Теоретическое введение
1. Передача теплоты твердыми строительными материалами осуществляется, в основном, за счет теплопроводности в соответствии с законом Фурье- Кирхгофа:
, (4.1)
Где , - температура, - время, - коэффициент температуропроводности, - оператор Лапласа, - объемная мощность внутренних источников тепла, - плотность среды, - удельная теплоемкость среды, - коэффициент теплопроводности.
При нестационарном тепловом процессе температура каждой точки среды, по которой распространяется тепловой поток, изменяется по тому или иному закону в зависимости от времени. Поэтому в опытах со стационарными тепловыми процессами обычно измеряется коэффициент теплопроводности , а в опытах с нестационарными тепловыми процессами измеряется коэффициент температуропроводности .
2. Данные о некоторых строительных материалах для расчетов
по строительной физике
№ п/п |
Строительные материалы |
ρ, |
λ, |
|
|
1 |
Железобетон |
2500 |
1,69 |
840 |
4250-5250 |
2 |
Кирпичная кладка: - керамического пустотного - силикатного пустотного - сплошного шлакового - сплошного силикатного - сплошного глиняного |
1200-1600 1400-1500 1500 1800 1600-1800 |
0,35-0,47 0,52-0,64 0,52 0,7 0,47-0,56 |
880 880 880 880 880 |
- - - - - |
3 |
Ель, сосна, дуб |
500-700 |
0,09-0,23 |
2300 |
3300-4300 |
4 |
Стекло |
2500 |
0,76 |
836 |
5000-6000 |
5 |
Сталь |
780 |
58 |
480 |
4900-5100 |
3. Рассмотрим стационарный процесс распространения теплоты через однородную плоскую однослойную стенку (рис. 1, а).
Рисунок 1. Передача теплоты через плоскую стенку
Из закона распространения теплоты путем теплопроводности (закона Фурье) следует:
(3) |
где W - количество переданной теплоты, Дж; λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К); tсl - температура одной поверхности стенки, К; tсll - температура другой поверхности стенки, К; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности стенки, м2; τ - время, с. Отсюда
(4) |
т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени (1с) в теле через единицу поверхности (1 м2) при падении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока.
Коэффициент теплопроводности λ у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, а у газообразных и жидких веществ - от плотности, влажности, давления и температуры этих веществ. При технических расчетах значения λ выбирают по соответствующим справочным таблицам.
5. Теоретической основой для осуществления этого метода, как и всех нестационарных методов, являются частные решения дифференциального уравнения (4.1). Это уравнение устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры. Для решения уравнения (4.1) должны быть заданы начальные и граничные условия. В случае зонда постоянной мощности решение уравнения (4.1) проводится для бесконечно протяженной среды, внутренне ограниченной металлическим круговым цилиндром, к которому в единицу времени подводится постоянное количество тепла. |
6. Нестационарный тепловой процесс позволяет определять коэффициент теплопроводности для целого ряда строительных материалов, мало отличающихся друг от друга по теплоемкости и объемному весу.
7. -постоянная прибора, определяемая с помощью образца с известным коэффициентом теплопроводности. Для данного прибора . Значение находится студентами в опыте с песком.
Блок–схема измерительной установки: зонд
В экспериментальной установке предусмотрено два способа измерения величины термосопротивления. Вариант 1 - цифровой осциллограф- мультиметр. Вариант 2 - классическая мостовая схема
Для увеличения чувствительности моста (рис 4.3) гальванометр Г включен через усилитель тока У. Мощность, подводимая из сети, контролируется вольтметром V, включенным на диапазон измерений 0-30В, и миллиамперметром А, имеющим диапазон 0-300мА. Стабилизированные блоки питания БП1 ,БП2 ,БП3 служат для питания соответственно моста и нагревателя зонда.
Цилиндрический зонд (рис.4.1) состоит из латунной трубки внешним диаметром 4мм и длиной 180мм, внутри которой смонтирован нагреватель в виде спирали из нихромовой проволоки, намотанной на стеклянный капилляр. В качестве термодатчика служит термосопротивление марки М-172, которое вставлено внутрь капилляра. Для обеспечивания жесткости и теплового контакта между отдельными элементами зонда и его корпуса все свободное пространство конструкции зонда заполнено мелким кварцевым песком. Один конец трубки запаян, а на другой конец надета рукоять, сквозь которую выведены соединительные электрические провода от нагревательной спирали и от термодатчика.