Занятие 4 по дисциплине «Медицинская и биологическая физика» для специальности «Стоматология»
Тема: Теплофизические характеристики материалов и их учет в стоматологии. Лабораторная работа по определению термического коэффициента линейного расширения материалов
1. Какие теплофизические характеристики необходимо учитывать при подборе стоматологических материалов?
2. Что такое температура кипения и температура плавления? Приведите примеры их учёта в стоматологии.
3. Что называется теплоёмкостью и удельной теплоёмкостью материалов? В каких единицах они измеряются? Приведите примеры их учёта в стоматологии.
4. Что такое коэффициент теплопроводности? В чём он измеряется в СИ? Какой его физический смысл? Приведите примеры его учёта в стоматологии.
5. Что такое коэффициент температуропроводности? В чём он измеряется в СИ?
6. Как связаны между собой коэффициенты теплопроводности и температуропроводности?
7. Как определяется время выравнивания температур в неравномерно нагретом теле?
8. Как определяется термический коэффициент линейного расширения? В чём он измеряется в СИ?
9. Как определяется термический коэффициент объёмного расширения? В чём он измеряется в СИ?
10. Как связаны между собой термические коэффициенты линейного и объёмного расширения.
11. Приведите примеры из стоматологии, когда приходится учитывать различные значения термического коэффициента линейного и объёмного расширения материалов.
Теплофизические характеристики, которые необходимо учитывать при подборе стоматологических материалов
Теплофизические свойства материалов определяются следующими основными показателями:
§ температурой плавления;
§ температурой кипения;
§ коэффициентом теплопроводности;
§ коэффициентом температуропроводности;
§ коэффициентами линейного и объемного расширения.
Температуры кипения и плавления
Переход кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а переход вещества из жидкого состояния в твердое отвердеванием или кристаллизацией. Эти переходы происходят при температуре, которая называется температурой плавления.
Количество теплоты Q, необходимое для превращения данной массы твердого тела в жидкость в процессе его плавления, или количество теплоты, которое она выделит в процессе кристаллизации можно определить по формуле:
Q = lm,(1)
где l – удельная теплота плавления.Удельная теплота плавления l численно равна количеству теплоты, необходимому для превращения единицы массы этого вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления. Единица измерения l в СИ - Дж/кг.
Знание температуры плавления материалов, применяемых в стоматологии, позволяет подобрать нужный источник теплоты для плавления. Например, для плавления золота можно использовать бензиновую горелку, а для плавления нержавеющей стали нужна электрическая дуга или электропечь.
Для пайки деталей протезов припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем сплавы металлов, из которых изготавливают протез, чтобы он не подплавлялся. У сплавов металлов, как правило, более низкая температура плавления, чем у составляющих их компонентов.
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а переход вещества из газообразного состояния в жидкое - конденсацией. Парообразование, которое происходит только со свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой или вакуумом, называется испарением. Частным случаем испарения является кипение. Кипение – это процесс интенсивного парообразования не только со свободной поверхности, но и по всему объему жидкости, происходящий при одной, определенной для данной жидкости температуре, которая называется температурой кипения.
Количество теплоты Q, необходимое для превращения данной массы m жидкости в пар в процессе ее кипения, или количество теплоты, которое она выделит в процессе конденсации можно определить по формуле:
Q = r × m, (2)
где r — удельная теплота парообразования. Удельная теплота парообразования r – величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения в пар в процессе кипения единицы массы жидкости при температуре кипения. Единица измерения r в СИ - Дж/кг.
Температуру кипения металлов необходимо учитывать при изготовлении протезов. Вследствие различия температур кипения может произойти улетучивание наиболее легкоплавких компонентов сплавов металлов, что приведет к изменению их свойств. Так, при изготовлении припоев, содержащих кадмий и цинк, имеющих температуру кипения, соответственно, 778 и 918°С, при перегревании может произойти частичная их утрата и припой окажется тугоплавким.
3. Теплоёмкость и удельная теплоёмкость материалов
Теплоемкостью тела называют отношение количества теплоты Q, необходимого для повышения его температуры от значения Т1 до значения Т2, к разности этих температур DТ = Т2 – T1:
. (3)
Теплоемкость характеризует то количество теплоты, которое нужно сообщить телу, чтобы нагреть его на 1 К (при охлаждении на 1 К тело выделяет то же количество теплоты, что и поглощает при нагревании).
Нагревая тела с одинаковыми массами, но состоящие из различных веществ, можно обнаружить, что для повышения их температуры на 1 К требуются различные количества теплоты; следовательно, теплоемкость тела зависит от его природы. Теплоемкость тела также пропорциональна его массе. Поэтому характеристикой тепловых свойств вещества является его удельная теплоемкостьс - величина, равная отношению теплоемкости тела к его массе:
. (4)
В СИ удельная теплоемкость вещества выражается в Дж/(кг × К).
Зная теплоемкость вещества, можно определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры T1 до температуры Т2:
Q = cmDT = cm(T2 – T1). (5)
Необходимость учёта теплоемкостей различных материалов в стоматологической практике связана с довольно значительным различием теплоемкостей тканей зуба и применяемых материалов. Наличие в ротовой полости материалов с различной теплоемкостью сопровождается неприятными ощущениями, и в ряде случаев может приводить к возникновению различных побочных эффектов (выкрашивание пломб, воспалительные процессы и т.д.).