Методы определения теплопроводности, температуропроводности, теплоемкости. (ГОСТ 23630.1-3-79

Метод определения коэффициента линейного теплового расширения.

Методы определения теплофизических свойств.

Метод позволяет определять a (средний коэффициент линейного теплового расширения), не связанный с изменением размеров вследствие влаги, отверждения, потери пластификатора или растворителя, снятия внутренних напряжений.. Определяют приращение относительной длины образца, вызванное повышением его температуры от t₁ до t₂.

Минимальный интервал температур 10^оС, возможно расширение диапазона на величины кратные 10^оС, но не выше температуры размягчения.

В качестве прибора используется трубка из плавленого кварцевого стекла (с a=0,6.10^-6 1/К). Измерение длины осуществляют визуально или автоматически. В середине образца сбоку сверлят отверстие диаметром 1 мм, для ввода термопары. Размер образцов: длина -50 мм (или больше), диаметр 10 мм (или квадрат 7х7 мм). Скорость нагревания не более 1,5 К/мин. Расчет проводят по формуле

a_л=(L/Lo)(DL/DT) = (L(T2)-L(T1))/L(T1)/(T2-T1)

где DТ=Т₂-Т₁ и DL=L-Lo. Температурный коэффициент объемного расширения a=(1/V)(DV/DT). Для изотропных тел a=3a_л.

Метод определения теплоемкости (по ГОСТ) - определение С_р в нестационарном режиме в диапазоне температур от -100 до 400^оС.

Отбор проб, способ и режимы изготовления образцов рекомендуется указывать в НТД на материал. Образцы для испытаний имеют вид дисков диаметром 15 мм, высотой 10 мм с прорезью 0,5 мм (для компенсации теплового расширения). Для испытания берут не менее 3-х обр. Применяют прибор ИТ-с-400, который определяет теплоемкость с погрешностью не более 10%.

Прибор состоит из измерительного блока (содержащего калориметр), блока питания и регулирования температуры, обеспечивающий равномерный нагрев со скоростью 0,1 К/мин и автоматическое регулирование температуры адиабатной оболочки и гальванометр М195/1.

Для градуировки используют образцы из меди или нержавеющей стали тех же размеров (но без прорези), Для поверки прибора используют корундовые образцы. Используют при измерениях также сосуд Дюара, секундомер, кремнийорганическую жидкость (КО), бензин, этиловый спирт, жидкий азот. Градуировку и поверку проводят не реже одного раза в три месяца.

ампула

образец Схема:

основание

t,c

1-Схема измерительной ячейки для определения теплопроводности. В основании вмонтирована нагревательная спираль. 2 - Временные зависимости температур основания, ампулы с образцом и без образца.

Перед измерениями образец взвешивают (погрешность менее 0,001 г), контактные поверхности образца, ампулы и крышки промышают бензином, спиртом и смазывают тонким слоем КО. Образец помещают в ампулу и устанавливают в прибор, затем закрывают калориметр.

Сначала заливают азот (через патрубок) и охлаждают систему до

-150^оС. Затем включают нагрев. При нагреве через каждые 25^о измеряют время запаздывания температуры ампулы (с образцом) по отношению к температуре основания, для чего при достижении т-ры испытания включают секундомер, а когда т-ра ампулы доходит до того же значения, секундомер отключают. Удельную теплоемкость Ср Дж/(кг.К) для каждой т-ры вычисляют по формуле

Ср=(К_Т/m) (t_Т-t_ср)

где t_Т- время запаздывания,с, t_ср -постоянная прибора, определенная при градуировке. К_Т- постоянная прибора, [Вт/К] - эффективная тепловая проводимость тепломера, определяемая при градуировке.

Градуировку проводят пять раз с металлическим образцом известной теплоемкости Смет. Затем вычисляют К_Т=mСмет/(t_Т-t_ср). С мет находят по таблице в приложении к стандарту. Определяют также t_ср - время запаздывания температуры пустой ампулы по отношению к температуре основания.

Метод определения теплопроводности - определение l в нестационарном режиме в диапазоне температур от -100 до 400^оС.

Используют образцы в форме диска диаметром 15 мм и высотой от 0,5 до 5 мм. в зависимости от величины l: при l=0,1-3 Вт/(м.К) высота 0,5 - 1 мм и при l более 2 Вт/(м.К) высота 5 мм. Используют прибор ИТ-l- 400. Используют также образцы из меди того же диаметра, высотой 5 мм, образцовые меры из кварцевого стекла “КВ”. Перед началом измерений измеряют размеры образца (погрешность не более 0,001 мм) и взвешивают его (погрешность не более 0,001 г). Измерения ведут в той же последовательности, как и в предыдущем случае. Образец устанавливают в прибор на тепломер, затем опускают стержень, прижимая его прижимом и пружиной и закрывают калориметр.

При измерениях металлическое ядро калориметра состоит из нагревательного блока, основания, тепломера, стержня из меди и адиабатной оболочки.

прижим

стержень

образец адиабатная оболочка

тепломер

основание

При нагревании через каждые 25^оС (температура стержня) измеряют перепады температур на образце и на тепломере, пропорциональные числу делений шкалы гальванометра, Теплопроводность вычисляют по формуле

l=(h/Po)(1-s_b)

где h - высота образца, R_T- тепловое сопротивление образца, м²К/Вт, s_b - поправка на тепловое расширение образца, которую вычисляют по формуле s_b =bDТ, здесь b- справочное значение коэффициента линейного теплового расширения,1/К, DТ - температурный интервал испытаний, ^оС.

