Тема «Изучение явления теплопроводности»

Актуальность: В наше время разрабатываются новые материалы. Знания о теплопроводности различных веществ позволяет не только широко использовать их, но и предотвращать их вредное воздействие в быту, технике и природе.

Цель: изучение явления теплопроводности, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостями и газами.

Задачи:

Изучить теоретический материал по данному вопросу;

Исследовать теплопроводность твердых тел;

Исследовать теплопроводность жидкостей;

Исследовать теплопроводность газов;

Сделать выводы о полученных результатах.

Гипотеза: все вещества (твердые, жидкие и газообразные) имеют разную теплопроводность.

Оборудование: спиртовка, штатив, деревянная палочка, стеклянная палочка, медная проволока, пробирка с водой.

Элементы УМК к учебнику: учебник «Физика. 8 класс »

Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Видео: https://cloud. mail. ru/public/JCFY/CFTcCeqhE

Опыт 1 . Исследование теплопроводности твердых тел на примере деревянной палочки, стеклянной палочки и медного стержня.

Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится.

Вывод: дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным.

Вывод: стекло имеет плохую теплопроводность.

Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.

Вывод: металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.

Рассмотрим передачу тепла от одной части твердого тела к другой на следующем опыте. Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков (рис. 6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные.

https://pandia.ru/text/80/351/images/image003_62.jpg" alt="img8_7" align="left" width="216" height="176 src=">

Опыт 3. Исследование теплопроводности газов.

Исследуем теплопроводность газов.
Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 8). Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел.

Вывод : теплопроводность у газов еще меньше, чем у жидкостей. Итак, теплопроводность у различных веществ различна.

Выводы и их обсуждение

Вывод: Проведенные опыты показывают, что теплопроводность у различных веществ различна. Наибольшей теплопроводность обладают металлы, у жидкостей теплопроводность невелика и самая малая теплопроводность у газов.

Используя §4 учебника физики для 8 класса, представим результаты в виде таблицы:

