Теплопроводность металлов. Разработка лабораторной работы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Глава 1. Теплопроводность металлов

1.1 Закон Фурье

1.2 Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества

1.3 Объяснение теплопроводности металлов

Глава 2. Методы определения теплопроводности металлов

2.1 Классификация методов измерения теплопроводности

2.2 Калориметрический метод

2.3 Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металла

Глава 3. Лабораторная работа “Определение коэффициента теплопроводности металлов”

3.1 Общие принципы лабораторных исследований

3.2 Описание методических рекомендаций к выполнению лабораторной работы “Определение коэффициента теплопроводности металлов”

3.3 Лабораторная работа “Определение коэффициента теплопроводности металла”

Заключение

Библиографический список

Введение

Определение коэффициента теплопроводности металлов играет важную роль в некоторых областях, например в металлургии, радиотехнике, машиностроении, строительстве. В настоящее время существует множество различных методов, с помощью которых можно определить коэффициент теплопроводности металлов.

Данная работа посвящена изучению основного свойства металлов - теплопроводности, а также изучению методов исследования теплопроводности.

Объектом исследования является теплопроводность металлов, а так же различные методы лабораторных исследований.

Предмет исследования - коэффициенты теплопроводности металлов.

Планируемый результат - постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов» на основе калориметрического метода.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучение теории теплопроводности металлов;

- изучение методов определения коэффициента теплопроводности;

- подбор лабораторного оборудования;

- экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металлов;

- постановка лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности металлов».

Работа состоит из трёх глав, в которых раскрыты поставленные задачи.

Глава 1.Теплопроводность металлов

1.1 Закон Фурье

Теплопроводность - это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).[9]

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела.

Основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dф прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени dф. [8]

(1)

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности - теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Знак минус в формуле (1) указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. 

Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется тепловым потоком:

 (2)

Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.[8]

1.2 Коэффициент теплопроводности металлов и его зависимость от параметров состояния вещества

Коэффициент теплопроводности - теплофизическая характеристика вещества, характеризует способность вещества проводить теплоту.

Коэффициент теплопроводности - количество теплоты, проходящее в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно grad t.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Эти обстоятельства должны учитываться при использовании справочных таблиц.

Наибольшее значение имеет коэффициент теплопроводности металлов, для которых . Наиболее теплопроводным металлом является серебро , затем идут чистая медь , золото , алюминий и т.д. Для большинства металлов рост температуры приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности. Эта зависимость может быть приближенно аппроксимирована уравнением прямой линии

(3)

здесь л, л0 - соответственно коэффициенты теплопроводности при данной температуре t и при 00C, в - температурный коэффициент. Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям.

Например, при появлении в меди даже следов мышьяка её коэффициент теплопроводности снижается с 395 до 142; для стали при 0,1 % углерода л = 52 , при 1,0 % - л = 40 , при 1,5 % углерода л=36 .

На коэффициент теплопроводности влияет и термическая обработка. Так, у закаленной углеродистой стали л на 10 - 25% ниже, чем у мягкой. По этим причинам коэффициенты теплопроводности торговых образцов металла при одинаковых температурах могут существенно различаться. Следует отметить, что для сплавов, в отличие от чистых металлов, характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. К сожалению, установить какие - либо общие количественные закономерности, которым подчиняется коэффициент теплопроводности сплавов, пока не удалось.

Величина коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов - диэлектриков во много раз меньше, чем у металлов и составляет 0,02 - 3,0 . Для подавляющего большинства из них (исключение составляет магнезитовый кирпич) с ростом температуры коэффициент теплопроводности возрастает. При этом можно пользоваться уравнением (3), имея ввиду, что для твердых тел - диэлектриков в>0.

Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.). Для них и порошкообразных материалов коэффициент теплопроводности существенно зависит от объемной плотности. Это обусловлено тем, что с ростом пористости, большая часть объема заполняется воздухом, коэффициент теплопроводности которого очень низок. Вместе с тем, чем выше пористость, тем ниже объемная плотность материала. Таким образом, уменьшение объемной плотности материала, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению л.

Например, для асбеста уменьшение объемной плотности с 800 кг/м, до 400 кг/м, приводит к уменьшению с 0,248 до 0,105 . Очень велико влияние влажности. Например, для сухого кирпича л = 0,35, для жидкости 0,6, а для влажного кирпича л=1,0 .

