Теплоёмкость и другие характеристики вольфрама, и где он используется

Представлена плотность вольфрама, его теплопроводность и теплоемкость, а также другие теплофизические свойства при различных температурах — в интервале от 100 до 2019 К.

Вольфрам W — твердый и сложный в механической обработке металл с температурой плавления более 3400°C. По температуре плавления он занимает второе место после углерода (графита или алмаза).

Теплопроводность вольфрама достаточно высока и при комнатной температуре равна 163 Вт/(м·К), что превышает теплопроводность даже некоторых сплавов алюминия. Вольфрам достаточно тяжелый металл — плотность вольфрама составляет более 19 кг/м3 при комнатной температуре.

Удельная теплоемкость вольфрама имеет относительно не высокую величину, как и у других металлов с высокой плотностью. Теплоемкость вольфрама зависит от температуры и изменяется по данным таблицы в диапазоне от 87 до 270 Дж/(кг·град) для твердого металла.

Вольфрам имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (КТлР), равный 4,43 ·10-6 1/град при комнатной температуре. Вольфрам не окисляется при обычной температуре, но при высоких температурах реагирует с кислородом, образуя триоксид вольфрама красного цвета.

Теплофизические свойства вольфрама, представленные в таблице, следующие: плотность d, теплоемкость Cp, температуропроводность a, коэффициент теплопроводности λ, удельное электрическое сопротивление ρ, функция Лоренца L/L0. Свойства вольфрама даны в зависимости от температуры — в интервале от 100 до 3695 К для твердого состояния этого металла, а также при температуре до 2019 К для расплавленного жидкого вольфрама.

Плотность вольфрама, его теплопроводность, теплоемкость и другие свойства

В таблице представлены теплопроводность и теплофизические свойства вольфрама W чистотой 99,9% в интервале температуры от 100 до 2019 К. Даны следующие свойства чистого вольфрама: плотность, удельная массовая теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения (КТР), удельное электрическое сопротивление. Плотность вольфрама при нагревании уменьшается из-за теплового расширения.

По данным таблицы видно, что при нагревании чистого вольфрама его теплопроводность уменьшается, теплоемкость увеличивается, а плотность почти не изменяет свое значение. Например, удельная теплоемкость вольфрама равна 134,4 Дж/(кг·град) при комнатной температуре, а при нагревании этого металла до 2100°C, теплоемкость возрастает до величины 175 Дж/(кг·град).

Источники:

  1. В. Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.
  2. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.

Вольфрам относится к переходным металлам — группе элементов, которые находятся в середине периодической таблицы. Высокая температура плавления — одно из необычных свойств вольфрама, она составляет 2019 °C. Это наибольшая точка плавления среди всех металлов. Ещё одно важное свойство — прочность на очень высоких температурах. Эти свойства определяют основное основную сферу, где используют вольфрам — изготовление сплавов.

Физические характеристики и химические свойства

Вольфрам — прочное твёрдое вещество, цвет которого колеблется от стального серого до почти белого. Его температура плавления самая высокая среди всех металлов — 2019 °C. Его плотность составляет около 19.3 грамма на кубический сантиметр. Этот материал очень хорошо проводит ток. Теплоёмкость вольфрама 134,4 Дж/(кг·град) и возрастает с увеличением температуры. Электропроводность у него не столь велика и уступает электропроводности меди почти в 3 раза.

Это относительно неактивный металл. Не реагирует с кислородом при комнатной температуре. Он ржавеет при температурах свыше 400 °C. Слабо реагирует с кислотами, хотя растворяется в азотной кислоте.

  • Обозначение в таблице Менделеева: W;
  • Атомный номер: 74;
  • Тип элемента: Переходный металл;
  • Плотность: 19,3 г/см 3;
  • Температура плавления: 2019 градуса по Цельсию;
  • Температура кипения: 2019 градусов по Цельсию;
  • Твёрдость: 488 кг/мм 2;
  • Удельная теплота плавления: 184 кДж/кг;
  • Сопротивление в нормальных условиях: 55·10^(−9) Ом·м;
  • Теплопроводность (300 K): 162,8 Вт/(м·К).

Нахождение в природе и способы добывания

В природе не встречается в чистом виде. Наиболее распространённые руды, в которых он находится, шеелит и вольфрамит. Это один из наиболее редких элементов. В чистом виде может быть получен путём нагрева окиси вольфрама с алюминием. Он также получается в результате прохождения газообразного водорода через нагретую до высоких температур вольфрамовую кислоту.

Область применения

Существует много отраслей производства, где применяется вольфрам. Основная сфера применения — производство сплавов. Этот металл повышает твёрдость, прочность, упругость и улучшает способность растягиваться у различных видов стали.

Обычно его готовят в двух формах: ферровольфрам — сплав железа и вольфрама, он обычно содержит около 70−80% вольфрама. Ферровольфрам смешивается с другими металлами и сплавами (обычно со сталью) для производства специализированных соединений. И также он производится в порошкообразной форме. В дальнейшем его добавляют к другим металлам с целью получения новых соединений с улучшенными характеристиками .

Около 90% всех вольфрамовых сплавов используются в горнодобывающей промышленности, строительстве, а также электротехническом и металлообрабатывающем оборудовании. Эти сплавы используются для изготовления многих вещей: нагревательные элементы в печах (благодаря хорошей теплопроводности), деталей для самолётов и космических аппаратов; оборудования, используемого в телевизионной, радиолокационной и радиотехнике; высокопрочных свёрл; металлорежущих инструментов и аналогичного оборудования.

Небольшое количество вольфрама используется в лампах накаливания. Очень тонкий провод, который образует нить в лампах, сделан именно из него. Электрический ток проходит через эту нить и нагревает её, что заставляет её испускать свет. Он не плавится благодаря тому, что температура плавления вольфрама высока.

Также он используется, в таких приборах и элементах, как:

  • электроды для сварки;
  • противовесы;
  • магниты;
  • рентгеновские аппараты;
  • обмотки и нагревательные элементы электроплит;
  • катоды радиоламп и электронных приборов (торированный вольфрам);
  • магнетроны в микроволновых печах;
  • химические катализаторы.

Кроме того, он применяется при металлообработке и добыче полезных ископаемых, а также для производства пигментов для красок.

Характеристика сплавов

Самое важное соединение — карбид вольфрама. У него очень высокая температура плавления — 2019 °C. Он используется для того, чтобы делать части электрических цепей, режущих инструментов, металлокерамики и «цементированного» карбида.

Металлокерамика — это материал из керамики и металла. Керамика — глинистый материал. Металлокерамику используют там, где очень высокие температуры воздействуют в течение длительного времени. Например, части ракетного или реактивного двигателя делаются именно из неё.

«Цементированный» карбид изготавливается путём соединения карбида вольфрама к другому металлу. Продукт очень прочен и остаётся прочным в условиях высоких температур. Именно «цементированные» карбиды используются для бурения тоннелей. Инструменты, сделанные из такого материала, могут работать на скоростях в 100 раз больше, чем аналогичные инструменты, сделанные из стали (к примеру, свёрла их такого материала могут выдержать большую температуру, чем свёрла из стали, а, следовательно, и интенсивность их использования может быть выше).

Интересные факты

Вольфрам — самый тяжёлый материал в инженерии, у него самая высокая точка плавления, самый высокий модуль упругости и самое низкое давление пара. Кроме того, он не окисляется на воздухе и сохраняет прочность при высоких температурах и растяжении. Это один из самых популярных цветных металлов, который не оказывается сильного воздействия на растения, людей или животных. В умеренных количествах он не опасен для здоровья.