11

Лабораторная работа № 4 Определение коэффициента теплопроводности твердых материалов методом стационарного теплового режима

Цель работы- ознакомиться с основными методиками и аппаратурным обеспечением экспериментального определения коэффициента теплопроводности горных пород, теплоизоляционных и сыпучих материалов и приобретение навыков работы на электронном измерителе теплопроводности типа ИТП-МГ4 «100».

Теплообмен - самопроизвольный необратимый процесс передачи тепла между телами или частями тела, обусловленный неоднородностью температурного поля.В зависимости от механизма переноса тепла различают три основных вида теплообмена: кондуктивный (теплопроводность), конвективный (конвекция) и лучистый (излучение, радиационный).

Изучая явление теплопроводности, Ж. Фурье (1822 г.) установил, что при установившемся тепловом режиме количество передаваемого тепла Qпропорционально градиенту температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения тепла. Математическое выражение для определения величиныQ, переданного теплопроводностью, называется основным законом теплопроводности – законом Фурье. В реальных параметрах процесса теплообмена закон Фурье описывается, как

, (1)

Коэффициент λ в уравнении (1) есть физический параметр вещества, который численно оценивает способность вещества проводить тепло при кондуктивном теплообмене и называется коэффициентом теплопроводности (вт/м·К).Значения коэффициента теплопроводности веществ находятся в пределахl»0,006¸430Вт/(м∙К). Минимальную теплопроводность из всех веществ имеют газы. Их коэффициент теплопроводности находится в пределахl»0,006¸0,2Вт/(м∙К). Вызвано это слабыми связями между молекулами газов.

В практике теплотехнических расчетов широко пользуются понятием теплового потокаQ_П(Вт). ВеличинуQ_Пможно определить,разделив левые и правые части (1) на время:

; (2)

Таблица 1

Значения коэффициентов теплопроводности газов при Т = 300 К и абсолютном давлении Р = 101325 Па

Газ	l∙10^3, Вт/(м∙К)	Газ	l∙10^3, Вт/(м∙К)	Газ	l∙10^3, (Вт/м∙К)
N2	25,9	CH4	34,3	C2H6(этан)	21,4
O2	26,6	CO2	16,6	H2S	14,8
CO	25,2	SO2	9,7	H2	183
C2H4(этилен)	20,6	H2O^*(пар)	24,6	Воздух (сухой)	18,0

^*при Т = 373,15К

Значения коэффициента теплопроводности жидкостей изменяются в пределах l»0,07¸1,0Вт/(м∙К).

Теплопроводность твёрдых тел в подавляющем большинстве случаев обусловлена двумя механизмами: движением электронов проводимости (электронная проводимость) и тепловыми колебаниями атомов их кристаллической решётки (фононная проводимость).Лучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых коэффициент теплопроводности l»8¸430Вт/(м∙К).

Наиболее теплопроводным металлом является чистое серебро, у него при Т»300Кl»430Вт/(м∙К).При этой температуре чистая медь имеетl»413Вт/(м∙К), чистое золото -l»400Вт/(м∙К), а чистый алюминий -l»237Вт/(м∙К).Коэффициент теплопроводности металлов очень чувствителен к примесям. Например, при появлении в меди даже следов мышьяка (Аs) ее коэффициент теплопроводности снижается сl»400Вт/(м∙К)доl»142Вт/(м∙К).

Таблица 2

Приближённые значения коэффициентов теплопроводности ряда чистых металлов и металлических сплавов при Т = 300 К и абсолютном давлении Р = 101325 Па

Металл, металлический сплав	l, Вт/(м∙К)	Металл, металлический сплав	l, Вт/(м∙К)
Вольфрам	174	Натрий	141
Железо	88	Никель	91
Молибден	138	Свинец	35
Цинк	116	Титан	22
Платина	72	Кобальт	100
Углеродистые стали	48…59	Высоколегированные стали	14…44
Алюминиевые сплавы	100…160	Латуни	100…106
Бронзы	23…95	Чугуны	30…51
Никелевые сплавы	12…42	Титановые сплавы	8…10

Минералы и горные породы, как правило, являются плохими проводниками тепла. Они занимают в ряду твёрдых тел сравнительно узкую полосу с малыми значениями теплопроводности - λ0,1…7Вт/(м∙К), так как теплопроводность минералов горных пород в основном имеет фононный характер.

Большой теплопроводностью, λ30…200Вт/(м∙К), обладают лишь некоторые рудные минерал (сфалерит, пирит) и драгоценные камни с практически идеальной кристаллической решёткой (алмаз). Из породообразующих минералов большим значением теплопроводности обладает кварц,λ7…12Вт/(м∙К). Поэтому у плотных малопористых безрудных пород наблюдается повышениеλс увеличением содержания в них кварца.

Таблица 3

Коэффициенты теплопроводности ряда горных пород при Т = 300 Ки абсолютном давлении Р = 101325Па

Горные породы	l,Вт/(м∙К)	Горные породы	l,Вт/(м∙К)
Граниты	2,15…5,49	Глины	0,83…2,98
Гнейсы	2,24…2,97	Песчаники	1,80…4,80
Габбро	2,44…3,32	Сильвиниты	2,00…6,00
Пироксениты	2,30…3,60	Известняки	1,11…3,00
Кварциты	1,50…5,34	Алевролиты	1,44…1,99
Дуниты	1,93…2,93	Угли	0,14…1,56
Гранодиориты	1,00…3,17	Глинистые сланцы	1,15…2,48
Железистые кварциты	2,85…4,48	Аргиллиты	0,95…2,41
Доломиты	3,10…4,00	Гипсы	0,60…1,20
Базальты	0,44…3,50	Каменная соль	1,70…5,50
Туфы	1,30…4,00	Мел	0,82…2,20

Большая сложность процесса передачи тепла в газообразных, жидких и твёрдых веществах не позволила пока разработать теоретических основ для расчётов их λ. Поэтому на сегодняшний день величины λ для всех веществ определяются экспериментально.

Все эти методы могут быть разделены на четыре основные группы:

1) методы стационарного теплового режима;

2) методы регулярного теплового режима;

3) методы квазистационарного теплового режима;

4) методы, основанные на определении параметров нестационарного теплового режима в первой стадии его развития.

1.Все методы, основанные на стационарном тепловом режиме, разделяются на плоские, цилиндрические и сферические в соответствии с формой испытуемого образца.Связь между искомой величинойλ и величинами, получаемыми непосредственными измерениями, в общем виде выражается следующим уравнением:

, (3)

где Q– количество тепла, протекающего от одной изотермической поверхности образца с температуройТ₁к другой с температуройТ₂,Дж;– время проведения опыта, с;К_ф– коэффициент формы слоя исследуемого вещества;λ – коэффициент теплопроводности исследуемого вещества при температуре Т= 0,5(Т₁+Т₂),Вт/м∙К.

Все лабораторные установки для определения λ работают на электрической энергии, что позволяет отношениеQ/tв (3) определять как произведение силы тока в рабочем нагревателеIна напряжение на его концахU, то есть. Соответственно, величиныIиUдолжны измеряться при установившемся тепловом режиме.методы стационарного теплового режима зачастую требует довольно большого времени для эксперимента, иногда не менее 8 часов.