На эти явления надо обращать внимание при определении и технических расчетах теплопроводности. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах 0,08 - 0,7 . При этом, для подавляющего большинства жидкостей с повышением температуры коэффициент теплопроводности убывает. Исключение составляют вода и глицерин.

Коэффициент теплопроводности газов еще ниже  .

Коэффициент теплопроводности газов растет с повышением температуры. В пределах от 20 мм.рт.ст. до 2000 ат (бар), т.е. в области, которая наиболее часто встречается на практике, л от давления не зависит. Следует иметь в виду, что для смеси газов (дымовые газы, атмосфера термических печей и т.п.) расчетным путем определить коэффициент теплопроводности невозможно. Поэтому при отсутствии справочных данных достоверная величина л может быть найдена лишь опытным путем.

При значении л < 1 - вещество называют тепловым изолятором.

Для решения задач теплопроводности необходимо располагать сведениями о некоторых макроскопических свойствах (теплофизических параметрах) вещества: коэффициенте теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости. [5]

1.3 Объяснение теплопроводности металлов

Теплопроводность металлов очень велика. Она не сводится к теплопроводности решетки, следовательно, здесь должен действовать ещё один механизм передачи тепла. Оказывается, что в чистых металлах теплопроводность осуществляется практически полностью за счет электронного газа, и лишь в сильно загрязненных металлах и сплавах, где проводимость мала, вклад теплопроводности решетки оказывается существенным. [4.c 524]

Численную характеристику теплопроводности материала можно определить количеством теплоты, проходящей сквозь материал определённой толщины за определённое время. Численная характеристика важна при расчете теплопроводности различных профильных изделий.

Коэффициенты теплопроводности различных металлов

Материал	Коэффициент теплопроводности,
Серебро	430
Медь	382-390
Золото	320
Алюминий	202-236
Латунь	97-111
Железо	92
Олово	67
Сталь	47

Для осуществления теплопроводности обязательно требуется непосредственный физический контакт, осуществляемый между двумя телами. Значит, передача тепла осуществима только между твёрдыми телами и неподвижными жидкостями. Непосредственный контакт даёт возможность кинетической энергии перейти от молекул наиболее теплого вещества к наиболее холодному. Обмен тепла происходит при непосредственном прикосновении разных по температуре тел друг к другу.

Здесь следует обратить внимание на то, что молекулы теплого тела не могут проникать в холодное тело. Происходит только передача кинетической энергии, что и даёт равномерное распределение тепла. Такая передача энергии будет продолжаться, пока соприкасающиеся тела не станут равномерно тёплыми. В таком случае достигается тепловое равновесие. На основании этих знаний можно рассчитать, какой утеплительный материал потребуется для устройства теплоизоляции того или другого здания. [7]

Глава 2. Методы определения теплопроводности металлов

2.1 Классификация методов измерения теплопроводности

До настоящего времени не выработано единой классификации, что связано с многообразием существующих методов. Всем известные экспериментальные методы измерения коэффициента теплопроводности материалов разделяются на две большие группы: стационарные и нестационарные. В первом случае качество расчетной формулы используются частные решения уравнения теплопроводности

(4)

при условии , во втором - при условии , где T - температура; ф - время; - коэффициент температуропроводности; л - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость; г - плотность материала; - оператор Лапласа, записанный в соответствующей системе координат; - удельная мощность объемного источника тепла.

Первая группа методов основана на использовании стационарного теплового режима; вторая - нестационарного теплового режима. Стационарные методы определения коэффициента теплопроводности по характеру измерений являются прямыми (т.е. непосредственно определяется коэффициент теплопроводности) и делятся на абсолютные и относительные. В абсолютных методах измеряемые в эксперименте параметры позволяют с помощью расчетной формулы получить искомую величину коэффициента теплопроводности. В относительных методах измеряемые в эксперименте параметры позволяют с помощью расчетной формулы получить искомую величину коэффициента теплопроводности. В относительных методах измеряемых параметров для расчета абсолютной величины оказывается недостаточно. Здесь возможны два случая. Первый - наблюдение за изменением коэффициента теплопроводности по отношению к исходному, принятому за единицу. Второй случай - применение эталонного материала с известными тепловыми свойствами. При этом в расчетной формуле используется коэффициент теплопроводности эталона. Относительные методы имеют некоторое преимущество перед абсолютными методами, так как более просты. Дальнейшее деление стационарных методов можно провести по характеру нагрева (внешний, объемный и комбинированный) и по виду изотерм поля температуры в образцах (плоские, цилиндрические, сферические). Подгруппа методов с внешним нагревом включает все методы, в которых используются наружные (электрические, объемные и др.) нагреватели и нагрев поверхностей образца тепловым излучением или электронной бомбардировкой. Подгруппа методов с объемным нагревом объединяет все методы, где используется нагрев током, пропускаемым через образец, нагрев исследуемого образца от нейтронного или г-излучения или токами сверхвысокой частоты. К подгруппе методов с комбинированным нагревом могут быть отнесены методы, в которых одновременно используется внешний и объемный нагрев образцов, или промежуточный нагрев (например, токами высокой частоты).

