиец, почти ежедневно часами решала задачи. Для всех членов сборной международная олимпиада – самый значимый момент, когда они могут проверить свои силы, сразиться за золотую медаль с лучшими юными физиками мира. По правилам олимпиады школьники, поступившие в вуз, теряют возможность в ней участвовать. Именно поэтому, когда организаторы традиционной международной олимпиады (IPhO) отказались проводить олимпиаду в этом году из-за пандемии, активисты олимпиадного движения, руководство МФТИ совместно с Департаментом науки и образования города Москвы, выступили с предложением: провести международную олимпиаду в распределенном формате, когда каждая сборная из пяти участников решает задания в своей стране.

Идею поддержало Правительство России и президент IPhO, профессор Национального института образования (Сингапур) Радждип Сингх Рават. Олимпиада получила официальное название International distributed Physics Olympiad (IdPhO). Следующим шагом стало согласие других стран принять у себя очный этап состязания.

«Я обратился к руководителям национальных сборных с личным письмом, – рассказывает руководитель российской сборной, доцент кафедры физики МФТИ  Михаил Осин. – Каждый участник олимпиадного движения проходит большой путь. Мы учим кандидатов в сборную решать задачи на уровне третьего курса физтеха, если не выше. Они все свое время уделяют учебе. И мы, педагоги, тренеры сборных, не имеем права сказать этим креативным, талантливым детям, что не можем им помочь. Наш долг и дальше развивать олимпиадное движение, мотивировать ребят, несмотря на сложные условия, в которые всех нас поставила пандемия. И многие страны откликнулись на наш призыв. Считаю этот шаг большим успехом для всего международного олимпиадного сообщества по физике».  

Не все страны смогли провести сборы или очный этап олимпиады из-за эпидемиологических ограничений. Поэтому приглашения к дистанционному участию в IdPhO были разосланы индивидуально юным физикам по всему миру, победителям и призерам национальных турниров.

Следили за соблюдением правил в каждой стране очно официальные представители олимпиады, эксперты. Кроме того, в аудиториях, где проходили туры, организовали видеорегистрацию и прямую трансляцию в Youtube. Перед каждым этапом руководители национальных сборных могли ознакомиться с заданиями, но на это отводилось всего два часа. При этом участники олимпиады были изолированы от своих педагогов, не имели телефонов и доступа в интернет.

«Мы учли все возможные варианты, чтобы сделать процедуру максимально прозрачной и честной, – рассказывает член оргкомитета, заместитель заведующего лабораторией по работе с одаренными детьми МФТИ Виталий Шевченко. – Разработали действительно серьезные задачи, которые даже опытным педагогам очень сложно решить за короткий срок. Чтобы исключить утечку информации во время переводов заданий в странах-участницах, мы заранее перевели условия задач на все языки. Олимпиада проходила в 13 часовых поясах, и мы распределили время таким образом, что в последней по счету стране участники приступили прежде, чем этап завершился в первой».

Виталий рассказывает, что экспериментальный тур олимпиады был связан с современной наукой. Была предложена задача на тему кристаллографии – это направление сегодня активно развивается. Ученые широко используют кристаллографию в направленной модификации молекул для дальнейшего их использования в медицине, фармацевтике и промышленности. Обычно кристаллографические эксперименты проводят на синхротронах. Но обеспечить участников олимпиады таким оборудованием, размером примерно с десять футбольных полей, конечно, невозможно. Поэтому олимпийцам предоставили лазер и изготовили специальные дифракционные решетки, которые имитировали кристаллы. Организаторы поставили лабораторное оборудование для экспериментов в 35 стран, принимавших участие в олимпиаде. Индивидуальным участникам предоставили данные экспериментов, достаточные для решения задач.

И участники, и организаторы признают, что задания турнира получились очень сложные. Так, из 50 возможных баллов (30 – теория, 20 – эксперимент), порог золотой медали составил 21,39 балла. В командах России и Китая все участники набрали 21,39 балла и выше, завоевав золотые медали. Успех юных российских физиков – это заслуга большого педагогического коллектива и наставников ребят.

Сама олимпиада прошла без замечаний, все участники отметили высокий уровень ее организации и проведения. И если из-за эпидемиологических ограничений IPhO 2021 года будет отменена, то Россия будет готова вновь поддержать и проконсультировать тех, кто возьмется за это важное дело.

Фото: МФТИ.

Молодые физики СФУ стали лучшими в России

Студент Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Максим Пятнов занял первое место, а аспирант Павел Панкин — третье место в XII Всероссийском молодёжном конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике, проходившем в Самаре с 12 по 16 ноября 2014 года.

Как рассказал Максим Пятнов, исследование «Управляемые поверхностные фотонные моды в структуре холестерический жидкий кристалл — фазовая пластинка — металл», признанное лучшим в студенческой секции, было выполнено на основании его публикации в американском журнале «Optics Letters». Работа выполнена под научным руководством профессора кафедры теоретической физики и волновых явлений ИИФиРЭ СФУ Степана Ветрова.

«Экспертная комиссия, в состав которой входили ведущие российские учёные, вела строгую оценку работ, но и уровень представленных исследований был очень высоким. Собрались действительно сильнейшие молодые учёные со всей России», — рассказал Максим Пятнов.

Аспирант ИИФиРЭ СФУ Павел Панкин вошёл в тройку лучших авторов научных работ среди молодых специалистов с исследованием «Особенности спектральных свойств фотонного кристалла с дефектом из нанокомпозита, с учётом размерных эффектов».

В конференции приняли участие более 120 молодых учёных из Самары, Москвы, Санкт-Петербурга, Саратова, Томска и других городов России. Студентами, аспирантами и молодыми исследователями были сделаны 54 устных и 27 стендовых докладов.

Организаторами конкурса, направленного на повышение престижа естественно-научного и технического образования и привлечения молодёжи в научно-инновационную деятельность, выступили Самарский филиал Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук и Самарский государственный университет.

Химические и физические свойства стали

Сталь — это сплав, металл, состоящий из железа и углерода. Максимальное содержание углерода в стали составляет 1,5 процента. Из-за своей твердости и прочности сталь используется в строительстве зданий, мостов, автомобилей и во множестве других производственных и инженерных приложений.

Большая часть производимой сегодня стали — это углеродистая сталь или просто углеродистая сталь. Углерод в стали существует в виде карбида железа.Присутствуют и другие элементы, в том числе сера, фосфор, марганец и кремний.

Содержание углерода в стали

Углеродистая сталь определяется как сталь, свойства которой в основном обусловлены содержанием углерода и которая не содержит более 0,5 процента кремния и 1,5 процента марганца. Простые углеродистые стали, содержание углерода в которых составляет от 0,06% до 1,5%, делятся на четыре типа:

• Мертвая низкоуглеродистая сталь, до 0,15% углерода
  
• Низкоуглеродистая или низкоуглеродистая сталь, 0.От 15 до 0,45 процента углерода
  
• Среднеуглеродистая сталь, от 0,45 до 0,8 процента углерода
  
• Высокоуглеродистая сталь, от 0,8 до 1,5 процента углерода
  

Эти стали прогрессируют от более мягкой к более твердой, но также имеют тенденцию в сторону увеличения хрупкости. Первый тип используется в автомобильных кузовах. Второй тип встречается в рельсах и рельсовых продуктах, таких как муфты, коленчатые валы, оси, шестерни и поковки. Третий тип используется в режущих инструментах и ​​железнодорожных путях, а последний тип используется в поршнях и цилиндрах.

Основные физические свойства стали

Плотность стали составляет 7850 кг / м. ³ , что делает ее в 7,85 раза плотнее воды. Его температура плавления на 1510 ° C выше, чем у большинства металлов. Для сравнения, температура плавления бронзы составляет 1040 ° C, меди — 1083 ° C, чугуна — 1300 ° C и никеля — 1453 ° C. Вольфрам, однако, плавится при температуре 3410 ° C, что неудивительно. поскольку этот элемент используется в нити накаливания лампочки.

Коэффициент линейного расширения стали при 20 C, в мкм на метр на градус Цельсия, равен 11.1, что делает его более устойчивым к изменению размера при изменении температуры, чем, например, медь (16,7), олово (21,4) и свинец (29,1).

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь используется в строительстве, когда коррозионная стойкость является основным преимуществом, например, с ножами, которые должны сохранять остроту. Еще одна распространенная причина использования нержавеющих сталей — их жаропрочные свойства. В некоторых проектах стойкость к высокотемпературному окислению является абсолютным требованием, в то время как в других высокотемпературная прочность является первоочередной необходимостью.

Добавки к стали

Небольшие количества других металлов, добавленных в сталь, изменяют ее свойства таким образом, чтобы благоприятствовать определенным промышленным применениям. Например, кобальт обеспечивает более высокую магнитную проницаемость и используется в магнитах. Марганец придает прочность и твердость, поэтому продукт подходит для тяжелых железнодорожных переездов. Молибден сохраняет свою прочность при высоких температурах, поэтому эта добавка удобна при изготовлении наконечников для скоростных сверл. Никель и хром устойчивы к коррозии и обычно добавляются при производстве хирургических инструментов из стали.

Физика стали — 911 Металлург

Метод соответствует прямому воздействию низких и высоких температур чистовой обработки; то есть положительная разница указывает на низкую, а отрицательная разница на высокую температуру отделки. Я делаю это объяснение, чтобы избежать путаницы при сравнении двух статей.

Существует тесная связь между размером зерна и пределом прочности, а также то, что размер зерна зависит от температуры, при которой материал обрабатывается при прокатке, и от химического состава стали. Я показал, что существует тесная связь между химическим составом стали и ее пределом прочности, а также что температура, при которой материал обрабатывается, влияет на его предел прочности. Если бы различия, вызванные вариациями температуры чистовой обработки, можно было бы устранить, я не сомневаюсь, что будет обнаружена тесная связь между предельными значениями прочности, приведенными в моей таблице химического состава материала, и размером зерна, как указано. для различных предельных значений прочности в таблице Mr.Совер. Чтобы провести такое исследование, необходимо, чтобы листы нагревались и прокатывались под личным наблюдением, чтобы контролировать конечную температуру. Я был бы готов сотрудничать с мистером Совером в исследовании такого рода, скажем, 200 пластин, если он захочет взять на себя микроскопическую часть работы.

Было бы сложно оценить количество стали, которая ежедневно портится из-за обработки при слишком высокой температуре, или применить на практике метод преодоления этой трудности. Вальцы и нагреватели — тоннажники, и они не всегда удерживают материал, чтобы закончить его при надлежащей температуре.

Ниже приведены мои поправки на предел прочности для толщины и ширины листа. Эти корректировки необходимы только из-за влияния толщины и ширины на температуру чистовой обработки в обычной практике:

После внесения исправлений в 408 тестов, приведенных в моей статье, мы имеем для обеих мельниц:

Эти поправки на размер, несомненно, будут время от времени изменяться по мере того, как мы приобретаем больше навыков в управлении температурой, при которой материал обрабатывается при прокатке.

Некоторые исследования, которые я недавно провел по очистке воды путем замораживания, дали поразительные иллюстрации сегрегации. Хорошо известно, что растворенные в воде минеральные вещества удаляются при частичном замораживании воды, и в оставшейся воде должна быть соответствующая концентрация растворимых веществ. Обычно эта концентрация незаметна, когда лед образует лишь небольшую часть всего водоема в пруду или озере; но когда неглубокий водоем замерзает, будет обнаружено, что нижняя часть содержит большую часть веществ, изначально присутствующих в растворе в воде.

