 |
Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества
|
|
|
|
Оглавление
Введение
Глава 1. Теплопроводность металлов
Закон Фурье
Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества
Объяснение теплопроводности металлов
Глава 2. Методы определения теплопроводности металлов
Классификация методов измерения теплопроводности
Калориметрический метод
Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металла
Глава 3. Лабораторная работа “Определение коэффициента теплопроводности металлов”
Общие принципы лабораторных исследований
Описание методических рекомендаций к выполнению лабораторной работы “Определение коэффициента теплопроводности металлов”
Лабораторная работа “Определение коэффициента теплопроводности металла”
Заключение
Библиографический список
Введение
Определение коэффициента теплопроводности металлов играет важную роль в некоторых областях, например в металлургии, радиотехнике, машиностроении, строительстве. В настоящее время существует множество различных методов, с помощью которых можно определить коэффициент теплопроводности металлов.
Данная работа посвящена изучению основного свойства металлов - теплопроводности, а также изучению методов исследования теплопроводности.
Объектом исследования является теплопроводность металлов, а так же различные методы лабораторных исследований.
Предмет исследования - коэффициенты теплопроводности металлов.
Планируемый результат - постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов» на основе калориметрического метода.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
|
|
|
изучение теории теплопроводности металлов;
изучение методов определения коэффициента теплопроводности;
подбор лабораторного оборудования;
экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металлов;
постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов».
Работа состоит из трёх глав, в которых раскрыты поставленные задачи.
Глава 1.Теплопроводность металлов
Закон Фурье
Теплопроводность - это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).[9]
Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела.
Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dτ прямо пропорционально температурному градиенту 
, поверхности dF и времени dτ. [8]
(1)
Коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности - теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.
Знак минус в формуле (1) указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры.
Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется тепловым потоком:
(2)
Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.[8]
Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества
Коэффициент теплопроводности - теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.
|
|
|
Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, проходящее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно grad t.
Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Эти обстоятельства должны учитываться при использовании справочных таблиц.
Наибольшее значение имеет коэффициент теплопроводности металлов, для которых 
. Наиболее теплопроводным металлом является серебро 
, затем идут чистая медь 
, золото 
, алюминий 
и т.д. Для большинства металлов рост температуры приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Эта зависимость может быть приближенно аппроксимирована уравнением прямой линии
(3)
здесь λ, λ0 - соответственно коэффициенты теплопроводности при данной температуре t и при 00C, β - температурный коэффициент. Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям.
Например, при появлении в меди даже следов мышьяка её коэффициент теплопроводности снижается с 395 до 142 ; для стали при 0,1 % углерода λ = 52 , при 1,0 % - λ = 40 , при 1,5 % углерода λ=36 .
На коэффициент теплопроводности влияет и термическая обработка. Так, у закаленной углеродистой стали λ на 10 - 25% ниже, чем у мягкой. По этим причинам коэффициенты теплопроводности торговых образцов металла при одинаковых температурах могут существенно различаться. Следует отметить, что для сплавов, в отличие от чистых металлов, характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. К сожалению, установить какие - либо общие количественные закономерности, которым подчиняется коэффициент теплопроводности сплавов, пока не удалось.
Величина коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов - диэлектриков во много раз меньше, чем у металлов и составляет 0,02 - 3,0 . Для подавляющего большинства из них (исключение составляет магнезитовый кирпич) с ростом температуры коэффициент теплопроводности возрастает. При этом можно пользоваться уравнением (3), имея ввиду, что для твердых тел - диэлектриков β>0.
|
|
|
Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.). Для них и порошкообразных материалов коэффициент теплопроводности существенно зависит от объемной плотности. Это обусловлено тем, что с ростом пористости, большая часть объема заполняется воздухом, коэффициент теплопроводности которого очень низок. Вместе с тем, чем выше пористость, тем ниже объемная плотность материала. Таким образом, уменьшение объемной плотности материала, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению λ.
Например, для асбеста уменьшение объемной плотности с 800 кг/м, до 400 кг/м, приводит к уменьшению с 0,248 до 0,105 . Очень велико влияние влажности. Например, для сухого кирпича λ = 0,35 , для жидкости 0,6 
, а для влажного кирпича λ=1,0 .
На эти явления надо обращать внимание при определении и технических расчетах теплопроводности. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08 - 0,7 
. При этом, для подавляющего большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности убывает. Исключение составляют вода и глицерин.
Коэффициент теплопроводности газов еще ниже 
.
Коэффициент теплопроводности газов растет с повышением температуры. В пределах от 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), т.е. в области, которая наиболее часто встречается на практике, λ от давления не зависит. Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно. Поэтому при отсутствии справочных данных достоверная величина λ может быть найдена лишь опытным путем.
При значении λ < 1 - вещество называют тепловым изолятором.
Для решения задач теплопроводности необходимо располагать сведениями о некоторых макроскопических свойствах (теплофизических параметрах) вещества: коэффициенте теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости. [5]
|
|
|
