Измерение Теплопроводности
Теплопрово́дность — это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.
Теплопроводность – это передача теплоты, протекающая при наличии градиента температуры и обусловленная тепловым движением частиц.
Коэффициент
теплопроводности численно равен
количеству теплоты, переносимому через
единицу площади поверхности за единицу
времени при единичном градиенте
температуры. [c измеряется в
].
При определении коэффициента теплопроводности газов и жидкостей необходимо тщательно исключить другие виды теплопередачи – конвекцию (перемещение более нагретых частей среды вверх и опускание более холодных) и теплопередачу излучением (лучистый теплообмен).
Теплопроводность вещества зависит от его состояния. В таблице I приводятся значения коэффициента теплопроводности некоторых веществ.
Таблица I
Вещество |
t, °C |
c,
|
Серебро Медь Железо Нихром (90% Ni, 10% Cr) Cлюда Вода Водород Воздух |
0 18 20 20 40 10 0 100 0 100 |
458,57 384,93 78,57 17,46 0,360 0,588 0,167 0,209 0,023 0,031 |
Комплекс приборов для измерения тепловых и влажностных свойств
Измеряемые характеристики: теплопроводность, тепловое сопротивление, температуропроводность, теплоёмкость, энтальпия, теплота фазовых и структурных превращений, влагосодержание, криоскопическая температура, внутренние тепловые источники. Объекты исследования: любые конденсированные (твёрдые и жидкие) вещества и материалы неорганической и органической природы (теплоизоляторы, строительные и конструкционные материалы, полимеры, пищевые продукты, полупроводники, металлы и др.). Область рабочих температур: – - 30 ... + 80°С. Размеры и форма образцов: а) при исследовании теплопроводности и теплового сопротивления –диски диаметром 20 ... 70 мм и толщиной от 0,5 до 40 мм; цилиндрические и плоские слои толщиной до 2 мм; б) при исследовании энтальпии, теплоёмкости, влагосодержания и кинетики тепловых превращений – образцы объёмом ~ 5 ... 10 см3. Режим измерений: монотонный нагрев или охлаждение образца. Длительность опыта: от 3 до 40 минут (в зависимости от свойств образца). Степень автоматизации измерений: автоматизированы режим опыта, сбор и компьютерная обработка первичной экспериментальной информации (автоматизацию обеспечивает специализированный контроллер). Точность измерений: комплекс соответствует требованиям, которые предъявляются к лабораторным исследованиям (нормированные погрешности от 3 до 7%). Состав измерительного комплекса: набор индивидуальных тепловых ячеек; набор специализированных контроллеров, содержащих узлы электропитания, автоматического управления работой ячеек, сбора, хранения и цифровой обработки первичной информации. Предусмотрено подключение стандартного персонального компьютера. Для предварительного нагрева образцов выше 20°С может применяться малогабаритная печка, а для предварительного охлаждения образцов ниже 20°С используется типовая морозильная камера с рабочим объёмом 5 – 10 литров (в комплект комплекса не входит).
Температурные и тепловые датчики: дифференциальные термопары, микротермисторы, градиентные и энтальпийные тепломеры индивидуального изготовления
Габариты приборов: каждый индивидуальный прибор размещается на лабораторном столе площадью не более 0,25 м2 (без морозильной камеры).
Электропитание: сеть напряжением 220 В, энергопотребление мощностью не более 20…300 Вт.
Целевое назначение: комплектация научно-исследовательских теплотехнических и материаловедческих лабораторий, служб главного технолога предприятий, а также учебных лабораторий на выпускающих кафедрах соответствующего профиля.
Прибор ИТС–l–1
Н
азначение.
Прибор предназначается для измерений
теплопроводности и теплового сопротивления
разнообразных теплоизоляционных,
строительных и конструкционных материалов
вблизи комнатной температуры
Прибор
позволяет исследовать плотные,
мелкодисперсные и воздушнопористые
материалы с теплопроводностью от 0,030
до 20 Вт/(м×К). Измерения проводятся на
плоских образцах площадью от 5 до 100 кв.
см. и толщиной от 0,5 до 40 мм. Допускаются
неразрушающие измерения листовых
материалов (без вырезки образца).
Режим
опыта.
Односторонний нагрев образца электрическим
источником постоянной мощности.
Длительность
опыта.
От 3 до 30 минут (зависит от толщины и
свойств материала).
Погрешность
измерений.
Соответствует требованиям для лабораторных
измерений (3 … 7%).