При изготовлении сухого льда условия охлаждения очень похожи на те, которые возникают при охлаждении стали или чугуна, только скорость охлаждения намного ниже; банка с водой площадью около 13¾ квадратных дюймов и высотой 32 дюйма, вмещающая около 200 фунтов воды, для замораживания которой требуется около двух дней.

В таком случае можно было бы ожидать, что наибольшая концентрация примесей будет в средней или верхней части внутреннего ядра; но в блоках, которые я исследовал, наибольшее количество примесей было обнаружено в нижней части внутренней части блоков.Это, несомненно, было связано с какой-то особенностью нанесения холодного рассола, циркулировавшего по внешней стороне банки.

Лучшим примером сегрегации, который я заметил в блоке искусственного льда, был случай, когда колодезная вода была заморожена и содержала 18,04 части минерального вещества на 100000 в растворе.

Ледяная глыба была разделена на шесть частей: верхнюю, среднюю и нижнюю часть снаружи, а также верхнюю, среднюю и нижнюю части внутри.

Анализы колодезной воды и этих шести порций льда приведены в таблице I., на следующей странице.

В этой связи интересно отметить, что в случае, когда образец дистиллированной воды был заморожен, нижняя часть активной зоны имела (при расплавлении) отчетливый запах резинового шланга, в то время как остальная часть блока не имела запах. Банки были первоначально заполнены с помощью резинового шланга, и легкий запах, передаваемый таким образом воде, был сконцентрирован в последней замороженной части.

Что касается вопроса о связи между степенью удаления примесей и скоростью охлаждения, я мог бы привести результаты анализа различных слоев естественного льда, вырезанного из глубокого пруда

.Вода пруда содержала значительное количество растворенных и взвешенных примесей, и в последующем анализе будет замечено, что каждый последующий слой сверху вниз чище, чем предыдущий. Никакой разницы в условиях промерзания в этих слоях, кроме скорости, быть не могло; другими словами, скорость замерзания, вероятно, была медленнее по мере увеличения толщины льда.

Из недавнего опыта я могу подтвердить, что, как указал М.Pourcel (Trans., Xxii., 107), сегрегация может происходить не только в толстых секциях. На заводе Hecla Works, Шеффилд, на заводе Hecla Works, Шеффилд, был получен следующий анализ отливки кольца из мягкой стали, в остальном нормального характера, имеющей площадь поперечного сечения около 7 дюймов в ширину и 2½ дюйма: made были взяты из центра верхней части образца. Присутствие такого большого количества серы можно частично объяснить другими способами; но фосфор можно объяснить только теорией сегрегации.По словам М. Пурселя, он считает трудным получить однородные массы хрома и других сталей-сплавов. Мы не видим этого на наших заводах в Шеффилде, где мы производим значительное количество хромистой стали для бронебойных снарядов и других целей. Мы редко получаем отклонение более 0,1%, а это, скажем, всего 2%. Cr., Слабый. То же самое относится и к нашей марганцевой стали. Проволока тонкая 0,5 мм. По диаметру такая сталь, полученная из слитков площадью 10 дюймов, практически не отличается однородностью. Также в нашей специальной кремнистой стали, содержащей до 2½ процентов этого металлоида, мы не заметили никаких признаков сегрегации. Не следует путать разделение с несовершенным перемешиванием. В последнее время в настоящее время часто наблюдается небрежность. «Физика», добавляемая в обезуглероженное железо, обычно в небольших количествах, и тем не менее сталелитейщики, проявляя максимальную осторожность в других отношениях, часто проводят в этом вопросе политику «невмешательства». Сегрегация, несомненно, имеет место и часто является ненормальным и чрезмерным при определенных условиях.Но мне кажется, что перед удивительной регулярностью производства стали в настоящее время М. Пурсель заходит слишком далеко, говоря (стр. 108), что «однородность — это качество, которое практически невозможно реализовать в стальном блоке». Писатель знает о классах работ в некоторых отраслях Шеффилда, где используется сталь Бессемера и Сименса, и где при отклонении более 0,5% рабочие быстро обнаруживают углерод. Поскольку оба класса материалов удовлетворительно «заполняют счет», можно с уверенностью предположить, что регулярность и однородность не так недостижимы, как можно было бы представить, при условии, конечно, что сталь была тщательно изготовлена ​​в первую очередь.Я рад отметить упоминание М. Пурселя о преимуществах использования хрома. В названном направлении предстоит еще многое сделать, хотя в то же время следует четко помнить об этом, что подтверждается моими собственными экспериментами, подробно описанными в моей статье Института железа и стали «Сплавы железа и хрома». что металлический хром не действует непосредственно как отвердитель, а только через свое действие на присутствующий углерод.

Ссылаясь на ценную статью г-на Совера о микроструктуре стали, мы, основатели стали, особенно заинтересованы в развитии исследований структуры или, как сказал г-н.Совер называет это «зерном» нашей стали. Спецификации стальных отливок в настоящее время ужесточены, и во многих случаях нас просят предоставить металл равной или более высокой пластичности, чем многие марки кованого железа. Как заявил г-н Совер (Trans., Xxii., 550), нет никаких сомнений в том, что, вообще говоря, сила удлинения и уменьшения площади незакаленной стали зависит от того, чтобы зерно оставалось небольшим. Однако недавно я заметил, что некоторые из немецких стальных отливок, которые показали хорошие результаты на испытательной машине, демонстрируют чрезвычайно грубый излом.Тем не менее, те же отливки не показали таких хороших результатов при испытании на падение, как другие стальные отливки, которые имели более мелкое зерно, хотя и не давали такого большого удлинения в испытательной машине. Лично мне при покупке стального литья следует отдавать предпочтение мелкозернистой стали. Обычно это означает, что в процессе отжига были приняты меры. Использование микроскопа при исследовании стали, несомненно, должно расшириться и оказаться большим сервисом для сталелитейщиков.

Президент Хоу представил очень ценный трактат.В нескольких своих статьях я обращал внимание на важность систематического изучения этого вопроса о «термообработке». Каждый год мы начинаем обнаруживать, что железо, будь то углеродистая сталь или несколько других ее сплавов, является одним из наиболее чувствительных металлов к термообработке. М. Осмонд и профессор Робертс-Остен своей ценной работой открыли дверь в обширную область исследований, которая, без сомнения, должна быть тщательно исследована металлургами, которые должны соответствовать все более строгим требованиям, предъявляемым другими отраслями. инженерной профессии.Я рад обнаружить, что г-н Хоу по-прежнему не видит причин для поддержки теории бета-железа. Так подробно рассмотрев эту тему в моей статье (ante, p. 148), мне нет необходимости добавлять здесь что-либо еще. В этом я полностью с ним согласен.

Интересная информация, предоставленная г-ном Хоу относительно нейтральной зоны твердой инструментальной стали при воздействии тепла, должна оказаться весьма полезной на практике. Открытие этого факта важно и служит для объяснения некоторых аномалий, замеченных до сих пор при работе с этим классом материалов. Количество заботы и внимания, проявленных г-ном Хоу при проведении многочисленных экспериментов, подробно описанных в его статье, должно быть, было чрезвычайно велико. Остается очень надеяться, что эта статья попадет в руки всех, кто интересуется термообработкой чугуна и стали. Для практиков в прошлом, возможно, не представлялось особой заботой точное определение точек W и V или изменений, замеченных при нагревании стали, таких как точки повторного выпадения или замедления. Но когда это будет доказано, как сказал г.Хоу так четко сделал, что сравнительно небольшая разница в диапазоне температур может настолько существенно повлиять на пластичность обрабатываемого материала, поэтому тем, кто заинтересован, следует обратить внимание на такие наблюдения. Если привести только один пример, без сомнения, более тщательное изучение этой области исследований обеспечит более прочные и безопасные железнодорожные шины, оси и другие подобные изделия. По мере того, как мы увеличиваем скорость и нагрузку на наше оборудование, будь то на суше или на море, необходимо больше внимания уделять этому важному вопросу — точной термообработке чугуна и стали.

М. Пурсель в своей статье о сегрегации в стали в нескольких словах описывает сегрегацию в чугуне. Мистер Хоу в своей книге «Металлургия стали» рассматривает эту тему более полно. Делая испытательные стержни различного состава, я часто обнаруживал доказательства сегрегации как серы, так и углерода, но, не проводя анализов образцов, я не записывал их. Я также обнаружил в отливках, которые не работали полностью, как показано на рис. 1 и 2 видно, что давление втекающего металла иногда заставляет железо проходить сквозь тонкую оболочку в виде небольших сферических капель.

Случай, когда это доставило много хлопот, заключался в том, что отливки имели значительные размеры и толщину около одной восьмой дюйма, и где встретились два тока железа. В таком месте втекающий металл будет продавливаться через нижнюю поверхность отливки в песок кристаллизатора. Эта ликвация выделяется на поверхности, как капли пота. Очень трудно отделить белое железо этих капель от пота от серого железа вокруг них. Анализ шариков (сопровождаемых значительным количеством приставшего серого чугуна) дал C, 2.64; Si, 2,47; P, 1,00; S 0,042; Mn 0,91. Одно только серое железо содержало C 3,01; Si, 2,48; P 0,95; S 0,035; Mn 0,90. Следующие случаи расслоения (рис. 3, 4, 5 и 6) можно было увидеть на выставке в железной выставке в Шведском здании. Шведских свиней отливают в чугунных чушках, причем довольно часто в виде плит шириной от 8 до 10 дюймов и длиной около полутора футов. Эти цифры нанесены в масштабе от четырех десятых дюйма до одного дюйма и представляют собой трещину в центре плиты.Торговая марка отображается рядом с вырезом.

На рис. 3 показан утюг, способный выдерживать холода, что показано белым слоем внизу. Охлаждение было настолько быстрым, что углерод почти не мог принять графитовую форму. В верхней части плиты, где охлаждение было менее быстрым, образовался графит, образуя слой серого чугуна.

На рис. 4 представлена ​​плита, которая, как мне сказали, была отлита в железной станине. Несмотря на охлаждающее воздействие формы, нижняя оболочка на одну восьмую дюйма имеет серый цвет, при температуре, необходимой для образования графита.Верхняя поверхность, подверженная воздействию воздуха, очень светлая и покрыта белыми пятнами. Под

эта часть представляет собой полдюйма темного графитового железа. Центр плиты совершенно белый на три четверти дюйма толщиной, окруженный, как я описал, совершенно серым чугунным покрытием, что показывает, что при определенной температуре кремний и углерод соединятся с железом и произведут белый цвет. литье независимо от постороннего охлаждающего воздействия. На этой выставке представлены идеально серые плиты этой марки, а также идеально белые плиты, отлитые в одинаковых формах.

Мне сказали, что это расслоение очень часто встречается в шведском железе, и что оно вызвано тем, что содержание кремния находится между тем, что необходимо для производства серых и белых свиней. Не являясь ни тем, ни другим, слоистое железо считается весьма нежелательным.

На рис. 5 показан еще один сляб, отлитый в чугунной изложнице, с истинной кромкой внизу; затем он серый, затем идет слой белых пятен с серым слоем наверху.

Рис. 6 представляет собой сляб, отлитый в чугунной изложнице с истинным охлаждением ¾ дюйма снизу и по бокам. Верх серый для толщины 1/16 дюйма, затем идет белый then дюйма ниже, а центр серый для толщины дюйма.

У меня есть одна американская свинья с идеально белой сердцевиной, но такое железо редко делают в этой стране. Мы иногда покупаем чугун, который при смешивании с другими чугунами имеет тенденцию образовывать расслоение, но обычно свинья не показывает такой тенденции.Его можно преодолеть, варьируя смесь.