Во всех трех подгруппах стационарных методов поле температуры

может быть различным.

Плоские изотермы образуются в случае, когда тепловой поток направлен вдоль оси симметрии образца. Методы с использованием плоских изотерм в литературе называются методами с осевым или продольным потоком тепла, а сами экспериментальные установки - плоскими приборами.

Цилиндрические изотермы соответствуют распространению теплового потока по направлению радиуса цилиндрического образца. В случае, когда тепловой поток направлен по радиусу сферического образца, возникают сферические изотермы. Методы, использующие такие изотермы, называются сферическими, а приборы - шаровыми. [1, c 3-5]

2.2 Калориметрический метод

Калориметрия ( от латинского слова calor - тепло и греч. µефсещ - измеряю) - совокупность методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих различные физические, химические и биологические процессы. По классификации по видам измерений калориметрию относят к теплофизическим измерениям. По научному содержанию ? к экспериментальной термодинамике. [3. c 69]

Приборы, применяемые в калориметрии называют калориметрами. Наиболее чувствительные методы калориметрического анализа позволяют измерять даже самые малые тепловые эффекты. [2. c 16]

Совокупность частей калориметра, между которыми распределяется измеряемое количество теплоты, называют калориметрической системой. Она включает в себя калориметрический сосуд, в котором протекает изучаемый процесс, инструмент для измерения температуры (ртутный термометр, термометр сопротивления, термопара или термобатарея, терморезистор, кварцевый термометр и др.; при температурах выше 1300 К используют оптические пирометры), электрический нагреватель и др. Калориметрическую систему защищают экранами или оболочками, предназначенными для регулирования ее теплообмена с окружающей средой. Оболочки могут быть изотермическими или адиабатическими. Разность температур калориметрической системы и оболочки контролируют простыми и дифференциальными термопарами и термобатареями, терморезисторами и т.д. Температуру оболочки, снабженную электрическим нагревателем, регулируют автоматически с помощью электронных устройств.

Все калориметры (в зависимости от принципа измерения количества теплоты) можно условно разделить на калориметры переменной температуры, постоянной температуры и теплопроводящие. Наиболее распространены калориметры переменной температуры, в которых количество теплоты Q определяется по изменению температуры калориметрической системы: Q=W.T, где W - тепловое значение калориметра (т.е. кол-во теплоты, необходимое для его нагревания на 1 К), найденное предварительно в градуировочных опытах, T - изменение температуры во время опыта.

Калориметрический опыт состоит из трех периодов. В начальном периоде устанавливается равномерное изменение температуры, вызванное регулируемым теплообменом с оболочкой и побочными тепловыми процессами в калориметре, т. наз. температурный ход калориметра. Главный период начинается с момента ввода теплоты в калориметр и характеризуется быстрым и неравномерным изменением его температуры. В конечном периоде опыта, по завершении изучаемого процесса, температурный ход калориметра снова становится равномерным. В калориметрах с изотермической оболочкой температура оболочки поддерживается постоянной, а температуры калориметрической системы измеряют через равные промежутки времени. Для вычисления поправки на теплообмен, которая достигает нескольких % от Т используют метод расчета, основанный на законе охлаждения Ньютона. Такие калориметры обычно применяют для определения теплоты сравнительно быстрых процессов (продолжительность главного периода опыта 10-20 мин). В калориметрах с адиабатической оболочкой температуру оболочки поддерживают близкой к температуре калориметрической системы в продолжение всего опыта (температуру последней измеряют только в начальном и конечном периодах опыта). Поправка на теплообмен в этом случае незначительна и вычисляется как сумма поправок на неадиабатичность и на ход температуры. Такие калориметры применяют при определении теплоты медленно протекающих процессов. По конструкции калориметрической системы и методике измерения различают жидкостные и массивные, одинарные и двойные (дифференциальные) калориметры и др.[6]

2.3 Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности металла

Мы экспериментально определили коэффициент теплопроводности металла с помощью калориметрического метода.

