Теплопроводность металлов

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Физические свойства алюминия

Химический элемент алюминий имеет кубическую кристаллическую структуру. Его удельный вес при 20 °C составляет 2,7 г/см³, температура плавления – +657…+660,2 °C, скрытая теплота плавления – 94,6 °C.

Алюминий высокой чистоты кипит при +1800…+2060 °C. При нагревании увеличивается показатель удельной теплоемкости металла, проводимость тепла и коэффициент линейного расширения.

Электропроводность алюминия возрастает с понижением температуры: при 189 °C составляет 156 ед., а при 400 °C – 12,5.

Среди химических элементов алюминий отличается высокой активностью. Он легко реагирует с кислородом, образуя плотную окисную пленку, предохраняющую металл от дальнейшего влияния среды.

По мере повышения температуры в металле растворяется водород, повышающий пористость материала. Примеси щелочных химических элементов (калия, натрия, кальция), кремния, магния способствуют резкому увеличению пористости алюминия.

Добавки меди, ниобия, никеля, марганца, железа, хрома, ванадия, циркония создают однородную структуру при остывании расплавленного материала. Влияние лигатурных добавок других компонентов на физические свойства металла и его сплавы учитывается в технологии литья изделий.

Наличие дополнительных материалов изменяет показатель проводимости тепла состава и температуру плавления. Например, при обычных условиях формирования алюминиевых сплавов сера и ее соединения уходят в шлак, не оказывая вредного влияния на свойства состава.

Такое же воздействие имеют фосфор, углерод, азот. Они не изменяют механические свойства сплава. Для производства литейных изделий из-за пониженной прочности чистый алюминий применяется редко.

Коррозионная стойкость металла тем выше, чем ниже в нем содержание примесей железа и кремния. Но их наличие несколько повышает прочность материала, снижая при этом пластичность и электропроводность.

Какой материал для электропроводки нужно выбирать для квартиры

В советские времена в жилых помещениях обычным явлением было применение электропроводки из алюминия. Это происходило по тому, что в жилых домах не было высоких нагрузок на электрическую сеть ввиду небольшой мощности и малого количества электрических приборов. С развитием техники и появлением огромного разнообразия мощных электроприборов, которые используются в домашних условиях, существенно повысились требования к качеству и материалам для электрического кабеля. В современных реалиях устройство проводки из алюминиевого материала практически не применяется, так как согласно ПУЭ электрическая проводка в жилых помещениях должна выполняться из меди!

Интересный факт! Не многие знают, но чуть ранее до алюминиевой проводки, в сталинские времена, в квартирах использовалась медная проводка.

Преимущества и недостатки алюминиевой электропроводки

Основными преимуществами электрической проводки из алюминия являются:

1. Небольшая масса : плотность алюминия ниже и соответственно ниже его масса. При прокладке простых сетей с множеством кабелей, но небольшими нагрузками – это будет удобным преимуществом.
2. Небольшая цена : алюминий дешевле меди в несколько раз, поэтому изделия из такого материала также отличаются низкой ценой.
3. Стойкость к окислению : при отсутствии контакта с окружающей средой служит долго и не разрушается от окисления.

К недостаткам данного материала можно отнести:

1. Низкие показатели по электропроводимости — алюминий имеет высокое удельное сопротивление и нагревается при прохождении через него электрического тока. Поэтому ПУЭ запрещает использование такого кабеля в домашних сетях при поперечном сечении проводника менее 16 мм².
2. Плохое соединение — из-за окислительных процессов и циклов нагрев/остывание, места соединения алюминиевого кабеля постепенно разрушаются, что может привести к неисправности электрической проводки или короткому замыканию.
3. Хрупкость проводников — такие кабели легко ломаются при нагреве, что так же очень часто приводит к неисправностям.

Преимущества и недостатки медной электропроводки

Медь разрешена к использованию и широко применяется для устройства электрической проводки в жилых и промышленных зданиях. По электрическим характеристикам она превосходит многие материалы и уступает только серебру.