На рис. 7 показан точный размер излома кромки отливки из такой смеси. Покрытие было круглым и составляло около 10 дюймов в диаметре. Таким образом, каждая белая часть представляла собой законченное кольцо, окруженное мягким серым железом.

Анализ дал серый цвет: общий C 3,628; графит C 1,874; комбинированный C 1,754; Si, 2,846; и для белого: всего C 3,861; графит C 1,307; комбинированный C 2,554; Si, 2742; Mn, 0. 501. Это показывает, что кремний практически однороден по всей отливке, и что при определенных температурах углерод будет принимать комбинированную форму, а при других — графитовую, независимо от температуры или содержания кремния. При этом мы приводим ряд секций отливок, все истинного размера, демонстрирующие расслоение или сегрегацию в различных формах. Цифры, отмеченные знаком a, показывают излом в центре испытательного стержня длиной один фут и квадрат в полдюйма. Те, что отмечены b, показывают конец той же полосы с оторванной стороной, показывая глубину и характер холода.

Те, которые отмечены c, представляют собой поперечные трещины в центре стержня с показанным сечением

и длиной в один фут. Стержень проходит с одного конца, и расслоение почти или полностью проходит по длине стержня. Те, что отмечены буквой d, представляют собой поперечные переломы стержня размером 1 дюйм на 1/8 дюйма и 12 дюймов длиной, идущие от двух ворот с одной стороны. На стратификацию влияют ворота.

№ 208d показывает разрыв через затвор, и он будет таким же для 209e, и это был бы перелом, если бы он был сделан между затворами 210e и 211e.На чертежах 210, 211 и 212 показана структура этих тонких испытательных стержней, если смотреть с плоской поверхности.

№№ 397 b, c и d показывают перелом стержня, у которого нет такой тенденции к сегрегации. Во всех трещинах количество графита показано затемнением трещины.

Ссылаясь на заявление г-на Кипа относительно шведского чугуна, я лишь прошу заметить, что смешанный серый и белый металл для процесса нефтепереработки в Ланкашире часто меняет текстуру в соответствии с более или менее основным характером загрузку доменной печи при прочих равных условиях.Таким образом, например, когда шлак более щелочной, будет получен чугун, в котором серый и белый резко разделены, тогда как при более кислотном шлаке цвета будут более неравномерно смешанными. Какой из нескольких видов является предпочтительным, зависит от цели, для которой будет использоваться чугун, способа его обработки и желаемого качества и природы конечного продукта.

Что касается трещины, показанной на рис. 4 мистера Кипа, то текстура могла быть образована (очевидно, присутствующим) количеством марганца, а также тем обстоятельством, что форма не была достаточно очищена перед отливкой чугуна.

Тема сегрегации в чугуне была описана М. Пурселем в нескольких словах. Обычно считается, что наибольшее количество металлоидов мы найдем в той части отливки, которая дольше всех оставалась текучей. Я думаю, что это верно в большинстве случаев; но есть исключения из этого правила, на которые мне приходилось замечать некоторое время назад, когда проводил анализ автомобильных колес. Можно было бы ожидать, если бы был проведен анализ металла в ступице колеса, что, поскольку ступица остается текучей дольше, чем любая другая часть, этот металл будет содержать больше металлоидов, чем любая другая часть того же колеса; но это не так, как будет видно из анализа, приведенного ниже.Просверливание обода указанных колес было получено путем сверления с внутренней стороны обода наружу до тех пор, пока сверло не остановилось из-за холода на колесе. Это дало образец внутренней части обода без холода. Просверливание ступиц было получено путем просверливания торца ступицы параллельно оси и почти до центра ступицы. При осмотре анализов можно заметить, что содержание кремния, фосфора и марганца в ободе выше, чем в ступице, что свидетельствует о локальной сегрегации, вызванной охлаждением протектора колеса.Такое охлаждение, по-видимому, заставляет металлоиды занять место в прилегающем металле, что делает внутреннюю часть обода богаче кремнием, фосфором и марганцем, чем даже ступица, которая должна быть сама по себе богаче, чем исходный металл. которое колесо было отлито.

Явления диффузии, хотя и не идентичны явлениям сегрегации, настолько тесно связаны, что некоторые факты, касающиеся диффузии, могут быть уместны при обсуждении сегрегации.Известный металлург сделал заявление о том, что, поскольку углерод будет диффундировать из твердой стали в мягкую, если поверхности будут полностью очищены от оксидов и металлы будут нагреваться до ярко-красного цвета, из этого следует, что из-за этой диффузии: что углерод должен находиться в несоединенном состоянии. Он считает это одним из доказательств того, что углерод в стали только механически смешивается с железом, а не в истинном сочетании, даже в закаленной стали. Если мы сможем предоставить экспериментальные данные, чтобы показать, что мы можем добиться диффузии неоспоримого химического соединения, например.g., сульфид железа, то утверждение, что явление диффузии является доказательством того, что диффундирующий элемент должен находиться в несоединенном состоянии, не имеет веса; он может или не может быть химически объединен. Мы надеемся завершить в Мичиганском университете ряд экспериментов по диффузии сульфидов и фосфидов через железо и сталь, и мы займемся другими соединениями, если позволит время, чтобы попытаться увидеть, нельзя ли получить немного больше света. брошен на вопрос о диффузии. Приведенная ниже серия экспериментов была проведена под моим личным наблюдением моим ассистентом г-ном.У. Г. Уоллес.

Металл, использованный в первой серии экспериментов, представлял собой стержень из конструкционной стали дюйм на два дюйма (см. Рис. 1), содержащий: углерод 0,170; кремний 0,000; фосфор 0,110; марганец 0,410; сера общая 0,0737. Этот стержень был разрезан на части длиной около 8 дюймов для испытаний.

Эксперимент 1

Был взят один кусок вышеупомянутого стержня и просверлено отверстие 3/16 дюйма глубиной 1¼ дюйма на краю стержня на расстоянии примерно 1,5 дюйма от одного конца.Затем это отверстие было почти заполнено 1,5 граммами порошкообразного сульфида железа и плотно закрыто стальной заглушкой, вбитой в него. Используемый сульфид железа содержал 20,62% серы. После заполнения и закрытия отверстия стержень помещали в пробирную печь, и муфель постепенно доводили до ярко-красного тепла — полного рабочего тепла для пробирной печи. На это потребовалось около часа с четвертью. После достижения полного нагрева печь выдерживали при этом нагреве еще десять часов, а затем давали медленно остыть и стержень снимали.Образовалась тяжелая окалина, соскребая ее и измеряя стержень, было обнаружено, что он потерял одну восьмую дюйма в толщине в результате окисления. Затем пруток помещали в строгальный станок и правили до тех пор, пока весь оксид не был удален и оставался только блестящий металл. Затем поперечный разрез был сделан непосредственно над исходным отверстием, и шлам был сохранен для анализа. При прорезании исходного отверстия оно оказалось полностью пустым, за исключением тонкой черной пленки. Затем были просверлены четыре полудюймовых отверстия

, параллельных исходному отверстию; первое — на 1/8 дюйма от исходного отверстия, а остальные — по касательной.Определение содержания серы в шламе над стволом и в пробуренных скважинах не показало увеличения по сравнению с исходным стержнем. Подробности определений можно найти в таблице в конце описаний.

Эксперимент 2

В этом испытании ½-дюймовое отверстие было заменено первым использованным 3/16-дюймовым и было введено 10 граммов сульфида; отверстие было заглушено как раньше. Барная стойка нагревается, как и в первом случае, но полный огонь поддерживается всего четыре часа вместо десяти. При правке стержня, как и в первом случае, было обнаружено, что пробка полностью приварена к прилегающему металлу, а при поперечном разрезании отверстия сульфид полностью исчез. Металл в непосредственной близости от отверстия нисколько не изменился по структуре, как это видно на рис. 1, сделанном на фотографии стержня после правки и сверления для анализа. Анализы выбуренной породы над стволом и пробурений из стволов, расположенных по касательной к исходному стволу, снова не показали заметного увеличения содержания серы, хотя добавленное количество составляло приблизительно 0.1 процент от веса оперированной штанги.

Эксперимент 3

Увидев из вышеизложенного, что сульфид будет полностью диффундировать через стержень, мы попытались посмотреть, сможем ли мы найти приблизительную скорость, с которой он абсорбируется. Другой кусок стали был взят с отверстием ½ дюйма, как в эксперименте 2, и было введено 8,6 грамма сульфида. Вместо того, чтобы заткнуть отверстие, его накрыли небольшим куском железа, который поднимали только для проверки стержня. Перед введением стержня печь была доведена до яркого огня.Штанга была вставлена ​​в 10 часов утра и снята в 10.45, как только она достигла полного нагрева. Сульфид плавился, но абсорбция была незначительной или отсутствовала. Планка была возвращена и снова снята в 11.15, когда весь сульфид был абсорбирован. Добавляли дополнительно 2,5 грамма сульфида, к этому времени брусок охлаждали до умеренно красного цвета, возвращали его в печь и извлекали при 11,35. Сульфид только что расплавился. Возвращенный и удаленный в 11.47, он показал, что сульфид абсорбируется примерно на треть; вернулся и окончательно отозван в 12.00, когда весь сульфид снова абсорбируется. Всего пропало 11,1 грамма. Анализ просверленных отверстий, параллельных исходному отверстию, на расстоянии 1/8 дюйма от него, не показал увеличения содержания серы по сравнению с исходным. Были замечены белые пары, исходящие от стержня при извлечении его из печи, а окалина снаружи местами содержала кольца беловатого цвета, особенно по сторонам стержня вблизи отверстия. шкала, показывающая большее или меньшее количество этого беловатого вещества, была проанализирована и показала 2.601 процент, сера, что указывает на то, куда ушла хотя бы часть серы.

Эксперименты 4 и 5

Эти два эксперимента были почти одинаковыми, за исключением того, что в № 4 использовалось одно полудюймовое отверстие с 8,5 граммами сульфида, а в № 5 — два полудюймовых отверстия, содержащие 15 граммов. были использованы. Прутки помещали в муфельную печь Хоскинса таким образом, чтобы, не закрывая отверстия, можно было наблюдать за процессом поглощения. Слитки начали поглощать сульфид менее чем за час.Когда примерно одна треть или немного больше сульфида абсорбировалась, бруски извлекались и закаливались в воде. Как и в № 3, были замечены белые пары; а при погружении брусков в воду был обнаружен отчетливый запах сероводорода. Ни в одном из этих случаев количество серы в отверстиях, взятых в пределах одной восьмой дюйма от исходного отверстия, не было выше, чем в исходном стержне.

В приведенной ниже таблице я использовал термин «растворимая сера» для обозначения той части серы, которая перешла в виде сероводорода при растворении стали в соляной кислоте, а «нерастворимая сера» — для обозначения серы, остающейся с нерастворимый остаток в колбе-генераторе.Раствор в колбе ни в коем случае не содержал серы.

Сразу после того, как листы, содержащие непосредственно предшествующие страницы, были напечатаны, я получил от профессора Кэмпбелла письмо, информирующее меня о том, что более поздние исследования, проведенные под его руководством, привели его к подозрению, что результаты экспериментов по распространению сульфид железа, о котором он сообщил в этой дискуссии, может не совсем точно выражать истинное значение наблюдаемых явлений, поскольку то, что казалось явным случаем диффузии, могло оказаться случаем капиллярного действия.Это сомнение разрешится дальнейшим экспериментом. Выводы, сделанные профессором Кэмпбеллом (стр. 620, 621) относительно сегрегации в колесах автомобиля, не затронуты.

