2.1 Цель работы.
Целью лабораторной работы является экспериментальное определение коэффициента теплопроводности шнурового асбеста и установление зависимости указанного коэффициента от температуры.
2.2 Основные понятия и определения.
Согласно основному закону теплопроводности (закону Фурье) тепловой поток Q, передаваемый в процессе теплопроводности, пропорционален градиенту температуры и поверхности теплообмена
,
где: градиент температуры (характеризует интенсивность увеличения температуры в
направлении нормали к изотермической поверхности), К/м;
F – поверхность теплообмена, м2
;
коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м К).
Коэффициент теплопроводности характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при градиенте температуры 1 К/м, измеряется в Вт/(м К)
,
где q – плотность теплового потока (q = Q/F), Вт/ м2
.
Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и, в общем случае, зависит от температуры, давления и рода вещества.
Коэффициент теплопроводности в газах зависит в основном от скорости движения молекул, которая, в свою очередь, возрастает с увеличением температуры. В результате с ростом температуры коэффициент теплопроводности газов увеличивается. Например, при изменении температуры от 0 до 300 С значение коэффициента теплопроводности воздуха изменяется в пределах от 0,020 до 0,045 Вт/(м К). При комнатной температуре для воздуха 0,025 Вт/(м К).
У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1Вт/(м К). Вода является одним из лучших жидких проводников тепла для нее 0,6 Вт/(м К).
В металлах теплопроводность обеспечивается за счет теплового движения электронов. Теплопроводность металлов много выше, чем газов и жидкостей. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает серебро и медь: 380…460 ВТ/(м К). Для углеродистых сталей 50 Вт/(м К), а для высоколегированных сталей 10 Вт/(м К).
Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м К). Теплоизоляционные и многие строительные материалы (кирпич, бетон, дерево и др.), обладают пористым строением, имеют сравнительно низкие коэффициенты теплопроводности – 0,02…2,0 Вт/(м К).
Коэффициент теплопроводности для различных материалов обычно определяют экспериментально, с использованием различных методов.
2.3 Установка для определения коэффициента теплопроводности.
В данной работе коэффициент теплопроводности шнурового асбеста определяется методом цилиндрической трубы.
Уравнение Фурье для цилиндрического стержня имеет вид
(1.1)
где коэффициент теплопроводности материала;
градиент температуры;
F – поверхность теплообмена ();
d – диаметр стержня;
длина стержня.
После дифференцирования уравнения (1.1) и разделения переменных можно получить выражение для определения коэффициента теплопроводности материала, имеющего форму трубы, Вт/(м К):
(1.2)
где соответственно внутренний и наружный диаметры теплоизоляционного материала,
имеющий форму трубы, м;
длина трубы, м;
соответственно температура на внутренней и наружной поверхностях изоляции, К
или С.
Таким образом, для расчета коэффициента необходимо определить величину теплового потока Q и температуру внутренней и наружной поверхностей теплоизоляционного материала, а также знать значение и .
Схема лабораторной установки приведена на рис. 1.1. Установка состоит из латунной трубки 1, покрытой слоем шнурового асбеста 2. тепловой поток, проходящий через изучаемый теплоизоляционный материал (шнуровой асбест), создается с помощью спирального электрического нагревателя 3, находящегося внутри латунной трубки. Мощность нагревателя, а следовательно, и величина теплового потока, регулируется лабораторным автотрансформатором 4 и определяется с помощью вольтметра 5 и амперметра 6. на внутренней и наружной поверхностях теплоизоляционного материала установлены “горячие” спаи 7 термопар. “Холодны
. Измерение термо-э.д.с. между “горячими” и “холодными” спаями термопар производится с помощью милливольтметра 9. Для измерения температуры на внутренней поверхности асбеста переключатель 10 термопар ставят в положение 1 (см. рис. 1.1), а при определении температуры внешней поверхности асбеста – в положение 2.
Количество тепла, выделяемое электрическим нагревателем (величина теплового потока) определяется из выражения (в ВТ)
(1.3)
где J – величина тока, проходящего через спираль нагревателя, А;
U – падение напряжения на нагревателе, В.
Температура определяется при работе милливольтметра в диапазоне “7.5мА” и рассчитывается как
(1.4)
где z – число делений на шкале милливольтметра при измерении температуры ;
t0
– температура воздуха в лаборатории, 0
С.
Температура определяется при работе милливольтметра в диапазоне “15мА” и рассчитывается по аналогичной формуле
(1.5)
Значения и приведены непосредственно на приборной панели лабораторной установки.
1.4. Порядок выполнения работы
Лабораторную работу необходимо выполнить в следующей последовательности:
1) выключатель 11 (см. рис. 1.1) перевести в положение “включено”;
2) небольшим поворотом ручки автотрансформатора 4 установить величину тока в цепи нагревателя в пределах 0,4…0,5 А;
3) после установления стационарного теплового режима (через 30…40 минут после включения электронагревателя) произвести измерения температур на внутренней и наружной поверхностях теплоизолятора с помощью милливольтметра 9. Результаты измерений занести в протокол (см. табл. 1.1).
4) с помощью автотрансформатора установить величину тока в цепи нагревателя в пределах 0,6…0,7 А. После установления стационарного теплового режима необходимо вновь произвести измерения и результаты занести в протокол;
5) по окончании измерений вращением ручки автотрансформатора против часовой стрелки установить напряжение и ток в цепи нагревателя равным нулю, выключатель 11 стенда поставить в положение “выключено”.
Таблица 1.1
Протокол испытаний
| Режим |
Ток и напряжение в цепи нагревателя |
Показания милливольтметра |
Размеры теплоизоляционной цилиндрической трубы |
Комнатная температура |
||||
| J, А |
U, B |
|
|
, м |
, м |
, м |
t0,
|
|
| 1 |
0,74 |
91 |
21 |
14 |
0,026 |
0,034 |
0,7 |
20 |
1.5. Обработка результатов измерений
В процессе обработки результатов измерений для каждого необходимо рассчитать значения Q, , и по приведенным выше формулам (1.2), (1.3), (1.4), (1.%). Все расчеты необходимо выполнить в системе СИ.
Полученные значения и коэффициента теплопроводности следует относить к средней температуре испытаний соответственно для режима 1 и 2
и
В заключение необходимо построить график зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры теплоизоляционного материала.