Объяснение явления теплопроводности с молекулярно-кинетической точки зрения: теплопроводность - это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В металлах частицы расположены близко, они постоянно взаимодействуют друг с другом. Скорость колебательного движения в нагретой части металла увеличивается и быстро передается соседним частицам. Повышается температура следующей части проволоки. В жидкостях и газах молекулы расположены на больших расстояниях, чем в металлах. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Применение теплопроводности Теплопроводность на кухне: Теплопроводность и ее регулировка важны в процессе приготовления пищи. Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы (медь, алюминий…), так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Когда они соприкасаются с источником тепла, это тепло легко передается пище. Иногда бывает необходимо уменьшить теплопроводность - в этом случае используют кастрюли из материалов с более низкой теплопроводностью, или готовят способами, при которых пище передается меньшее количество тепла. Приготовление блюд на водяной бане - один из примеров уменьшения теплопроводности. Для посуды, предназначенной для приготовления пищи, не всегда используют материалы с высокой теплопроводностью. В духовом шкафу, например, часто используют керамическую посуду, теплопроводность которой намного ниже, чем у металлической посуды. Их самое главное преимущество - способность держать температуру. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне - плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке. Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью. Материалы с невысокой теплопроводностью также используют для поддержания температуры пищи неизменной. Так, например, чтобы утренний кофе или суп, который берут в путешествие или на обед на работу, оставался горячим, его наливают в термос, чашку или банку с хорошей теплоизоляцией. Чаще всего в них пища остается горячей (или холодной) благодаря тому, что между их стенками находится материал, плохо проводящий тепло. Это может быть пенопласт или воздух, который находится в закрытом пространстве между стенками сосуда. Он не дает теплу перейти в окружающую среду, пище - остыть, а рукам - получить ожог. Пенопласт используют также для стаканчиков и контейнеров для пищи навынос. В вакуумном сосуде Дьюара (известном как «термос», по названию торговой марки) между наружной и внутренней стенкой почти нет воздуха - это еще больше уменьшает теплопроводность. Отопительная система: Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы. Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Основные характеристики радиатора отопления: материал изготовления, тип конструкции, габаритные размеры (кол-во секций), теплоотдача. Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Наиболее часто используют чугунные радиаторы; алюминиевые радиаторы; стальные радиаторы; биметаллические радиаторы. Теплопроводность для тепла Мы используем материалы с низкой теплопроводностью для поддержания постоянной температуры тела. Примеры таких материалов - шерсть, пух, и синтетическая шерсть. Кожа животных покрыта мехом, а птиц - пухом с низкой теплопроводностью, и мы заимствуем эти материалы у животных или создаем похожие на них синтетические ткани, и делаем из них одежду и обувь, которые защищают нас от холода. Кроме этого мы делаем одеяла, так как спать под ними удобнее, чем в одежде. Воздух имеет низкую теплопроводность, но проблема с холодным воздухом в том, что обычно он может свободно двигаться в любом направлении. Он вытесняет теплый воздух вокруг нас, и нам становится холодно. Если движение воздуха ограничить, например, заключив его между внешней и внутренней стенками сосуда, то он обеспечивает хорошую термоизоляцию. У снега и льда тоже низкая теплопроводность, поэтому люди, животные и растения используют их для теплоизоляции. В свежем не утрамбованном снеге внутри находится воздух, что еще больше уменьшает его теплопроводность, особенно потому, что теплопроводность воздуха ниже теплопроводности снега. Благодаря этим свойствам, ледяной и снежный покров защищает растения от замерзания. Животные роют ямки и целые пещеры для зимовья в снегу. Путешественники, переходящие через заснеженные районы, иногда роют подобные пещеры, чтобы в них переночевать. С древнейших времен люди строили убежища изо льда, а сейчас создают целые развлекательные центры и гостиницы. В них часто горит огонь, и люди спят в мехах и синтетических спальных мешках. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности в организме людей и животных необходимо поддерживать определенную температуру в очень узких пределах. У крови и других жидкостей, а также у тканей разная теплопроводность и ее можно регулировать в зависимости от потребностей и окружающей температуры. Так, например, организм может изменить количество крови на участке тела или во всем организме с помощью расширения или сужения сосудов. Наше тело также может сгущать и разжижать кровь. При этом теплопроводность крови, а, следовательно, и части тела, где эта кровь течет, изменяется. Теплолечение Современные методы лечения теплом могут быть разделены на три большие группы: 1) контактное приложение нагретых сред; 2) светотепловое облучение и 3) использование теплоты, образующейся в тканях при прохождении высокочастотного электрического тока. Остановимся на использовании нагретых сред. Для теплолечения выбираются среды, позволяющие создать в них значительный запас теплоты. Эта теплота затем должна медленно и постепенно передаваться организму во все время процедуры. Для этого среда должна иметь, возможно, высокую теплоемкость и сравнительно низкие теплопроводность и конвекционную способности. Для теплолечения в основном применяют следующие среды: воздух, воду, торф, лечебные грязи и парафин. Теплопроводность в бане Многие любят отдыхать в саунах или банях, но сидеть там на скамейках из материала с высокой теплопроводностью - было бы невозможно. Требуется много времени, чтобы сравнять температуру таких материалов с температурой тела, поэтому вместо них используют материалы с низкой теплопроводностью, например дерево, верхние слои которого намного быстрее принимают температуру тела. Так как в сауне температура поднимается достаточно высоко, люди часто надевают на голову шапочки из шерсти или войлока, чтобы защитить голову от жары. В турецких банях хамамах температура намного ниже, поэтому там для скамеек используют материал с более высокой теплопроводностью - камень.

Интересные факты о теплопроводности

Тепло ли колючим зверям в иголках?

Шерсть не только спасает зверей от холода, но и служит средством защиты. А чтобы защита была внушительнее и надежнее, волосяной покров порой видоизменяется, превращаясь в своеобразные доспехи. Иглы, например. Но вот сохраняет ли такое облачение присущие шерсти свойства, не зябнут ли ежи и дикобразы в своих колючих шубках?

Ученые Института проблем экологии и эволюции им. РАН обстоятельно изучили теплопроводные и теплоизоляционные свойства иголок, взятых со спины взрослого самца североамериканского дикобраза из коллекции Зоологического музея МГУ, и убедились, что греют эти самые иголки очень даже неплохо. Чтобы понять внутреннюю структуру игл, на них делали тонкие срезы, на которые напыляли золото для исследования в электронном микроскопе. Кератин - главная составляющая иголок - проводит тепло в 10 раз лучше, чем воздух. И благодаря этому иглы увеличивают теплопроводность «доспехов». Следовательно, возрастают и потери тепла с тела животного. Однако внутренняя пористая структура игл создает дополнительное экранирование теплового излучения, что, скорее всего, и компенсирует увеличение теплопроводности. Так что дикобраз, как и другие колючие звери, вовсе не страдает от холода. Иглистый покров сохраняет ровно столько тепла, сколько нужно теплокровному животному такого размера.

