M04700
.pdfМIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
з дисципліни “ Теорія тепло і масоперенесення в матеріалах ”
для студентів, що навчаються за напрямком 6.050403 “ Інженерне матеріалознавство ” (спеціальність 7.05040301 “ Прикладне матеріалознавство ”)
для денної та заочної форм навчання
2014
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Теорія тепло і масоперенесення в матеріалах” для студентів, що навчаються за напрямком 6.050403 “Інженерне матеріалознавство” (спеціальність 7.05040301 “Прикладне матеріалознавство”) для денної та заочної форм навчання /Укл. С.О.Беженов, Н.О.Євсєєва. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2014. – 74 с.
Укладачі : С.О.Беженов, доцент, к.т.н.,
Н.О.Євсєєва, асистент
Рецензент : В.М. Лапотко, доцент, к.т.н.,
Експерт : І.М.Лазечний, к.т.н., доцент кафедри ФМ
Відповідальний за випуск : |
Г.І.Слинько, професор, д.т.н. |
Затверджено на засіданні кафедри теплотехніки та гідравліки
протокол № 8 від ” 19 ” травня 2014 р.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
3
ЗМІСТ
Вступ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
6 |
|
1. Способи експериментального визначення температури . . . . |
7 |
|
1.1 |
Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
7 |
1.2 |
Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
7 |
|
1.2.1 Вимірювання температури, основні шкали . . . . . . . |
7 |
|
1.2.2 Прилади для вимірювання температури . . . . . . . . . . |
9 |
1.3 |
Завдання на підготовку до лабораторної роботи . . . . . . . . |
11 |
1.4 |
Контрольні запитання для самоперевірки і контролю |
|
|
підготовленості студентів до роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . |
12 |
1.5 |
Матеріали, інструмент, прилади, обладнання . . . . . . . . . . |
12 |
1.6 |
Порядок виконання лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . |
17 |
1.7 |
Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
17 |
1.8 |
Рекомендована література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
18 |
2. Визначення кутових коефіцієнтів випромінювання . . . . . . . . |
19 |
|
2.1 |
Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
19 |
2.2 |
Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
19 |
|
2.2.1 Теплообмін випромінюванням в системі твердих |
|
|
тіл . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
19 |
|
2.2.2 Аналогія процесів теплового та світлового |
|
|
випромінювання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
21 |
|
2.2.3 Теорія експерименту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
22 |
2.3 |
Завдання на підготовку до лабораторної роботи . . . . . . . . |
23 |
2.4 |
Контрольні запитання для самоперевірки і контролю |
|
|
підготовленості студентів до роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . |
23 |
2.5 |
Матеріали, інструмент, прилади, обладнання . . . . . . . . . . |
24 |
2.6 |
Порядок виконання лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . |
26 |
2.7 |
Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
2.8 |
Рекомендована література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
27 |
3. Параметри рухомих середовищ та критерії подібності . . . . . . |
28 |
|
3.1 |
Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
28 |
3.2 |
Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
28 |
|
3.2.1 Визначення тисків. Одиниці вимірювання тиску . . |
29 |
|
3.2.2 Основні прилади тиску . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
30 |
|
3.2.3 Основне рівняння гідростатики . . . . . . . . . . . . . . . . . |
31 |
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
4
|
3.2.4 Методи вимірювання швидкості потоків . . . . . . . . . |
31 |
|
3.2.5 Критерії гідрогазодинамічної подібності . . . . . . . . . |
33 |
3.3 |
Завдання на підготовку до лабораторної роботи . . . . . . . . |
33 |
3.4 |
Контрольні запитання для самоперевірки і контролю |
|
|
підготовленості студентів до роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . |
34 |
3.5 |
Матеріали, інструмент, прилади, обладнання . . . . . . . . . . |
34 |
3.6 |
Порядок виконання лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . |
38 |
3.7 |
Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
38 |
3.8 |
Рекомендована література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
40 |
