- 1.0 मूल परिभाषा और संख्यात्मक विवरण
- 1.1 घनत्व क्या है?
- 1.2 एल्युमिनियम का मूल घनत्व डेटा
- 1.3 शुद्ध एल्युमिनियम का घनत्व कितना है?
- 1.4 सामान्य धातुओं के साथ घनत्व की तुलना:
- 1.5 एल्युमिनियम के प्रमुख लाभ इसके अद्वितीय घनत्व के कारण
- 1.6 एल्युमिनियम सामग्रियों के बीच घनत्व में अंतर
- 1.7 भौतिक गुण
- 1.8 रासायनिक गुण
- 1.9 एल्युमिनियम मिश्रधातुओं में घनत्व भिन्नता
- 2.0 औद्योगिक डिजाइन और अनुप्रयोगों पर एल्युमिनियम घनत्व का प्रभाव
- 3.0 सीएनसी मशीनिंग में एल्युमिनियम का घनत्व क्यों मायने रखता है
- 4.0 घनत्व और अन्य गुणों के बीच संबंध
- 5.0 एल्युमिनियम घनत्व को प्रभावित करने वाले कारक
- 6.0 एल्युमिनियम का घनत्व कैसे मापें (लोकप्रिय विज्ञान गाइड)
1.0 मूल परिभाषा और संख्यात्मक विवरण
एल्युमीनियम अपने कम घनत्व (स्टील के लगभग एक तिहाई) और उच्च शक्ति-से-वजन अनुपात के कारण एक लोकप्रिय औद्योगिक सामग्री है। यह इसे हल्का लेकिन मजबूत बनाता है, इसके साथ काम करना आसान है, और कई औद्योगिक उपयोगों के लिए उपयुक्त है।
1.1 घनत्व क्या है?
घनत्व प्रति इकाई आयतन में किसी पदार्थ के द्रव्यमान को दर्शाता है। इसे आमतौर पर ग्रीक अक्षर ρ (रो) या अक्षर D (के लिए) द्वारा दर्शाया जाता है घनत्व) गणितीय रूप से, घनत्व को द्रव्यमान और आयतन के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है:
ρ = एम / वी
कहाँ:
ρ = घनत्व
m = द्रव्यमान
V = आयतन
परिभाषा
घनत्व किसी पदार्थ के इकाई आयतन में निहित द्रव्यमान की मात्रा है। अर्थात,
ρ = एम / वी
जहाँ M वस्तु का द्रव्यमान है और V वस्तु का आयतन है। समान द्रव्यमान वितरण वाली सामग्रियों के लिए, घनत्व सूत्र को इस मूल गणितीय रूप में सरलीकृत किया जा सकता है।
दूसरे शब्दों में, घनत्व को द्रव्यमान और आयतन के “अनुपात” के रूप में परिभाषित किया जाता है।
1.2 एल्युमिनियम का मूल घनत्व डेटा
- एल्युमिनियम का घनत्व लगभग है 2,710 किग्रा/मी³.
- एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं का घनत्व समान होता है, जो आमतौर पर 100 से 150 ग्राम तक होता है। 2,640 से 2,810 किग्रा/मी³.
1.3 शुद्ध एल्युमिनियम का घनत्व कितना है?
घनत्व किसी पदार्थ के इकाई आयतन में निहित द्रव्यमान को संदर्भित करता है।
शुद्ध एल्युमीनियम का घनत्व लगभग होता है 2.7 ग्राम/सेमी³, हालांकि यह इसकी भौतिक स्थिति के आधार पर थोड़ा भिन्न हो सकता है।
- ठोस रूप में शुद्ध एल्युमीनियम का घनत्व है 2,699 किग्रा/मी
- तरल रूप में, घनत्व में थोड़ा उतार-चढ़ाव होता है 2,697 और 2,699 किग्रा/मी³.
- उदाहरण के लिए, 973 के, तरल एल्यूमीनियम का घनत्व है 2,357 किग्रा/मी³;
- पर 1,173 हज़ार, यह घटकर हो जाता है 2,304 किग्रा/मी³.