Беру на себя смелость добавить (что уже знают многие профессиональные коллеги профессора Кэмпбелла), что этот выдающийся исследователь в результате несчастного случая в своей лаборатории полностью потерял зрение, бедствие, которое положило бы конец научным исследованиям. труды менее искусного и страстного ученика. Но это видит разум, и проф.Работы Кэмпбелла по-прежнему отличаются блеском и точностью, хотя физические детали теперь выполняются руками и глазами других. Сомнение, которое он откровенно выразил в этом случае, действительно является дополнительным доказательством его характерной остроты, поскольку это просто признание личного уравнения и суждения его помощника как неопределенного фактора, который требует дальнейшей проверки. Что касается определения сегрегации в колесах автомобиля, профессор Кэмпбелл пишет: «Все в порядке, поскольку я сам проделал эту работу до аварии, и я удовлетворен этими результатами.”- Р.У. R.

Есть одна из болезней, наследником стали, которую я считаю результатом своего рода локальной сегрегации, а именно хорошо известные твердые участки, которые иногда встречаются у поверхности при обработке как отливок, так и поковок.

Обычно их относят к частицам шпигеля или ферромарганца, остающимся нерасплавленным или несмешанным в стали. Это объяснение мне кажется совершенно неадекватным. Они возникают в тех случаях, когда невозможно, чтобы какая-либо часть шпигеля могла остаться нерасплавленной или несмешанной.Насколько мне удалось наблюдать, они возникают в сталях, отлитых при слишком высокой температуре.

Моя теория для этого случая состоит в том, что существует локальная сегрегация примесей во многих местах, каждое из которых образует твердое пятно рядом с внешней стороной массы пастообразной стали, причем каждое твердое пятно представляет собой соединение, в котором были собраны примеси. Также собираются газообразные примеси; и я часто замечал в поковках, которые недостаточно обработаны молотком, что почти в каждом твердом месте было частично закрытое отверстие рядом или непосредственно в нем.

Причина, которая вызывает такую ​​локальную сегрегацию в некоторых слитках, но не во всех, я считаю, в основном, это слишком высокая температура литья. Холодное оружие слишком быстро схватывается по поверхности для такого действия. Как для горячей, так и для холодной стали в центре на верхнем конце будет скопление примесей, которые будут тем более выраженными, чем крупнее слиток и чем выше температура, при которой отливается сталь.

Исследования и исследования таких выдающихся авторитетов, как А.Пурсель, Х. М. Хоу и другие по вопросу о сегрегации оставляют в этой линии немногое, кроме сбора дополнительных данных и изучения условий и методов, которые сведут их к минимуму.

Из полученных результатов мы заключаем, что сегрегация, или «отделение» примесей и составляющих стали, следует естественному закону; что составные части стали имеют тенденцию накапливаться вдоль оси и по направлению к вершине слитка или к участкам, которые затвердевают в последнюю очередь; что наибольшая сегрегация обнаруживается в верхней части слитков и что она максимальна в больших или горячих слитках.

Отметим далее, что опасные элементы стали, фосфор и сера относятся к числу тех, которые разделяются наиболее сильно, и что чем выше процент присутствующих этих элементов, тем сильнее они будут разделяться.

Если бы эти факты были обнаружены при повсеместном использовании стали в конструкционных целях, это стало бы серьезным ударом для ее ярых сторонников и триумфом для консерваторов, которые утверждают, что железо — единственный металл, пригодный для таких целей.Несмотря на отсутствие у нас знаний по этому важнейшему вопросу, сталь постепенно заняла самое важное место среди конструкционных металлов; и когда сегрегация предусмотрена и находится под определенным контролем, нашу веру в сталь редко поколебать.

До настоящего времени вопрос о сегрегации оставался проблемой, которую оставалось решать производителю, но с учетом ее законов и эффектов, которые у нас есть сейчас, кажется, что пришло время для рассмотрения ее инженерами при подготовке спецификации на сталь.

Введение химических ограничений в спецификации произошло сравнительно недавно и даже сейчас не является всеобщим. Налагаемые ограничения обычно справедливо касались двух опасных элементов стали, фосфора и серы, и в большей степени первого, чем второго. Устанавливая пределы химического состава, инженер основывал свои расчеты на анализе ковша, на основании которого производитель классифицирует сталь и который достоверно отражает средние химические свойства стали.
В результате исследований в сегрегации инженер теперь может с уверенностью предположить, что, хотя часть его материала может быть ниже предела, который он указал для определенных элементов, определенная его часть наверняка будет выше, и ни одна отдельная часть материала будет абсолютно однородным.

Поскольку химические ограничения стали определяются только анализом ковша, нельзя ожидать особого внимания к температуре разливки, форме слитков и способу охлаждения, помимо обычных требований к защите производителя; также нельзя ожидать большей обработки слитков, чем можно было бы получить приблизительно надежный материал.

К счастью, в подавляющем большинстве случаев отверстия для заклепок, пробитые в конструкционном материале, находятся на тех линиях, где сегрегация наиболее легкая. Однако в некоторых случаях, показанных ниже, скопление сильно сегрегированного материала может стать источником серьезной опасности.

При проектировании конструкций наблюдается тенденция к использованию более длинных и длинных материалов в виде форм, пластин и стержней и пропорционального увеличения сечения. Производители старались идти в ногу с этим спросом, пока не был достигнут предел мощности нагревательных печей, валков и заводов в целом; Вследствие этого мы, естественно, можем ожидать, что помимо дефектов из-за неадекватных валков и оборудования, часть этого материала должна быть сильно изолирована на верхних концах.Несомненно, многие отказы головок с проушинами, которые были связаны с неправильной обработкой, могли быть связаны с сегрегацией в недостаточно обрезанном слитке.

Если сегрегация оказывает такое серьезное и заметное влияние на качество стали, почему у нас не было более многочисленных и обширных отказов металла для важных конструкций? Ответ содержится в статье М. Пурселя, где описывается различие в поведении тестов сверху и снизу шаблона.

Очень немногие спецификации, если таковые вообще имеются, имеют какое-либо право определять способ выбора тестов, и производители получили преимущество от любых сомнений, поскольку им было разрешено выбирать тесты по своему усмотрению. Эффекты сегрегации, если не ее законы, давно известны в том, что касается их влияния на результаты испытаний; Небольшое исследование и эксперимент со стороны производителя вскоре покажут наиболее выгодное место и способ проведения испытаний на резку. Иллюстрация этого дана на рис.2.

Возможность еще большего сокрытия истинной природы материала можно увидеть в том факте, что прикрепленные купоны на пластинах можно отжечь или упрочнить, поместив их между горячими пластинами из железа, а затем медленно или быстро охладив их.

Спецификация, широко используемая в Соединенных Штатах в течение нескольких последних лет, предусматривает прием или отклонение стали путем испытаний, проводимых на стержнях диаметром ¾ дюйма, прокатанных из небольших слитков, независимо от сечения, на которое приходится оставшаяся часть материала. катиться.Заслуга наших производителей в том, что в соответствии с этой спецификацией подавляющее большинство из них предоставили тесты из готовых секций.

Важный вопрос: как инженеры защитить себя от сегрегации в материале, который они используют в своих конструкциях? Навязывание производителю абсолютно фиксированных линий несправедливо и непрактично и является проверкой улучшений, которые могут возникнуть в результате экспериментов и наблюдений. Правильный метод, кажется, заключается в использовании разумных спецификаций, которые легко соблюдаются и строго соблюдаются.

Предполагается, что нижеследующий отрывок из спецификации, недавно подготовленный автором, предусматривает разделение и по-прежнему оставляет производителю возможность работать с максимальной отдачей. Спецификация была предназначена для обеспечения высокого качества бессемеровской стали.

«Образцы, взятые из стали при разливке, должны показывать количество фосфора не более 0,06% и количество серы не более 0,05%. При сверлении любой части готового материала должно быть обнаружено количество фосфора не более 0.07 процентов и количество серы не более 0,06 процента ».

Требовалась сталь, которая в готовом продукте не должна содержать больше фосфора и серы, чем указано для готового материала. Довольно близкие границы между испытанием в ковше и сверлениями, которые, естественно, будут взяты из наиболее сильно сегрегированных деталей, были установлены таким образом, чтобы производитель имел все преимущества, которые его изобретательность или опыт могли бы предложить для сокращения сегрегации до минимума. .Эта спецификация сводит большинство производителей к обширному сбору слитков или к использованию гораздо более качественного материала, чем представлено в ковшевом анализе.

М. Пурсель предлагает использовать новые сплавы как средство от сегрегации, и, несомненно, многое можно сделать в этом направлении, но коварные элементы, фосфор и сера, все еще остаются. Пока мы ищем новые сплавы для стали, мы должны стараться контролировать старый, насколько это возможно.

На следующих рисунках показаны более или менее заметные примеры сегрегации, исследованные автором.

Возможно, что прилегающий материал в стыках, показанных на рис. 1, может сильно пострадать от сегрегации, как и сами стыковые пластины.

Спецификация котельной плиты требует однородного материала, имеющего определенный предел прочности. На рис. 2 показано, как можно проводить вводящие в заблуждение тесты. Слиток раскатывают на четыре пластины: a, b, c и d; предварительные испытания на сдвиг показывают, что с купоном на 1 предел прочности будет слишком низким; что с купоном 4 предельное значение будет слишком высоким; в то время как купоны 2 и 3 придадут желаемую прочность на разрыв.Расположение купонов на 5, 6, 9 и 10 будет проходить все четыре пластины. Если купоны 2 и 3 вызывают сомнения, купоны 7 и 8, вероятно, сохранят пластины b и c, тогда как купоны 1, 2, 3 и 4 могут отклонить все четыре пластины.

На рис. 3 представлены результаты испытаний листа размером 16 на 5/8 дюйма, прокатанного из слитка 10 на 18 дюймов, а также результаты анализа сверления сломанных образцов, которые приведены в таблице. ниже вместе с физическими результатами показано влияние сегрегации при испытаниях на растяжение.

Другая серия испытаний показывает сегрегацию в стальном слитке, а

— ее влияние на испытания на растяжение. Слиток раскатывали в пластину диаметром 3/8 дюйма и разрезали на десять последовательных частей, причем № 1 был сверху. Тестовый разрез на краю каждой детали дал следующие результаты:

На рис. 4 представлена ​​стальная пластина размером 30 на 5/16 дюйма, из которой были вырезаны образцы 1, 2, 3, 4, 4 дюйма. отдельно, и тест 5 был взят крест-накрест. Бурения для анализа были взяты, как показано на рисунке, первые четыре из ближних трещин, пятое из двух концов испытания.Результаты показывают сегрегацию и ее эффекты при испытаниях на растяжение.

На рис. 5 показан случай разрыва осей автомобиля при испытании на падение. Просверленные отверстия, взятые, как указано, от центра и поверхности трещины, дали следующий состав.

