44. Теплофизические свойства и их определение

Теплопроводность – свойство материала передавать тепло от одного его участка к другому. Атомы тела, где Т выше, обладают большой энергией и передают ее соседним атомам, обладающим меньшей энергией. Это ведет к выравниванию температуры внутри материала. Теплопроводность называют стационарной, если вызывающая ее разность температур сохраняется неизменной. Введем обозначения:

Q – передаваемое количество теплоты;

A – поперечное сечение проводника тепла;

t – продолжительность процесса передачи тепла;

T – разность температур на концах проводника тепла;

l – длина проводника тепла;

 – коэффициент теплопроводности материала проводника;

Тогда

Q = АtT/l

Единица СИ коэффициента теплопроводности  – Вт/мК.

Отношение Q/t называют тепловым потоком, его единица измерения – Вт. Все материалы в зависимости от величины  подразделяются на хорошие проводники тепла (металлы), плохие проводники тепла (бетон, кирпич) и теплоизоляторы (дерево, пенопласт):   100;  ~ 1;  ~ 10^-2, соответственно.

Теплопроводность является одним из главных свойств для большой группы теплоизоляционных материалов, а также для материалов, применяемых для стен и покрытий зданий. Воздух является теплоизолятором ( = 210^-2). Поэтому одним из способов уменьшения  является увеличение пористости материала. Вода в порах увеличивает теплопроводность ( = 0,58), а лед еще сильнее ( = 2,3).

Метод определения  основан на пропускании потока тепла от источника с известной мощностью через испытуемый материал с известными А, l и измерении T. На практике теплопроводность каменных материалов определяют

из формулы Некрасова

,

где d –относительная плотность материала.

График зависимости (d) приведен на рисунке.

Теплоемкость – способность материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять его при остывании. Если Q – количество тепла, переданного телу массой,

T – увеличение температуры тела, то теплоемкость С определиться из формулы

С = Q/mT

Как видно, C = Q, когда m = 1 кг, T = 1С, т.е. теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо сообщить 1 кг материала, чтобы повысить его температуру на 1С. Ниже приведены некоторые материалы, а в скобках указана их теплоемкость: сталь (0,50), бетон (0,80), древесина (2,50). Теплоемкость воды – 4,20, поэтому с повышением влажности материалов их теплоемкость возрастает. Значения теплоемкости нужны для теплотехнических расчетов. Определяют теплоемкость на калориметрах.

45. Проблема «состав-строение-свойство». Элементный состав и методы его определения

Исследователи, имеющие дело с веществом и материалами, обычно работают в рамках схемы, которую схематично выражают словами «состав-строение-свойства». Тире в этой последовательности понятий говорит о существовании связей между ними. Установление природы связей между составом, строением и свойствами веществ и материалов является одной из важных проблем в научных исследованиях и материаловедении. В самом начале цепочки стоит понятие «состав», при этом всегда оговаривают, о каком составе идет речь – элементном, фазовом или химическом.

Элементный состав. Как известно, все вещества состоят из атомов. Перечень атомов, входящих в состав объекта – это и есть элементный состав. В большинстве случаев исследователей интересует не только вид элементов, но и их относительное содержание в масс.%. Поэтому обычно слова «элементный состав» означают как перечень элементов в объекте, так и их относительное содержание. Далее различают основной состав (основа материала) и примесный состав (обычно это те элементы, содержание которых 1%).

Основные элементы в строительных материалах: Si (29), Ca (40), Al (30), Fe (56), O (16), Mg (24), H (1), C (12).

Примесные элементы: Na, K, Mg, S, Mn, Ti, Cr, Zn, C.

Для определения элементного состава веществ существует арсенал химических, физико-химических и физических (инструментальных) методов анализа. Существует целая наука – аналитическая химия, которая содержит теоретические основы различных методов элементного анализа и описание различных экспериментальных методик.

Основные положения аналитической химии.

1. Все аналитические методы основаны на получении и измерении аналитического сигнала, т.е. любого проявления химических или физических свойств веществ, которое можно использовать для определения вида элемента и его содержания.

2. Подготовленный для анализа объект называют образцом или пробой. Проба должна быть представительной.

3. При элементном анализе определяют общее содержание элемента независимо от количества форм нахождения элемента в пробе.

4. Каждый метод анализа характеризуется пределом обнаружения – минимальным количеством вещества, которое можно обнаружить с допустимой погрешностью.

В химических методах анализа используют различные химические реакции между анализируемым веществом и другим реагентом. Аналитическими сигналами являются масса осадка, объем выделившегося газа, изменение окраски индикатора и т.д.

Физические методы анализа – это различные спектроскопические методы, которые основаны на взаимодействии с веществом различных видов излучений. Аналитическими сигналами в этих методах являются спектральные линии, которые всегда характеризуются положением и интенсивностью. По положению устанавливают вид элемента, а по интенсивности – его концентрацию.