МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Т.КАЛАШНИКОВА

ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

КАФЕДРА «ФИЗИКА И ОПТОТЕХНИКА»

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему: «Разработка лабораторной установки для измерения коэффициента температуропроводности»

Выполнил студент гр.Б08-321-1

Мерзляков М.М.

Ижевск 2015 г

Оглавление

Оглавление 2

1.Метод лазерной вспышки 5

Введение

Коэффициенты температуропроводности и теплопроводности являются двумя из наиболее важных теплофизических параметров веществ и материалов, поскольку они характеризуют процесс переноса теплоты и изменение температуры в них. Для прогнозирования процессов охлаждения или моделирования температурных полей знание коэффициента температуропроводности крайне важно, так как без неё невозможно  определить коэффициент теплопроводности.

Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) — физическая величина, характеризующая скорость изменения температуры вещества в неравновесных тепловых процессах, численно равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении.

Величина коэффициента температуропроводности зависит от природы вещества. Жидкости и газы обладают сравнительно малой температуропроводностью. Металлы, напротив, имеют бо́льший коэффициент температуропроводности.

Существующие методы определения коэффициента температуропроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.

Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.

Основными достоинствами этого метода являются:

• Экспрессность (измерение длится секунды),

• малые размеры исследуемых образцов,

• при помощи одного прибора можно определять коэффициент термической диффузии, теплопроводности и теплоемкости,

• высокая точность,

• более широкий интервал температур, в котором этом метод применятеся.

К недостаткам метода относятся прежде всего:

• высокая стоимость аппаратуры,

• повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов

Цель работы:

Разработка лазерной установки для измерения коэффициента температуропроводности методом лазерной вспышки.

Задачи:

1. Определить мощность лазерного излучения подаваемого на образец.

2. Определить размеры лазерного пучка на образце.

3. Разработать систему измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса.

4. Разработать систему измерения температуры образца в зависимости от времени.

1. Метод лазерной вспышки

Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца. Вызванное этим возмущение температуры регистрируется на тыльной поверхности образца (рис.1).

Рис. 1 Метод Паркера (равномерное тепловое излучение падает на переднюю поверхность образца, сигнал снимается с обратной поверхности)

Метод лазерной вспышки применяется при следующих допущениях (идеальная модель):

1. адиабатный, гомогенный, изотропный образец,

2. однородный импульсный нагрев,

3. стремящаяся к нулю длительность импульса.

Для применения данного метода к реальным условиям, были разработаны различные техники и модели, учитывающие неидеальность условий эксперимента:

1. потери тепла поверхностью образца,

2. конечность длительности лазерного импульса,

3. неоднородность импульсного нагрева,

4. негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).

Одним из наиболее распространенных импульсных методов измерения температуропроводности является метод лазерной вспышки. На переднюю поверхность плоского образца (рис. 1) подается тепловой импульс, созданный лазерным излучением. При этом предполагается, что отсутствуют тепловые потери, импульс мгновенный, а тепловой поток равномерный. Пренебрегаем потерями тепла вдоль осей .

В этом случае уравнение теплопроводности имеет вид:

(1)

где (z,t) – температура являющаяся функцией времени t и координаты z

–коэффициент температуропроводности

Решение задачи теплопроводности с начальными условиями:

и при 0, (2)

будет иметь вид:

, (3)

где – толщина пластины,– удельный тепловой поток,

–удельная теплоемкость, - плотность образца.

На обратной стороне пластины (=) в безразмерных величинах выражение 3 можно записать так:

() (4)

здесь имеет смысл безразмерной температуры, где- максимальная температура,– критерий Фурье, который имеет смысл безразмерного времени. Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье представлена на рис.2.

Рис. 2 Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье.

Температуропроводность вычисляется обычно по времени достижения значения температуры обратной поверхности половины от максимальной.

При этом

, (5)

где - критерий Фурье (безразмерное время), при котором безразмерная температураобразца обратной поверхности достигает половины максимального значения,– соответствующее время достижения половины максимальной температуры перегрева. Таким образом, измеривна обратной поверхности образца, можно вычислить значение коэффициента температуропроводности.