European Copper Institute Poland

Właściwości miedzi: Wprowadzenie

 

Miedź odgrywa zasadniczą rolę w kształtowaniu naszego życia. Korzystając z tego zbioru pomocy dydaktycznych możesz dowiedzieć się o biologii, chemii i fizyce miedzi.

Rola miedzi

W domu
Miedź jest ukryta w naszych domach w przedmiotach codziennego użytku, np. telefonach, rurach instalacji wodnej, zamkach oraz w postaci przewodów instalacji elektrycznej.

W historii
Ludzie używają miedź od 9000 lat p.n.e. Jednym z powodów, dla których miedź jest tak ważna jest to, że może tworzyć stopy z innymi metalami. Oznacza to, że może być łączona z innymi metalami w celu tworzenia stopów, jak mosiądz i brąz. Są one twardsze, mocniejsze i bardziej odporne na korozję niż czysta miedź.

Ze względu na swoje właściwości
Miedź jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności i ciepła; jest silna, plastyczna i daje się łatwo łączyć metodą lutowania, zarówno miękkiego jak twardego; jest higieniczna, łatwo tworzy stopy i jest odporna na korozję.

Czysta miedź posiada szereg właściwości, dzięki którym jest niezbędna dla nowoczesnych technologii.

Niektóre istotne właściwości miedzi

Przewodność elektryczna
Kiedy w obwodzie pokazanym na rysunku 1 przyłożymy napięcie z baterii, to popłynie w nim prąd. Prąd elektryczny jest przepływem elektronów. W metalach znajdują się elektrony, które nie są związane z atomami. Są to tak zwane wolne elektrony. Mogą się one swobodnie przemieszczać pomiędzy atomami. To nie bateria je uwalnia. One już są wolne, ale poruszają się w sposób nieuporządkowany. Napięcie z baterii dostarcza energię, dzięki której poruszają się one w zamkniętym obwodzie.

(Dzięki uprzejmości Gida)

Rysunek 1 – W całym obwodzie natężenie prądu jest jednakowe, ale miedź pozostaje zimna a żarówki są gorące. Elektronom trudno jest przedostać się przez żarówki i wytracają tam dużo energii w zderzeniach. Energia ta przekształca się w ciepło. Natomiast w miedzi przemieszczają się z łatwością, prawie nie tracąc energii.

Niezwykłość miedzi polega na tym, że posiada więcej wolnych elektronów niż większość metali. To właśnie czyni ją dobrym przewodnikiem. W miedzi elektrony mogą poruszać się bardzo swobodnie. Tylko bardzo rzadko oddziałują z atomami. Porównajmy co dzieje się w żarówkach włączonych w obwodzie. Włókna żarówek są wykonane ze stopu wolframu. Ich oporność (rezystancja) dla prądu jest duża i elektrony poruszając się w włóknie przekazują swoją energię atomom wolframu. Energia ta rozgrzewa włókno do temperatury białego żaru.

Przewodność cieplna
Przewodność cieplna miedzi jest prawie trzykrotnie lepsza niż przewodność aluminium. Miedź może bardzo szybko odprowadzać ciepło z mikroprocesorów, które muszą być chłodzone, aby mogły prawidłowo działać. Rysunki 2 i 3 przedstawiają specjalnie zaprojektowany radiator w formie “jeża” z wentylatorem, który odprowadza ciepło z modułu procesora.

(Dzięki uprzejmości Enzotech)

Rysunek 2 – Nowoczesne procesory komputerowe mogą być chłodzone za pomocą radiatorów wyposażonych w wentylatory. Takie chłodzenie jest często spotykane w zastosowaniach o dużych mocach, jak np. obrazowanie medyczne.

(Dzięki uprzejmości Enzotech)
(Dzięki uprzejmości Codelco)

Rysunek 3 – Błyszcząca płaska powierzchnia radiatora jest sklejona z procesorem za pomocą przewodzącego kleju. Miedź przewodzi ciepło do szpilek, które posiadają dużą powierzchnię. Wentylator ułatwia odprowadzanie ciepła ze szpilek do otaczającego powietrza.

(Dzięki uprzejmości Falk)

Rysunek 4 – W tej miedzianej patelni zastosowano rączkę z nierdzewnej stali. Stal nierdzewna nie jest dobrym przewodnikiem ciepła. Stal nierdzewną zastosowano także wewnątrz patelni w celu zwiększenia odporności powierzchni.

