Milline on alumiiniumi tihedus?

Alumiinium näeb kerge välja ja tundub tugev. Kuid mis täpselt teeb selle tööstusharude lemmikuks kogu maailmas?

Alumiiniumi tihedus on umbes 2,70 g/cm3 , mis teeb sellest ühe kõige kergema tootmises kasutatava metalli. See madal tihedus mängib olulist rolli rakendustes alates kosmosetööstusest kuni arhitektuurini.

Tiheduse tundmine on alles algus. Sügavam lugu seisneb selles, kuidas seda mõõdetakse, kuidas seda võrreldakse terasega, kuidas legeerimine seda muudab ja kuidas temperatuur seda mõjutab. Uurime.

Kuidas mõõdetakse alumiiniumi tihedust?

Kui me räägime alumiiniumi tihedusest, siis mõtleme tavaliselt seda, kui palju massi mahub teatavasse ruumalasse. Kuidas aga laborid ja insenerid seda reaalselt mõõdavad?

Alumiiniumi tihedust mõõdetakse lihtsa füüsika abil: jagage proovi mass selle ruumalaga. Seda saab teha vee väljatõrjumise abil (Archimedese printsiip) või laboritööriistaga, mida nimetatakse püknomeetriks.

Alumiiniumi tiheduse mõõtmine algab füüsikast:

Archimedese põhimõte

See meetod kasutab mahtude leidmiseks vett:

1. Kõigepealt kaalume alumiiniumitükki õhus.
2. Seejärel uputame selle vette ja registreerime, kui palju vett see välja tõrjub.
3. Kuna vee tihedus on teada (1 g/cm3), siis annab väljatõrjutud ruumala meile teada alumiiniumi ruumala.

See meetod sobib suurepäraselt ebakorrapärase kujuga detailide, näiteks valatud detailide või alumiiniumprofiilide puhul.

Püknomeetri meetod

Püknomeeter on kitsa kaelaga kolb. See töötab järgmiselt:

• Me täidame selle veega ja kaalume seda.
• Seejärel lisame alumiiniumitüki ja märkame veemahu muutuse.
• Täpseid vahendeid kasutades pakub see meetod suurt täpsust ja sobib ideaalselt uurimislaboratooriumides.

Mõlema meetodi eesmärk on leida üks asi: kui tihedalt on alumiiniumi aatomid antud ruumi paigutatud.

Tavalised vead mõõtmisel:

• Õhumullide arvestamata jätmine proovi uputamisel.
• Kasutades ebapuhas vesi või soe vesi, mis võib moonutada mahu näitu.
• Kaalumisvead tasakaalu kalibreerimise tõttu.

Kuidas on alumiiniumi tihedus võrreldes terasega?

Teras ja alumiinium lähevad inseneriteaduses sageli vastamisi. Aga kui kaal on oluline, siis kes võidab?

Alumiinium on palju kergem kui teras. Selle tihedus on umbes 2,70 g/cm3 , samas kui terase tihedus on umbes 7,80 g/cm3 . See tähendab, et alumiinium kaalub peaaegu kolmandiku võrra vähem kui teras.

Siin on kiire võrdlus:

See erinevus muudab alumiiniumi ideaalseks:

• Õhusõidukite konstruktsioonid: Väiksem kaal = suurem kütusesäästlikkus.
• Elektrisõidukid: Kergemad kered tähendavad suuremat ulatust.
• Tõstesüsteemid ja robootika: Vähem koormus liikuvatele osadele.

Kuid ka terasel on omad eelised. See on tugevam ja vastupidavam paljudes rakendustes. Valik nende vahel sõltub sageli:

• Tugevuse ja kaalu suhe
• Kulud
• Korrosioonikindlus
• Vormõeldavus

Sellistes tööstusharudes nagu ehitus kasutatakse alumiiniumi sageli aknaraamides ja fassaadides, samas kui terast kasutatakse struktuuritala ja tugevduste jaoks.

Kas legeerimine muudab alumiiniumi tihedust?

Puhast alumiiniumi kasutatakse rasketes rakendustes harva. Selle asemel kasutatakse alumiiniumisulameid. Kuid kas teiste metallide lisamine muudab selle tihedust?

Jah, legeerimine muudab alumiiniumi tihedust, kuid mitte palju. Enamik tavalisi alumiiniumisulameid jääb ikka veel vahemikku 2,68-2,85 g/cm3 .

Vaatleme mõnda populaarset sulamit:

Tiheduse varieerumise põhjuseks on tavaliselt:

• Raskemad legeerivad elemendid nagu tsink ja vask.
• Mikrostruktuur-kuidas aatomid on pakitud.
• Kuumtöötlus, mis võib muuta metalliterade kuju ja joondumist.

Miks see on oluline

Lennukite ja kiirrongide puhul on iga gramm oluline. Tihedam sulam võib tähendada suuremat kaalu ja suuremat kütusekulu. Seepärast valivad insenerid sulamid, mis tagavad tasakaalu tugevuse ja kaalu vahel.

Kuid mõnedel kasutusaladel - näiteks kõrge kuumusega keskkondades või korrosiivsetes keskkondades - kaaluvad sulami eelised üles selle vähese tiheduse suurenemise.

Miks mõjutab temperatuur alumiiniumi tihedust?

Tavaliselt mõtleme metallide kohta kui tahkete ja stabiilsete. Kuid soojus muudab kõike - isegi alumiiniumi.

Kui alumiiniumit kuumutatakse, siis see paisub. Kuna ruumala suureneb ja mass jääb samaks, väheneb selle tihedus. Jahutamisel on vastupidine mõju.

See juhtub järgmiselt:

Kõrgel temperatuuril

• Alumiiniumi aatomid vibreerivad rohkem ja liiguvad üksteisest lahku.
• See suurendab mahtu.
• Kui maht suureneb ja mass ei muutu, siis tihedus väheneb.

Madala temperatuuri korral

• Aatomid tõmbuvad kokku ja liiguvad üksteisele lähemale.
• Maht väheneb.
• Tihedus tõuseb veidi.

Võrrand jääb samaks:

[
\text{Tihedus} = \frac{\text{Mass}}{\text{Volüüm}}
]

Kuid kuna temperatuur mõjutab mahtu, muutub ka tihedus. See muutus on väike, kuid kriitiline sellistes tööstusharudes nagu:

• Lennundus: Osad peavad taluma äärmuslikku külma suurel kõrgusel ja kuumust sisenemise ajal.
• Elektroonika: Alumiiniumist jahutusradiaatorid paisuvad koos temperatuuriga.
• Ehitus: Sillad ja paneelid laienevad ja tõmbuvad iga päev.

Temperatuur vs. tihedus tabel

Täpsete rakenduste puhul on isegi väikesed muudatused olulised. Insenerid arvestavad detailide projekteerimisel sageli soojuspaisumise koefitsiente.

Kokkuvõte

Alumiiniumi tihedus - umbes 2,70 g/cm3 - teeb sellest ühe kõige mitmekülgsema ja kergema metalli tööstuses. Kuigi seda mõjutavad legeerimine ja temperatuur, on selle peamine eelis endiselt tugev jõudlus ja väike kaal.