На рис. 6 изображена ось автомобиля, которая сломалась в сиденье колеса во время эксплуатации. При осмотре излома этой оси в точке F было обнаружено, что она содержит большую полость, окруженную металлической обшивкой толщиной около ¾ дюйма, как указано в S.Анализ отверстий, взятых как

, указанных на рисунке, с поверхности оси и центра трещины, дал следующие результаты:

«Сегрегация и ее последствия в слитках стали и чугуна, »Александра Пурселя, Париж, Франция. (См. Стр. 105, Trans, xxii.)
«Микроскопическая металлография», Ф. Осмонд, Париж, Франция. (См. Стр. 243, Trans. Xxii.)
«Микроструктура чугуна в литых слитках», профессор А. Мартенс, Берлин, Германия.(См. Стр. 37.)
«Микроструктура стали» Альберта Совера, Южный Чикаго, III. (См. Стр. 546, Trans, xxii.)
«Дальнейшие наблюдения о взаимосвязи между химическим строением и физическим характером стали», Уильям Р. Вебстер, Филадельфия, Пенсильвания. (См. Стр. 113.)
«Тепло -обработка стали », Х. М. Хоу, Бостон, Массачусетс (см. стр. 466.)

Поскольку все эти документы рассматривались вместе, не было предпринято никаких попыток разделить обсуждение строго на несколько разделов.

Магнетизм и микроструктурная характеристика фазовых переходов в стали

Мы представляем фазовые переходы в низкоуглеродистой стали в соответствии с существующими фазами и их магнетизмом. Сканирующий электронный микроскоп использовал исследования для уточнения и оценки микроструктурных деталей. Кроме того, мы использовали данные мессбауэровской спектроскопии для определения магнитных характеристик различных существующих фаз. Исследования с помощью сканирующего электронного микроскопа показали, что в чистом состоянии сталь полностью находилась в ферритной фазе с равноосными зернами.Кроме того, последующие термообработки исследуемой стали также обеспечили образование сначала аустенитной, а затем перлитной фазы. Мессбауэровская спектроскопия этих фаз проявлялась в виде парамагнитного пика поглощения с одной линией для аустенитной фазы и ферромагнитных шестилинейных спектров как для ферритной, так и для перлитной фаз. По мессбауэровским данным мы определили, что внутренние магнитные поля ферритной и перлитной фаз составляли 32,2 и 31,3 тесла соответственно.

1. Введение

Из-за их значительного использования в технологии и промышленности подробные исследования твердотельных фазовых превращений в стали привлекли заметное внимание в течение последнего столетия [1–3].Применимые результаты этих предыдущих исследований делают сталь более способной адаптироваться к быстро меняющимся требованиям повседневной жизни. Таким образом, сталь — самый удобный и недорогой из всех материалов с годовым потреблением более миллиарда тонн.

Стали в основном делятся на три основные категории в зависимости от содержания в них углерода. Первая категория представляет собой низкоуглеродистую сталь и содержит максимум 0,2% C. Вторая категория включает среднеуглеродистую сталь с 0,2% C – 0,5% C. Третья категория представляет высокоуглеродистую сталь и включает более 0.5% C или более высокое содержание углерода [4]. Здесь следует подчеркнуть, что низкоуглеродистая сталь вмещает самый высокий тоннаж из всех сталей за данный год. Конструкционная сталь для зданий и мостов, трубопроводов и автомобильного листа; это лишь несколько основных областей применения низкоуглеродистой стали. Кроме того, характеристики всех типов стали зависят от их химического состава, истории приготовления, применяемых режимов термообработки и последующей закалочной среды. Все это приводит к образованию различных фаз продукта: перлита, бейнита и мартенсита [3, 5–10].Например, когда низкоуглеродистая сталь охлаждается из аустенитной области после соответствующей температуры термообработки, различные процентные содержания аустенитной фазы переходят в новую фазу, включающую пластинчатые пластины феррита и цементита (). С одной стороны, Bain представил эту новую фазу как «перлит». С другой стороны, в зависимости от температуры их образования перлитная фаза находится между 550 ° C и 720 ° C в стали, тогда как аустенитная область находится между 910 ° C и 1535 ° C для черных сплавов и стали [11].

С физической точки зрения магнитные свойства стали в конечном итоге связаны с их собственной микроструктурой, химическим атомным составом и условиями легирования. По сравнению друг с другом, аустенитная фаза немагнитна, в то время как ферритная, перлитная и бейнитная фазы являются магнитными. Здесь стоит упомянуть, что мессбауэровская спектроскопия — это точный спектроскопический метод, который уточняет внутренний магнетизм () и объемные доли отдельных фаз в стали и сплавах [12–14].

Исследования разложения исходного аустенита на такие фазы продукта, как перлит, бейнит и мартенсит, играют особенно важную роль при производстве черных сплавов и стали.Таким образом, физические свойства, такие как кинетика превращения, морфология и кристаллография как черных сплавов, так и стали, требуют тщательного изучения. Интерпретация этих целей позволяет улучшить качество и применимость стали во многих отраслях промышленности.

Современная литература посвящена многим исследованиям механических свойств низкоуглеродистой стали. Однако все еще существует некоторая нехватка, особенно в отношении взаимосвязи микроструктура-магнетизм в низкоуглеродистой стали.Таким образом, целью настоящего исследования было изучение и уточнение взаимосвязи микроструктуры и магнетизма различных фазовых образований в низкоуглеродистой стали после различных условий термообработки.

2. Экспериментальная

Промышленная низкоуглеродистая сталь типа AISI (Американский институт черной металлургии) 1117 была исследована в настоящем исследовании. Химический состав этой стали был следующим: Fe-0,11% Cr-0,19% C-1,14% Mn-0,19% Si-0,02% P-0,01% Ni (мас.%). Объемный образец стали представлял собой цилиндрический стержень длиной 10 см и диаметром 1 см.

Для выявления микроструктурных деталей из объемного цилиндрического образца стали механически вырезаны три сляба. Затем они были утонены до толщины 150 мкм м. Мы выбрали чистый лист стали (образец А), чтобы обнаружить микроструктурные детали без какой-либо обработки. Затем вторую пластину (образец Б) гомогенизировали при 1100 ° C в течение 1 ч в кварцевой трубке. Затем эту трубку закалили в воду при комнатной температуре, взломав кварцевую трубку. Новую третью пластину гомогенизировали при 1100 ° C в течение 1 часа в кварцевой трубке и, наконец, охлаждали на воздухе при комнатной температуре (образец C), чтобы сравнить влияние закалочной среды на образец B.Кроме того, в таблице 1 приведены примененные термические обработки исследуемых образцов.

закалка Образец Применяемая термообработка A В чистом виде C 1100 ° C → 1 ч → охлаждение на воздухе

После проведенных термообработок и закалки образцы A, B и C были механически утонены до 50 мкм мкм с абразивной бумагой SiC. После шлифовки все образцы были отполированы алмазной пастой 3 мкм с помощью стандартной процедуры, и эти тонкие образцы фольги были окончательно протравлены в 3% Nital для наблюдений с помощью СЭМ. Электронный микроскоп типа JEOL JSM 5600 был использован для исследования микроструктуры при рабочем напряжении 20 кВ.

Образцы, исследованные с помощью SEM, были использованы для измерений мессбауэровской спектроскопии. Во время магнитного анализа был проведен мессбауэровский спектрометр при комнатной температуре с радиоактивным источником 50 мКи в Rh.Мессбауэровские спектры всех измеренных образцов были откалиброваны относительно -Fe, и значения изомерного сдвига были приведены к центру -Fe.

3. Результаты и обсуждение

Рисунок 1 представляет собой СЭМ-микрофотографию, полученную с образца A. Как видно на рисунке 1, детали поверхности образца демонстрируют типичную ферритную фазу с определенными равноосными зернами для чистого (полученного) состояние стали. Эта фаза описывает магнитный твердый раствор углерода и состоит из наиболее часто встречающихся в стали микрокомпонентов.Эта магнитная фаза появляется после разливки сталей с содержанием углерода менее 0,8% [15].

Рисунок 2 соответствует микрофотографии образца B. Быстрое охлаждение закалкой в ​​воде привело к образованию аустенитной фазы в этом образце. Кроме того, микроструктура на рисунке 2 отображает аустенитную фазу исследуемой стали с типичными аустенитными зернами и границами зерен. Кроме того, аустенитная фаза образует немагнитный углеродный твердый раствор железа. Кроме того, аустенитные микроструктуры стали предпочтительны из-за их широкого применения и использования в столовых приборах, больничном и общественном оборудовании, а также в посуде.

Рисунок 3 представляет собой СЭМ-микрофотографию образца C. Медленное охлаждение на воздухе при комнатной температуре привело к образованию крупнозернистой перлитной фазы в образце C с пластинчатой ​​морфологией. Фаза перлита в стали образует две выраженные морфологии, а именно грубый перлит и мелкий перлит. При низких температурах быстро происходит зарождение стадии фазового превращения, которая подавляет рост зерен. Уменьшение роста зерен приводит к мелкозернистой микроструктуре в виде мелкозернистого перлита.С другой стороны, при более высоких температурах диффузия легирующих ингредиентов способствует большему росту зерен и приводит к образованию крупнозернистой микроструктуры в виде крупного перлита [16–18]. В этом исследовании образец C исследуемой низкоуглеродистой стали показывает типичную крупнозернистую перлитную фазу, как показано на рисунке 3.

С магнитной точки зрения, несмотря на парамагнитное упорядочение исходной аустенитной фазы, продуктовых фаз, таких как бейнит, перлит и мартенсит может проявлять ферромагнитное упорядочение [19].В мессбауэровской спектроскопии одиночная линия сопровождает парамагнитную фазу аустенита, тогда как продуктовые ферромагнитные фазы проявляются в спектрах с типичным секстетом [8]. На рисунках 4, 5 и 6 показаны мессбауэровские спектры с графиками зависимости скорости счета от относительной скорости образцов A, B и C соответственно. Обнаруженная ферритная фаза в образце A появляется с ферромагнитным секстетом в мессбауэровском спектре, как на рисунке 4. Также на рисунке 5 показан синглет парамагнитной фазы аустенита для образца B.И наоборот, пики на рисунке 6 указывают как на парамагнитный синглет для фазы остаточного аустенита, так и на ферромагнитный секстет, принадлежащий фазе перлита в образце C. Кроме того, в таблице 2 показаны некоторые важные мессбауэровские данные, собранные для всех изученных образцов. Объемные% превращений, значения внутреннего магнитного поля и изомерные сдвиги каждого образца можно легко увидеть в таблице 2.