Nowoczesna miedziana patelnia, pokazana na rysunku 4, jest wykonana z blachy miedzianej o grubości 2,5 mm i posiada bardzo cienką (0,2 mm) wewnętrzną warstwę nierdzewnej stali oraz rączkę ze stali nierdzewnej. Prześledź poniższy wykres (kliknij aby powiększyć widok) i zobacz czy możesz wyjaśnić dlaczego patelnia jest wykonana w ten sposób. Wykres jest sporządzony w skali logarytmicznej, zatem różnica przewodności cieplnej od lewej strony do prawej jest 100 000-krotna.

Wykres ukazuje przewodność cieplną powszechnie stosowanych materiałów (Wikimedia Commons. (Kliknij żeby powiększyć). Oś x jest skalowana w potęgach 10 (skala logarytmiczna).

Z lewej, różnica przewodności między powietrzem a wypełnieniem z włókien kanalikowych (używanych w kołdrach) jest bardzo mała. Po prawej, różnica między aluminium a miedzią jest ogromna.

Jeżeli to wydaje się skomplikowane, to pomyśl jak duży musiałby być wykres w skali liniowej aby pomieścić te wszystkie dane – około 1 km szerokości!

(Dzięki uprzejmości Wieland-Werke AG)

Wężownica jest wykonana z dwóch rur miedzianych, umieszczonych jedna w drugiej. Zauważ podwójne końcówki wlotowe i wylotowe. Tworzą one przeciwprądowy wymiennik ciepła. Dwa oddzielne strumienie cieczy przepływają w przeciwnych kierunkach. Strumień, który wpływa jako gorący, przekazuje ciepło do strumienia wpływającego jako zimny. To pomysłowe rozwiązanie jest spotykane w przyrodzie, np. w płetwach waleni lub w nogach ptaków brodzących.

(Dzięki uprzejmości Wieland-Werke AG)

Powyższy schemat wężownicy przeciwprądowego wymiennika ciepła ukazuje dwa przeciwbieżne przepływy. Rysunek poniżej przedstawia tę samą zasadę spotykaną w płetwie walenia.

(Dzięki uprzejmości Seaworld)

Wymiana ciepła w płetwie walenia.

W organizmie zwierząt rury (tętnice i żyły) są umiejscowione obok siebie. W miedzianym wymienniku ciepła są umieszczone jedna wewnątrz drugiej (współosiowo).

Wysoka przewodność cieplna miedzi umożliwia przepływ energii z rury wewnętrznej do zewnętrznej. Równie dobrze można by połączyć wymiennik odwrotnie, tak aby ciepło było przekazywane z zewnętrznej rury do wewnętrznej.

Rury miedziane mogą przenosić zarówno ciecze jak gazy.

Formowanie i łączenie
Miedź może być łączona przez lutowanie miękkie lub za pomocą lutowania twardego, które jest procesem wymagającym wyższych temperatur. Za pomocą gięcia można nadawać miedzi skomplikowane kształty.

Pytania

1. Jeżeli w obwodzie przedstawionym na rysunku 1 płynie prąd o natężeniu 1 ampera, to ile wolnych elektronów przepływa w sekundzie przez przewód?

2. Jakie jest przeznaczenie szpilek na radiatorach z rysunków 2 i 3?

3. Na wykresie przewodności cieplnej, różnica w przewodności cieplnej między piaskowcem a ołowiem wygląda na prawie taką samą, jak między ołowiem a miedzią. Czy tak rzeczywiście jest?

4. Miedź jest stosowana do wyrobu patelni ponieważ dobrze przewodzi ciepło. Dlaczego warstwa stali nierdzewnej ma tak mały wpływ na przewodność?

5. Dlaczego rączkę patelni wykonano ze stali nierdzewnej.

6. Czy w przedstawionym poniżej przeciwprądowym wymienniku ciepła, energia cieplna jest przekazywana z obiegu o kierunku przepływu zgodnym z ruchem wskazówek zegara do obiegu o kierunku przepływu przeciwnym do ruchu wskazówek, czy w inny sposób? Czym różni się przeciwprądowy wymiennik ciepła od wymiennika ciepła w płetwie walenia?