Лабораторна робота №7

Тема: визначення теплофізичних властивостей матеріалів.

Мета: на основі експериментальних результатів розрахувати величину теплопровідності досліджуваних матеріалів.

Прилади і матеріали: прилад для визначення теплофізичних властивостей матеріалів, вимірювальний блок, досліджувані матеріали (скло, дерево та ін.)

Теоретичні положення

Основна властивість, якою повинен володіти теплоізоляційний матеріал – це низька здатність проводити тепло.

Кількість теплоти, яка передається за одиницю часу площі ізотермічної поверхні температурному градієнті, рівному одиниці, називається теплопровідністю (коефіцієнтом теплопровідності).

Теплопровідність λ вимірюють у Вт/(м * К).

На величину теплопровідності впливає густина матеріалу, вид, розміри і розташування пор, хімічний склад і молекулярна структура твердих частин, з яких складається матеріал, коефіцієнт випромінювання поверхонь, які обмежують пори, вид і тиск газу, що заповнює пори. Однак, значний вплив на величину теплопровідності мають його температура і вологість.

Теплопровідність матеріалів зростає з підвищенням температури, але найбільше впливає в умовах експлуатації вологість.

Чим менша середня густина сухого матеріалу, тим кращі його теплоізоляційні властивості.

Чим менша середня густина матеріалу, тим більша його пористість. Найкращими теплоізоляційними властивостями володіють матеріали з рівномірно розміщеними дрібними замкнутими порами.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з будовою приладу для визначення теплофізичних властивостей матеріалів (рис. 1) та вимірювального блоку (рис. 2).

2. Увімкнути прилад в електричну мережу. Вичекати, поки в термостаті встановиться необхідна температура води (за умовчанням 200,2 ^оС). Темпера-туру в термостаті контролюють за допомогою точного лабораторного ртутного термометра (ціна поділки 0,2 ^оС).

Якщо викладачем для досліду задана інша температура термостата, слід виставити її значення на контактному термометрі, постійно контролюючи температуру води за допомогою лабораторного ртутного термометра.

3. Виміряти штангенциркулем товщину і діаметр двох досліджуваних зразків матеріалу (за вказівкою викладача). Результати вимірювань записати в робочий журнал.

4. Вставити зразки у вимірювальний блок приладу з обох боків нагрівника. Вставити в циліндр блока штоки, слідкуючи при цьому, щоб термопари були з одного боку вимірювального блока, тобто дотикали той самий зразок з обох його сторін. Зібраний блок щільно зафіксувати гвинтами в тримачеві.

Рис. 12. Принципова схема приладу для визначення

теплофізичних властивостей матеріалів.

5. Показати підготований для вимірювань блок викладачеві або лаборантові. Під їх наглядом помістити зібраний вимірювальний блок у термостат. Термостатувати блок протягом 15 хв.

Записати в робочому журналі початкові значення температури штока (верхня позиція цифрового індикатора приладу ТРЦ-02) та нагрівника (нижня позиція індикатора). Величини цих температур повинні дорівнювати (±1^о) температурі в термостаті.

Рис. 13. Принципова схема вимірювального блоку

приладу для визначення теплофізичних властивостей.

6. Увімкнути тумблером Вм випрямляча ВСП-33 (в положення І) постійний струм на нагрівник вимірювального блока і одночасно увімкнути секундомір. Через 1 хв записати значення величини струму I (амперметр на випрямлячі, ціна поділки 2 А) та напруги U (вольтметр, ціна поділки 0,1 В), які споживає нагрівник.

7. Через кожні 60 с записувати в робочому журналі значення температури штока t₁ та нагрівника t₂. Вимірювання проводити протягом 15 хв (якщо ж температура штока за цей час продовжуватиме зростати, то вимірювання слід проводити до моменту, коли три послідовні значення t₁ будуть однаковими). Під час останнього заміру необхідно записати також кінцеві значення струму I_к та напруги U_к , які споживає нагрівник.

8. Після закінчення вимірювань вимкнути тумблером Вм живлення нагрівника. Вимкнути термостат з електричної мережі. Обережно вийняти вимірювальний блок з термостата. Розкрутити фіксуючий гвинт, вийняти штоки з циліндра блока (Увага! Не порвати термопари!). Вийняти досліджувані зразки.

№ з/п	Параметри досліджень
	Час τ, с	Температура штока t1, град	Температура нагрівника t2, град	Струм I, А	Напруга U, В
1	0
2	60
...	...
15	840
16	900

9. Результати спостережень записати в робочому журналі (форма запису наведена нижче в таблиці 1).

Таблиця 11.

На основі експериментальних результатів розраховують величину теплопровідності λ за формулами:

λ = h · , Вт/(м·К)

де h ― товщина зразка, м;

t₁, t₂ ― температури на протилежних поверхнях зразка матеріалу (зі сторони штока і зі сторони нагрівника), К;

q ― густина теплового потоку, що пронизує матеріал, Вт/м².

q = ,

де І ―струм на нагрівнику, А;

U ―напруга на нагрівнику, В

S ―площа поверхні досліджуваного зразка, м².

Якщо величини напруги U і струму І на початку досліду та кінцеві значення U_к, I_к відрізняються більше ніж на 0,2 В і 4 А, тоді для розрахунку густини теплового потоку q слід брати:

U_сер. = І_сер. =

S =

Де d ― діаметр досліджуваного зразка, м.

BИМІРЮВАЛЬНІ ПАРАМЕТРИ ПРОЦЕСУ ТЕПЛООБМІНУ

Матеріал зразків ― …

товщина зразків h ― … м

діаметр зразків d ― … м

10. Визначене за результатами проведених вимірювань значення теплопровідності λ досліджуваного матеріалу порівняти з літературними даними і зробити висновки.