Što je aluminij: povijest otkrića, fizička svojstva i primjena, toplinska vodljivost i gustoća

Teško je zamisliti suvremeni svijet bez metala poput aluminija. Zbog takvih svojstava kao što su lakoća, otpornost na koroziju, čvrstoću i sposobnost ulaska u vezu s drugim metalima, aluminij je postao najvažniji konstrukcijski materijal XX. I XXI. Stoljeća.

Ovaj srebrni metal koristi se u mnogim industrijama: u automobilskoj industriji, proizvodnji zrakoplova, u graditeljstvu i, naravno, u energetici. Aluminij je 13. element u periodičnoj tablici Dmitrija Ivanovića Mendeljeva. Trenutačno se procjenjuje da na njega otpada oko 8% ukupne mase čvrste zemljine kore i da je to treći kemijski element u smislu prevalencije na planeti Zemlji, dajući put samo kisiku i siliciju.

Povijest otkrića

Budući da aluminij ima visoku kemijsku aktivnost, on se u svom čistom obliku praktički ne pojavljuje u prirodi, stoga je, za razliku od mnogih drugih metala, postao poznat tek početkom 19. stoljeća, kada je formalno dobiven aluminij.

Godine 1824. danski fizičar u procesu elektrolize prvi je dobio aluminij. Iako je metal sadržavao nečistoće žive i kalija, ovaj je slučaj prvi dokazani slučaj proizvodnje aluminija u laboratoriju.

Ime znanstvenika koji je doveo do revolucionarne metode bio je Hans Christian Oersted. No, trebalo je gotovo pola stoljeća da se razvije tehnologija za proizvodnju u industrijskoj proizvodnji. Većina prirodnog aluminija nalazi se u alum mineralima. Zahvaljujući ovom mineralu aluminij je dobio ime, što u latinskom zvuči Alumen.

Aluminijska ruda

U suvremenom svijetu u proizvodnji aluminija koristi se aluminijska ruda, rasprostranjena u prirodi - boksit. Boksitne stijene su glinene stijene, koje uključuju različite hidroksidne modifikacije s nečistoćama kao što su krom, silicij, titan, sumpor, vanadij, soli magnezijevog karbonata, kalcij i željezo.

U boksitu se može naći gotovo polovica kemijskih elemenata periodnog sustava. Vrijednost ove rude leži u činjenici da osim jedne tone aluminija koji se kopa iz četiri tone boksita, nečistoće su vrijedne i za industriju. Bijeli prah, aluminijev oksid (Al2O3), koji se također naziva "aluminijev oksid", dobiva se iz boksita tijekom obrade. To je iz glinice elektrolizom u modernim poduzećima koja proizvode metal.

Uloga električne energije u proizvodnji

Proizvodnjom aluminija troši se ogromna količina električne energije. Da bi se dobila jedna tona metala, energija se troši toliko da bi bila dovoljna za potrebe 100-apartmanske zgrade za cijeli mjesec. Naime, 15 MW * h. Stoga se većina aluminijskih postrojenja nalazi u blizini hidroelektrana, nuklearnih elektrana ili ima vlastite termoelektrane, kao i razvijena struktura elektroenergetskih sustava i mreža.

Aluminijska svojstva

Aluminij ima rijetku kombinaciju svojstava kao što su:

• mala težina;
• plastika, električna provodljivost;
• sposobnost stvaranja legura s drugim metalima.

Površina aluminija uvijek je prekrivena vrlo tankim oksidnim filmom, koji je vrlo izdržljiv i ne dopušta koroziji aluminija. Ovaj materijal, topao i hladan, lako se obrađuje tlakom. Takvi postupci obrade kao što su valjanje, žigosanje, crtanje često se proizvode u poduzeću u proizvodnji pojedinih dijelova.

Druga vrijednost aluminija je u tome što je netoksična, ne pali i ne treba dodatno bojanje: to čini njegovu uporabu u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji nezamjenjivim elementom. Rastezljivost aluminija je iznenađujuća: bilo je moguće napraviti list i vrlo tanku žicu debljine od samo 4 mikrona, a debljina folije tri puta je tanja od ljudske kose.

Zbog sposobnosti aluminija u stvaranju spojeva s velikom skupinom kemijskih elemenata pojavila se velika skupina legura. Primjerice, kombinacija aluminija i cinka koristi se za izradu kućišta za različite vrste tableta i telefona, aluminij u kombinaciji magnezija i silicija se koristi u proizvodnji različitih tipova motora, kao dio elemenata šasije i raznih motora. U elektroenergetici se koriste različite legure.

Moderna znanost i dalje proučava i pronalazi najnovije vrste aluminijskih legura. Danas ne postoji industrija u kojoj se ne koristi aluminij. Može se slobodno reći da su takve vrste industrije kao što su zrakoplovstvo, prostor, energija, automobilska industrija, hrana, elektronika dobile svoj moderni razvoj zbog aluminija i njegovih legura.