Экспериментальная установка состояла из двух алюминиевых стаканчиков соединенных металлом цилиндрической формы. Для начала мы измерили диаметр металла, соединяющего стаканчики, затем посчитали его площадь.

Стаканчики были помещены плотно в пенопласт, для теплоизоляции. В один из стаканчиков налили холодную воду, а в другой горячую, объем холодной воды приблизительно равен объему горячей. Определили начальную температуру той и другой воды. Закрыли плотно крышками стаканчики, и вставили в специальное отверстие, сделанное в крышках, термометры. Измеряли температуры через равные промежутки времени, до тех пор, когда температура горячей и холодной воды стали приблизительно равны.

Затем по известным данным мы посчитали коэффициент теплопроводности

теплопроводность металл коэффициент

где C1 - удельная теплоемкость алюминия, m1 - масса алюминиевых стаканчиков, C2 - удельная теплоемкость воды, m2 - масса воды, S - площадь образца, t - время, T01 - начальная температура горячей воды;T02 - начальная температура холодной воды.

где - это и есть коэффициент теплопроводности.

В результате проделывания этого эксперимента, мы получили коэффициент теплопроводности равный 224,76 .

Сравнив полученное нами значение с табличными значениями коэффициентов теплопроводности металлов, можно сказать, что металл, который соединяет алюминиевые стаканчики, тоже является алюминием.

Глава 3. Лабораторная работа “Определение коэффициента теплопроводности металлов”

3.1 Общие принципы лабораторных исследований

Структура лабораторных исследований бывает различной. Каждый преподаватель выбирает ту структуру, которая больше подходит для его предмета. Я рассмотрю несколько вариантов.

1-ый вариант лабораторного исследования:

- название

- цель

- оборудование

- теоретическая подготовка

- задания для выполнения эксперимента

- контрольные вопросы

- литература

2-ый вариант лабораторного исследования:

- название

- цель

- оборудование

- домашняя подготовка

- выполнение работы

- самостоятельная работа

- содержание отчета

В содержании лабораторной исследования должно быть обязательно указано название лабораторного исследования, цель, оборудование, и задания для выполнения эксперимента, а остальные пункты на усмотрение преподавателя.

Намного упрощается работа студентов, если в структуре лабораторного исследования есть теоретическая часть. Обычно в ней рассматривается самое главное, определение процесса или величины, описание установки для эксперимента, определительные формулы, отчетные таблицы. Контрольные вопросы, которые представлены в методичках, чаще всего помогают закрепить изученный материал или знания, полученные в ходе лабораторного исследования. Такая структура рассмотрена в 1-ом варианте лабораторного исследования.

Структура 2- го исследования немного отличается, здесь нет теоретической материала, но есть домашняя подготовка. Это заставляет студентов искать самим нужную информацию, вследствие этого повышается самостоятельная работа.

Я бы хотела объединить эти два варианта и сделать из них одну структуру лабораторного исследования.

3-ий вариант лабораторного исследования:

- название

- цель

- оборудование

- домашняя подготовка

- выполнение эксперимента

- контрольные вопросы

Этот вариант я считаю более подходящим для лабораторного исследования, есть цель, по этой цели студенты изучат подходящий материал, выполнят те задания, которые описаны в домашней подготовке. Так же указаны задания для выполнения эксперимента, а контрольные вопросы закрепят знания студентов по изученному материалу.

3.2 Описание методических рекомендаций к выполнению лабораторной работы “Определение коэффициента теплопроводности металлов”

Лабораторная работа проводится в специально оснащенных оборудованием лабораториях, под руководством преподавателя. Перед выполнением лабораторной работы следует повторить материал, изученный в процессе домашней подготовки. Если возникают вопросы с оборудованием, нужно задать их преподавателю, до начала выполнения лабораторной работы.

Во время лабораторных работ выполнять учебные задания с максимальной степенью активности. В ходе выполнения, записывать полученные данные в таблицы приготовленные заранее. После выполнения лабораторной работы, выключить все приборы. По определительным формулам найти искомую величину, записать её единицы измерения. После этого написать вывод к выполненной лабораторной работе, и отдать на проверку преподавателю.