4. Експериментальне визначення параметрів газової течії . . . . . |
41 |
|
4.1 |
Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
4.2 |
Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
4.3 |
Завдання на підготовку до лабораторної роботи . . . . . . . . |
43 |
4.4 |
Контрольні запитання для самоперевірки і контролю |
|
|
підготовленості студентів до роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . |
44 |
4.5 |
Матеріали, інструмент, прилади, обладнання . . . . . . . . . . |
44 |
4.6 |
Порядок виконання лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . |
46 |
4.7 |
Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
47 |
4.8 |
Рекомендована література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
48 |
5. Дослідження вільного/вимушеного конвективного |
|
|
теплообміну . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
48 |
|
5.1 |
Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
48 |
5.2 |
Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
49 |
5.3 |
Завдання на підготовку до лабораторної роботи . . . . . . . . |
52 |
5.4 |
Контрольні запитання для самоперевірки і контролю |
|
|
підготовленості студентів до роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . |
53 |
5.5 |
Матеріали, інструмент, прилади, обладнання . . . . . . . . . . |
54 |
5.6 |
Порядок виконання лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . |
56 |
5.7 |
Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
58 |
5.8 |
Рекомендована література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
61 |
6. Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла . . . . |
62 |
|
6.1 |
Мета роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
62 |
6.2 |
Загальні відомості . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
62 |
|
6.2.1 Експериментальне визначення коефіцієнта |
|
|
теплопровідності твердих тіл в режимі монотонного |
|
|
нагрівання . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
63 |
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
5
6.3 |
Завдання на підготовку до лабораторної роботи . . . . . . . . |
66 |
6.4 |
Контрольні запитання для самоперевірки і контролю |
|
|
підготовленості студентів до роботи . . . . . . . . . . . . . . . . . |
67 |
6.5 |
Матеріали, інструмент, прилади, обладнання . . . . . . . . . . |
68 |
6.6 |
Порядок виконання лабораторної роботи . . . . . . . . . . . . . |
71 |
6.7 |
Зміст звіту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
73 |
6.8 |
Рекомендована література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
74 |
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
6
ВСТУП
Згідно навчального плану передбачено виконання лабораторних робіт студентами, що навчаються за напрямком 6.050403 “Інженерне матеріалознавство” (спеціальність 7.05040301 “Прикладне матеріалознавство”) з дисципліни “Теорія тепло і масоперенесення в матеріалах”. Задачею лабораторного практикуму є опанування методами експериментального дослідження параметрів, що характеризують процеси перенесення теплоти (маси речовини).
Експериментальне дослідження процесів тепломасообміну можна проводити або на конкретних промислових пристроях чи агрегатах в натурних умовах (натурний експеримент), або на моделях, які спеціально створюються (модельний експеримент). При цьому моделювання процесів тепломасообміну може бути як фізичним, так і математичним. При фізичному моделюванні натурний фізичний процес моделюється подібним йому фізичним процесом на моделі. Суть математичного моделювання полягає в заміщенні даного фізичного процесу аналогічним йому процесом іншої фізичної природи.
У поданих методичних вказівках наведено методики моделювання як математичного, так і фізичного, а також деякі загальні відомості, завдання на підготовку до лабораторних робіт, контрольні запитання для самоперевірки і контролю підготовленості студентів до роботи, опис матеріалів, інструменту, приладів та обладнання, заходів безпеки та порядку виконання лабораторних робіт.
До роботи у навчальній лабораторії допускаються студенти, які пройшли інструктаж з техніки безпеки (ТБ) з відповідною відміткою в журналі з ТБ.
Відповідальним за виконанням правил роботи студентів є викладач, який проводить заняття.
Підготовку до лабораторних робіт студенти здійснюють згідно рекомендацій даних методичних вказівок.
