ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Метод разогрева—охлаждения из "Теплофизические измерения в монотонном режиме " Метод предназначается для изучения истинной теплоемкости электропроводных материалов, экспериментально он освоен до 3000° С, отличается малой длительностью опыта (несколько минут) и простотой калориметрического устройства. Одновременно с теплоемкостью в нем могут определяться электропроводность и суммарная степень черноты образца. [c.43] Физическая основа. Образец выбирается в виде длинного стержня, проволоки или ленты, имеющих постоянное поперечное сечение, и помещается в газовую или разреженную среду постоянной (обычно комнатной) температуры. Среда выбирается так, чтобы физические свойства образца и особенно степень его черноты оставались на протяжении опыта строго обратимыми функциями температуры. В ряде случаев такой средой может быть воздух. Чаще всего, особенно в области высоких температур, испытания проводятся в среде инертного газа или в вакууме. [c.43] Опыт состоит из двух последовательных стадий. На первой стадии через образец пропускается электрический ток. Выделяющееся джоу-лево тепло быстро разогревает образец до заданного верхнего уровня температуры, после чего источник электропитания отключается и стадия разогрева заканчивается. На второй стадии опыта происходит свободное охлаждение образца до температуры среды. На протяжении обеих стадий регистрируются кривые изменения температуры образца t (т) и мощность W(x) джоулева источника. Закон изменения мощности может быть произвольным. Причем в общем случае источник может действовать не только на участке разогрева образца р(т), но и на участке охлаждения Wa r), особенно если опыт ставится в широком диапазоне температур. Конкретные значения W x) и lFo(i ) подбираются таким образом, чтобы скорости разогрева Ьр(т) и охлаждения 6(,(т) образца на протяжении всего опыта сохраняли удобные для измерений значения. Изменение Wp(x) и Wo(t может осуществляться непрерывно или ступенями. [c.43] Предпосылки и расчетные формулы. Примем, что образец имеет сечение S, периметр Я, длину рабочего изотермического участка I и массу т. Теплоемкость с (t) и степень черноты поверхности е (/) -образца являются функциями температуры /. Окружающая среда термостатирована при температуре и имеет эффективный коэффициент теплоотдачи a t). [c.44] Предполагается, что образец имеет большую длину и малое поперечное сечение, поэтому в его центральной части имеется четко выраженная изотермическая зона. [c.44] Из найденных формул следует, что для определения теплоемкости достаточно знать температурные зависимости W t) и b t) на участках разогрева и охлаждения. Из формул полностью исключен тепловой поток, рассеиваемый с поверхности образца в окружающую среду. [c.44] Главным достоинством термопар является простота и универсальность. Однако возможности применения термопар резко падают по мере уменьшения поперечного сечения образцов. В частности, применение термопар становится проблематичным, когда приходится исследовать образцы с поперечным сечением 5 1 мм , так как теплоемкость термопары оказывается соизмеримой с теплоемкостью образца. [c.45] В соотношении (2-29) индекс Т относится к электродам термопары (предполагается, что оба электрода имеют одинаковые параметры) а я — эффективные коэффициенты теплоотдачи стержня и термоэлектродов в среду. В формуле учтено совместное воздействие двух термоэлектродов. [c.46] Требуется определить величину комплекса Да . [c.46] Из (2-31) имеем s т й 0,07. Следовательно, при наружном креплении термопары исследование стержней диаметром 2R 1 мм нежелательно. Положение несколько улучшится, если будут использоваться термопары с диаметром электродов 2R 0,1 мм. [c.46] На рис. 2-11 показан второй возможный способ крепления термопары к образцу. Этот способ несколько сложнее реализовать, но в метрологическом отношении он имеет ряд несомненных преимуш,еств перед первым. Электроды термопары размещаются во внутренней полости образца. В качестве последнего могут использоваться стержни с глубокими продольными канавками, трубки, спирали из проволоки или ленты и, наконец, полоски листового металла, согнутые в трубку или конус. Внутреннее крепление термопары приводит к тому, что ее электроды разогреваются в опыте совместно с образцом, причем основная часть тепла поступает к ним не через спай, а путем непосредственного теплообмена со стенками образца. Следовательно, при внутреннем креплении термопара на протяжении опыта разогревается в среде переменной температуры, созданной самим образцом, поэтому возникающая динамическая ошибка оказывается малой по величине и слабо зависящей от перегрева образца над окружающей средой. [c.46] Здесь I — эффективная толщина стенки трубки образца Ко (М ) и Ki (м.) — модифицированные функции Бесселя второго рода нулевого и первого порядка. [c.47] Пример. Пусть ср = Схрх = 4-10 дж1 м -град) = 0,1 мм I = 0,2 мм а Uj X 5 вт/(м -град) X 30 вт1 м-град) 6=5 град сек ftv 1 ьг = 2-10 град К Требуется найти ошибку (t — t- ) термопары и относительную погрешность Да , измеренной скорости. [c.47] Условия (2-34) и (2-35) могут служить основой для выбора приемлемых геометрических параметров термопары и образца. [c.47] Выше отмечалось, что рассматриваемый метод импульсного разогрева — охлаждения для измерений теплоемкости электропроводных материалов принципиально пригоден вплоть до температур плавления. В связи с этим важно проанализировать особенности температурных измерений упоминавшихся выше образцов (стержней, трубок, спиралей и т. п.) в области температур t 900° С с помощью оптических пирометров. [c.47] Выпускаемые промышленностью оптические пирометры для решения такой задачи, к сожалению, не пригодны. Для этого нужны пирометры, которые позволяют записывать быстро изменяющееся по величине излучение с рабочего участка образца площадью менее 1 мм . Указанным требованиям могут удовлетворять некоторые фотоэлектрические пирометры, а также специально разработанные для этой цели малоинерционные радиационные тепломеры ( 2-6) и фотографические яркостные пирометры ( 3-6). [c.47] Чтобы воспользоваться оптическими пирометрами, испытуемому образцу целесообразно придать форму, при которой излучение рабочего участка его поверхности можно было бы считать совпадающим с излучением абсолютно черного тела. Примеры образцов, частично удовлетворяющих этому условию, приведены на рис. 2-12. Излучение отверстия а, б), щели (в) и вершины конуса (г) в изображенных на рис. 2-12 поперечных сечениях образцов близко к черному излучению, и по яркости указанных участков можно непосредственно измерять истинную температуру образца. Теплоемкость (t) рассчитывается непосредственно по формуле (2-27) или (2-28). [c.48] Пример 1. Исследуется вольфрам. Для Т = 2000° К его степени черноты Е = 0,26 при Л = 0,47 мкм ёд = 0,469, при Л = 0,65 мкм ёд = 0,443. [c.48] Требуется найти Тр, при Л= 0,65 мкм, Гц и поправочные коэффициенты Да р, и Да , если 0. [c.48] Вернуться к основной статье