Каква е плътността на алуминия?

Алуминият изглежда лек и се усеща здрав. Но какво точно го прави толкова предпочитан в промишлеността по целия свят?

Плътността на алуминия е около 2,70 g/cm3, което го прави един от най-леките метали, използвани в производството. Тази ниска плътност играе ключова роля в приложенията от авиацията до архитектурата.

Познаването на плътността е само началото. По-дълбоката история се крие в това как се измерва, как се сравнява със стоманата, как легирането я променя и как температурата влияе върху нея. Нека да проучим.

Как се измерва плътността на алуминия?

Когато говорим за плътността на алуминия, обикновено имаме предвид колко маса се побира в определен обем. Но как лабораториите и инженерите измерват това в реалния живот?

Плътността на алуминия се измерва с помощта на простата физика: разделете масата на пробата на нейния обем. Това може да се направи с помощта на изтласкване на вода (принцип на Архимед) или с лабораторен инструмент, наречен пикнометър.

Измерването на плътността на алуминия започва с основните физични принципи:

Принцип на Архимед

Този метод използва вода за определяне на обема:

1. Първо, претеглете алуминиевото парче във въздуха.
2. След това я потапяме във вода и записваме колко вода е изтласкала.
3. Тъй като плътността на водата е известна (1 g/cm3), изместеният обем ни казва обема на алуминия.

Този метод работи чудесно за неправилни форми, като например отлети части или алуминиеви профили по поръчка.

Метод на пикнометъра

Пикнометърът е колба с тясно гърло. Ето как работи:

• Напълваме го с вода и го претегляме.
• След това добавяме алуминиевото парче и отбелязваме промяната в обема на водата.
• С помощта на прецизни инструменти този метод предлага висока точност и е идеален за изследователски лаборатории.

И двата метода имат за цел да установят едно нещо: колко плътно са разположени атомите на алуминия в дадено пространство.

Често срещани грешки при измерване:

• Не отчитане на въздушните мехурчета при потапяне на пробата.
• Използване на нечиста вода или топла вода, което може да изкриви показанията за обема.
• Грешки при претеглянето поради калибриране на баланса.

Как се сравнява плътността на алуминия със стоманата?

Стоманата и алуминият често се конкурират в инженерството. Но когато теглото е от значение, кой печели?

Алуминият е много по-лек от стоманата. Плътността му е около 2,70 g/cm3, докато тази на стоманата е около 7,80 g/cm3. Това означава, че теглото на алуминия е почти една трета от това на стоманата.

Ето едно бързо сравнение:

Тази разлика прави алуминия идеален за:

• Конструкции на въздухоплавателни средства: По-малко тегло = по-голяма горивна ефективност.
• Електрически превозни средства: По-леки тела означават по-голям обхват.
• Подемни системи и роботика: По-малко натоварване на движещите се части.

Въпреки това стоманата също има своите предимства. Тя е по-здрава и издръжлива в много приложения. Изборът между тях често зависи от:

• Съотношение здравина/тегло
• Разходи
• Устойчивост на корозия
• Формообразуване

В отрасли като строителството алуминият често се използва за прозоречни рамки и фасади, докато стоманата се използва за конструктивни греди и укрепващи елементи.

Дали легирането променя плътността на алуминия?

Чистият алуминий рядко се използва в приложения за големи натоварвания. Вместо това се използват алуминиеви сплави. Но дали добавянето на други метали променя плътността му?

Да, легирането променя плътността на алуминия, но не с много. Най-често срещаните алуминиеви сплави все още са с плътност между 2,68 и 2,85 g/cm3.

Нека разгледаме няколко популярни сплави:

Вариациите в плътността обикновено се дължат на:

• По-тежки легиращи елементи като цинк и мед.
• Микроструктура-как са подредени атомите.
• Термична обработкакоито могат да променят формата и подреждането на металните зърна.

Защо това е важно

При самолетите и високоскоростните влакове всеки грам е от значение. По-плътната сплав може да означава по-голямо тегло и по-голям разход на гориво. Ето защо инженерите избират сплави, които балансират между здравина и тегло.

Въпреки това при някои приложения - например в среда с висока температура или корозионни условия - предимствата на сплавта надвишават лекото увеличение на плътността.

Защо температурата влияе на плътността на алуминия?

Обикновено смятаме, че металите са твърди и стабилни. Но топлината променя всичко - дори и алуминия.

Когато алуминият се нагрява, той се разширява. Тъй като обемът се увеличава, а масата остава същата, плътността му намалява. Охлаждането има обратен ефект.

Ето какво се случва:

При високи температури

• Алуминиевите атоми вибрират повече и се раздалечават.
• Това увеличава обема.
• Когато обемът се увеличава, а масата остава непроменена, плътността намалява.

При ниски температури

• Атомите се свиват и приближават.
• Обемът намалява.
• Плътността леко се увеличава.

Уравнението остава същото:

[
\текст{Гъстота} = \frac{\текст{Маса}}{\текст{Обем}}
]

Но тъй като температурата влияе на обема, плътността също се променя. Тази промяна е малка, но е от решаващо значение в отрасли като:

• Aerospace: Частите трябва да издържат на екстремен студ на голяма надморска височина и на топлина по време на повторното влизане в атмосферата.
• Електроника: Алуминиевите радиатори се разширяват с температурата.
• Строителство: Мостовете и панелите се разширяват и свиват ежедневно.

Таблица за съотношението между температурата и плътността

При прецизните приложения дори малките промени са от значение. Инженерите често отчитат коефициентите на топлинно разширение при проектирането на частите.

Заключение

Плътността на алуминия - около 2,70 g/cm3 - го прави един от най-универсалните и леки метали в индустрията. Въпреки че се влияе от легирането и температурата, основното му предимство остава: силна производителност при ниско тегло.