Полипропилен – пока является лучшей основой для материалов (волокон, нитей, пряжи, полотен, тканей), используемых в производстве нательной спортивной одежды , термобелья и термоносков. Среди всех синтетических материалов, применяемых в этой области, он обладает самой низкой теплопроводностью. Поэтому одежда из полипропилена позволяет наилучшим образом сохранить тепло зимой и прохладу летом.

Какой материал имеет самую высокую теплопроводность?

Материалом с наивысшей теплопроводностью является вовсе не какой-нибудь металл (серебро или медь), как думают многие. Самую высокую теплопроводность имеет материал, который похож на стекло – алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше, чем у серебра или меди. Если изготовить чайную ложечку из алмаза, то воспользоваться ею не удастся, так как она будет обжигать пальцы в ту же секунду.

Из чего изготавливают сваи при строительстве зданий в регионах с вечной мерзлотой?

Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины з-за подтаивания грунта под ними. Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала, внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т. к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.

«Огнеупорный шарик»……………………………………….

Обычный воздушный шарик , надутый воздухом, легко воспламеняется в пламени свечи. Он тут же лопается. Если же к пламени свечи поднести такой же шарик, заполненный водой, он становится «огнеупорным». Теплопроводность воды в 24 раза больше, чем у воздуха. Значит, вода проводит тепло в 24 раза быстрее, чем воздух. Пока вода не испарится внутри шарика – он не лопнет.

Теплопроводность -- рабочая характеристика теплоизоляционных покрытий. Наряду с экономией основного металла эти покрытия дают возможность сократить теплопотери и предохраняют основной металл от воздействия теплового потока.

Широкое распространение получили стационарные методы определения теплопроводности, при которых сохраняются хотя и различные, но неизменные в процессе исследований температуры в определенных точках покрытия при направлении его слоистости перпендикулярно проходящему тепловому потоку.

Эти методы делятся на абсолютные и относительные. В методах первой группы температура любой точки покрытия зависит только от ее положения, но не от времени. Зная распределение температур в покрытии и количество перенесенной теплоты, можно рассчитать теплопроводность.

В относительных методах сравнивают температурные поля в исследуемом покрытии и эталонном заранее изученном материале, например, кварцевом стекле марки КВ.

Теплопроводность не оценивают непосредственно, а определяют путем перерасчета, сопоставляя с эталоном.

Рис. 2.6.1. Установка для определения теплопроводности покрытий абсолютным методом:

1 - нагреватели; 2 - образец; 3 - электропечь; 4 - потенциометр КСП4; 5 - блок реле БР101;6 - блок задачи БЗ-02; 7 - контробразец; 8 - термос; 9 - внутренний стакан термоса

Установка для оценки теплопроводности стационарным абсолютным методом показана на рис. 2.6.1.

Для создания теплового потока в системе основной металл-покрытие-контр-образец применяется трубчатая электропечь, в которой нагреватели (спирали) расположены так, что образец нагревается только в верхней половине печи, где находятся спиральные нагреватели, тогда как в нижней -- асбестовая теплоизоляция и термопреобразователи для измерения температуры образца по его длине.

Термос, необходимый для охлаждения контробразца и определения теплового потока, прошедшего через покрытие, представляет собой два изолированных стакана.

Во внутренний стакан подается вода.

Температура воды на входе и выходе из термоса может быть измерена медь-константановыми термопреобразователями. Для обеспечения достаточного контакта рабочих торцевых поверхностей контробразца и образца к последнему прикладывается усилие Р не менее 500 Н.

Теплопроводность определяют не менее чем на трех образцах одинаковых размеров, с идентичной структурой и одинаковой толщиной покрытия, которое наносят при одном технологическом режиме на торцевую поверхность образца (рис. 2.6.2).

Рис. 2.6.2 Образец для испытания на теплопроводность

Для каждого образца в каждой точке определяют не менее трех температур через каждые 20 мин.

Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

Обеспечив необходимый прогрев образца и стационарность теплового потока, можно снимать показания всех термопреобразователей.

Для каждого образца в каждой точке определяют не менее трех температур через каждые 20 мин. Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

Рис. 2.6.3 Распределение температур в системе основной металл-покрытие-контробразец по длине :

1 - контробразец; 2 - места установки термопреобразователей; 3 - основной металл; 4 - покрытие

По результатам исследований строится график распределения температур в системе основной металл--покрытие--контробразец (рис. 2.6.3). По графику методом экстраполяции определяют температуры на внутренней и внешней поверхностях покрытия. Теплопроводность , Вт/(м-К) вычисляется по формуле:

где Q -- тепловой поток, проходящий через покрытие, Вт; c = 4,19- -- удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); V -- массовый расход воды, проходящей через термос, кг/с; - повышение температуры воды в термосе, °С; -- температуры воды на входе и выходе из термоса, °С; S -- площадь покрытия, м2; -- температура на внутренней и внешней поверхностях покрытия, °С.

Известны и другие установки для оценки теплопроводности абсолютным методом. Так, В. М. Иванов с сотр. исследовали теплофизические свойства отделенных от основного металла плазменных покрытий из оксида алюминия и двуокиси циркония на установке, приведенной на рис. 2.6.4. Образец в виде цилиндра длиной 100 мм с толщиной стенок 1 мм устанавливали так, чтобы один его конец нагревался от верхних электрических нагревателей, а другой находился в эвтектическом расплаве. Охранное приспособление, экраны, изоляция из кремнеземистого волокна, возможность измерения теплового потока на сравнительно большой длине -- все это исключало неточность выполнения условий стационарности. Градиент температур определяли термопреобразователями.

Рис. 2.6.4 Установка для измерения теплопроводности покрытий абсолютным методом на цилиндрических образцах:

1 - исследуемый образец; 2 - охранное приспособление; 3 - экраны; 4- нагреватели; 5- эвтектический расплав; 6- теплоизоляция; 7-термопары

В работе Т. Б. Бузовкина с сотр. теплопроводность покрытий определена с помощью относительных методов измерения. При этом упрощение достигнуто за счет сравнения температурных полей в исследуемом и эталонном покрытиях. В качестве эталона выбирали заранее изученный материал. По эталонному образцу измеряли полный тепловой поток. При оценке теплопроводности покрытий эталоном служил плавленый кварц с многократно определенной теплопроводностью. Он обладает высокой стабильностью и может работать в интервале температур от 100 до 1700 К.

В экспериментальной установке (рис. 2.6.5) дисковый образец толщиной 3--4 мм и диаметром 23--25 мм устанавливали между эталонами из плавленого кварца.

Рис. 2.6.5 Установка для измерения теплопроводности относительным методом:

1 - образец; 2 - эталоны (плавленый кварц); 3 - термопреобразователи; 4 - силитовые стержни; 5- холодильник; 6- крышка; 7- груз; 8- кольца

Образец изготавливали из отделенного от основного металла покрытия, шлифуя с обеих сторон. Теплопроводность измеряли в условиях лучистого нагрева от силитовых стержней. Для уменьшения радиального отвода тепла систему из образца и кварцевых дисков окружали тремя защитными концентрическими кольцами из асбоцемента и засыпкой из кварцевого песка. Температурные перепады в установившемся режиме фиксировали четырьмя платина-платинородиевыми термопарами. Систему из образца и термопар располагали на медном холодильнике и прижимали к нему грузом для уменьшения переходного контактного сопротивления между образцом, эталонами и термопарами. Тепловая изоляция обеспечивала расхождение значений тепловых потоков через первый и второй эталонные образцы не более 4%. Для интервала 200--900 °С строили кривую зависимости теплопроводности от температуры и с помощью ЭВМ анализировали влияние микротрещин, пятен контакта между частицами, размеров частиц и других структурных параметров на теплопроводность.

роквелл твердость покрытие

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу теплопередачи "Теплопроводность", овладение методом экспериментального определения коэффициента теплопроводности; получение навыков измерений, анализ полученных результатов.

Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплопроводности по отношению к табличному.

Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При проведении технических расчетов необходимо располагать значениями коэффициентов теплопроводности различных материалов.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность материала проводить теплоту. Численная величина l твердых материалов, особенно теплоизоляторов, как правило, определяется опытным путем.

Физический смысл коэффициента теплопроводности определяется из уравнения Фурье, записанного для удельного теплового потока

g = –l grad t . (1)

Существует несколько методов экспериментального определения величины l, основанных на теории стационарного или нестационарного теплового режима.

Дифференциальное уравнение теплового потока Q, Вт, при стационарной теплопроводимости можно записать в виде

Q = – lF grad t . (2)

Если рассматривать тонкостенный цилиндр, когда l / d > 8, температурный градиент температурного поля в цилиндрической системе координат будет записан в виде

grad t = dt / dr ,

а уравнение (2) данного случая

где d 1 , d 2 – соответственно внутренний и нижний диаметры цилиндра, м;

l - длина цилиндра, м;

(t 2 - t 1) = Dt - перепад температур между температурами на внутренней и внешней поверхности цилиндра, 0 С;

l - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр, Вт/(м 0 С);

grad t - градиент температуры по нормали к поверхности теплообмена, 0 С/м.

Если уравнение (3) решить относительно коэффициента теплопроводности l, Вт/(м 0 С), то будем иметь

l = Q ln(d 2 /d 1) / (2plDt). (4)

Уравнение (4) может быть использовано для экспериментального нахождения величины коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр.

При проведении эксперимента необходимо определить величину теплового потока Q, Вт, и значения (t 2 - t 1) = Dt 0 С, при наступлении стационарного теплового режима.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из цилиндра 1, во внутренней полости которого помещен электронагреватель 2, его мощность регулируется автотрансформатором (тумблером)3 и определяется по показаниям амперметра 4 и вольтметра 5. Температура внутренней и наружной поверхностей цилиндра измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 7, подключенных к микропроцессорному измерителю температур 6. По разности этих температур в стационарном тепловом режиме определяется коэффициент теплопроводности исследуемого материала из которого изготовлен цилиндр.

Рисунок. Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности материала цилиндра.

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА

Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

Поворотом ручки автотрансформатора (тумблера) установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

Наблюдая за показаниями измерителя температур, дождаться установления стационарного теплового режима.

Результаты измерений представить в таблицу:

Т а б л и ц а

Номер опыта

где U, I - напряжение и сила тока в нагревателе;

t 2 , t­ 1 - температура внутренней и наружной поверхности цилиндра.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала, l, Вт/(м 0 С)

l эк = Q ln (d 2 /d 1) / (2plDt),

где Q = UI – мощность нагревателя, Вт;

d 1 = 0.041 м, d 2 = 0.0565 м – внутренний и наружный диаметры цилиндра;

l = 0.55 м – длина цилиндра.

Записать табличное значение l, Вт/(м 0 С).

3. Определить погрешность l эк по отношению к справочному значению l, %.

D = (l эк – l)100/l.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

Температурное поле, стационарное и нестационарное, стационарное поле трехмерное, двухмерное и одномерное.

Температурный градиент.

Физическая сущность процесса теплопроводности.

Уравнение Фурье, его анализ.

Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

Записать величину температурного градиента для одномерного температурного поля в декартовой и цилиндрической системах координат.

Записать формулы для определения теплового потока Q, Вт, плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

Записать формулы для определения удельных тепловых потоков g 1 , Вт/м 2 , g 2 , Вт/м для плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1977.

Баскаков А.П. и др. Теплотехника.- М.: Энергоиздат, 1991.

Нащокин В.Б. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.

Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981.

РАБОТА № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу основы теории теплообмена "Лучистый теплообмен", а также овладение методом экспериментального определение коэффициента излучения и степени черноты твердого тела.

1. Экспериментальным путем определить коэффициент излучения и степень черноты твердого тела.

2. Найти погрешность полученного значения степени черноты по отношению к справочному значению (в процентах).

3. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Все тела непрерывно излучают и поглощают тепловую энергию. Носителем лучистой тепловой энергии является электромагнитные колебания с длиной волны от 0.8 до 800 мкм. Процесс лучистого теплообмена происходит между телами, имеющими разное значение температур и разделенных газообразной средой.

