Елманов Теплопроводност металлов и сплавов 2007

Внешний вид модуля показан на рис. 6. Модуль содержит нагреватель 1, состоящий из корпуса с вмонтированным в него тепловыделяющим элементом, и радиатор 6 с вентилятором 7. Исследуемый металлический образец 5 в виде пластины с двумя отверстиями для винтов 3 закрепляется на нагревателе 1 и радиаторе 6 с помощью винтов 3 и гаек 4. Внутри каждого винта 3 находится терморезистивный датчик температуры: датчик Д1 для нагревателя 1 (для более нагретого конца образца) и датчик Д2 для радиатора 6 (для более холодного конца образца). Сопротивление каждого датчика равно (1000 ±1) Ом при температуре 0 оС. Оно линейно растет с ростом температуры с коэффициентом 3,75 Ом/град.

4 3 5

6

1

7

8 9

Рис. 6. Модуль «теплопроводность металлов»

Блок ИСТ-4К (рис. 5, поз. 2) создает в каждом датчике постоянный ток около 1мА и по напряжению на датчиках определяет их температуру (Т1 для датчика Д1 и Т2 для датчика Д2). Гайки 4 обеспечивают тепловой контакт датчиков Д1 и Д2 с нагреваемым и ох-

лаждаемым концами образца-пластины 5 соответственно. Т1 не более 120 оС.

Под охлаждением конца образца 5, находящегося в контакте с радиатором 6, следует понимать достижение им в стационарном (установившемся) режиме более низкой температуры Т2 по сравнению с температурой Т1 конца образца, контактирующего с нагревателем 1, за счет отвода тепла на радиатор 6 и его рассеяния в окружающую среду с помощью вентилятора 7.

Все элементы модуля «теплопроводность металлов» (рис. 6) установлены на основании 8. В комплект модуля входит также шайба 2 из алюминиевого сплава Д16 (на рис. 6 не показана), используемая для оценки тепловых потерь в окружающую среду. Толщи-

21

на шайбы ≈ 5 мм, наружный диаметр ≈ 30 мм, диаметр отверстия ≈

5 мм.

Нагреватель 1, вентилятор 7 и датчики Д1 и Д2 через разъем 9 модуля (рис. 6) подключаются к комбинированному (многофункциональному) блоку ИСТ-4К (рис. 5, разъем «объект»), используя специальный кабель СШ7-СШ7.

Внешний вид передней панели блока ИСТ-4К без внешних соединительных кабелей/проводов показан на рис. 5 (позиция 2) и отдельно на рис. 7.

Н1

S1

Рис. 7. Передняя панель комбинированного блока ИСТ–4К

Блок ИСТ-4К обеспечивает:

1.Электропитание нагревателя 1 постоянным током I1.

2.Измерение постоянного напряжения U1 питания нагревателя 1 (до 20 В) и постоянного тока I1 через нагреватель 1 (I1 ≤ 2А); при 20 В < U1 ≤ 24 В необходимо использовать внешний вольтметр.

3.Регулирование напряжения U1 питания нагревателя 1 в диапазоне 0 – 24 В.

4.Измерение температур Т1 и Т2 терморезистивных датчиков Д1 и Д2 соответственно (Т2 <Т1 ≤ 120оС).

5.Блокировку нагревателя 1 при Т1>120 оС или при обрыве цепи датчика Д1.

6.Электропитание вентилятора 7 и вспомогательных элементов/схем самой системы.

7.Ограничение выходного тока источника питания.

На передней панели блока ИСТ-4К расположены следующие элементы схемы и органы управления (рис. 5 и 7; на рис. 7 в гнездо Д1 вставлена заглушка).

«СЕТЬ» – общий тумблер включения питания лабораторной установки (сеть 220 В, 50 Гц). Тумблер расположен непосредственно

22

под надписью «СЕТЬ». При включении сетевого питания автоматически включается вентилятор 7 под радиатором 6 (рис. 6), светятся дисплей и индикаторы термостата Т1.

«Н1» – четырехразрядный цифровой дисплей. Его свечение свидетельствует о включении питания прибора. Интерпретация показаний дисплея определяется положением ручки переключателя видов измерений «S1».

При установлении (переключении) ручки «S1» в положение Т1

кизмерительной системе блока ИСТ-4К подключается датчик Д1 и

на цифровом дисплее Н1 (рис. 7) регистрируется его температура Т1 в оС с разрешением 0,1 оС, которая соответствует температуре теплого конца образца 5 на рис. 6.

При установлении (переключении) ручки «S1» в положение Т2

кизмерительной системе блока подключается датчик Д2 и на циф-

ровом дисплее Н1 (рис. 7) регистрируется его температура Т2 в оС с разрешением 0,1 оС, которая соответствует температуре более холодного конца образца.