3 9013 9038 903 903 903 4. Выводы Из определенных результатов настоящих экспериментов мы вывели и обрисовали в общих чертах следующие выводы: (i) Существующая низкоуглеродистая сталь показала ферритную микроструктуру (Рисунок 1), как в полученном чистом состоянии.Кроме того, различные закалочные среды при постоянной температуре гомогенизации привели к появлению различных фаз в исследуемой стали. Быстрая закалка исследуемой стали в воде вызвала образование аустенитной фазы в образце B (Рисунок 2), тогда как медленное охлаждение на воздухе при комнатной температуре вызвало образование крупнозернистой фазы перлита (Рисунок 3) в образце C. (ii) В зависимости в основном от стали По составу и применяемой до термообработки перлитная фаза имеет две общие морфологии в стали: мелкий перлит и крупный перлит.Мы наблюдали образование крупного перлита (Рисунок 3) в исследуемой стали для данного состава и термической обработки. (Iii) Определенный магнетизм ферритной (Рисунок 4) и перлитной фаз (Рисунок 6) объясняет, что внутреннее магнитное поле ферритной фазы составляет 32,2 Тесла, и он выше, чем магнетизм перлитной фазы, который имеет значение 31,3 Тесла. Конфликт интересов Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов относительно публикации данной статьи. Thermal Expansion — The Physics Hypertextbook Обсуждение Твердые вещества Для многих твердых тел расширение прямо пропорционально изменению температуры. ∆ℓ = αℓ 0 ∆ T Области расширяются вдвое больше, чем длина. ∆ A = 2α A 0 ∆ T Объемы увеличиваются в три раза по сравнению с длиной. ∆ V = 3α V 0 ∆ T заявки изгиб компенсационный зазор / шов клапан против ожогов биметаллическая планка, термостат расширение отверстий (установка шин поезда) «Более того, самолет расширяется на 15-25 сантиметров во время полета из-за палящего тепла, создаваемого трением с воздухом.Конструкторы использовали ролики, чтобы изолировать кабину от тела, чтобы растяжение не разорвало самолет на части. «Хелен Пирсон» Concorde уходит в отставку. «Nature Physics Portal. Октябрь 2003 г. «Конкорд имеет длину 204 фута — растяжение в полете от шести до десяти дюймов из-за нагрева планера. Он окрашен в специально разработанную белую краску, чтобы учесть эти изменения и рассеять тепло, генерируемое сверхзвуковым полетом». источник Тепловое расширение — небольшой, но не всегда незначительный эффект.Типичные коэффициенты измеряются в частях на миллион на кельвин (10 -6 / K). Это означает, что длина вашей типичной классной измерительной линейки никогда не меняется более чем на 100 мкм за весь срок службы — вероятно, никогда не более чем на 10 мкм, пока учащиеся ее используют. методы измерения Компаратор длины дилатометр с толкателем (дает относительное расширение, так как сам прибор расширяется) интерферометр (метод высшей точности) рентгеновский дифактометр Емкостной дилатометр тензодатчик оптический дилатометр (в основном цифровой фотоаппарат) анизотропное расширение Некоторые материалы расширяются по-разному в разных направлениях, особенно графит и древесина (пиломатериалы). жидкости Жидкости могут только увеличиваться в объеме. ∆ V = β V 0 ∆ T Жидкости имеют более высокий коэффициент расширения, чем твердые. β ~ 10 −3 / K, 3α ~ 10 −5 / K заявки Образец Наблюдаемая фаза Объемная доля (%) Изомерный сдвиг (мм / с) (тесла) A Феррит 100 0. 22 32,2 B Аустенит 100 0,19 — C Аустенит + перлит Коэффициенты линейного теплового расширения материал α (10 −6 / К) оксид алюминия (αAl 2 O 3 ) 5. 30 алюминий 23,1 феррит бария 10 латунь 20,3 карбон, алмаз 1,18 углерод, графит ∥ 6,5 углерод, графит ⊥ 0,5 хром 4,9 бетон 8–12 медь 16.65 эпоксидная 55 германий 6,1 стекло, обычное 8,5 стекло со сверхнизким расширением 0,04 золото 14,2 инвар (64% Fe, 36% Ni) 1,2 утюг 11,8 свинец 28. 9 никель 13,3 пластмассы 40–120 оргстекло 93 платина 8,8 плутоний 54 кремний 4,68 серебристый 18,9 припой свинцово-оловянный 25 сталь, нержавеющая 17.3 сталь конструкционная 12 банка 22 титан 8,5 вольфрам 4,5 уран 13,9 вода, лед (0 ° C) 51 древесина (пиломатериалы) тангенциальная 36 дерево (пиломатериал) радиальное 26 дерево (пиломатериал) осевое 3. 7 цинк 30,2 вольфрамат циркония (ZrW 2 O 8 ) −8,8 Коэффициенты объема тепловое расширение ☞ Все значения в обеих таблицах являются средними для температур около 20 ° C, если не указано иное. материал β (10 −6 / К) спирт этиловый 1120 бензин 950 Топливо реактивное, керосин 990 ртуть 181 вода, жидкость (1 ° C) −50 вода, жидкость (4 ° C) 0 вода, жидкость (10 ° C) 88 вода, жидкость (20 ° C) 207 вода, жидкость (30 ° C) 303 вода, жидкость (40 ° C) 385 вода, жидкость (50 ° C) 457 вода, жидкость (60 ° C) 522 вода, жидкость (70 ° C) 582 вода, жидкость (80 ° C) 640 вода, жидкость (90 ° C) 695 вода аномальное расширение воды лед менее плотен, чем вода Вода наиболее плотная при 4 ° C (ρ = 999. 973 кг / м 3 ) заявок Прорывались замерзшие трубы Круговорот озерной воды весной плутоний Плутоний претерпевает больше фазовых переходов при обычных давлениях, чем любой другой элемент. При нагревании плутоний перед плавлением трансформируется через шесть различных кристаллических структур — α [альфа], β [бета], γ [гамма], Δ [дельта], Δ ‘[простое дельта] и ε [эпсилон].Физические свойства, такие как плотность и тепловое расширение, значительно варьируются от фазы к фазе, что делает его одним из самых сложных металлов для обработки и обработки. Металлургию плутония лучше доверить специалистам. Примечания формируют LLNL, которые необходимо перефразировать. «Одно из уникальных физических свойств плутония заключается в том, что чистый металл демонстрирует шесть фазовых превращений в твердом состоянии, прежде чем достигнет жидкого состояния, переходя от альфа, бета, гамма, дельта, дельта-простота к эпсилону. стабильная альфа-фаза при комнатной температуре и жидкое состояние элемента.Другой необычной особенностью является то, что нелегированный плутоний плавится при относительно низкой температуре, примерно 640 ° C, с образованием жидкости более высокой плотности, чем твердое тело, из которого он плавится. Кроме того, упругие свойства дельта-гранецентрированной кубической (ГЦК) фазы плутония являются сильно направленными (анизотропными). То есть эластичность металла широко варьируется по разным кристаллографическим направлениям в шесть-семь раз ». инвар Газы Поведение газов более сложное, газы будут расширяться настолько, насколько позволит давление.Ознакомьтесь с законами о газе. Магнитный отклик нержавеющей стали Примечание. Эта статья взята из Atlas Specialty Metal Tech Note 11 «Магнитный отклик нержавеющей стали» Магнитный отклик — или его отсутствие — часто является одной из первых вещей, которые люди считают основным свойством нержавеющих сталей. Реакция нержавеющей стали на магнит — это интересное физическое свойство, которое может быть полезным испытанием для сортировки, но оно не так однозначно, как часто думают. КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ? Ферромагнитные материалы Материалы, которые сильно притягиваются к магниту (постоянному или электрическому) и сами могут образовывать постоянные магниты. Это обычное свойство, когда материал называют «магнитным». Магнитная проницаемость Легкость намагничивания магнитного материала выражается магнитной проницаемостью. Значения, близкие к 1,0, показывают, что материал немагнитен. Жесткие или мягкие магнитные характеристики Магнитные материалы можно разделить на «твердые» и «мягкие». Магнитотвердые материалы сохраняют значительный остаточный магнетизм после воздействия магнитного поля. Магнитомягкие материалы могут быть намагничены относительно небольшим магнитным полем, и когда оно удаляется, они возвращаются к низкому остаточному магнетизму. Немагнитные материалы Материалы, не реагирующие на магнит. Температура Кюри Некоторые металлы имеют температуру, при которой они изменяются с ферромагнитной на немагнитную.Для обычных углеродистых сталей это происходит при температуре около 768 ° C. КАКИЕ МЕТАЛЛЫ ЯВЛЯЮТСЯ МАГНИТНЫМИ? Все распространенные углеродистые стали (включая низкоуглеродистую сталь), низколегированные стали и инструментальные стали являются ферромагнитными. Некоторые другие металлы, такие как никель и кобальт, также являются ферромагнитными. Все марки нержавеющих сталей, за исключением аустенитных марок, также являются магнитными — все ферритные марки (например, 430, AtlasCR12, 444, F20S), все дуплексные марки (например, 2205, 2304, 2101, 2507), все мартенситные марки (например, 431, 416, 420, 440C) и всех степеней дисперсионного твердения (например, 630 / 17-4PH).Несмотря на то, что дуплексные марки представляют собой смесь аустенита и феррита, они по-прежнему сильно притягиваются к магниту. КАКИЕ МЕТАЛЛЫ НЕМАГНИТНЫЕ? Большинство цветных металлов, таких как алюминий, медь и их сплавы, немагнитны. Аустенитные нержавеющие стали, как обычная серия 300 (Cr-Ni), так и серия 200 с более низким содержанием никеля (Cr-Mn-Ni), являются немагнитными. Деформируемые аустенитные нержавеющие стали обычно содержат очень небольшое количество феррита, но этого недостаточно, чтобы существенно повлиять на магнитные характеристики, за исключением очень критических применений. СВАРКИ И ОТЛИВКИ Отливки из аустенитных нержавеющих сталей имеют несколько иной состав по сравнению с их деформируемыми аналогами. Литая версия марки 316L, например, марки CF-3M. Большинство «аустенитных» литейных сплавов сделано специально, чтобы в них содержалось несколько процентов феррита — это помогает предотвратить образование горячих трещин во время литья. Сварной шов можно рассматривать как небольшую длинную отливку, и по той же причине, что подробно описана выше, аустенитные сварные швы содержат около 4-8% феррита. В случае как сварных швов, так и отливок небольшое количество феррита приводит к небольшому магнитному отклику, но его можно легко обнаружить с помощью хорошего ручного магнита. С помощью подходящего «ферритового измерителя» этот магнитный отклик можно фактически использовать для измерения количества феррита в сварном шве. Если требуется, чтобы сварной шов не содержал феррита, доступны специальные расходные материалы. Также можно заказать пластину «без феррита» или протестировать имеющуюся пластину 316 для подтверждения уровня феррита.«Не содержащие феррита» продукты специально производятся для нескольких конкретных коррозионных условий, обычно не из-за их магнитных свойств. ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ РАБОТЫ Даже несмотря на то, что деформируемые аустенитные нержавеющие стали немагнитны в отожженном состоянии, они могут проявлять магнитный отклик при холодной обработке. Холодная обработка может преобразовать часть аустенита в мартенсит. Это оказывает сильное влияние на предел прочности при растяжении и даже в большей степени на предел текучести; Тяжелая холоднотянутая проволока марки 304 может достигать предела прочности на разрыв примерно до 2000 МПа. Такой высокотехнологичный 304 также будет очень сильно притягиваться к магниту. Марки с более высоким содержанием элементов, образующих аустенит — никеля, марганца, углерода, меди и азота — образуют меньше мартенсита при холодной обработке, поэтому они не становятся такими сильными магнитными. Это можно оценить как отношение элементов формирования аустенита к элементам феррита, или просто как отношение Ni / Cr. Изделия марки 316 обычно становятся слегка магнитными, а изделия 310 и 904L почти полностью немагнитными, независимо от того, насколько сильно они обрабатывались в холодном состоянии.С другой стороны, марка 301 имеет меньшее количество никеля и затвердевает даже быстрее, чем 304…. и становится сильно магнитным даже после небольшой работы в холодном состоянии. Эти сравнения показаны на графике выше. Обратите внимание, что стали одной и той же марки различной плавки могут иметь разные магнитные характеристики из-за незначительных различий в количествах каждого элемента. ТЕПЛООБРАБОТКА Если кусок аустенитной нержавеющей стали реагирует на воздействие магнита холодной обработкой, он может быть удален обработкой раствором — стандартной обработкой нагреванием примерно до 1050 ° C (в зависимости от марки) с последующей закалкой в ​​воде или другим способом. быстрое охлаждение.