Лучистый тепловой поток от тела, попав на другое тело, частично поглощается, частично отражается, а частично проходит через тело. Часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений излучаемая телом энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Для определения лучистого потока излучаемого телом, (Вт) используется формула

, (1)

где С - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м 2 К 4),

С = С о ;

Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м 2 К 4),

 - степень черноты испытуемого тела;

F - площадь поверхности испытуемой трубки, м 2 ;

Т 1 - абсолютная температура поверхности испытуемой трубки, К;

Т в - абсолютная температура воздуха в помещении, К.

Из формулы (1) определяется величина коэффициента излучения испытуемого тела, Вт/(м 2 К 4),

. (2)

При рассмотрении лучистого теплообмена часть величин, входящих в расчетные формулы, определяется опытным путем; например степень черноты тела. Для определения опытным путем численной величины степени черноты тела, можно воспользоваться экспериментальной установкой.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из испытуемого 1 и эталонного 2 тел, выполненных в виде трубок длиною l , установленных вертикально. Наружные диаметры трубок одинаковы: d = 0.025 м.

Таким образом, испытуемое (серое) и эталонное (черное) тела имеют одинаковую величину поверхностей теплообмена F. Эталонная трубка покрыта:черным лаком с известной степенью черноты ( эт = 0.97). Внутри трубок смонтированы электрические нагреватели 3, обеспечивающие равномерное выделение тепла по длине труб. Нагреватели питаются от сети переменного тока, их мощности регулируются лабораторными автотрансформаторами 4 и измеряются ваттметрами 5. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающий воздух, определяется по мощности электронагревателя. Предотвращение утечек тепла в окружающий воздух торцы трубок достигается установкой теплоизоляционных заглушек.

Температура на поверхности трубок измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 6 и микропроцессорного измерителя температур 7.

Температура воздуха в лаборатории определяется термометром, установленным вдали от установки. Предполагается, что температура тел в помещении (кроме тел 1 и 2) равна температуре воздуха в нем.

Тепловой поток с поверхности трубки к воздуху, определяемый в опыте, представляет собой сумму конвективного и лучистого тепловых потоков (Вт)

Q = Q к + Q л, (3)

Q л = Q - Q к. (4)

Значение Q к можно рассчитать по формулам конвективного теплообмена, но удобнее эту величину исключить из рассмотрения за счет использования эталонного тела с известной степенью черноты. Для данной экспериментальной установки эт 0,97.

Рисунок. Схема экспериментальной установки

Излучение эталонного тела будет определяться по формуле

. (5)

Если форма, размер и температуры испытуемого и эталонного тел одинаковы, конвективные составляющие можно приравнять, т.е.

,

Q л = Q –
+
. = (Q –
) +F[(/100) 4 – (T в /100) 4 ] . (6)

Подставив (6) в (2), получим расчетную формулу

. (7)

1

В статье проведены результаты исследования теплозащитных свойств неразрезной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной установки. В качестве теплоизолятора предлагается использовать конструкционный материал, обладающий необходимыми свойствами – неразрезная двухполотенная основоворсовая ткань, с использованием в утке хлопчатобумажной и капроновой нити. В результате проведенных исследований с помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, определены основные теплофизические характеристики ткани, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения. В результате анализа экспериментальных данных следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

основоворсовая ткань

теплоизолятор

тепловизор

тепловое сопротивление

1. Бойко С.Ю. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани для защиты человека от внешних воздействий: Автореф. дис. канд. техн. наук. – М., 2004. – 16 с.

2. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. – М.: «Интел универсал», 2002 – 88 с.

3. Колесников П.А. Основы проектирования теплозащитной одежды. Л.: «Легкая индустрия», 1971. – 112 с.

4. Назарова М.В., Бойко С.Ю. Разработка метода проектирования ткани для защиты человека от внешних воздействий // Международный журнал экспериментального образования. – 2010. – № 6. – С. 75-79.

5. Назарова М.В., Бойко С.Ю., Завьялов А.А. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани, обладающей высокими прочностными свойствами // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 10 (часть 2). – С. 385-390.

6. Назарова М.В., Бойко С.Ю., Романов В.Ю. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани обладающей теплозащитными свойствами // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 10 (часть 2). – С. 391-396.