3.3 Лабораторная работа “Определение коэффициента теплопроводности металла”

Цель: определить коэффициент теплопроводности металла, по полученному значению определить металл, который использовался в установке.

Оборудование: два алюминиевых стаканчика соединенных между собой металлом цилиндрической формы (будем называть его образец), мензурка, холодная вода, горячая вода, штангенциркуль, два термометра, секундомер.

Домашняя подготовка:

- Узнать что такое теплопроводность и коэффициент теплопроводности

- Какие существуют методы измерения коэффициента теплопроводности металлов;

- Суть калориметрического метода;

- Записать определительную формулу для вычисления коэффициента теплопроводности;

- Продумать отчетные таблицы.

Выполнение эксперимента:

Измерить диаметр образца, посчитать его площадь и записать в тетрадь.

Налить холодную воду в мензурку, измерить её объем и записать в тетрадь.

Налить холодную воду в один из алюминиевых стаканчиков.

Повторить п.1 только с горячей водой, желательно чтобы объемы горячей и холодной воды совпадали.

Налить горячую воду в другой алюминиевый стаканчик.

Закрыть плотно стаканчики крышкой, и в специально проделанные отверстия вставить термометры.

Записать начальную температуру T0, одновременно включив секундомер и через каждые 30 сек. записывать температуру горячей и холодной воды. В процессе измерения воду надо непрерывно перемешивать.

Вычислить коэффициент теплопроводности для каждой из температур по формуле:

(5)

где C1 - удельная теплоемкость алюминия, m1 - масса алюминиевых стаканчиков, C2 - удельная теплоемкость воды, m2 - масса воды, S - площадь образца, t - время,

 (6)

T01 - начальная температура горячей воды

T02 - начальная температура холодной воды

Из полученных данных вычислить среднее значение коэффициента теплопроводности.

Полученное значение сравнить с табличными значениями коэффициентов теплопроводности различных металлов, и узнать, из какого металла сделан образец.

Контрольные вопросы:

- Дайте определение коэффициенту теплопроводности

- Напишите определительную формулу для коэффициента теплопроводности металлов и запишите единицы измерения. От чего зависит эта величина?

- Объясните процесс теплопроводности. [10]

Заключение

В этой работе мы теоретически изучили процесс теплопроводности, методы измерения коэффициента теплопроводности, рассмотрели его зависимость от параметров состояния вещества, подробно изучили калориметрический метод определения коэффициента теплопроводности металлов.

В практической части работы, мы определили коэффициент теплопроводности металла и по табличным данным узнали, какой металл использовался в нашей установке, этим металлом оказался алюминий. В ходе нашего исследования мы узнали, что у алюминия большая теплопроводность по сравнению с другими металлами.

Практическая значимость работы заключается в постановке лабораторной работы на основе проделанной практической части. Мы рассмотрели несколько принципов лабораторных исследований, и выбрали один наиболее подходящий. На основе этого принципе мы разработали лабораторную работу «Определение коэффициента теплопроводности металла».

Библиографический список

1. Грищенко С.В., Повзнер А.А. Исследование теплопроводности газов. Определение эффективного диаметра и длины свободного пробега молекул. Методические указания к лабораторной работе. Екатеринбург, УфФУ, 2010 г., 23 с.

2. Журавлев Л.Г., Филатов И.В. Физические методы исследования металлов и сплавов. Учебное пособие для студентов металлургических специальностей. Челябинск, ЮУрГУ, 2004 г.,157 с.

3. Походун А.И., Шарков А.В. Экспериментальные методы исследований. Измерение теплофизических величин. Учебное пособие. Спб. ГУ ИТМО, 2006 г., 87 с.

4. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Том1. М., Физматлит, 2003 г., 576 с.

5. URL: http://acio.ru/read.php?id=14 (дата обращения 20.12.11).

6. URL: http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_1503.html (дата обращения 21.12.11).

7. URL: http://www.igksi.ru/page/262942/ (дата обращения 21.12.11).

8. URL: http://www/neuch.ru/referat/77401.html (дата обращения 24.11.11).

9. URL: http://stringer46.narod.ru/HeatConductivity0.htm (дата обращения 24.11.11).

Размещено на Allbest.ru