 |
Методом стационарного теплового режима
|
|
|
|
Лабораторная работа № 4
Определение коэффициента теплопроводности твердых материалов
методом стационарного теплового режима
Цель работы - ознакомиться с основными методиками и аппаратурным обеспечением экспериментального определения коэффициента теплопроводности горных пород, теплоизоляционных и сыпучих материалов и приобретение навыков работы на электронном измерителе теплопроводности типа ИТП-МГ4 «100».
Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс передачи тепла между телами или частями тела, обусловленный неоднородностью температурного поля. В зависимости от механизма переноса тепла различают три основных вида теплообмена: кондуктивный (теплопроводность), конвективный (конвекция) и лучистый (излучение, радиационный).
Изучая явление теплопроводности, Ж. Фурье (1822 г.) установил, что при установившемся тепловом режиме количество передаваемого тепла Q пропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения тепла. Математическое выражение для определения величины Q, переданного теплопроводностью, называется основным законом теплопроводности – законом Фурье. В реальных параметрах процесса теплообмена закон Фурье описывается, как
, (1)
Коэффициент λ в уравнении (1) есть физический параметр вещества, который численно оценивает способность вещества проводить тепло при кондуктивном теплообмене и называется коэффициентом теплопроводности (вт/м·К). Значения коэффициента теплопроводности веществ находятся в пределах l» 0,006 ¸ 430 Вт/(м ∙ К). Минимальную теплопроводность из всех веществ имеют газы. Их коэффициент теплопроводности находится в пределах l» 0,006 ¸ 0,2 Вт/(м∙К). Вызвано это слабыми связями между молекулами газов.
|
|
|
В практике теплотехнических расчетов широко пользуются понятием теплового потока QП (Вт). Величину QП можно определить, разделив левые и правые части (1) на время:
; (2)
Значения коэффициента теплопроводности жидкостей изменяются в пределах l» 0,07 ¸ 1,0 Вт/(м∙К).
Теплопроводность твёрдых тел в подавляющем большинстве случаев обусловлена двумя механизмами: движением электронов проводимости (электронная проводимость) и тепловыми колебаниями атомов их кристаллической решётки (фононная проводимость). Лучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых коэффициент теплопроводности l» 8 ¸ 430 Вт/(м ∙ К).
Большая сложность процесса передачи тепла в газообразных, жидких и твёрдых веществах не позволила пока разработать теоретических основ для расчётов их λ. Поэтому на сегодняшний день величины λ для всех веществ определяются экспериментально.
Все эти методы могут быть разделены на четыре основные группы:
1) методы стационарного теплового режима;
2) методы регулярного теплового режима;
3) методы квазистационарного теплового режима;
4) методы, основанные на определении параметров нестационарного теплового режима в первой стадии его развития.
1. Все методы, основанные на стационарном тепловом режиме, разделяются на плоские, цилиндрические и сферические в соответствии с формой испытуемого образца. Связь между искомой величиной λ и величинами, получаемыми непосредственными измерениями, в общем виде выражается следующим уравнением:
, (3)
где Q – количество тепла, протекающего от одной изотермической поверхности образца с температурой Т1 к другой с температурой Т2, Дж;
t – время проведения опыта, с; Кф – коэффициент формы слоя исследуемого вещества; λ – коэффициент теплопроводности исследуемого вещества при температуре Т = 0,5(Т1 + Т2), Вт/м∙К.
|
|
|
Все лабораторные установки для определения λ работают на электрической энергии, что позволяет отношение Q / t в (3) определять как произведение силы тока в рабочем нагревателе I на напряжение на его концах U, то есть 
. Соответственно, величины I и U должны измеряться при установившемся тепловом режиме. методы стационарного теплового режима зачастую требует довольно большого времени для эксперимента, иногда не менее 8 часов.
|
|
|