Проектирование рациональной теплозащитной одежды для различных климатических и производственных условий является большой и весьма сложной научной проблемой, успешно решить которую можно только на базе комплексного использования данных физиологии, гигиены одежды, климатологии, теплофизики, текстильного материаловедения и конструирования одежды .

Теплопроводность текстильных полотен связана с переносом энергии теплового движения микрочастиц от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящим к выравниванию температуры и оценивается коэффициентом теплопроводности; коэффициентом теплопередачи; тепловым сопротивлением, удельным тепловым сопротивлением.

Анализ работ по изучению теплофизических свойств материала показал, что при оценке теплозащитных свойств материалов одежды более простой и наглядной величиной следует считать не коэффициент теплопроводности, а обратную ему величину, называемую тепловым сопротивлением. К факторам, влияющим на тепловое сопротивление материала, относятся: объемный вес, толщина, влажность, вид волокнистого материала, воздухопроницаемость .

Поэтому целью данной работы является оценка величины теплофизических характеристик основоворсовой ткани, предназначенной для пошива спецодежды, используемой в экстремальных климатических условиях.

В данной работе при исследовании теплофизических свойств неразрезной основоворсовой ткани предлагается использовать принцип тепловой диагностики, который состоит в сравнении эталонного и анализируемого полей температуры в исследуемой ткани. Аномалии температуры служат индикаторами дефектов, а величина температурных сигналов и их поведение во времени лежат в основе количественных оценок тех или иных параметров ткани.

Термин «тепловидение» относится, главным образом, к регистрации теплового излучения твердых тел, которое складывается из собственного излучения тела, обусловленного его температурой, а также отраженного и прошедшего излучения других тел. Для оптически непрозрачных объектов, тепловизионные устройства фиксируют исключительно поверхностные эффекты: температуру поверхности и величину коэффициентов излучения (поглощения) и отражения .

При исследовании объектов с помощью тепловизоров чаще применяются два наиболее распространенных диапазона длин волн: 3-5,5 мкм и 8-12 мкм; и обычно они обозначаются как коротковолновые и длинноволновые диапазоны.

Общая схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела изображена на рис. 1. Объект контроля (1) окружен средой (2) и другими объектами (3), соответственно с температурами Тср и Твнеш. Для регистрации теплового излучения используется тепловизор (4). Объект контроля характеризуется следующими оптическими параметрами: коэффициент излучения ε; коэффициент поглощения α; коэффициент отражения r; коэффициент пропускания τ.

Рис. 1. Принципиальная схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела

Основное преимущество тепловизора перед другими приборами при исследовании теплозащитных свойств материалов является:

• высокая термочувствительность;
• более точные значения температур;
• высокая скорость получения результатов эксперимента и их обработка;
• неограниченный температурный диапазон.

При определении теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, с помощью тепловизионной системы, была применена методика, разработанная на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н. Косыгина. Методика определения теплофизических характеристик основана на методах нестационарного теплового режима для экспериментальной оценки теплозащитных свойств материалов одежды методом регулярного теплового режима, основанного на явлении свободного охлаждения нагретого образца в газообразной среде (воздухе) .

Исследования теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной системы проводились в лаборатории кафедры «Промышленной теплоэнергетики» МГТУ им. А.Н. Косыгина.

При использовании тепловизионной системы были поставлены следующие задачи:

• определение температурных полей на поверхности исследуемых образцов ткани при охлаждении;
• определение теплопроводности неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Лабораторная установка для проведения эксперимента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Тепловизионная система для исследования теплопроводности основоворсовой ткани: 1 - тепловизионная камера termocamtmsc 3000; 2 - компьютер для обработки данных; 3 -теплоизолированный шкаф; 4 - защитный экран; 5 - термометр, для контроля температуры внутри шкафа; 6 - образец ткани

Как известно из исследований А.П. Колесникова , теплоизоляционная способность ткани зависит от ее толщины. Толщина имеет наибольшее значение в теплоизоляционных свойствах ткани. Для проведения эксперимента использовались образцы неразрезной основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в коренной и ворсовой основах. В утке использовалась хлопчатобумажная пряжа линейной плотностью 15,4*2 текс (I-вариант) и нить капроновая Т=15,6 текс (II-вариант). В каждом из вариантов менялась толщина ткани. Для проведения эксперимента были использованы образцы ткани различной толщины: I - вариант образец с хлопчатобумажной пряжей в утке, и II - вариант образец с капроновой нитью в утке. Толщина образцов ткани в обоих вариантах составляла b1=7.57 мм, b2=7.62 мм.