1.4 सामान्य धातुओं के साथ घनत्व की तुलना:
| धातु या मिश्र धातु | घनत्व (ग्राम/सेमी³) |
| अल्युमीनियम | 2.71 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु | 2.66–2.84 |
| जस्ता | 7.13 |
| लोहा | 7.20 |
| कार्बन स्टील | 7.86 |
| ताँबा | 8.94 |
| नेतृत्व करना | 11.33 |
| सोना | 19.30 |
1.5 एल्युमिनियम के प्रमुख लाभ इसके अद्वितीय घनत्व के कारण
- हल्का:कम घनत्व के कारण एल्युमीनियम हल्का और संभालने में आसान है; यह विमान निर्माण के लिए आदर्श है।
- संक्षारण प्रतिरोध:एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत बनाता है जो जंग और क्षरण को रोकता है।
- पुनर्चक्रणीय:100% पुनर्चक्रणीय, पर्यावरण अनुकूल, तथा गुणवत्ता हानि के बिना पुनर्चक्रण हेतु लागत प्रभावी है।
- उच्च चालकता:विद्युत चालकता तांबे के वजन से दोगुनी है; उत्कृष्ट तापीय चालक
1.6 एल्युमिनियम सामग्रियों के बीच घनत्व में अंतर
शुद्ध एल्युमीनियम का घनत्व आमतौर पर लगभग 2.7 ग्राम/सेमी³ होता है, लेकिन मिश्रधातु के कारण इसमें थोड़ा बहुत अंतर आ सकता है। भारी मिश्रधातु तत्व वजन बढ़ा देते हैं। उदाहरण के लिए, 1xxx श्रृंखला के मिश्रधातु शुद्ध एल्युमीनियम के करीब होते हैं, जिन्हें 99% शुद्धता के साथ वाणिज्यिक एल्युमीनियम माना जाता है।
इसके विपरीत, 7xxx और 8xxx श्रृंखला मिश्र धातुओं का घनत्व लगभग 2.9 ग्राम/सेमी³ तक हो सकता है। विशेष रूप से, 7075 एल्यूमीनियम मिश्र धातु का घनत्व 2.81 ग्राम/सेमी³ है, जो अन्य मिश्र धातुओं की तुलना में अधिक है, और यह उपलब्ध सबसे मजबूत एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में से एक है - इसकी तन्य शक्ति 6061 एल्यूमीनियम की तुलना में लगभग दोगुनी है।
दिलचस्प बात यह है कि 4xxx श्रृंखला के मिश्रधातु, जो मुख्य रूप से सिलिकॉन से मिश्रित होते हैं, का घनत्व शुद्ध एल्युमीनियम के 2.7 ग्राम/सेमी³ से कम हो सकता है, क्योंकि सिलिकॉन एल्युमीनियम के घनत्व को कम कर देता है।
1.7 भौतिक गुण
- एल्युमिनियम को इसके चांदी-सफेद रंग तथा हल्के नीले रंग से आसानी से पहचाना जा सकता है।
- शुद्ध एल्युमीनियम एक नरम धातु है, लेकिन मिश्रित होने पर यह कठोर और मजबूत हो जाती है।
- अपनी कोमलता के कारण, एल्युमीनियम को हथौड़े से पीटकर बहुत पतली चादरें बनाई जा सकती हैं।
- यह लचीला है, जिससे इसे परियोजना की आवश्यकताओं के अनुसार आकार दिया जा सकता है या मोड़ा जा सकता है।
- एल्युमीनियम विद्युत और ऊष्मा का उत्कृष्ट सुचालक है तथा एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड कोटिंग बनाकर संक्षारण का प्रतिरोध करता है।
1.8 रासायनिक गुण
- एल्युमीनियम विभिन्न रासायनिक गुणों को प्रदर्शित करता है और मुख्य रूप से बॉक्साइट अयस्क में यौगिक के रूप में मौजूद होता है, जो एल्युमीनियम, ऑक्सीजन और अन्य तत्वों का मिश्रण है। बॉक्साइट एल्युमीनियम का प्राथमिक स्रोत है।
- ऑक्सीजन के संपर्क में आने पर एल्युमीनियम धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करके एल्युमीनियम ऑक्साइड की एक सुरक्षात्मक परत बनाता है।
- एल्युमीनियम कई तरल पदार्थों के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिनमें गर्म अम्ल और गर्म पानी भी शामिल हैं।
- यह चूने के पानी और सोडियम हाइड्रोक्साइड जैसे क्षारों के साथ भी प्रतिक्रिया करता है तथा मैग्नीशियम, तांबा और सिलिकॉन जैसे तत्वों के साथ संयुक्त होने पर उच्च शक्ति वाले मिश्र धातु बनाता है।
