Тема. Температурные и тепловые свойства материалов.
Цель работы: Изучить особенности температурных и тепловых свойства материалов.
Оборудование:
Краткие теоретические сведения
Все твердые объекты с ростом температуры увеличиваются в объеме, что происходит в результате колебательного движения атомов и молекул. При увеличении температуры среднее расстояние между атомами растет, что приводит к расширению всего твердого тела.
Тепловое расширение - физическое явление, на основе которого реализовано много сенсоров, которые либо измеряют тепловую энергию, либо используют ее в качестве сигнала возбуждения.
Когда объект нагревается, его температура повышается. Под нагревом подразумевается передача объекту определенного количества тепла или тепловой энергии. Тепло в объекте накапливается в виде кинетической энергии вибрации атомов. Можно провести аналогию между максимально возможным количеством воды в резервуаре и количеством тепла, что может поглотить объект. Естественно, что количество воды в резервуаре не может превышать его объем, называемый емкостью резервуара. Подобно этому, любой объект можно характеризовать теплоемкостью, которая зависит как от материала объекта, так и от его массы m.
Тепловое расширение
Рассмотрим многослойную структуру, состоящую из двух пластин X и У, склеенных друг с другом (рис.3-1А). Пластины имеют одинаковые толщину и площадь поверхности и идентичные модули упругости, но разные коэффициенты теплового расширения изменении их температуры с T1 до Т2, пластина X увеличится больше, чем пластина У. Зона скрепления двух пластин не позволит пластине X расширяться равномерно, одновременно, заставляя пластину У увеличиваться больше, чем требует ее коэффициент а. Все это приводит к возникновению внутреннего напряжения, в результате того структура прогибается вниз. И, наоборот, в случае охлаждения пластин вся структура изогнется вверх. Радиус изгиба можно оценить при помощи выражения:
(3-1)
В результате изгиба максимальное отклонение наблюдается на свободном конце конструкции. Это отклонение может служить мерой изменения температуры. Предполагается, что при калибровочной температуре структура занимает горизонтальное положение; хотя это не всегда так, поскольку формаструктуры при калибровке диктуется условиями конкретной задачи.
Рис. 3-1 А -изгиб двухслойной структуры, в которой каждый слой имеет свой собственный коэффициент расширения, Б -биметаллическая спираль, используемая как датчик температуры
Фактически, биметаллическая структура является преобразователем температуры в перемещение.
Большинство таких преобразователей выполняются в виде биметаллических пластин из сплавов железа-никеля-хрома. Они хорошо себя зарекомендовали в температурном диапазоне -75...+600 °С. Однако для измерения небольших температурных изменений биметаллические пластины не подходят, поскольку имеют очень большой радиус изгиба (несколько метров) и, следовательно, очень маленькие отклонения конца структуры. Отклонение конца биметаллической пластины можно определить при помощи формулы:
(3-2)
Такое отклонение очень трудно заметить невооруженным взглядом, поэтому в промышленных термометрах биметаллическая пластина изготавливается в форме спирали (рис. 3-1Б). Это позволяет значительно увеличить длину L, а, следовательно, и величину отклонения Δ. Для вышеприведенного примера при L = 200 мм, отклонение становится равным 4.2 мм, что значительно больше предыдущего значения. В современных датчиках биметаллические структуры изготавливаются методами микротехнологий.
Теплоемкость
Удельная теплоемкость описывает сам материал, в то время как теплоемкость является характеристикой объекта, сделанного из этого материала. Строго говоря, удельная теплоемкость не является постоянной величиной во всем температурном диапазоне, включая все состояния материала. Она может существенно меняться при изменении состояния материала, к примеру, при переходе от твердой фазы к жидкой. На микроскопическом уровне удельная теплоемкость отражает структурные изменения материала, к примеру, в температурном ряду жидкой фазы удельная теплоемкость воды является почти постоянной. Почти, но не совсем: она становится несколько выше в окрестности температуры замерзания и несколько ниже -в районе 35°С и в интервале 38...100 °С. Также было отмечено, что самая низкая удельная теплоемкость воды соответствует 37 °С: - биологически оптимальной температуре всех теплокровных животных.
В Приложении приведены значения удельных теплоемкостей различных материалов в единицах системы СИ. Для перевода единиц из системы в систему можно использовать соотношение:
(3-3)
Можно отметить, что, как правило, чем тяжелее материал, тем ниже его удельная теплоемкость.