Определение удельной теплоемкости
Измерение удельной теплоемкости материалов можно проводить различными методами. Наиболее просто это делать калориметрическим методом. В калориметр (например, термос) с жидкостью, имеющей Т1 , массу m1 и удельную теплоемкость с1, погружают нагретый до Т2 образец массой m2 и с неизвестной удельной теплоемкостью сх.
Через некоторое время образец и жидкость приобретают температуру Т3. Тогда
.
Определение температуры размягчения
ГОСТ 15065-69 предусматривает один из методов определения температуры размягчения пластмасс - по Вика – при испытании в воздушной среде при температурах размягчения свыше 200˚С. (Метод предложен немецким профессором Шобом).
Сущность метода заключается в определении температуры, при которой стандартный индентор под действием нагрузки внедряется в испытуемый образец, нагреваемый с постоянной скоростью в воздушной среде, на глубину 1 мм.
Стандартом предусмотрено применение двух испытательных нагрузок – около 1 кГс и около 5 кГс.
В приборе (см. рисунок) индентор 2 цилиндрической формы с отшлифованной плоской поверхностью площадью 1 мм2 закреплен на перемещающемся стержне 3.
На стержне расположена площадка, куда помещается груз 4. Устройство размещено в термостате, где температура может повышаться со скоростью (5 ± 1)ºС за 6 минут или (50 ± 5)ºС за 1 час.
Устройство может иметь возможность для нагружения одновременно нескольких образцов в виде пластинок толщиной 3,0 – 6,5 мм.
Температура измеряется двумя термометрами или другими подходящими устройствами (термопарами) на уровне образцов в зоне их расположения. Берется средняя арифметическая величина показаний 2-х термодатчиков, округленная до целого числа градусов Цельсия.
ГОСТ 15088-69 предусматривает такие же испытания в жидкой среде, в качестве которой могут использоваться: нефтяное масло, парафин, глицерин, кремнийорганическое масло. Жидкость не должна оказывать воздействие на испытуемый материал.
Достоинство этого метода – образцы могут иметь любую (произвольную) форму.
Существуют другие способы определения температуры размягчения материалов: метод кольца и шара, с ртутью, метод Уббелоде.
ГОСТ 21341-75 «Пластмассы и эбонит. Метод определения теплостойкости по Мартенсу» также определяет температуру деформации под нагрузкой. В этом случае образец, имеющий определенные поперечное сечение и длину, закрепляют консольно в зажиме, установленном на основании (см. рисунок).
На верхний конец образца одевается второй зажим, на котором жестко укреплена рейка. Длина рейки обычно составляет около 240 мм. По рейке может передвигаться груз, масса которого 650 г. Все устройство (обычно в него входят 3 комплекта зажимов – 3 образца испытываются одновременно) помещается в термокамеру.
Температура фиксируется у каждого образца термометром или термопарой.
На конце рейки имеется легкий стержень с указателем, положение которого отмечается по миллиметровой шкале.
Расстояние l выбирается таким, чтобы изгибающее напряжение на образце между зажимами было 5 МПа (50 кгс/см2).
Температура в термостате поднимается со скоростью 50 ºС/час.
Температура размягчения по Мартенсу (теплостойкость по Мартенсу) фиксируется тогда, когда указатель опустится на 6 мм от первоначального положения или образец сломается.
Для вычисления требующегося для каждого частного случая расстояния груза от образца (образец может быть трубкой, стержнем, листом, параллелепипедом и т.п.) необходимо рассмотреть усилия и моменты, действующие на образец. Образец можно рассматривать как балку, лежащую на двух опорах В и С. Балка нагружена силами Р, приложенными к концам балки А и Д.
Эпюра изгибающих моментов для средней части между опорами такой балки – прямая линия, причем на всем протяжении длины изгибающий момент М будет сохранять постоянную величину:
М = Р · а .
Силами, фактически вызывающими изгиб образца, являются: вес груза G и вес рычага – H. Тогда очевидно
Р · а = G · L + H · l .
Чтобы определить изгибающее напряжение «р» в образце надо знать М и момент сопротивления W.
.
Отсюда
.
Наконец,
.
Произведем вычисление длины L для случая образца нормальных размеров, положив H = 0,172 кг, l = 12 см.
Важным параметром жидких или расплавленных органических веществ является температура вспышки паров.
Температура вспышки паров – это температура, при которой пары испытуемого жидкого вещества образуют с воздухом смесь паров или газов, вспыхивающую от источника зажигания, но скорость их образования ещё не достаточна для последующего горения.
Совершенно очевидно, что вспышка под влиянием внесенного извне фактора наступит тогда, когда упругость насыщенного пара над веществом, а значит, и концентрация паров достигнут соответствующего значения под влиянием повышающейся температуры.
Температура вспышки непосредственно связана с температурой кипения вещества.
Упругость насыщенного пара вещества связана с температурой известным соотношением Клаузиуса-Клапейрона:
,
где λ – скрытая теплота парообразования.
Приближенное интегрирование дает
.
С другой стороны, по правилу Троутона для неполярных веществ
.
