Вивчення процесу теплопровідності матеріалів

1. Призначення роботи

Вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта теплопровідності матеріалів методом пластини.

Вивчення методики розрахунку процесу теплопровідності в технологічних процесах сільського господарства.

2. Завдання

Визначити числове значення коефіцієнта теплопровідності пластини заданого матеріалу. Встановити залежність коефіцієнта теплопровідності матеріалу від температури. Скласти звіт.

3. Теоретичні основи

Розподіл температури в просторі, занятому фізичним тілом, характеризується температурним полем, яке являє собою сукупність значень температур t в даний момент часу для всіх точок цього простору.

Якщо температура являється функцією одних тільки просторових координат (х,у,z), то таке поле називається стаціонарним, або усталеним. Коли температура кожної точки тіла залежить і від часу , тобто t = f(х,у,z ), тоді поле називається нестаціонарним або неусталеним.

Геометричне місце точок, які мають однакову температуру, називають ізотермічною поверхнею. Так як в одній і тій же точці не може бути двох різних температур, то ізотермічні поверхні не можуть перетинатися, а замикаються на собі, розташовуючись в середині тіла або на його границях.

Границя, відношення зміни температури t до відстані між ізотермами по нормалі n називається температурним градієнтом:

Температурний градієнт являється вектором, направленим по нормалі до ізотермічної поверхні, причому за додатній напрямок вектору приймається напрямок в бік збільшення температури.

Кількість теплоти Q, Вт, яка проходить в одиницю часу через ізотермічну поверхню F, м², називають питомим тепловим потоком або тепловим навантаженням поверхні нагрівання:

q= Вт/м²

Величини Q та q являються векторами, направленими по нормалі до ізотермічної поверхні, причому за додатній напрямок приймається напрямок в бік зменшення температури. Вектори теплового потоку і градієнта температур протилежні за напрямком. Загальна кількість тепла, переданого через стінку з поверхнею F за час , с, складає

, Дж.

Основний закон теплоопровідності формулюється наступним чином: питомий тепловий потік прпорційний градієнту температур:

q =

де – теплопровідність матеріалу тіла, Вт/(м К), який являється коефіцієнтом пропорційності.

Формулювання основного закону теплопровідності належить французькому вченому Фур'є. Цей закон сформульований у вигляді гіпотези, був підтверджений численними дослідами. Для найбільш простого випадку, коли теплота поширюється в плоскій стінці тільки в одному напрямку (вздовж осі х) закон Фур'є приймає вигляд:

q = Вт/м².

Знак мінус поставлений тому, що тепло поширюється в бік зниження температури.

Після iнтегрування рівняння Фур'є набуває такого вигляду:

Вт/м²,

або в іншій формі, ввівши поняття про тепловий (термічний) опір:

Вт/м²,

де – тепловий (термічний) опір, м² К/ Вт;

товщина теплової ізоляції, м.

Для складної стінки, яка має n шарів, тепловий опір дорівнює сумі опорів окремих шарів. Тоді:

, Вт/м².

4. Опис дослідної установки

Робоча дільниця установки являє собою (рис.4) дві круглі пластини 1 теплової ізоляції, однакових розмірів, виконаних одна з пінопласту товщиною = 10 мм, діаметром d = 140 мм. та цегли товщиною = 6 мм, діаметром d = 140 мм. Між пластинами вмонтовано нагрівач 2. На зовнішніх сторонах пластин 1 розташовані два протічні водяні холодильники (вода). Термопари 5 Т₁-Т₃ (Нагрівач) розташовані на внутрішніх сторонах пластин 1 теплової ізоляції, термопари 5 Т₄-Т₉ – на зовнішніх.

Тепловий потік утворюється шляхом прямого пропускання змінного струму через нагрівач 2.

5. Проведення досліду

5.1. Поворотом вентиля крану подається вода на робочу ділянку двох проточних водяних холодильників. Інтенсивність подачі води контролюється водяним лічильником.

5.2. Подати напругу на дослідну установку. При цьому висвічується індикатор "Живлення".

5.3. Подати напругу на автотрансформатор і поступово з заданим кроком реостатом збільшити її до заданої величини. В процесі проведення досліду проводяться виміри в усталеному режимі. Час встановлення усталеного режиму 8…12 хвилин (покази термопар не повинні змінюватись з часом).