Da ne spominjemo tako važno svojstvo kao što je toplinska vodljivost. Uostalom, ovo svojstvo metala je potrebno u proizvodnji sustava grijanja, električnih proizvoda, u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji, u proizvodnji kočionih sustava i slično. Kapacitet topline je proces prijenosa toplinske energije u fizičkim tijelima ili njihovim česticama iz vrućih u hladne objekte na temelju Fourierova zakona. Natjecatelj aluminija u ovom području je bakar.

Dakle, koji metal ima visoku toplinsku vodljivost? Ovo nije apsolutno jednostavno pitanje. Poznato je da je aluminij na srednjim temperaturama manje toplinski vodljiv od bakra, ali kada se radi o niskim temperaturama, naime pri 50 K, toplinska vodljivost aluminija se značajno povećava, dok bakar ima manju toplinsku provodljivost. Talište aluminija je 933, 61 K, što je oko 660 ° C, pri čemu se smanjuju svojstva Al, kao što su toplinska vodljivost i gustoća.

Gustoća srebrnog metala određena je njezinom temperaturom i ovisi o njezinom stanju. Dakle, na temperaturi od 27 ° C, gustoća aluminija, odnosno, jednaka je 2697 kg / m3, a pri talištu 660 ° C njegova gustoća iznosi 2368 kg / m3 . Smanjenje gustoće metala ovisno o temperaturi posljedica je njegovog širenja s izravnim zagrijavanjem.

Tablice svojstava aluminija i bakra

Zatim ćemo razmotriti tablice fizičkih svojstava i toplinske provodljivosti aluminija i bakra na različitim temperaturama.

• gustoća Cu i Al, kg / m3;
• specifična toplina Cu i Al, J / (kg · K);
• toplinska difuzivnost Cu i Al, m2 / s;
• toplinska vodljivost Cu i Al, W / (m · K);
• električni otpor Cu i Al, Ohm · m;
• Lorentzova funkcija Cu i Al;

Tablica fizikalnih svojstava aluminija

T, K	kg / m 3	J / (kg · K)	m2 / s	W / (m · K)	Ohm · m	L / L0
50	-	-	358	1350	0, 0478 / 0, 0476	-
100	2, 725	483, 6	228	300, 4 / 302	0, 442 / 0, 440	-
200	2715	800, 2	109	236.8 / 237	1.587 / 1.584	0.78
300	2, 697	903, 7	93.8	235, 9 / 237	2.733 / 2.733	0.88
400	2, 675	951, 3	93, 6	238.8 / 240	3.866 / 3.875	0.94
500	2, 665	991, 8	88, 8	234.7 / 236	4.995 / 5.020	0.96
600	2, 652	1036, 7	83.7	230.1 / 230	6.130 / 6.122	0.95
700	2, 626	1090, 2	78.4	224.4 / 225	7.350 / 7.322	0.96
800	2, 595	1153, 8	73, 6	220, 4 / 218	8.700 / 8.614	0.97
900	2560	1228, 2	69.2	217, 6 / 210	10.18 / 10.005	0.99
933.61s	2.550	1255, 8	68, 0	217, 7 / 208	10.74 / 10.565	1
933.61l	2, 368	1176, 7	35.2	98, 1	24, 77	1.06
1000	2, 350	1176, 7	36.4	100.6	25, 88	1.06
1200	2.290	1176, 7	39.5	106, 4	28, 95	1.04
1400	-	1176, 7	42.4	-	31, 77	-
1600	-	1176, 7	44, 8	-	34, 40	-
1800	-	1176, 7	46, 8	-	36, 93	-

Tablica fizikalnih svojstava bakra

T, K	kg / m 3	J / (kg · K)	m2 / s	W / (m · K)	Ohm · m	L / L0
50	-	-	-	1250	0, 0518	-
100	-	-	-	482	0.348	-
200	-	-	130	413	1048	-
300	8933	385, 0	117	401.9 / 401	1, 725	0.945
400	8, 870	3.97.7	111	391.5 / 393	2, 402	0961
500	8628	408, 0	107	385.4 / 386	3.090	0.976
600	8779	416, 9	103	376.9 / 379	3, 792	0.976
700	8726	425, 1	99.7	369, 7 / 373	4514	0.976
800	8656	432, 9	96, 3	360, 8 / 366	5, 262	0.973
900	8622	441, 7	93.3	355.3 / 359	6041	0.979
1000	8567	451.4	90.3	349.2 / 352	6868	0.979
1100	8509	464, 3	85.5	337.6 / 346	7717	0972
1200	8451	480, 8	80, 6	327.5 / 339	8626	0.970
1300	8394	506, 5	75, 8	322.1 / 332	9592	0972
1357.6s	8361	525.2	72.3	317	10.171	0972
1357.6l	8.00	513, 9	41.2	175	21.01	1.08
1400	7.98	513, 9	42.7	175	21.43	1.08

Iz svega navedenog jasno se vidi da je aluminij jedan od prioritetnih metala u industriji, ali ima još jedno svojstvo: taj se metal i njegove legure mogu više nego jednom rastopiti, a da pri tome ne gube svoje karakteristike. Između ostalog, on je ekonomičniji od rudarstva. Dakle, na jednu uštedu električne energije prelazi 14 kW / h. Procjenjuje se da se trenutno koristi 75% aluminija i njegovih legura koje se cijelo vrijeme kopaju.