Преимуществами медных кабелей являются:

1. Высокая электро- и теплопроводность — медь имеет относительно низкое сопротивление и эффективно проводит электрический ток, обладает высоким КПД, а также существенно не нагревается при правильном сечении кабеля.
2. Устойчивость к коррозии — медные проводники могут работать при любых условиях эксплуатации и окружающей среды, служат долго и практически не подвергаются коррозии.
3. Устойчивость к механическим нагрузкам — медная электрическая проводка является прочной, пластичной и гибкой.
4. Гибкость и удобство монтажа — проводники из меди очень гибкие и их удобно монтировать под разными углами и подключать к розеткам и выключателям.

Главным недостатком меди является её высокая стоимость. Но нужно понимать, что при производстве такого ответственного вида работ, как монтаж проводки очень важна безопасность и долговечность. Поэтому, несмотря на свою стоимость, проводка из меди быстро окупается и при правильной эксплуатации служит очень долго без ремонтов и неисправностей.

Магний и лечение инсульта

Какова физиологическая роль магния в организме? Каков механизм нейропротективного действия магния? Почему клинические результаты использования магния у больных с инсультом хуже, чем лабораторные? Многолетний поиск нейропротективных агентов, т. е

Какова физиологическая роль магния в организме?

Каков механизм нейропротективного действия магния?

Почему клинические результаты использования магния у больных с инсультом хуже, чем лабораторные? Многолетний поиск нейропротективных агентов, т. е. препаратов, уменьшающих степень повреждения мозговых структур при острой ишемии, не привел к однозначным результатам. Более того, из-за разнообразия препаратов и рекомендаций по их применению смысл термина «нейропротекция» сделался расплывчатым. Да и сама связь действия ряда лекарственных веществ с заявленной нейропротекторной активностью представляется порой трансцендентальной — настолько нечетко бывает изложен механизм их действия.

Общие свойства магния

Среди препаратов-«долгожителей» можно упомянуть магний. Лечение солями магния практикуется давно, но вплоть до 70-х гг. прошлого века они рассматривались как слабительное, реже как гипотензивное или спазмолитическое средство.

Изучение распределения магния в организме показало, что основное его количество депонировано в костях. Внутри клеточных структур магний на 95—98% связан с АТФ.

Внутриклеточное содержание не связано напрямую с общим содержанием магния в организме и с его сывороточной концентрацией (в норме от 0,7 до 1,1 ммоль/л). Концентрация магния в спинно-мозговой жидкости, напротив, коррелирует с его сывороточной концентраций и на 15—20% превышает последнюю.

Открытие тонкой структуры внутриклеточных ионных токов и взаимодействий позволило несколько по-иному оценить роль, которую магний играет в организме. Была обнаружена его способность связываться с АТФ, участвовать в ряде цитохимических реакций, регулировать цикл сокращение/расслабление в мышце. Наконец, выяснилось, что магний способен конкурировать с ионами кальция как на уровне трансмембранного переноса, так и на уровне внутриклеточных взаимодействий.

Описанные свойства определили новую область применения препаратов магния — речь идет о лечении заболеваний, сопровождающихся ишемическим повреждением тканей.

Теоретическим обоснованием применения магния при ишемии является его способность модулировать различные этапы каскада ишемического повреждения клеток.

В частности, развитие острой ишемии головного мозга приводит к быстрому формированию зоны некроза в тех участках, кровоток в которых падает до уровня менее 1 мл/10 г/мин. Естественно, спасти клетки в этой зоне может только вмешательство, направленное на неотложное восстановление кровотока (тромболитическая терапия).

В то же время по периферии некротического очага формируется так называемая зона ишемического риска (кровоток от 1 до 2 мл/10 г/мин), в отношении которой прогноз не может быть столь определенным. Клетки, находящиеся в этой зоне, подвергаясь воздействию ишемии, могут сами запускать процессы, результатом которых будет дальнейшее расширение зоны некроза.

