Характеристика и описание лабораторной установки.

Лабораторная работа выполняется на виртуальном лабораторном стенде, принципиальная схема которого изображена на рисунке 1. Назначение отдельных элементов стенда разъяснено далее по тексту.

Рисунок 1 -Вид стенда на экране

Основная часть установки - трубчатый нагреватель с теплоизоляцией 1, устройство которого показано на рисунке 2.

Рисунок 2 -Трубчатый нагреватель

Нагреватель 10 окружен слоем теплоизоляции 11. По внутренней и наружной поверхностям теплоизоляции проложены проволочные термометры сопротивления 8 и 9 (температурный коэффициент =4,26 мОм/град). Измерение сопротивления термометров производится двухканальными миллиомметром 2. Температуру термометра можно найти по формуле:

(3)

где - температура соответствующего термометра, С;

- температурный коэффициент, 4,26 мОм/град;

- начальное сопротивление термометра (при 20С);

- сопротивление термометра при С.

Для определения мощности нагревателя служат вольтметр 3 и амперметр 4 переменного тока. Изменение напряжения питания нагревателя осуществляется ЛАТР-ом 5, питаемым от сети переменного тока 6. Мощность нагревателя находится по формуле:

(4)

Порядок выполнения работы.

1. Включить миллиомметр. Измерить начальное сопротивление термометров. Результат измерения записать. Также записать геометрические параметры теплоизолирующего слоя.

2. Включить питания нагревателя (выполняется щелчком мыши по вилке 6).

3. Для напряжений питания нагревателя, равных примерно 50В, 100В и 200В измерить сопротивления термометров. Измерения проводить с учетом значительной тепловой инерции установки. О наступлении теплового равновесия можно судить по постоянству показаний миллиомметра. (Поскольку реальный прогрев установки может занимать около 1 часа, при выполнении работы следует использовать "скачок во времени").

4. Для каждого опыта рассчитать:

- мощность нагревателя (формула 4);

- температуры наружной и внутренней поверхностей слоя теплоизоляции

(по формуле 3);

- Коэффициент теплопроводности при средней температуре по формуле:

Работа №5

" Плавление и кристаллизация "

Цель работы: Исследовать температурные характеристики процессов плавления и кристаллизации чистых металлов.

Краткие теоретические сведения.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов называется кристаллизацией. Особенностью перехода из жидкого состояния в твердое является то, что в чистых металлах он протекает при постоянных температурах, которые зависят от природы металла и давления.

Теплота, выделяющаяся при переходе металла из жидкого состояния в твердое, называется скрытой теплотой плавления. Температура кристаллизации определяется как температура, при которой свободные энергии жидкой и твердой фаз равны. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояний зависит от температуры (рисунок 1).

Рисунок 1. Изменение свободной энергии жидкого и кристалличе­ского состояния металла в зависи­мости от температуры.

Для начала кристаллизации необходимы условия, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии. Для начала кристаллизации необходимо переохлаждение металла, для расплавления – перегревание металла. Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации (рисунок 2). Видно, что жидкость охлаждается и температура доходит до горизонтальной площадки (скрытая теплота кристаллизации). По окончании кристаллизации температура снова начинает снижаться и твердое вещество охлаждается.

Механизм процесса кристаллизации состоит в следующем:

− вначале зарождаются мельчайшие частички зародышей кристаллов на границе раздела фаз или мелких неметаллических включениях (центрах кристаллизации);

−

Рисунок 2. Кривые охлажде­ния при кристаллизации.

далее кристаллики начинают расти, сталкиваясь в процессе роста друг с другом. По мере развития процесса образуется все больше кристаллов.

Температура T_S называется равновесной температурой кристаллизации (плавления). Процесс кристаллизации при этой температуре не происходит, в этих условиях свободные энергии жидкого и твердого состояний равны.

Скорость всего процесса кристаллизации определяется:

− скоростью зарождения центров кристаллизации;

− скоростью роста кристаллов, которая в свою очередь определяется степенью переохлаждения.

При кристаллизации первостепенное значение имеют:

− скорость и направление отвода тепла;

− наличие неметаллических дисперстнейших частиц;

− наличие конвективных токов;

− интервал переохжладения.

Процесс кристализации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллиза­ции) и роста кристаллов из этих цент­ров. При переохлаждении сплава ниже Тп на многих участках жидкого ме­талла (рис. 3, а, б) образуются способ­ные к росту кристаллические зароды­ши. Сначала образовавшиеся крис­таллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометричес­кую форму (рис. 3, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристалов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.

Рисунок 3 - Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Рост кристалла про­должается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидко­го металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически пра­вильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 3, е).

Температуры затвердевания могут быть реализованы с очень высокой воспроизводимостью наблюдением за горизонтальной частью кривой «температура-время», характеризующей медленное затвердевание очень чистых металлов.

Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных усло­виях составляет от 10 до 30°С.