Jedním z nejzajímavějších a nejvýznamnějších procesů souvisejících s kovy je jejich vytvrzování. Během vytvrzování se kovy stávají odolnějšími a odolnějšími proti opotřebení. Tento proces je však doprovázen uvolňováním tepla, což může mít pozitivní i negativní význam v závislosti na podmínkách výroby nebo použitých zařízeních.
Pro příklad zvažte tvrdnutí 2 kg mědi. Měď má vysokou tepelnou vodivost a hustotu, což z ní činí jeden z nejběžnějších kovů používaných v různých průmyslových odvětvích. Při tvrdnutí mědi dochází k přechodu z měkkého, tvárného stavu do pevného, křehkého stavu.
Podle zákona zachování energie se tepelná produkce při tvrdnutí 2 kg mědi bude rovnat rozdílu mezi tepelným výkonem a změnou entalpie. Teplo tvorby mědi je asi 331 J/G a změna entalpie při tvrdnutí mědi je asi 4,7 J/G°C. Vzhledem k hmotnosti mědi 2 kg lze vypočítat celkovou produkci tepla vynásobením těchto hodnot hmotností mědi.
Odvod tepla při tvrdnutí 2 kg mědi se tedy rovná přibližně (331 J / G + 4,7 j / g°c * (změna teploty)) * 2000 g. Konečný výsledek závisí na konkrétních podmínkách procesu tuhnutí, nicméně je jisté, že odvod tepla při tvrdnutí 2 kg mědi bude významný, což je třeba vzít v úvahu při plánování výroby a výběru zařízení.
Zvýšení odvodu tepla
V procesu tuhnutí mědi dochází ke změně jeho stavu z kapalného na pevné. To je doprovázeno strukturálními změnami v materiálu a uvolňováním energie ve formě tepla. Množství uvolněného tepla závisí na hmotnosti mědi, protože velká hmota vyžaduje více energie k vytvrzení.
Při výpočtu zvýšení odvodu tepla při tvrdnutí 2 kg mědi je třeba vzít v úvahu specifickou tepelnou kapacitu mědi a tuhnutí tepla. Měděná tepelná kapacita udává, kolik energie je potřeba k ohřevu jednotky mědi o 1 stupeň Celsia. Otužovací teplo je množství energie uvolněné tvrdnutím jednotky hmotnosti mědi.
Pro výpočet zvýšení odvodu tepla při tvrdnutí 2 kg mědi lze použít následující vzorce:
- Množství uvolněného tepla (Q) = hmotnost mědi (m) * tuhnutí tepla (Qměď).
- Zvýšení produkce tepla (ΔQ) = Q-Qpočáteční kde Qpočáteční - tepelná izolace před vytvrzením.
Zvýšení odvodu tepla při tvrdnutí 2 kg mědi lze tedy vypočítat pomocí příslušných vzorců a známých hodnot měrné tepelné kapacity a tuhnutí tepla mědi.
Odvod tepla při tvrdnutí
Pro výpočet tvorby tepla při tvrdnutí mědi je nutné znát jeho specifickou tepelnou kapacitu a změnu jeho teploty během procesu tuhnutí. Měděná tepelná kapacita mědi je asi 0,39 kJ/kg·°c.tato hodnota znamená, že pro zahřátí mědi o hmotnosti 1 kg na 1 °C je nutné vynaložit 0,39 kJ energie.
Při tvrdnutí mědi, jejíž počáteční teplota se rovná pokojové teplotě, se tepelná produkce vypočítá jako součin specifické tepelné kapacity mědi a její hmotnosti vynásobený rozdílem teplot tuhnutí a pokojové teploty:
Tepelná izolace = měrná tepelná kapacita × hmotnost × (otužovací teplota - Pokojová teplota)
Pro vytvrzení 2 kg mědi se tedy tepelná úprava rovná:
Tepelná izolace = 0,39 kJ/kg·°c × 2 kg × (otužovací teplota - Pokojová teplota)
Přibližně při změně teploty tvrdnutí o 100 °C bude odvod tepla:
Tepelná izolace = 0,39 kJ/kg·°c × 2 kg × (100 °C-20 ° C) = 78 kj
Při tvrdnutí 2 kg mědi se změnou teploty o 100 °C tedy dochází k uvolňování tepla v množství přibližně 78 kj.
Vliv hmoty mědi
Hmotnost mědi má významný vliv na odvod tepla při tvrdnutí. Čím větší je hmotnost mědi, tím více tepla se uvolňuje během procesu tuhnutí.
Když 2 kg mědi ztvrdne, dojde k reakci s uvolňováním tepla. Odvod tepla v tomto procesu závisí na hmotnosti mědi a lze jej vypočítat pomocí vzorce:
- Q - tepelná izolace;
- m-hmotnost mědi;
- c-měrná tepelná kapacita mědi;
- ΔT - změna teploty.
Z vzorce je patrné, že tepelná emise je úměrná hmotnosti mědi. Pokud se tedy hmotnost mědi zdvojnásobí, tepelná produkce se také zdvojnásobí.
Je to proto, že čím větší je hmotnost mědi, tím více energie je potřeba k zahřátí každého jejího gramu, což vede k silnějšímu tepelnému uvolňování.
Multiplikátor pro zvýšení tepelné produkce
Při tvrdnutí 2 kg mědi dochází ke změně jeho fyzikálního stavu z kapalného na pevné, což je doprovázeno uvolňováním tepla. Násobitel zvýšení odvodu tepla Zobrazuje, kolikrát se tepelná produkce zvyšuje během procesu tuhnutí.
K určení násobitele zvýšení odvodu tepla je nutné znát množství tepla, které se uvolňuje, když se z jeho taveného stavu vytvoří 1 kg pevné mědi. Tato veličina se nazývá měděné tuhnoucí teplo a je přibližně 59 J / G.
Pomocí měděného tuhnutí tepla a hmotnosti mědi lze určit faktor zvýšení produkce tepla. Pro tento úkol bude roven 2 kg krát 59 J / G:
Násobitel zvýšení tepelné produkce = 2 kg * 59 J / G
Vypočítáním tohoto výrazu získáme hodnotu násobitele zvýšení tepelné produkce. Tímto způsobem lze určit, kolikrát se tepelná produkce zvýší, když vytvrdnete 2 kg mědi.