Wosk | Gęstość, wytrzymałość, temperatura topnienia, przewodność cieplna (2023)

O wosku

Ogólnie rzecz biorąc, woski stanowią zróżnicowaną klasę związków organicznych, które są lipofilowymi, plastycznymi ciałami stałymi w temperaturze otoczenia. Obejmują one wyższe alkany i lipidy, zwykle o temperaturze topnienia powyżej około 40 ° C (104 ° F), topiąc się, dając ciecze o niskiej lepkości. Chociaż wiele wosków naturalnych zawiera estry, woski parafinowe to węglowodory, mieszaniny alkanów, zwykle o homologicznej serii długości łańcuchów. Materiały te stanowią znaczną część ropy naftowej.

Streszczenie

Gęstość wosku

Typowe gęstości różnych substancji są pod ciśnieniem atmosferycznym.Gęstośćdefiniuje się jakomasa na jednostkę objętości. To jestintensywna własność, który jest matematycznie zdefiniowany jako masa podzielona przez objętość:ρ = m/V

Innymi słowy, gęstość (ρ) substancji to całkowita masa (m) tej substancji podzielona przez całkowitą objętość (V) zajmowaną przez tę substancję. Standardową jednostką SI jestkilogramy na metr sześcienny(kg/m³). Standardowa jednostka angielska tofuntów masy na stopę sześcienną(funty/stopę³).

Gęstość wosku wynosi960 kg/m³.

Przykład: Gęstość

Oblicz wysokość sześcianu wykonanego z wosku, który waży jedną tonę.

Rozwiązanie:

Gęstośćdefiniuje się jakomasa na jednostkę objętości. Jest matematycznie definiowany jako masa podzielona przez objętość:ρ = m/V

Ponieważ objętość sześcianu jest trzecią potęgą jego boków (V = a³), wysokość tego sześcianu można obliczyć:

Wysokość tego sześcianu wynosi wtedya = 1,014 m.

Właściwości mechaniczne wosku

Siła wosku

W mechanice materiałów tzwwytrzymałość materiałuto jego zdolność do wytrzymywania przyłożonego obciążenia bez uszkodzenia lub odkształcenia plastycznego.Wytrzymałość materiałówzasadniczo rozważa związek międzyobciążenia zewnętrznezastosowane do materiału i wynikodkształcenielub zmiana wymiarów materiału. Projektując konstrukcje i maszyny, ważne jest uwzględnienie tych czynników, aby wybrany materiał miał odpowiednią wytrzymałość, aby wytrzymać przyłożone obciążenia lub siły i zachował swój pierwotny kształt.

Wytrzymałość materiałuto jego zdolność do wytrzymywania tego przyłożonego obciążenia bez uszkodzenia lub odkształcenia plastycznego. W przypadku naprężenia rozciągającego zdolność materiału lub konstrukcji do wytrzymywania obciążeń mających tendencję do wydłużania się nazywana jest ostateczną wytrzymałością na rozciąganie (UTS).Siła plastycznościlub granica plastyczności to właściwość materiału zdefiniowana jako naprężenie, przy którym materiał zaczyna odkształcać się plastycznie, podczas gdy granica plastyczności to punkt, w którym zaczyna się odkształcenie nieliniowe (sprężyste + plastyczne). W przypadku naprężenia rozciągającego jednorodnego pręta (krzywa naprężenie-odkształcenie)Prawo Hooke’aopisuje zachowanie pręta w obszarze sprężystym. TheModuł sprężystości Youngajest modułem sprężystości naprężenia rozciągającego i ściskającego w liniowym trybie sprężystości odkształcenia jednoosiowego i zwykle ocenia się go za pomocą prób rozciągania.

Zobacz też:Wytrzymałość materiałów

Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie wosku

Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie wosku wynosi 0,9 MPa.

Granica plastyczności wosku

Granica plastyczności woskujest nie dotyczy.

Moduł sprężystości wosku

Moduł sprężystości Younga wosku wynosi 0,2 GPa.

Twardość wosku

W materiałoznawstwietwardośćto zdolność do wytrzymaniawcięcie powierzchniowe(miejscowe odkształcenie plastyczne) Idrapanie.Próba twardości Brinellato jeden z testów twardości wgłębnej, który został opracowany do badania twardości. W testach Brinella twardy,wgłębnik sferycznyjest wciskany pod określonym obciążeniem w powierzchnię badanego metalu.

TheLiczba twardości Brinella(HB) to obciążenie podzielone przez pole powierzchni wcięcia. Średnicę wycisku mierzy się za pomocą mikroskopu z nałożoną skalą. Wartość twardości Brinella oblicza się z równania:

Twardość wosku w skali Brinella wynosi w przybliżeniu nie dotyczy.

Zobacz też:Twardość materiałów

Przykład: Siła

Załóżmy, że plastikowy pręt jest wykonany z wosku. Ten pręt z tworzywa sztucznego ma pole przekroju poprzecznego 1 cm². Oblicz siłę rozciągającą niezbędną do uzyskania maksymalnej wytrzymałości tego materiału na rozciąganie, która wynosi: UTS = 0,9 MPa.