Звіти про виконання лабораторної роботи студенти оформлюють згідно з вимогами чинних стандартів щодо оформлення науково-технічної документації та рекомендаціями, наведеними у поданих методичних вказівках, і представляють до захисту у термін, визначений графіком проведення лабораторних робіт.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
7
1 СПОСОБИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРИ
1.1 Мета роботи
Ознайомитися з конструкцією та принципом дії приладів для контролю температури, методикою визначення температури за показами приладів, одиницями вимірювання температури та температурними шкалами.
1.2 Загальні відомості
Температура – це фізична величина, яка характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи. Температура тіла пов’язана з середньою кінетичною енергією хаотичного руху молекул співвідношенням
Е = (3/2)·k·Т , |
(1.1) |
де k = 1,38·10 –23 Дж·К –1 – стала Больцмана; Т – абсолютна температура тіла, К.
Слід зазначити, що, незважаючи на те, що температура є однозначно пов’язаною з іншими фізичними величинами, зокрема потужністю випромінювання абсолютно чорного тіла, що зумовлено розподілом атомів за рівнями енергії, саме температура є основною величиною, яка пов’язує фізичні закони про перебіг теплових процесів.
1.2.1 Вимірювання температури, основні шкали
Виміряти температуру тіла (середовища) безпосередньо не є можливим, оскільки не існує еталона цієї величини. Тому вимірювання температури зводиться до спостереження за зміною фізичних властивостей термометричного тіла (середовища), яке при контакті з нагрітим тілом приходить до теплової рівноваги. Тобто температура тіла (середовища) вимірюється тільки як деяка функція інших параметрів, які піддаються прямому вимірюванню –
термометричних параметрів.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
8
Змінювання агрегатного стану хімічно чистої речовини (плавлення або твердіння, кипіння або конденсація) відбувається за незмінної температури, значення якої обумовлюється складом речовини, характером його агрегатного змінювання та тиском. Значення цих відтворюваних температур рівноваги між твердою та рідкою або рідкою та газоподібною фазами різних речовин за нормального атмосферного тиску називають реперними (базовими)
точками (див. табл. 1.1).
Нормальним вважають середній за часом тиск атмосферного
шару на рівні моря: p н.у.атм = 760 мм Hg = 101325 Па = 10332 кГ/м2.
Якщо прийняти за основний інтервал температур між двома реперними точками речовин, позначивши їх відповідно як T(0) та T(N), виміряти в цих межах розширення якої-небудь речовини (наприклад, ртуті), що знаходиться у вузькій циліндричній посудині, та розділити на N рівних частин змінювання висоти її стовпа, то в результаті буде побудовано так звану температурну шкалу, ділення якої називають градусами.
Таблиця 1.1 – Деякі реперні точки Міжнародної температурної шкали МШТ-90
Реперна точка |
Т , К |
t , °C |
t , °F |
t , °Ré |
Потрійна точка водню |
13,81 |
– 259,34 |
– 434,812 |
– 207,472 |
Точка кипіння водню |
20,28 |
– 252,87 |
– 423,166 |
– 202,296 |
Потрійна точка кисню |
54,361 |
– 218,789 |
– 361,82 |
– 175,031 |
Точка кипіння кисню |
90,188 |
– 182,962 |
– 297,332 |
– 146,37 |
Потрійна точка води |
273,16 |
0,01 |
32,018 |
0,008 |
Точка кипіння води |
373,15 |
100 |
212 |
80 |
Точка твердіння цинку |
692,73 |
419,58 |
787,244 |
335,664 |
Точка твердіння срібла |
1235,08 |
961,93 |
1763,474 |
769,544 |
Точка твердіння золота |
1337,58 |
1064,43 |
1947,974 |
851,544 |
Термометричні параметри по-різному залежать від температури для різних речовин. Тому числові значення температури, які вимірюються ртутними, спиртовими термометрами або платиновою термопарою, не будуть однаковими. Тобто при вимірюванні однієї і тієї ж температури буде одержано стільки значень, скільки речовин
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
9
використовується як термометричні. Отже усі температурні шкали, які побудовані на основі таких вимірювань, умовні. Для однозначного визначення температури необхідно вибрати такий параметр, який не залежав би від природи речовини.