1.9 एल्युमिनियम मिश्रधातुओं में घनत्व भिन्नता
- मिश्र धातु प्रभाव:Mg, Si, Cu, और Zn जैसे मिश्र धातु तत्व एल्युमीनियम मिश्रधातुओं में मामूली घनत्व परिवर्तन का कारण बनते हैं, जिससे उनके यांत्रिक गुण और बहुमुखी प्रतिभा प्रभावित होती है।
- अन्य कारक:प्रसंस्करण, अनाज का आकार, तापमान, सख्तीकरण, ताप उपचार, कोटिंग्स, जलयोजन और अशुद्धियाँ भी घनत्व को प्रभावित करती हैं।
- घनत्व रेंज:शुद्ध एल्युमीनियम का घनत्व लगभग 0.1 lb/in³ (2,700 kg/m³) होता है। एल्युमीनियम मिश्रधातुओं में थोड़ा अंतर होता है, लेकिन वे स्टील की तुलना में बहुत हल्के होते हैं।
| एल्युमिनियम मिश्रधातुओं के लिए कमरे के तापमान पर घनत्व मान | ||
| एल्युमिनियम मिश्र धातु | घनत्व | |
| ग्राम/सेमी3 | lbएम / में3 | |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 1100 | 2.710 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 2014 | 2.800 | 0.101 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 2024 | 2.780 | 0.100 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 3003 | 2.730 | 0.099 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 3004 | 2.720 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 3005 | 2.730 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 3105 | 2.720 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 4043 | 2.690 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5005 | 2.700 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5050 | 2.690 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5052 | 2.680 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5083 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5086 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5154 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5183 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5356 | 2.640 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5454 | 2.690 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5456 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5554 | 2.690 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5556 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 5654 | 2.660 | 0.096 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6005 | 2.700 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6061 | 2.700 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6063 | 2.700 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6066 | 2.720 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6070 | 2.710 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6105 | 2.690 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6351 | 2.710 | 0.098 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 6463 | 2.690 | 0.097 |
| एल्युमिनियम मिश्र धातु 7075 | 2.810 | 0.101 |
2.0 औद्योगिक डिजाइन और अनुप्रयोगों पर एल्युमिनियम घनत्व का प्रभाव
हल्का डिज़ाइन