Rozwiązanie:

Naprężenie (σ)można przyrównać do obciążenia na jednostkę powierzchni lub siły (F) przyłożonej na powierzchnię przekroju poprzecznego (A) prostopadle do siły jako:

dlatego siła rozciągająca potrzebna do osiągnięcia ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie wynosi:

F= UTS x A = 0,9 x 10⁶x 0,0001 =90 N

Właściwości termiczne wosku

Wosk – temperatura topnienia

Temperatura topnienia wosku wynosi 57°C.

Należy pamiętać, że punkty te są powiązane ze standardowym ciśnieniem atmosferycznym. Ogólnie,topieniejestzmiana fazyprzejścia substancji ze stanu stałego do ciekłego. Thetemperatura topnieniasubstancji to temperatura, w której następuje zmiana fazowa. Thetemperatura topnieniadefiniuje również stan, w którym ciało stałe i ciecz mogą istnieć w równowadze. W przypadku różnych związków chemicznych i stopów trudno jest określić temperaturę topnienia, gdyż zazwyczaj są one mieszaniną różnych pierwiastków chemicznych.

Wosk – przewodność cieplna

Przewodność cieplna wosku wynosi0,2 W/(m·K).

Właściwości przenoszenia ciepła przez materiał stały mierzy się za pomocą właściwości zwanejprzewodność cieplna, k (lub λ), mierzone wW/m.K. Jest to miara zdolności substancji do przenoszenia ciepła przez materiałprzewodzenie. Zauważ toPrawo Fourieradotyczy całej materii, niezależnie od jej stanu (stałego, ciekłego lub gazowego), dlatego definiuje się ją także dla cieczy i gazów.

Theprzewodność cieplnawiększości cieczy i ciał stałych zmienia się w zależności od temperatury. W przypadku oparów zależy to również od ciśnienia. Ogólnie:

Większość materiałów jest bardzo prawie jednorodna, dlatego zazwyczaj możemy pisaćk = k (T). Podobne definicje dotyczą przewodności cieplnej w kierunkach y i z (ky, kz), ale w przypadku materiału izotropowego przewodność cieplna jest niezależna od kierunku przenoszenia, kx = ky = kz = k.

Wosk – ciepło właściwe

Ciepło właściwe wosku wynosi 2200J/g K.

Ciepło właściwe lub pojemność cieplna właściwa,jest własnością związanąenergia wewnętrznato jest bardzo ważne w termodynamice. Theintensywne właściwościC_wIC_Psą definiowane dla czystych, prostych substancji ściśliwych jako cząstkowe pochodneenergia wewnętrznau(T, v)Ientalpiah(T, p)odpowiednio:

gdzie indeksy dolnewIPoznaczają zmienne utrzymywane na stałym poziomie podczas różnicowania. WłaściwościC_wIC_Pnazywane sąspecyficzne upały(Lubpojemności cieplne), ponieważ w pewnych specjalnych warunkach wiążą zmianę temperatury układu z ilością energii dodanej w wyniku wymiany ciepła. Ich jednostki SI toJ/kg KLubJ/mol K.

Przykład: Obliczenie przenikania ciepła

Przewodność cieplną definiuje się jako ilość ciepła (w watach) przenoszoną przez kwadratową powierzchnię materiału o danej grubości (w metrach) w wyniku różnicy temperatur. Im niższa przewodność cieplna materiału, tym większa jest jego odporność na przenoszenie ciepła.

Oblicz stawkęstrumień ciepłaprzez ścianę o powierzchni 3 m x 10 m (A = 30 m²). Ściana ma grubość 15 cm (L₁) i jest wykonany z wosku zprzewodność cieplnaz k₁= 0,2 W/m.K (słaby izolator termiczny). Załóżmy, że wewnątrz i na zewnątrztemperaturywynoszą 22°C i -8°C, awspółczynniki konwekcyjnego przenikania ciepłapo wewnętrznej i zewnętrznej stronie znajdują się h₁= 10 W/m²K i H₂= 30 W/m²Odpowiednio K. Należy pamiętać, że współczynniki konwekcji silnie zależą zwłaszcza od warunków otoczenia i wnętrza (wiatr, wilgotność itp.).

Oblicz strumień ciepła (strata ciepła) przez tę ścianę.

Rozwiązanie:

Jak już napisano, wiele procesów wymiany ciepła obejmuje systemy kompozytowe, a nawet kombinację obuprzewodzenieIkonwekcja. W przypadku tych systemów kompozytowych często wygodniej jest pracować z:całkowity współczynnik przenikania ciepła,znany jakoWspółczynnik U. Współczynnik U definiuje się za pomocą wyrażenia analogicznego doPrawo chłodzenia Newtona:

Thecałkowity współczynnik przenikania ciepłajest powiązany zcałkowity opór cieplnyi zależy od geometrii problemu.

Zakładając jednowymiarowy przepływ ciepła przez płaską ścianę i pomijając promieniowanie,całkowity współczynnik przenikania ciepłamożna obliczyć jako:

Thecałkowity współczynnik przenikania ciepławynosi zatem: U = 1 / (1/10 + 0,15/0,2 + 1/30) = 1,13 W/m²K

Strumień ciepła można wówczas obliczyć w prosty sposób: q = 1,13 [W/m²K] x 30 [K] = 33,96 W/m²

Całkowita utrata ciepła przez tę ścianę będzie wynosić:Q_strata= q . A = 33,96 [W/m²] x 30 [m²] =1018,87 W