При установлении (переключении) ручки «S1» в положение U1 измеряется напряжение питания U1 нагревателя 1 (в В) с разрешением 10 мВ и предельной погрешностью ∆U = 0,02U+20 мВ, а в положении I1 измеряется ток I1 (в мА) питания нагревателя 1 (знак минус следует игнорировать) с разрешением 10 мА и предельной погрешностью ∆I = 0,02I + 4 мА, что в совокупности позволяет определить подводимую к образцу мощность (W = U1∙I1).

Внимание! Ручку переключателя видов измерений «S1» в положение Р1 и Р2 не устанавливать (в этой работе эти позиции не используются).

«ПИТАНИЕ U1» (см. переднюю панель на рис. 5 и 7) – источник питания нагревателя 1 (рис. 6) с блоком управления/регулирования. Источник питания с блоком регулирования включается в работу тумблером под надписью «ВКЛ», при этом нагреватель 1 подключается к регулируемому источнику питания U1. Блок позволяет регулировать постоянное напряжение U1 питания нагревателя 1 в пределах 0–24 В. Напряжение U1 до 20 В измеряется с помощью цифрового дисплея Н1 (переключатель «S1» в положении U1); более высокое напряжение (20 < U1 ≤ 24 В) измеряют внешним вольтметром, расположенном в выдвижной ячейке (рис. 5, поз. 3), используя гнезда выхода источника питания нагре-

23

вателя ОБЩ и U1, дублирующие выход на разъем ОБЪЕКТ, и прилагаемые соединительные провода (при этом переключатель «S1» необходимо снять с положения U1).

«ТЕРМОСТАТ Т1» – блок ограничителя температуры Т1 датчика Д1 или регулятор температуры Т1. Для стабилизации температуры Т1 нужно установить регулятор Т1 на заданное значение Т1уст.. Если в процессе нагрева температура Т1 датчика Д1 приблизится к установленному на блоке значению температуры Т1уст., то блок ИСТ-4К снизит напряжение питания U1 до уровня, обеспечивающего поддержание установленной температуры Т1уст. (режим термостатирования), а если температура Т1 датчика Д1 заметно превысит установленное значение Т1уст., то блок ИСТ-4К отключит нагреватель 1. Если Т1 < Т1уст., то на передней панели светится зеленый индикатор справа от надписи Т1; если Т1 > Т1уст., то светится красный индикатор слева от надписи Т1. В режиме термостатирования светятся оба индикатора. Отсутствие датчика Д1 или Д2 измерительная система интерпретирует как запредельно высокую температуру Т1 или Т2 и отключает питание нагревателя 1.

Внимание! Генератор U2, тумблер включения/выключения переменного (≈) или постоянного (=) напряжения U2, гнездо U2 и входы для внешних датчиков температуры (гнезда типа «Тюльпан») Д1 и Д2 в работе по определению теплопроводности не используются.

В комплектацию лабораторной установки для измерения теплопроводности металлов ЛКТ-8М входят также электронные часы, которые могут работать в режиме секундомера. Часы используются в работе для определения наступления режима термостабилизации. Инструкция по работе с часами прилагается.

3.2. Образцы для измерения теплопроводности

Образцы для определения теплопроводности имеют форму пластин размером (ориентировочно) 95х30х(5–8) мм3 с двумя сквозными отверстиями диаметром D1 и D2 на продольной осевой линии плоскости для крепления в модуле измерения теплопроводности (рис. 6). Расстояние между центрами отверстий, равное расстоянию между датчиками Д1 и Д2, рассматривается как эффективное расстояние между точками контакта датчиков с образцом и используется в качестве расчетной длины ℓ в формуле при расчете тепло-

24

проводности λ. На образцах-пластинах имеются номера, которым соответствуют следующие металлы:

1.Алюминиевый деформируемый сплав Д16 (дуралюмин). Состав

(мас.%): Al + (3,8–4,9)% Cu + (1,2–1,8)% Mg + (0,3–0,9)% Mn.

Примесей не более 0,5%. Структура дуралюмина в отожженном (состаренном) состоянии состоит из твердого раствора на основе алюминия (α-фаза) и включений различных интерметаллических соединений. Для Д16 основной упрочняющей фазой является фаза

Al2CuMg.

2.Латунь свинцовистая марки ЛС59-1.

Состав (мас.%): (57–60)% Cu + (37–42)% Zn+(0,8–1,9)% Pb.

Примесей не более 0,75%. Относится к классу (α+β)-латуней. Структура двухфазная: α+β. α-Фаза – твердый раствор цинка в меди, β-фаза – твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи (3/2). Температура упорядочения ≈ 460 оС.