Таким параметром є ККД теплової машини Карно. Температурна шкала, що побудована на основі функціональної залежності ККД від температури, називається термодинамічною або абсолютною. Фізичний зміст абсолютної шкали полягає в тому, що найнижча температура за цією шкалою відповідає тій температурі охолоджувача у циклі Карно, при якій його ККД дорівнює одиниці. Основними точками термодинамічної шкали є абсолютний нуль (найнижча можлива температура) та потрійна точка води (273,16 К), де К (Кельвін, градус Кельвіна) – одиниця вимірювання температури, що прийнята в Міжнародній системі одиниць (SI).
Прийнята також стоградусна (практична) шкала, яка має таку ж саму ціну поділу, але інший початок відліку – точка танення льоду (273,15 К); градус цієї шкали позначається як °С (градус Цельсія).
Досить широке застосування має також шкала Фаренгейта, для якої за початок відліку обрано температуру танення суміші Фаренгейту ( – 17,78 °С ), а температурний інтервал між реперними точками води поділено на 180 частин (градус Фаренгейта, °F).
Іноді користуються також шкалою Реомюра, яка має той самий початок відліку, що і стоградусна шкала Цельсія, але температурний інтервал між реперними точками води поділено на 80 частин (градус Реомюра, °Ré), що зумовлено здатністю спиртово-водяної суміші змінювати свій об’єм у цьому температурному інтервалі на 8 %.
Зв'язок між зазначеними температурними шкалами встановлюється співвідношенням (1.2):
t °C = Т К – 273,15 = (5/9)·(t °F – 32) = (5/4) t °Ré . |
(1.2) |
1.2.2 Прилади для вимірювання температури
Хоча багато фізичних величин залежать від температури, далеко не всі з них можуть бути використаними для її вимірювання. Вибір так званого термометричного параметра, за вимірюванням якого можна висновувати про температуру, робиться з урахуванням певних вимог. А саме, обраний параметр повинен:
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
10
-змінюватись зі зміною температури безперервно, монотонно та однозначно;
-не залежати від інших параметрів;
-бути точно відтворюваним та вимірюватись простим і надійним способом.
Усі реальні термометричні параметри дещо відхиляються від названих вимог. Із деякими припущеннями у вимірювальній практиці як термометричні використовуються такі параметри: тиск або об'єм газів, об'єм рідини, електричний опір провідників та напівпровідників, термо-Е.Р.С. тощо.
Прилади для вимірювання температури (термометри) поділяють на контактні та безконтактні.
Контактні методи вимірювання є більш простими та точними, ніж безконтактні. Проте, їх використання потребує забезпечити безпосередній контакт приладу з тілом (середовищем), внаслідок чого може виникати, з одного боку, спотворення температури середовища
умісці вимірювання, а з іншого – невідповідність температури чутливого елемента та вимірювального середовища. Задля реалізації контактних методів вимірювання застосовуються термометри розширення (скляні, рідинні, манометричні, біметалічні та дилатометричні), термоперетворювачі опору (провідникові та напівпровідникові), а також термоелектричні перетворювачі.
Безконтактні методи вимірювання жодним чином не впливають на температуру середовища (тіла). Проте вони є більш складними, їх методичні похибки є суттєвішими у порівнянні з контактними методами. Безконтактне вимірювання температури здійснюють пірометрами (квазімонохроматичними, спектрального відношення та повного випромінювання), радіометрами та тепловізорами.
Термометри розширення основані на властивості тіл змінювати свій об’єм під дією температури. Дія дилатометричних термометрів основана на відносному подовженні під впливом температури двох твердих тіл, що мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення. Манометричні термометри працюють за принципом змінювання тиску рідини (газу чи пари з рідиною) у замкненому об’ємі під час нагрівання чи охолодження. У термометрах опору реалізовано властивість металевих провідників змінювати
електричний опір у залежності від ступеню їх нагрівання.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com