.
Т.к. порядок С для разных веществ довольно близок, то можно получить, что для чистых веществ Твсп = kТкип . Для смесей такой зависимости нет.
Для определения температуры вспышки паров могут применяться приборы, как с открытым, так и закрытым тиглем.
Так, ГОСТ 6356-75 «Нефтепродукты. Продукты органические. Метод определения температуры вспышки в закрытом тигле» предусматривает заполнение тигля до соответствующего уровня (риски) испытуемой жидкостью и перемешивание ее при нагревании.
Скорость нагрева жидкости должна иметь величину, зависящую от предполагаемой Твсп.
1˚С за 1 мин – при Твсп < 50°С
5 – 6 °С за 1 мин – при Твсп > 50°С (для органических химических продуктов за 30°С до предполагаемой Твсп скорость подъема температуры становится 2°С за 1 мин).
Испытание на вспышку проводят через каждый градус: - не более чем за 10°С до предполагаемой Твсп , если она < 50°С; - не более чем за 17°С до предполагаемой Твсп , если она от 50 до 104°С; через каждые 2°С, не более чем за 17°С до предполагаемой Твсп , если она выше 104°С.
За температуру вспышки принимают температуру в момент четкого появления первого (синего для нефтепродуктов) пламени. К полученным температурам вспышки прибавляют поправку ΔТ на барометрическое давление:
,
где Р – фактическое барометрическое давление в [мм.рт.ст.].
В Белорусском государственном университете в 80-х годах прошлого века разработан точный автоматический прибор для определения температуры вспышки нефтепродуктов.
Исследуемую жидкость (всего 8 мл) заливают в маленький стаканчик, установленный в нагревателе. Скорость нагрева можно регулировать с помощью блока питания. Для поджигания паров служит блок вспышки, который подает электрические импульсы высокого напряжения в разрядное устройство.
Появление пламени над поверхностью жидкости регистрируют термопары. Другие термопары служат для измерения температуры вспышки. Сигналы термопар через усилитель и ключевую схему попадают в регистрирующий прибор, например, самопишущий потенциометр. С помощью такого прибора температуру вспышки паров можно измерить в несколько раз быстрее, чем обычно применяемыми способами
Одной из важнейших характеристик электроизоляционных материалов является их классификация по нагревостойкости. Эта классификация, нашедшая свое отражение в ГОСТ 8865-70, произведена на основе опыта эксплуатации или соответствующих испытаний, показывающих пригодность этих материалов для работы при температуре данного класса. По определению: Нагревостойкость – способность электроизоляционного материала или изоляции без повреждения и без существенного ухудшения практически важных свойств длительно выдерживать воздействие повышенной против нормальной температуры, а также резкие смены температур.
Это значит, надо определять отношение материалов к тепловому старению. Заметим, что снижение таких механических свойств как эластичность, или появление хрупкости обычно обнаруживаются раньше, чем ухудшение электроизоляционных свойств.
Различают длительную и кратковременную нагревостойкость.
Длительная нагревостойкость характеризуется максимальной температурой, с которой изделие, предназначенное работать в установках сильного тока, может эксплуатироваться в течение 20 - 30 лет, а изделие, предназначенное работать в радио- и электронной аппаратуре, может эксплуатироваться около 10 000 часов.
Кратковременная нагревостойкость характеризуется температурой, при которой изделие в четко определенных условиях может работать в течение некоторого ограниченного и заранее обусловленного времени.
Изменения, происходящие в изделиях под действием повышенной температуры, могут быть различные. Определение нагревостойкости изделий весьма сложная задача, т.к. она не может быть решена исследованием влияния температуры только на одну из характеристик изделия. Она может быть определена лишь комплексными испытаниями, выбор параметров которых определяется условиями, при которых будет эксплуатироваться изделие, и применяемыми материалами для его изготовления.
При определении нагревостойкости изделий обычно исследуют старение, наблюдая за изменением в результате воздействия повышенных температур характеристик, определяющих надежную работу этих изделий. К таким характеристикам относятся – электрическая прочность, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции, емкость, деформация изделия под влиянием механических усилий, возгорание и т.п.
Изоляционные и кабельные изделия могут быть отнесены, в соответствии с ГОСТ 8865-70, к следующим классам длительной нагревостойкости.
-
Класс нагревостойкости
Наибольшая длительно допустимая температура, ºС
У
90
А
105
Е
120
В
130
F
155
H
180
200
200
220
220
250
250
Далее через каждые 25 ºС
Что касается кратковременной нагревостойкости, то она зависит не только от вида применяемых материалов в изделии и требуемого срока службы, но и от конкретных условий монтажа и эксплуатации.
Ускоренные испытания на определение нагревостойкости проводятся по ГОСТ 10518-72.
Есть и другие критерии нагревостойкости. Так для лаков и эмалей (ГОСТ 13526-79) определяют термоэластичность и стойкость к действию тепла и холода, а также изменение массы при тепловом воздействии.
Рассмотрим определение некоторых характеристик, связанных с воздействием отрицательных температур на изделия.