Тепловое сопротивление образца R_T вычисляют по формуле

R_T=n_oS/(n_TK_T)(1+s_с)-Рк или R_T ≈ (T₂-T₁)S/K_T

S-площадь поперечного сечения, м², Рк- поправка, учитывающая тепловое сопротивление контактов и определяемая из градуировки прибора, n_o- перепад температуры на образце, n_T - перепад температуры на тепломере, К_T и Рк коэффициенты, учитывающий эффективную теплопроводность тепломера и тепловое сопротивление контактов, определяют при градуировке.

Метод определения температуропроводности - определение “ а ”- в нестационарном режиме в диапазоне температур от -100 до 400^оС.

Сущность метода состоит в измерении времени запаздывания температуры средней плоскости образца по высоте относительно верхней и нижней контактных пластин, соприкасающихся с образцом в процессе монотонного режима нагрева.

Образец в форме диска диаметром 15 мм и высотой 2h=6-10 мм с отверстием под термопару диаметром 1 мм, высверленном сбоку посередине до центра сбоку.

Аппаратура: прибор ИТ-а-400, основой которого является а-калориметр. Используют также образцы из меди и из кварцевого стекла тех же размеров,

Т₃ верхняя контактная пластина

Т₂ образец

Т₁ нижняя контактная пластина

нагревательный блок

t(T₃)-t(T₂)=t_3-2 ; t(T₂)-t(T₁)=t_1-2

Металлическое ядро калориметра состоит из нагревательного блока, основания, нижней и верхней контактных пластин и адиабатической оболочки (АО). При нагревании через каждые 25К с помощью двух секундомеров измеряют время запаздывания температуры образца по отношению к температуре нижней контактной пластине t_1-2 и верхней t_3-2. Температуропроводность вычисляют по формуле

а=[h²/(t_1-2+t_3-2 -t_о)](1-s_a-s_b) [м²/с] ≈ h/[(t₃-t₂)+(t₂-t₁)]

где h-половина высоты образца, м, tо-поправка на контактное тепловое сопротивление, определяемая при градуировке, s_a- поправка на боковой теплообмен, s_b- поправка на тепловое расширение образца. Значения s_{a и} s_b вычисляют из геометрических размеров и справочных данных по теплопроводности, линейного теплового расширения с учетом данных, полученных при испытаниях калиброванных образцов.

Определение теплопроводности. (Статический метод).

Удельная теплопроводность представляет собой величину, аналогичную удельной объемной электропроводности материала.

Рассмотрим образец материала сечением F длиной h; на торцевых плоскостях образца устанавливаются различные температуры. Предположим, что тепловой поток распространяется в образце вдоль продольной оси, не выходя за боковую поверхность образца, Для установившегося процесса передачи тепла через тело с полным тепловым сопротивлением Rt при разности температур на горячей и холодной поверхностях DТ. Мощность теплового потока (количество тепла, проходящего через тело за единицу времени), Вт:

Р=DТ/R_Т

Уравнение аналогично закону Ома для электрической цепи, причем Р играет роль тока, а DТ - разности потенциалов. При измерениях Р в Ваттах, а DТ в градусах Цельсия, единицей для R_T является град/Вт. Удельное тепловое сопротивление материала

r_т=R_ТF/h

(для удельное объемного электросопротивления r=RF/h)

Размерность для r_т град.м/Вт. Удельная теплопроводность (коэффициент теплопроводности) обратно пропорциональна удельному тепловому сопротивлению: l=1/r_т и имеет размерность Вт/(град.м)

Абсолютный стационарный способ определения удельной теплопроводности сводится к следующему. Образец испытуемого материала толщиной h и площадью поперечного сечения F помещается между нагревателем и охладителем. Нагревателем служит нагревательный элемент, мощность которого регулируется изменением напряжения. Охладителем является полое металлическое тело, через которое пропускается холодная вода. Температура нагреваемой и охлаждаемой поверхностей образца (Т₁ и Т₂) измеряется термопарами. При достижении стационарного режима, когда значения температур не изменяются во времени, находят мощность теплового потока Р, идущего через испытуемый образец, для чего измеряют электрическую мощность нагревательного элемента. После этого коэффициент теплопроводности рассчитывают по формуле

l=Ph/[F(T₁-T₂)]

2 1

4 3 6 5

Рис. Схема прибора для определения удельной теплопроводности абсолютным методом: 1-электронагревательный элемент, 2-горячие металлические диски, 3-испытуемые образцы, 4- охлаждаемые диски, 5 и 6 - охранные кольца электронагревательного элемента и горячих дисков. Показана также термопары, для определения величин температур Т₁ и Т₂.

Температуропроводность возрастает с повышением молекулярной массы полимера, степени кристалличности и давления.

Между теплопроводностью, температуропроводность и теплоемкостью есть фундаментальное соотношение:

а=l/(С_рr) [м²/с]

где С_р - удельная теплоемкость при постоянном давлении и r-плотность.

Для полимеров температуропроводность монотонно уменьшается с повышением температуры. Типичные значения при комнатной температуре а=0,9...1,4.

Важное значение имеет способность материала выдерживать повышенную температуру без существенного уменьшение эксплуатационной надежности. Исключительно важен вопрос о наивысшей допустимой рабочей (эксплуатационной) температуре, которая характеризует нагревостойкость. Нагревостойкостью называют способность материала без повреждений и без ухудшения практически важных его свойств выдерживать действие повышенных температур, а также действие резких смен температуры.

Нагревостойкость определяют по многочисленным испытаниям деталей из данного материала в машинах, оборудовании, в системах изоляции. Нагревостойкость классифицируется по классам. Например, в электротехнике класс В - это способность работать при 120^оС (этому классу соответствует поликарбонат, например); класс Н - способность работать при 180^оС (такому классу соответствует, например, полиимидная ППИ пленка).

Дата добавления: 2014-01-04