6

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 Q_П (Вт). Величину Q_П 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;  – время проведения опыта, с; К_ф – 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.