Алгоритм исследования теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани выглядит следующим образом:

Нагрев образца в теплоизолированном шкафу до фиксированной температуры t=100 °C (меньшей температуры деформации волокон);

Контроль равномерности прогрева исследуемого образца при помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000;

При достижении равномерного температурного поля на поверхности образца отключение питания электронагревателя;

При помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000 фиксирование остывания образца до исходной комнатной температуры при соблюдении условий , ;

Замена исследуемого образеца (вариант 1) на другой образец (вариант 2) и проведение всего комплекса измерений заново;

После получения термограмм процесса охлаждения образцов производится обработка экспериментальных данных при помощи ЭВМ;

По известным формулам определяем теплопроводность и тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Условия проведения эксперимента:

• излучательная способность объекта (степень черноты) - 0,95;
• температура окружающей среды - 23 °С;
• расстояние между объектом и тепловизором - 30 см;
• относительная влажность воздуха - 55 %.

С помощью тепловизионной системы производится запись термограмм процесса охлаждения образца ткани с частотой 1 кадр в секунду.

По данным измерений построен полулогарифмический график охлаждения, представленный на рис.3 и 4, прямолинейный участок кривой соответствует регулярному режиму. Уравнение этой прямой, согласно основному закону регулярного режима (первого рода) имеет следующий вид:

ln υ=-m·τ+g(x,z,z), (1)

На прямой отмечается шесть точек с соответствующими координатами, в соответствии с которыми определяется темп охлаждения.

Темп охлаждения на каждом участке определяется по формулам (2), с -1:

где υ 1 - разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ 1 ; υ 2 - разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ 2 ;

Средний темп охлаждения определяется по формуле3, с -1:

, (3)

Определяем коэффициент форм для образцов ткани по формуле (4):

Если принять, что образец ткани условно принимает форму параллелепипеда, то для прямоугольного параллелепипеда с ребрами L 1 , L 2 , L 3 , мм:

, (4)

где L 1 - ширина образца, мм; L 2 - длина образца, мм; L 3 - высота образца, равной b 1 , b 2 , мм.

Коэффициент температуропроводности определяется по формуле (5), м2/с:

Объемная плотность образцов определяется по формуле (6), кг/м3:

где М - поверхностная плотность образца, г/м2; b - толщина образца, мм.

Рис. 3. Экспериментальная кривая темпа охлаждения образца основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в утке (I-вариант)

Рис. 4. Экспериментальная кривая темпа охлаждения основоворсовой ткани с капроновой нитью в утке (II-вариант)

Удельная теплоемкость образцов берется из экспериментальных данных определенных П.А Колесниковым :

• для I - варианта (хлопок) с1=1.38 кДж/кг·град;
• для II - варианта (хлопок-капрон) с 2 =1.66 кДж/кг·град;

Теплопроводность материала определяется по формуле (7), Вт/м⋅град:

Тепловое сопротивление образцов ткани определяется по формуле (7), м2·град/Вт:

где δ - толщина слоя, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м·град.

Расчет параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани двух вариантов проведен на ЭВМ и представлен в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани

№ Образца	I - вариант		II - вариант
				Тепловое сопротивление, м2·град/Вт

В результате проведенного анализа данных таблицы следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

Наилучшими теплозащитными свойствами обладают: - образец ткани с содержанием в утке хлопчатобумажной пряжи и толщиной bТ=7,62 мм; образец ткани с содержанием в утке капроновой нити и толщиной bТ=7,57.

Таблица 3

Теплофизические характеристики образцов основоворсовой ткани

Выводы

1. С помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, проведено исследование теплозащитных свойств ткани, определены основные ее теплофизические характеристики, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения.
2. Разработан алгоритм расчета теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, на основе которого определены основные теплофизические характеристики ткани.

Библиографическая ссылка

Бойко С.Ю., Назарова М.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОСНОВОВОРСОВОЙ ТКАНИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕЕ ТОЛЩИНЫ И ВОЛОКНИСТОГО СОСТАВА УТОЧНЫХ НИТЕЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 9-2. – С. 11-15;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5821 (дата обращения: 16.09.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»