Тяжело представить современный мир без такого металла, как алюминий. Благодаря таким своим качествам, как лёгкость, стойкость к коррозии, прочность и возможности входить в соединения с другими металлами алюминий стал важнейшим конструкционным материалом XX и XXI века.
![](/mark_r_img.png)
Этот серебристый металл применяется во многих отраслях промышленности: в автомобилестроении, самолётостроении, в строительстве и безусловно, в электроэнергетике. Алюминий является 13 элементом в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. На данный момент подсчитано, что на него приходится примерно 8% от всей массы твёрдой земной коры и он является 3 химическим элементом по распространённости на планете Земля, уступая место только кислороду и кремнию.
История открытия
Но так как алюминий обладает высокой химической активностью, то в чистом виде он практически не встречается в природе, поэтому в отличие от многих других металлов о нём стало известно только в начале XIX века, когда алюминий был формально получен.
В 1824 году датский физик в процессе электролиза впервые получил алюминий. Хотя металл и содержал примеси ртути и калия, этот случай является первым доказанным случаем получения алюминия в лабораторных условиях.
Имя учёного, привёдшего к революционному методу, было Ханс Кристиан Эрстед. Но понадобилось ещё почти полвека, чтобы разработать технологии для получения его в промышленном производстве. Больше всего природный алюминий встречается в составе минералов квасцов. Именно благодаря этому минералу алюминий и получил своё название, которое на латыни звучит Alumen.
Алюминиевая руда
В современном мире при производстве алюминия применяют широко распространённую в природе алюминиевую руду — бокситы. Бокситы являются глинистой горной породой, в состав которой входят разнообразные модификации гидроксида с такими примесями, как хром, кремний, титан, сера, ванадий, карбонатные соли магния, кальций, железо.
В бокситах можно встретить почти половину таблицы химических элементов Менделеева. Ценность этой руды состоит в том, что помимо одной тонны алюминия, добытой из четырёх тонн бокситов, ценность для промышленности имеют и примеси. Из бокситов в процессе переработки получают белый порошок — оксид алюминия (Al2O3), который ещё имеет название «глинозём». Именно из глинозёма путём электролиза на современных предприятиях производят металл.
Роль электроэнергетики в производстве
При производстве алюминия затрачивается колоссальное количество электроэнергии. Для того чтобы получить одну тонну металла, энергии тратится столько, что её хватило бы на нужды 100-квартирного дома на протяжении целого месяца. А именно 15 МВт*ч. Поэтому большинство алюминиевых заводов располагаются недалеко от гидроэлектростанций, атомных электростанций или имеют собственные тепловые электростанции, а также развитую структуру электроэнергетических систем и сетей.
Свойства алюминия
В алюминии заложено редкое сочетание таких свойств, как:
- небольшой вес;
- пластика, электропроводность;
- возможность образовывать сплавы с другими металлами.
Поверхность алюминия всегда покрыта тончайшей оксидной плёнкой, которая является очень прочной и не позволяет алюминию подвергаться коррозии. Этот материал и в горячем, и в холодном состоянии легко поддаётся обработке давлением. Такие методы обработки, как прокатка, штамповка, волочение часто производятся на предприятии при производстве тех или иных деталей.
Ещё одна ценность алюминия заключается в том, что он не токсичен, не подвержен горению и не нуждается в дополнительной окраске: это делает его применение в авто- и авиастроении незаменимым элементом. Ковкость алюминия удивляет: из него удалось изготовить лист и очень тонкую проволоку толщиной всего в 4 микрона, а толщины фольги — добиться в три раза тоньше волоса человека.
Благодаря возможности алюминия образовывать соединения с большой группой химических элементов появилась большая группа сплавов. Например, сочетание алюминия и цинка используется в создании корпусов различных видов планшетов и телефонов, алюминий в сочетании магния и кремния используется при производстве различных типов двигателей, в составе элементов шасси и всевозможных двигателей. Различные сплавы применяются и в электроэнергетике.
Современная наука продолжает изучать и изобретать новейшие типы алюминиевых сплавов. Сегодня не существует ни одной отрасли промышленности, где бы не использовался алюминий. Можно с уверенностью сказать, что такие виды промышленности, как авиационная, космическая, энергетическая, автомобильная, пищевая, электронная получили своё современное развитие благодаря алюминию и его сплавам.