В первую очередь речь идет о так называемой эксайтотоксичности (от английского to excite — возбуждать). Развивающийся в ишемизированной ткани лактоацидоз (следствие перехода на анаэробный путь утилизации глюкозы) приводит к массивному выбросу глутамата и аспартата, связывающихся с постсинаптическими N-метил-D-аспартат-рецепторами нервных клеток. Активация последних способствует повышению проницаемости мембраны и массивному вхождению внутрь клетки ионов кальция. Дальнейшие события обусловлены эффектом кальциевой перегрузки — запуск процессов образования свободных радикалов, повреждение последними липидов мембран. Все это приводит к развитию системного воспалительного ответа, в ходе которого ткани, находящиеся в состоянии критической ишемии, подвергаются дальнейшему повреждению.

Наконец, ионная перегрузка приводит к «пробуждению» генов, ответственных за развитие процесса апоптоза (т. е. процесса запрограммированного самоуничтожения клетки).

В эксперименте ионы магния демонстрируют антиэксайтотоксический эффект — они способны подавлять высвобождение глутамата, а также вступать с ним в неконкурентный антагонизм на уровне NMDA рецепторов.

Магний вступает в антагонизм с ионами кальция как на уровне мембранных каналов, так и внутри клетки. Повышенное содержание внутриклеточного магния приводит к повышенной буферизации кальция внутри митохондрий, а также препятствует истощению клеточных запасов АТФ.

Схематическое представление феномена эксайтотоксичности, а также место ионов магния в его подавлении отображены на рисунке 1.

Кроме воздействия на клеточном уровне ионы магния проявляют и другие свойства. Магний улучшает мозговой кровоток путем непосредственного воздействия на тонус сосудов, а также в результате антагонизма к эндотелину-1. Кроме того, он обладает противосудорожной активностью и системным гипотензионным эффектом.

Антиагрегантная активность ионов магния, доказанная в ходе экспериментов, позволяет обсуждать возможные механизмы потенцирования эффектов аспирина и тромболитиков, что также немаловажно для лечебного вмешательства при ишемии.

Те же самые свойства делают возможным применение магния и при мозговых кровоизлияниях. Магний препятствует развитию ангиоспазма и срыву интракраниальной сосудистой ауторегуляции, нормализует повышенное артериальное давление, блокирует нейромышечную трансмиссию и предотвращает развитие судорог, препятствует развитию отека мозга и повышению внутричерепного давления.

Фармакокинетические исследования, проводимые при лечении пациентов с пре-эклампсией, показали, что лечебный эффект магния отмечается при превышении обычной сывороточной концентрации в полтора-два с половиной раза. Такая концентрация достаточно безопасна, так как нарушение нейромышечной передачи и даже угнетение дыхания наступают при концентрации от 3,5 мг и выше. Следует учитывать также тот факт, что период полувыведения магния при сохраненной функции почек равен 3,5—4 ч.

Таким образом, оптимальным режимом введения магния при острых ишемических событиях является внутривенное введение нагрузочной дозы с целью создания требуемой терапевтической концентрации с последующей пролонгированной инфузией.

Применение подобного режима введения в ряде экспериментальных работ на животных привело к снижению объема некроза при моделированном инфаркте мозга на 25—65%. В экспериментальных работах использовались как сульфат, так и хлорид магния, однако гипергликемия, развивающаяся при введении последнего, дает основание думать, что оптимальным соединением для внутривенного введения является сульфат магния.

В более поздних работах показано не только влияние на объем поражения, но и на исходы (смерть или развитие стойкого двигательного дефицита) у лабораторных животных.

Количество проведенных на людях исследований, посвященных возможности применения магния при инсульте, невелико, хотя бы по сравнению с исследованиями воздействия магния при инфаркте миокарда, в которых за последние 20 лет приняли участие более 70 тыс. пациентов. Те же исследования при инсульте включают немногим более 1000 пациентов. Негомогенность этих изысканий делает невозможным проведение метаанализа. Результаты же всех имеющихся экспериментов показывают, что применение сульфата магния определяет тенденцию к улучшению прогноза после перенесенного инфаркта мозга. Справедливости ради надо заметить, что практически во всех опубликованных работах статистически значимое снижение частоты исходов было не отмечено.

ПРИМЕНЕНИЕ

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем.
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.