3. Углеродистая доэвтектоидная сталь – Ст.45.

Состав (мас.%): Fe + (0,4–0,5)%C + (0,5–0,8)%Mn +(0,17–0,37)%Si.

Структура в равновесном состоянии состоит из феррита и перлита или, принимая во внимание строение перлита, это ферритоцементитная смесь. Цементит Fe3C обладает металлической проводимостью.

4. Аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь 2Х18Н10Т.

Состав (мас.%): Fe + (≤0,12)% С + (17–19)%Сr + (9–11)% Ni + + (1–2)%Mn + (≤0,7)% Тi + (≤0,8)% Si.

Так как образец проявляет ферромагнитные свойства (притягивается к магниту), данная сталь не является чисто аустенитной (аустенит парамагнитен). Структура стали – аустенит (твердый раствор углерода и др. элементов в ГЦК γ-Fe) и небольшое количество феррита и карбидных выделений.

Могут использоваться образцы и из других металлов. В этом случае их марку и состав сообщает ведущий занятия.

Каждый студент проводит измерения только на одном образце.

25

3.3. Порядок выполнения работы

3.3.1. Подготовка к выполнению работы

1.Подготовить необходимые бланки для таблиц. Рекомендуется сделать это заблаговременно при подготовке к занятиям..

2.Подготовить табл. П.1 приложения и записать в нее номер образца, подлежащего исследованию (задает ведущий занятия), а также (после измерений) необходимые геометрические параметры и его массу с указанием погрешности измерений.

3.Подготовить табл. П.2 приложения для записи результатов измерений при термостатировании образца и в установившемся режиме.

4.Подготовить табл. П.3 приложения для записи измерений, позволяющих оценить мощность потерь W' (измерения с шайбой).

5.Подготовить табл. П.4 приложения для записи сводных данных.

3.3.2.Работа на установке

1.Установить образец, подлежащий исследованию, в модуль для измерения теплопроводности (рис. 6).

2.Включить тумблер сетевого питания «СЕТЬ».

3.Включить источник питания нагревателя «ПИТАНИЕ U1», переведя тумблер под ним в положение ВКЛ.

4.Установить регулятор Т1 термостата в положение Т1уст. ≈ ≈60–75 оС (конкретное значение Т1уст. задает ведущий занятия).

5.Переведя ручку переключателя видов измерения «S1» в положение U1, регулятором U1 источника питания нагревателя установить U1 ≈ 12 В.

6.Измеряя U1 и I1 путем переключения ручки «S1», установить (регулируя U1 и I1) мощность нагрева ≈ 10 Вт для образца 1 и 7–9 Вт для образцов 2, 3 и 4; установленные значения U1 и I1 занести в табл. П.2.

7.Следить за показаниями датчика Д1 (ручка переключателя в положении Т1). При подходе температуры Т1 к заданной Т1уст. застабилизировать температуру регулятором «ТЕРМОСТАТ Т1» (должно быть свечение двух индикаторов: зеленого и красного).

8.Записывая значения Т1 и Т2 через 1–3 мин. (табл. П.2), достиг-

нуть стабилизации Т2 (рост Т2, т.е. ∆Т2/∆τ, должен быть не более 0,2 оС/мин). В режиме стабилизации записать также U1 и I1.

26

9. Сделав последнее измерение, установить регулятор U1 блока питания на 0 и выключить блок питания тумблером под ним.

10.Охладить образец до 25–30 оС.

11.Для уточнения тепловой мощности, участвующей непосредственно в теплопередаче по образцу, необходимо оценить мощность потерь в окружающую среду. Для этого надо снять образец и установить на нагреватель 1 (рис. 6) прилагаемую шайбу. Включить блок питания нагревателя и регулятором U1 блока питания подать на нагреватель напряжение 7–8 В (ручка «S1» в положении U1). Переключив ручку «S1» в положение Т1, термостатировать нагреватель при температуре Т1' ≈ Т1уст., где Т1уст. – самое последнее измерение с образцом. Результаты измерений U1' и I1' в стационарном режиме занести в табл. П.3.

12.После выполнения всех измерений регулятор U1 блока питания нагревателя установить на 0 и выключить тумблер под ним; выключить общий тумблер питания лабораторной установки (тумблер, расположенный под надписью «СЕТЬ»).

13.Закончив работу на установке, подписать у ведущего занятия рабочие таблицы П.1, П.2 и П.3.

3.3.3. Обработка результатов измерений

1.При проведении расчетов в отчете должна быть записана расчетная формула в общем виде, формула с подставленными численными значениями, их размерностями и переводными коэффициентами и приведен результат вычислений с требуемой размерностью (см. табл. П.4 приложения).