वजन कम करने और ऊर्जा दक्षता में सुधार करने के लिए ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस और रेल उद्योगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
उदाहरण: एल्युमीनियम मिश्र धातु से बने कार के दरवाजों का वजन स्टील के दरवाजों से 30–50% कम होता है।
लागत, घनत्व और शक्ति का संतुलन
कम घनत्व का मतलब हमेशा बेहतर नहीं होता; इष्टतम डिजाइन के लिए ताकत और कठोरता पर विचार किया जाना चाहिए।
विशिष्ट शक्ति (शक्ति-से-भार अनुपात) सामग्री प्रदर्शन मूल्यांकन के लिए एक प्रमुख मीट्रिक है।
एल्युमिनियम प्रोफाइल और खोखले ट्यूब के लाभ
खोखली संरचना + कम घनत्व = प्रति इकाई आयतन में बेहतर प्रदर्शन।
3.0 सीएनसी मशीनिंग में एल्युमिनियम का घनत्व क्यों मायने रखता है
सामग्री हैंडलिंग और प्रसंस्करण दक्षता
- एल्युमीनियम का घनत्व कम होने के कारण यह स्टील या टाइटेनियम की तुलना में हल्का और संभालने में आसान है, जिससे मशीनिंग दक्षता में सुधार होता है।
- हल्की सामग्री सीएनसी मशीन पर भार कम करती है, उपकरण का जीवनकाल बढ़ाती है और रखरखाव कम करती है।
उपकरण घिसाव और काटने का बल
- एल्युमीनियम की मशीनिंग के लिए कम काटने वाले बल की आवश्यकता होती है, जिससे उपकरण का घिसाव कम होता है और उपकरण का जीवन काल बढ़ता है।
- कम काटने वाले बल से काटने की गति और फीड दर बढ़ जाती है, जिससे उत्पादकता बढ़ जाती है।
थर्मल प्रबंधन
- एल्युमीनियम की अच्छी तापीय चालकता मशीनिंग के दौरान गर्मी को नष्ट करने में मदद करती है, तथा तापीय विस्तार, विरूपण या विरूपण को रोकती है।
- कुशल ताप प्रबंधन आयामी सटीकता और सतह परिष्करण गुणवत्ता सुनिश्चित करता है।
सामग्री निष्कासन दर (एमआरआर)
- कम घनत्व के कारण सघन सामग्रियों की तुलना में उच्च MRR प्राप्त होती है, जिससे सामग्री को तेजी से हटाया जा सकता है और मशीनिंग का समय भी कम होता है।
आयामी सटीकता और सतह खत्म
- एल्युमिनियम की मशीनीयता, इसके घनत्व और काटने की विशेषताओं के कारण, सख्त सहनशीलता नियंत्रण और उच्च गुणवत्ता वाली सतह परिष्करण की अनुमति देती है, जो परिशुद्धता अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है।
4.0 घनत्व और अन्य गुणों के बीच संबंध
- ताप उपचार का प्रभाव: T6, T4, और O जैसे ताप उपचारों से एल्युमीनियम के घनत्व में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं होता, लेकिन आयतन पर थोड़ा प्रभाव पड़ सकता है, जिससे सैद्धांतिक गणना प्रभावित होती है।
- के संबंध ऊष्मीय चालकता: एल्युमीनियम में उच्च तापीय चालकता (~235 W/m·K) तथा कम घनत्व होता है, जो इसे ऊष्मा अपव्यय (जैसे, हीट सिंक, LED ब्रैकेट) के लिए एक उत्कृष्ट सामग्री बनाता है।
- विद्युत के साथ व्यापार-बंद प्रवाहकत्त्व: एल्युमीनियम की विद्युत चालकता तांबे की तुलना में कम है, लेकिन इसका घनत्व तांबे का केवल एक तिहाई है, यही कारण है कि उच्च वोल्टेज विद्युत संचरण में एल्युमीनियम का व्यापक रूप से विकल्प के रूप में उपयोग किया जाता है।
5.0 एल्युमिनियम घनत्व को प्रभावित करने वाले कारक
मिश्र धातु तत्व: यांत्रिक गुणों को बेहतर बनाने के लिए एल्युमीनियम को अक्सर तांबा, मैग्नीशियम, मैंगनीज, सिलिकॉन और जिंक जैसी धातुओं के साथ मिलाया जाता है। ये तत्व अंतिम मिश्र धातु घनत्व को थोड़ा बदल देते हैं, जो आमतौर पर संरचना के आधार पर 2.66 ग्राम/सेमी³ से 2.80 ग्राम/सेमी³ तक होता है।