Нельзя не упомянуть о таком важном свойстве, как теплопроводность. Ведь именно это свойство металла требуется при производстве систем отопления, электропродукции, в авто- и авиастроении, при изготовлении тормозных систем и тому подобных. Теплоёмкость — это процесс переноса тепловой энергии в физических телах или их частицах от горячих объектов к холодным на основе закона Фурье. Конкурентом алюминия в данной области является медь.
Так какой же металл имеет большую теплопроводность? Это не совсем однозначный вопрос. Известно, что алюминий по теплопроводности уступает меди при средних температурах, но когда заходит речь о низких температурах, а именно при 50 К, тогда теплопроводность алюминия значительно возрастает, в то время как у меди теплопроводность становится ниже. Температура плавления алюминия составляет 933,61 К, это примерно 660 °C, в этот момент свойства Al, такие как теплопроводность и плотность, уменьшаются.
Плотность серебристого металла определяется его температурой и зависит от его состояния. Так, при температуре в 27 °C, плотность алюминия соответственно равна 2697 кг/м3, а при температуре плавления, равной 660 °C, его плотность равняется 2368 кг/м3. Снижение плотности метала в зависимости от температуры обуславливается его расширением при непосредственном нагревании.
Таблицы свойств алюминия и меди
Далее, рассмотрим таблицы физических свойств и теплопроводности алюминия и меди при соответствии разных температур.
- плотность Cu и Al, кг/м3;
- удельная теплоёмкость Cu и Al, Дж/(кг·K);
- температуропроводность Cu и Al, м2/с;
- теплопроводность Cu и Al, Вт/(м·K);
- удельное электрическое сопротивление Cu и Al, Ом·м;
- функция Лоренца Cu и Al;
Таблица физических свойств алюминия
T, K | кг/м3 | Дж/(кг·K) | м2 /с | Вт/(м·K) | Ом·м | L/L0 |
50 | - | - | 358 | 1350 | 0.0478/0.0476 | - |
100 | 2.725 | 483.6 | 228 | 300.4/302 | 0.442/0.440 | - |
200 | 2.715 | 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 | 2.560 | 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 | - |
Таблица физических свойств меди
T, K | кг/м3 | Дж/(кг·K) | м2 /с | Вт/(м·K) | Ом·м | L/L0 |
50 | - | - | - | 1250 | 0.0518 | - |
100 | - | - | - | 482 | 0.348 | - |
200 | - | - | 130 | 413 | 1.048 | - |
300 | 8.933 | 385.0 | 117 | 401.9/401 | 1.725 | 0.945 |
400 | 8.870 | 3.97.7 | 111 | 391.5/393 | 2.402 | 0.961 |
500 | 8.628 | 408.0 | 107 | 385.4/386 | 3.090 | 0.976 |
600 | 8.779 | 416.9 | 103 | 376.9/379 | 3.792 | 0.976 |
700 | 8.726 | 425.1 | 99.7 | 369.7/373 | 4.514 | 0.976 |
800 | 8.656 | 432.9 | 96.3 | 360.8/366 | 5.262 | 0.973 |
900 | 8.622 | 441.7 | 93.3 | 355.3/359 | 6.041 | 0.979 |
1000 | 8.567 | 451.4 | 90.3 | 349.2/352 | 6.868 | 0.979 |
1100 | 8.509 | 464.3 | 85.5 | 337.6/346 | 7.717 | 0.972 |
1200 | 8.451 | 480.8 | 80.6 | 327.5/339 | 8.626 | 0.970 |
1300 | 8.394 | 506.5 | 75.8 | 322.1/332 | 9.592 | 0.972 |
1357.6s | 8.361 | 525.2 | 72.3 | 317 | 10.171 | 0.972 |
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 |
Из всего вышеперечисленного ясно видно, что алюминий является одним из приоритетных металлов в промышленности, но у него есть ещё одно свойство: этот металл и его сплавы можно переплавлять, причём неоднократно, без потерь его характеристик. Помимо прочего, это экономически выгоднее, чем добыча из руды. Так, на одной электроэнергии экономия превышает 14 кВт/ч. По подсчётам, 75% добытого за всё время алюминия и его сплавов используются по настоящее время.