Высокая температура позволяет «индуцированному деформацией мартенситу» переформироваться в аустенит, и сталь снова становится немагнитной. Он также вернулся к низкой прочности. ВАЖНА ЛИ МАГНИТНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ? Магнитный отклик не влияет на другие свойства. Холоднотянутый 304 (и в меньшей степени 316) притягивается к магниту, но это не влияет на коррозионную стойкость. Некоторые из наиболее устойчивых к коррозии нержавеющих сталей обладают сильным магнитным полем… примерами являются дуплексные и супердуплексные марки, а также высоколегированные ферритные марки, такие как 29-4C. Холоднотянутый 304 также имеет высокую прочность на разрыв, но это не связано с магнитным откликом — и магнитный отклик, и высокая прочность обусловлены холодной обработкой. Применения, в которых может потребоваться отсутствие магнитного отклика, включают оборудование МРТ и военно-морские суда для поиска мин. Для таких применений можно приобрести нержавеющую сталь с низким магнитным откликом, гарантированную специалистами. МАГНИТНО МЯГКАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ Магнитомягкие стали используются в электрических устройствах, связанных с изменением электромагнитной индукции.Соленоиды и реле являются типичными примерами, и там, где эти компоненты также должны иметь коррозионную стойкость, хорошим выбором может быть ферритная нержавеющая сталь. Для критических применений доступны специальные ферритные прутки (по запросу мельницы) с гарантированными магнитными свойствами. СОРТИРОВКА СТАЛИ Магнитный отклик куска стали — это быстрое и качественное испытание, которое может быть полезно для сортировки сортов нержавеющей стали. Другие качественные тесты перечислены в примечании Atlas TechNote 1. Сортировка марок по магнитному отклику Что можно отсортировать Аустенитные нержавеющие стали (как серии 300, так и серии 200) от других сталей. Все другие стали притягиваются к магниту, включая все ферритные, дуплексные, мартенситные и дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали. Единственными другими немагнитными сталями являются аустенитные стали с 13% марганца (например, «P8»). Метод Обратите внимание на реакцию, если таковая имеется, при приближении постоянного магнита к стали. Наконечники и ловушки Некоторые марки аустенитной нержавеющей стали, в частности 304, в некоторой степени притягиваются к магниту при холодной обработке, например, при изгибе, формовании, волочении или прокатке. Снятие напряжения при вишнево-красном жаре устранит эту реакцию из-за холодной обработки, но это снятие напряжения может вызвать повышенную чувствительность стали и не должно выполняться на предмете, который позже будет использоваться в агрессивной среде. Однако допускается полный отжиг.Даже несмотря на то, что дуплексные сорта имеют только половину количества магнитной ферритной фазы по сравнению с полностью ферритными марками, такими как 430, разница в «ощущении» ручного испытания вряд ли будет достаточной для сортировки дуплексных сталей от ферритного, мартенситного или дисперсионного твердения. оценки. Отливки и сварные швы из аустенитной нержавеющей стали также обычно обладают слабым магнитным полем из-за преднамеренного включения небольшого процента феррита в аустенитный осадок. % Феррита можно измерить по величине магнитного отклика, и для этого доступны специальные инструменты. Меры предосторожности Никаких опасностей, связанных с этим испытанием ССЫЛКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Дополнительная информация также представлена ​​на веб-сайте Atlas по адресу www.atlasmetals.com.au Copyright © Atlas Specialty Metals 2008 Изменение температуры и теплоемкость Цели обучения К концу этого раздела вы сможете: Наблюдать за теплопередачей и изменением температуры и массы. Рассчитать конечную температуру после теплопередачи между двумя объектами. Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагрев увеличивает температуру, а охлаждение снижает ее. Мы предполагаем, что фазового перехода нет и что система не выполняет никаких работ. Эксперименты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов: изменения температуры, массы системы, а также вещества и фазы вещества. Рисунок 1.Тепло Q , передаваемое для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также от вещества и фазы. (а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры. Чтобы удвоить изменение температуры массы m, вам нужно добавить в два раза больше тепла. (б) Количество передаваемого тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, вам нужно добавить в два раза больше тепла.(c) Количество передаваемого тепла зависит от вещества и его фазы. Если требуется количество тепла Q , чтобы вызвать изменение температуры Δ T в данной массе меди, потребуется в 10,8 раза больше тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды, при условии отсутствия фазы. изменение любого вещества. Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Поскольку (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и количеству атомов или молекул.Благодаря тому, что переданное тепло равно изменению внутренней энергии, тепло пропорционально массе вещества и изменению температуры. Передаваемое тепло также зависит от вещества, так что, например, количество тепла, необходимое для повышения температуры, меньше для спирта, чем для воды. Для одного и того же вещества передаваемое тепло также зависит от фазы (газ, жидкость или твердое тело). Теплопередача и изменение температуры Количественная связь между теплопередачей и изменением температуры включает в себя все три фактора: Q = mc Δ T , где Q — символ теплопередачи, m — масса вещества и Δ T — изменение температуры.Символ c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы. Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ° C. Удельная теплоемкость c — это свойство вещества; его единица СИ — Дж / (кг К) или Дж / (кг ºC). Напомним, что изменение температуры (Δ T ) одинаково в единицах кельвина и градусов Цельсия. Если теплопередача измеряется в килокалориях, то единица удельной теплоемкости — ккал / (кг ⋅ ºC). Значения удельной теплоемкости обычно необходимо искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить. Как правило, удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице 1 приведены типичные значения теплоемкости для различных веществ. За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в десять раз больше, чем у железа, что означает, что требуется в пять раз больше тепла, чтобы поднять температуру воды на ту же величину, что и у стекла, и в десять раз больше. много тепла для повышения температуры воды, как для утюга.Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле. Пример 1. Расчет необходимого тепла: нагрев воды в алюминиевой кастрюле Алюминиевая кастрюля массой 0,500 кг на плите используется для нагрева 0,250 литра воды с 20,0 ° C до 80,0 ° C. а) Сколько тепла требуется? Какой процент тепла используется для повышения температуры (б) сковороды и (в) воды? Стратегия Кастрюля и вода всегда имеют одинаковую температуру.Когда вы ставите кастрюлю на плиту, температура воды и кастрюли повышается на одинаковую величину. Мы используем уравнение теплопередачи для данного изменения температуры и массы воды и алюминия. Значения удельной теплоемкости воды и алюминия приведены в таблице 1. Решение Поскольку вода находится в тепловом контакте с алюминием, кастрюля и вода имеют одинаковую температуру. Рассчитать разницу температур: Δ T = T f — T i = 60.0ºC. Рассчитайте массу воды. Поскольку плотность воды составляет 1000 кг / м 3 , один литр воды имеет массу 1 кг, а масса 0,250 литра воды составляет м w = 0,250 кг. Рассчитайте тепло, передаваемое воде. Используйте удельную теплоемкость воды в таблице 1: . Q w = м w c w Δ T = (0,250 кг) (4186 Дж / кгºC) (60,0ºC) = 62.8 кДж. Рассчитайте тепло, передаваемое алюминию. Используйте удельную теплоемкость алюминия в таблице 1: . Q Al = м Al c Al Δ T = (0,500 кг) (900 Дж / кгºC) (60,0ºC) = 27,0 × 10 4 J = 27,0 кДж . < Сравните процент тепла, поступающего в сковороду, и тепла, уходящего в воду. Сначала найдите общее переданное тепло: Q Итого = Q w + Q Al = 62.8 кДж + 27,0 кДж = 89,8 кДж. Таким образом, количество тепла, идущего на нагревание сковороды, равно . [латекс] \ frac {27.0 \ text {kJ}} {89.8 \ text {kJ}} \ times100 \% = 30.1 \% \\ [/ latex] , а на подогрев воды — . [латекс] \ frac {62,8 \ text {кДж}} {89,8 \ text {кДж}} \ times100 \% = 69,9 \% \\ [/ latex]. Обсуждение В этом примере тепло, передаваемое контейнеру, составляет значительную долю от общего переданного тепла. Хотя вес кастрюли в два раза больше, чем у воды, удельная теплоемкость воды более чем в четыре раза больше, чем у алюминия.Следовательно, для достижения заданного изменения температуры воды требуется чуть более чем в два раза больше тепла по сравнению с алюминиевым поддоном. Пример 2. Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной с веществом: перегрев тормозов грузовика на спуске Рис. 2. Дымящиеся тормоза этого грузовика — видимое свидетельство механического эквивалента тепла. Тормоза грузовика, используемые для контроля скорости на спуске, работают, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала.Это преобразование предотвращает преобразование потенциальной гравитационной энергии в кинетическую энергию грузовика. Проблема в том, что масса грузовика велика по сравнению с массой тормозного материала, поглощающего энергию, и повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло передавалось от тормозов в окружающую среду. Рассчитайте повышение температуры 100 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью 800 Дж / кг ºC, если материал сохраняет 10% энергии от грузовика массой 10 000 кг, спускающегося 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью. Стратегия Если тормоза не применяются, потенциальная гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию. При срабатывании тормозов потенциальная гравитационная энергия преобразуется во внутреннюю энергию тормозного материала. Сначала мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале. Решение Рассчитайте изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика с горы Mgh = (10,000 кг) (9.{\ circ} C \\ [/ латекс]. Обсуждение Эта температура близка к температуре кипения воды. Если бы грузовик ехал какое-то время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше, чем температура окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к повышению температуры тормозного материала выше точки кипения воды, поэтому этот метод непрактичен. Однако та же идея лежит в основе недавней гибридной технологии автомобилей, в которой механическая энергия (гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию (аккумулятор). Таблица 1. Удельная теплоемкость различных веществ Вещества Удельная теплоемкость ( c ) Твердые вещества Дж / кг ⋅ ºC ккал / кг ⋅ ºC Алюминий 900 0,215 Асбест 800 0,19 Бетон, гранит (средний) 840 0.20 Медь 387 0,0924 Стекло 840 0,20 Золото 129 0,0308 Человеческое тело (в среднем при 37 ° C) 3500 0,83 Лед (в среднем, от −50 ° C до 0 ° C) 2090 0,50 Чугун, сталь 452 0,108 Свинец 128 0.0305 Серебристый 235 0,0562 Дерево 1700 0,4 Жидкости Бензол 1740 0,415 Этанол 2450 0,586 Глицерин 2410 0,576 Меркурий 139 0,0333 Вода (15.0 ° С) 4186 1.000 Газы Воздух (сухой) 721 (1015) 0,172 (0,242) Аммиак 1670 (2190) 0,399 (0,523) Двуокись углерода 638 (833) 0,152 (0,199) Азот 739 (1040) 0,177 (0,248) Кислород 651 (913) 0.156 (0,218) Пар (100 ° C) 1520 (2020) 0,363 (0,482) Обратите внимание, что Пример 2 является иллюстрацией механического эквивалента тепла. В качестве альтернативы повышение температуры может быть произведено с помощью паяльной лампы, а не механически. Пример 3. Расчет конечной температуры при передаче тепла между двумя телами: заливка холодной воды в горячую кастрюлю Допустим, вы залили 0,250 кг 20.0ºC воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, снятую с плиты, при температуре 150ºC. Предположим, что поддон стоит на изолированной подушке и выкипает незначительное количество воды. Какова температура, когда вода и поддон через короткое время достигают теплового равновесия? Стратегия Сковорода помещается на изолирующую подкладку так, чтобы теплоотдача с окружающей средой была незначительной. Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода.Затем теплообмен восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и поддон соприкасаются. Поскольку теплообмен между кастрюлей и водой происходит быстро, масса испарившейся воды незначительна, а величина тепла, теряемого сковородой, равна теплу, полученному водой. Обмен тепла прекращается, когда достигается тепловое равновесие между кастрюлей и водой. Теплообмен можно записать как | Q горячий | = Q холодный . Решение Используйте уравнение теплопередачи Q = mc Δ T , чтобы выразить тепло, теряемое алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечная температура: Q горячий = м Al c Al ( T f — 150ºC). Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру: Q холодный = м W c W ( T f — 20,0 ° C). Обратите внимание, что Q горячий <0 и Q холодный > 0 и что они должны быть в сумме равными нулю, потому что тепло, теряемое горячей сковородой, должно быть таким же, как тепло, полученное холодной водой: [латекс] \ begin {array} {lll} Q _ {\ text {cold}} + Q _ {\ text {hot}} & = & 0 \\ Q _ {\ text {cold}} & = & — Q _ {\ text {hot}} \\ m _ {\ text {W}} c _ {\ text {W}} \ left (T _ {\ text {f}} — 20.{\ circ} \ text {C} \ end {array} \\ [/ latex] Обсуждение Это типичная проблема калориметрии — два тела при разных температурах контактируют друг с другом и обмениваются теплом до тех пор, пока не будет достигнута общая температура. Почему конечная температура намного ближе к 20,0ºC, чем к 150ºC? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и поэтому претерпевает небольшое изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры.Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико. Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму). Эксперимент на вынос: изменение температуры земли и воды Что нагревается быстрее, земля или вода? Для изучения разницы в теплоемкости: Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две небольшие банки.(Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить примерно равную массу, используя на 50% больше воды по объему.) Нагрейте оба (в духовке или нагревательной лампе) одинаковое время. Запишите конечную температуру двух масс. Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая в течение более длительного периода времени. Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут. Какой образец остывает быстрее всего? Это упражнение воспроизводит явления, ответственные за ветер с суши и с моря. Проверьте свое понимание Если 25 кДж необходимо для повышения температуры блока с 25 ° C до 30 ° C, сколько тепла необходимо для нагрева блока с 45 ° C до 50 ° C? Решение Теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж. Сводка раздела Передача тепла Q , которая приводит к изменению Δ T температуры тела массой м составляет Q = mc Δ T , где c — удельная теплоемкость материала. Это соотношение также можно рассматривать как определение удельной теплоемкости. Концептуальные вопросы Какие три фактора влияют на теплопередачу, необходимую для изменения температуры объекта? Тормоза в автомобиле повышают температуру на Δ T при остановке автомобиля со скорости v .Насколько больше было бы Δ T , если бы автомобиль изначально имел вдвое большую скорость? Вы можете предположить, что автомобиль останавливается достаточно быстро, чтобы не отводить тепло от тормозов. Задачи и упражнения В жаркий день температура в бассейне объемом 80 000 л повышается на 1,50ºC. Какова чистая теплопередача при этом нагреве? Игнорируйте любые осложнения, такие как потеря воды из-за испарения. Докажите, что 1 кал / г · ºC = 1 ккал / кг · ºC. Для стерилизации 50.Стеклянная детская бутылочка 0 г, мы должны поднять ее температуру с 22,0 ° С до 95,0 ° С. Какая требуется теплопередача? Одинаковая передача тепла идентичным массам разных веществ вызывает разные изменения температуры. Рассчитайте конечную температуру, когда 1,00 ккал тепла передается 1,00 кг следующих веществ, первоначально при 20,0 ° C: (a) вода; (б) бетон; (в) сталь; и d) ртуть. Потирание рук согревает их, превращая работу в тепловую энергию. Если женщина трет руки взад и вперед в общей сложности 20 движений, на расстоянии 7.50 см на руб, а при средней силе трения 40,0 Н, что такое повышение температуры? Масса согреваемых тканей всего 0,100 кг, в основном в ладонях и пальцах. Блок чистого материала массой 0,250 кг нагревается с 20,0 ° C до 65,0 ° C за счет добавления 4,35 кДж энергии. Вычислите его удельную теплоемкость и определите вещество, из которого он, скорее всего, состоит. Предположим, что одинаковые количества тепла передаются различным массам меди и воды, вызывая одинаковые изменения температуры.Какое отношение массы меди к воде? (a) Количество килокалорий в пище определяется методами калориметрии, при которых пища сжигается и измеряется теплоотдача. Сколько килокалорий на грамм содержится в арахисе весом 5,00 г, если энергия его горения передается 0,500 кг воды, содержащейся в алюминиевой чашке весом 0,100 кг, что вызывает повышение температуры на 54,9 ° C? (b) Сравните свой ответ с информацией на этикетке, найденной на упаковке арахиса, и прокомментируйте, согласуются ли значения. После интенсивных упражнений температура тела человека весом 80,0 кг составляет 40,0 ° C. С какой скоростью в ваттах человек должен передавать тепловую энергию, чтобы снизить температуру тела до 37,0 ° C за 30,0 мин, если тело продолжает вырабатывать энергию со скоростью 150 Вт? 1 Вт = 1 Дж / с или 1 Вт = 1 Дж / с. Даже после остановки после периода нормальной эксплуатации большой промышленный ядерный реактор передает тепловую энергию со скоростью 150 МВт за счет радиоактивного распада продуктов деления.Эта теплопередача вызывает быстрое повышение температуры в случае отказа системы охлаждения (1 Вт = 1 джоуль / сек или 1 Вт = 1 Дж / с и 1 МВт = 1 мегаватт). (a) Рассчитайте скорость повышения температуры в градусах Цельсия в секунду (ºC / s), если масса активной зоны реактора составляет 1,60 × 10 5 кг, а ее средняя удельная теплоемкость составляет 0,3349 кДж / кг ºC. (b) Сколько времени потребуется, чтобы получить повышение температуры на 2000 ° C, которое может привести к расплавлению некоторых металлов, содержащих радиоактивные материалы? (Начальная скорость повышения температуры будет больше, чем рассчитанная здесь, потому что теплопередача сосредоточена в меньшей массе.Позже, однако, повышение температуры замедлится, поскольку стальная защитная оболочка 5 × 10 5 кг также начнет нагреваться.) Рис. 3. Бассейн с радиоактивным отработавшим топливом на атомной электростанции. Отработанное топливо долго остается горячим. (кредит: Министерство энергетики США) Глоссарий удельная теплоемкость: количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг вещества на 1,00 ºC Избранные решения проблем и упражнения 1.5,02 × 10 8 Дж 3. 3.07 × 10 3 Дж 5. 0,171ºC 7. 10,8 9. 617 Вт Duncan Steel | U-M LSA Physics Около Профессор Стил исследует квантовую оптику в физике конденсированного состояния: взаимодействие света с конденсированным веществом — чрезвычайно сложная и богатая область физики. Интерес к полупроводникам с прямой запрещенной зоной для потенциальных применений в квантовой оптоэлектронике показал, что нынешнее понимание этих систем очень плохо.Взаимодействие света с этими материалами — внутренняя проблема многих тел, но эффекты беспорядка значительно усложняют описание этих систем и создают возможность для наблюдения новых оптических явлений, таких как сверхизлучение, фотонное эхо и срыв экситонов по Раби. Группа профессора Стила в области конденсированного состояния сейчас сосредоточена на изучении квантовых точек и наноструктур с экспериментами, направленными на решение проблем квантовых вычислений. Эти системы особенно важны по мере развития технологий нанопроизводства.Недавняя работа продемонстрировала оптически индуцированную и обнаруженную квантовую запутанность в одной квантовой точке. В настоящее время предпринимаются попытки продемонстрировать когерентное оптическое управление спинами и продемонстрировать простой квантовый алгоритм. Исследования профессора Стила в области биофизики: основное внимание уделяется разработке и применению оптических и лазерных методологий, особенно спектроскопии одиночных молекул, для изучения второй половины генетического кода. Первая часть генетического кода относится к структуре и информации, хранящейся в ДНК, в частности, к кодам ДНК для аминокислотной последовательности белков, влияющих на все биологические функции.Однако белки представляют собой сложные трехмерные структуры, структура и функция которых однозначно связаны с линейной аминокислотной последовательностью. Понимание этой структуры и механизмов, с помощью которых линейная аминокислотная цепь коллапсирует в функциональный трехмерный белок, является акцентом этой программы. Экспериментальная работа включает разработку и применение методов быстрой лазерной спектроскопии для исследования структуры. Одно из недавних поразительных открытий показывает, что вопреки исторической догме, рефолдинг белки достигают полной биологической функции, не возвращаясь в так называемое нативное состояние. Открытие стало возможным благодаря разработке этой группой сверхчувствительных методов лазерной спектроскопии.Совсем недавно они использовали специально разработанные микроскопы для одиночных молекул для изучения вызванных старением изменений в контроле и регуляции ДНК для транскрипции белков. Профессор Стил — научный сотрудник Гуггенхайма и член Американского физического общества, Оптического общества Америки и IEEE. Избранные публикации Определенные классы амилоидных пор, образованных Ab40 на липидных бислоях, определяемые одновременными измерениями флуоресценции одиночных молекул и проводимости, (J.Шауэрте, Пэм Вонг, Кэтлин Виссер, Дункан Стил, Ари Гафни), (2007). Применение спектроскопии одиночных молекул к изучению олигомеров амилоидогенных белков (Хао Дин, Памела Т. Вонг, Эдгар Л. Ли, Ари Гафни и Дункан Г. Стил), подано, Biophysical Journal , (2007). Когерентная оптическая спектроскопия квантовой точки с сильным возбуждением (Сяодун Сю, Бо Сан, Пол Р. Берман, Дункан Г. Стил, Аллан Бракер, Дэн Гаммон, Лу Дж. Шам), Science 317 , 929-932 (2007). Инициализация состояния быстрого вращения в однозарядной квантовой точке (Xiaodong Xu, Yanwen Wu, Bo Sun, Qiong Huang, Jun Cheng, DG Steel, AS Bracker, D. Gammon, and C. Emary, LJ Sham), Physical Письма с обзором 99 , 097401 (2007). Селективное оптическое управление спиновой когерентностью электронов в однозарядных квантовых точках с помощью осциллирующих темных и ярких состояний (Янвен Ву, Эрик Д. Ким, Сяодун Сюй, Цзюнь Ченг, Д. Г. Стил, А. С. Бракер, Д. Гаммон, София Эконому и Л.J. Sham), Physical Review Letters 99 , 097402 (2007). Single-Molecule Kinetics выявляет новые признаки реакционной способности полусайтов в катализе дигидрооротатдегидрогеназы A, (Jue Shi, Joe Dertouzos, Ari Gafni, Duncan Steel, Bruce A. Palfey), Proc. Национальная академия наук, США 103 , 5775-5780 (2006). Моделируемые наборы данных для кинетики одиночных молекул: некоторые ограничения и сложности анализа данных, (Джуэ Ши, Ари Гафни и Дункан Стил), European Biophysics Journal with Biophysics Letters 35 , 633-645 (2006). Матричная томография плотности посредством когерентного оптического вращения экситонного кубита в одной квантовой точке (Янвен Ву, Сяоцинь Ли, Л. М. Дуан, Д. Г. Стил, Д. Гаммон, Лу Шам), Phys. Rev. Lett. 96 , 087402 (2006). Конформационная динамика изоаллоксазинового кольца в PHBH без субстрата: исследования отдельных молекул, (Джеффри Р. Брендер, Джо Дертузос, Дэвид П. Баллоу, Винсент Мэсси, Брюс А. Палфей, Барри Энч, Ари Гафни и Дункан Стил), JACS 27 , 18171-18178 (2005). No related posts. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * ➤