तापमान: अधिकांश सामग्रियों की तरह, तापीय विस्तार के कारण तापमान बढ़ने पर एल्युमीनियम का घनत्व घटता है, और संकुचन के कारण ठंडा होने पर बढ़ता है। बड़े तापमान भिन्नता वाले अनुप्रयोगों में तापीय विस्तार/संकुचन प्रभावों पर विचार किया जाना चाहिए।
सरंध्रता: विनिर्माण प्रक्रियाएँ एल्युमिनियम में छिद्र उत्पन्न कर सकती हैं, जिससे इसका समग्र घनत्व कम हो सकता है। कास्टिंग से सामग्री के अंदर रिक्त स्थान या छिद्र बन सकते हैं, जबकि उन्नत विनिर्माण तकनीकें (सीएनसी मशीनिंग सहित) छिद्र को कम करती हैं और सामग्री के गुणों को स्थिर रखती हैं।
6.0 एल्युमिनियम का घनत्व कैसे मापें (लोकप्रिय विज्ञान गाइड)
6.1 आवश्यक सामग्री एवं उपकरण:
- छोटी धातु की वस्तु जो पूरी तरह पानी में डूबी जा सकती है
- लटकी हुई वस्तुओं को तौलने के लिए नीचे हुक के साथ तुला, रिज़ॉल्यूशन कम से कम 0.01 ग्राम (यदि तुला में यह सुविधा नहीं है तो नोट देखें)
- धातु का तार (मुड़ा हुआ पेपरक्लिप भी अच्छा काम करता है) जिससे वस्तु को संतुलन हुक पर लटकाया जा सके
- संतुलन बनाए रखने के लिए सहायक स्टैंड या प्लेटफॉर्म ताकि वस्तु नीचे स्वतंत्र रूप से लटक सके
- बीकर इतना बड़ा हो कि वस्तु बिना गिरे पूरी तरह डूब जाए
- बीकर को सही ऊंचाई पर तराजू के नीचे रखने के लिए सहारा
- नल का जल
- कैलकुलेटर
- वस्तु को लटकाने के लिए नायलॉन धागा (मछली पकड़ने की लाइन की तरह) या इसी तरह का हल्का पदार्थ
- डिस्पोजेबल नाइट्राइल दस्ताने (विशेष रूप से उन धातुओं को संभालते समय जिनमें सीसा हो सकता है)
- वैकल्पिक: टेबल या काउंटर के किनारे पर बैलेंस स्टैंड को ठीक करने के लिए क्लैंप
6.2 चरण-दर-चरण प्रक्रिया:
- आंतरिक हुक को उजागर करने के लिए तराजू के निचले कवर को हटाएँ।
- तराजू को एक ऐसे स्टैंड पर रखें जिसमें छेद हो ताकि हुक तक पहुंचा जा सके।
- धातु के तार वाले हुक को आंतरिक हुक से जोड़ें, फिर तराजू को शून्य करें।
- तराजू के नीचे हुक पर नायलॉन धागे का उपयोग करके धातु की वस्तु को लटकाएं और हवा में उसका वजन मापें।
- बीकर को पानी से भरें और उसे लटकी हुई वस्तु के नीचे रखें।
- बीकर को तब तक ऊपर उठाएँ जब तक कि वस्तु पूरी तरह डूब न जाए। बीकर को सही ऊँचाई पर रखने के लिए किसी सहारे का इस्तेमाल करें। सुनिश्चित करें कि वस्तु पर या उसके अंदर कोई हवा के बुलबुले न हों।
- डूबी हुई वस्तु का वजन करें।
- नीचे दिए गए सूत्र का उपयोग करके घनत्व की गणना करें।
- गणना किये गये घनत्व की तुलना संदर्भ तालिकाओं से धातुओं और मिश्रधातुओं के ज्ञात घनत्वों से करें।
- यदि आवश्यक हो तो अन्य नमूनों के लिए चरण 4-9 को दोहराएं।
6.3 घनत्व गणना सूत्र:
ρ = (m_air) / (m_air – m_water) × ρ_water
कहाँ:
- ρ = वस्तु का घनत्व (g/cm³)
- m_एयर = हवा में वस्तु का द्रव्यमान (g)
- m_पानी = पानी में डूबी वस्तु का स्पष्ट द्रव्यमान (g)
- ρ_पानी = जल का घनत्व (20°C पर लगभग 0.998 g/cm³ या 25°C पर 0.997 g/cm³)
संदर्भ:
https://www.canada.ca/en/conservation-institute/services/conservation-preservation-publications/canadian-conservation-institute-notes/metal-density.html
https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-aluminium.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Density
https://en.wikipedia.org/wiki/Porosity