2.Рассчитать плотность dэ материала, из которого сделан образец

(табл. П.1).

3.Рассчитать мощность нагрева образца W и величину градиента ∆Т вдоль образца в стационарном режиме, используя данные последнего измерения (табл. П.2).

4.Рассчитать мощность тепловых потерь W' в стационарном режиме (табл. П.3).

5.Рассчитать коэффициент теплопроводности λэ(Вт/м∙град), используя экспериментальные данные (табл. П.1 и табл. П.2) по формуле (21):

λэ = (W – W')∙ℓ/t∙b∙∆T .

27

6.Оценить относительную погрешность найденного значения коэффициента теплопроводности λэ.

7.Оценить значение коэффициента теплопроводности λо исследуемого материала при температуре Т, используя эмпирические зависимости, приведенные в табл. 4. Значение удельного электросопротивления ρ исследуемого материала берется из табл.

П.5.

8.Рассчитать по формуле (2) коэффициент температуропроводности ао исследуемого материала, используя найденные значения плотности dэ и теплопроводности λэ и взятое из табл. П.5 приложения справочное значение удельной теплоемкости с для данного материала.

9.Рассчитать по формуле (19) значение числа Лоренца L для ис-

следуемого материала, используя взятое из табл. П.5 приложения значение удельной электропроводности. Сравнить полученное значение L с теоретическим значением (см. п. 1.3.2).

10.Все рассчитанные значения, а также использованные справочные данные внести в итоговую табл. П.4.

3.3.4. Оформление отчета по работе

По результатам выполненной работы необходимо подготовить отчет. Отчет должен содержать:

1)титульный лист, подписанный студентом;

2)краткое описание цели работы;

3)оформленные (заполненные) таблицы П.1, П.2, П.3, П.4;

4)примеры расчетов (см. п. 2.3.3);

5)заключение (краткое, четкое, информативное).

Примечание. В отчет, оформленный с использованием компьютера, в обязательном порядке должны входить таблицы с первичными данными, подписанные ведущим занятия. Допускается рукописный вариант отчета, но без использования карандаша для записей и таблиц. Рекомендуемый формат А4.

28

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

4.1. Вопросы входного контроля

1.Какие существуют основные экспериментальные методики определения теплопроводности твердых тел?

2.В чем сущность используемой в работе методики определения теплопроводности?

3.Как теплопроводность металлов зависит от температуры?

4.В чем причины изменения теплопроводности металлов с температурой?

4.2. Вопросы выходного контроля

1.Чем обусловлена температурная зависимость теплопроводности металлов?

2.В чем отличие механизмов и характера температурной зависимости теплопроводности металлов и диэлектриков?

3.С какими другими физическими характеристиками коррелирует теплопроводность металлов и диэлектриков?

4.Доказать, что с увеличением чистоты металла максимум низкотемпературной теплопроводности смещается в сторону более высоких температур и его относительная высота уменьшается.

5.Доказать, что при низких температурах отношение / T меньше числа Лоренца L .

6.Почему при очень высоких температурах в металлах и, в особенности, в сплавах наблюдается заметное отклонение от закона Видемана–Франца–Лоренца?

7.Как зависит теплопроводность сплава от его химического состава?

Список рекомендуемой литературы

1.Лившиц Б.В., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Металлур-

гия, 1980.

2.Смирнов Е.А., Соколов Н.А., Яковлев Е.И. Физические свойства металлов и сплавов. Учебное пособие. М.: МИФИ. 1992.

3.Физические величины: Справочник/А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др./ Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

29

Приложение

Таблица П.1

Студент (Фамилия И.О.), гр. ______

Геометрические параметры, масса и плотность исследуемого образца (Т = Тком = ________ )

	№ образца		Материал				L, мм		t, мм		b, мм
			(марка)			(общая длина)			(толщина)		(ширина)
	D1, мм		D2, мм				ℓ, мм		m, г		dэ, г/см3
	(диаметр 1-го		(диаметр 2-го				(расчетная		(масса)		(плотность)
	отверстия)		отверстия)				длина)
	Расчет плотности: dэ = _______________										Таблица П.2
		Результаты измерений при термостатировании и
			в установившемся режиме (образец № ____ )
	τ, мин.		Т1, оС		Т2, оС		∆Т2/∆τ		U1, B		I1, мА

Расчет мощности нагрева и градиента температуры в установившемся режиме:

W = U1∙I1= ______________ ; ∆T = T1 – T2 = _________ С

Таблица П.3

Оценка мощности потерь (измерения с шайбой)

τ, мин.	о	U1', B	I1', мА	W', Bт
	Т1', С

Расчет мощности тепловых потерь W' = U1'∙I1' = ______________

30