Степень
автоматизации.
Прибор оснащен специализированным
контроллером, который обеспечивает
автоматизированное управление опытом
и обработку информации. Предусмотрена
возможность дополнительного анализа
результатов с помощью персонального
компьютера.
Конструктивное
оформление.
Прибор является настольным, выполнен
в виде двух самостоятельных блоков –
разъемной тепловой ячейки и электронного
управляющего пульта (контроллера).
Занимает площадь 0,25 м2.
Прибор ИТС–с–2
Назначение. Прибор предназначается для исследования тепловых и влажностных характеристик тонкодисперсных влагосодержащих материалов в области температур (–30 … 20)°С. Могут также изучаться тепловые свойства любых веществ и материалов, как жидких, так и твердых. Используются образцы объемом ~5 см3. Опыты могут проводиться в режимах замораживания и размораживания образца. В опыте комплексно определяются энтальпия, эффективная и истинная теплоемкость, дифференциальная и интегральная теплота фазовых превращений, доля вымороженной влаги и криоскопическая температура образца. Для охлаждения образца или ячейки пригодна любая типовая морозильная камера с рабочим объемом ~5 литров и более (в комплект прибора не входит). Режим опыта. Ампула с образцом монотонно охлаждается или нагревается в температурном диапазоне (–30 … 20)°С. В зависимости от влагосодержания образца, опыт может продолжаться от 10 до 40 минут. Обработка опыта производится с привлечением компьютера по специальной программе. Погрешность измерений. Отвечает требованиям, которые предъявляются к лабораторным исследованиям. Степень автоматизации. Прибор оснащен специализированным контроллером, обеспечивающим автоматизированное управление опытом и электронно-вычислительную обработку информации. Предусмотрена возможность дополнительного анализа результатов с помощью персонального компьютера. Конструктивное оформление. Прибор является настольным, выполнен в виде двух блоков – тепловой ячейки и электронного управляющего пульта. Занимает площадь 0,25 м2.
Прибор ИТС–lс–3
Назначение. Прибор предназначается для измерения теплопроводности и теплоемкости веществ при атмосферном давлении в области температур минус 30 ... плюс 80°С. Исследоваться могут любые жидкости и пастообразные вещества, пищевые продукты и полуфабрикаты, с теплопроводностью от 0,10 до 1,0 Вт/(м×К). Измерения проводятся в открытой среде. Образцы размещаются в специальных ампулах с рабочим объемом 10 – 4 см3. Теплопроводность и теплоемкость определяется в независимых опытах, в разных ампулах. Режим опыта. Опыт проводится в режиме регулярного нагрева или охлаждения образца. Образец предварительно нагревается или охлаждается, а затем помещается в тепловую ячейку, находящуюся в среде комнатной температуры. Длительность опыта. Подготовка ампулы к опыту не превышает 10 мин. Опыт продолжается 3 – 10 мин (время зависит от свойств образца). Погрешность измерений. Теплопроводность определяется с погрешностью (5 – 10)%, теплоемкость – с погрешностью (3 – 5)%. Степень автоматизации. Прибор оснащен специализированным контроллером, обеспечивающим автоматизированное управление рабочим опытом и обработку информации. Предусмотрена возможность дополнительного анализа результатов с помощью персонального компьютера. Конструктивное оформление. Прибор является настольным, выполнен в одном корпусе, в котором находятся тепловая ячейка, малогабаритная печка и электронный управляющий пульт. Масса прибора ~5 кг. Занимаемая площадь ~0,1 м2.
Прибор ИТС–с–4
Назначение. Прибор предназначается для исследования тепловых и влажностных характеристик материалов в области температур минус 30 … плюс 20°С. Имеется возможность производить исследование тепловых свойств обычных веществ и материалов. Используются образцы объемом ~20 см3. Опыты могут проводиться в режимах замораживания и размораживания образца. В опыте комплексно определяются энтальпия, эффективная и истинная теплоемкость, дифференциальная и интегральная теплота фазовых превращений, доля вымороженной влаги, криоскопическая температура (температура начала замерзания влаги в образце). Для охлаждения образца или ячейки пригодна любая типовая морозильная камера с рабочим объемом ~5 литров и более (в комплект прибора не входит). Режим опыта. Ампула с образцом монотонно охлаждается или нагревается в температурном диапазоне (–30 … 20)°С. В зависимости от влагосодержания образца, опыт может продолжаться 10 … 40 минут. Обработка опыта производится с привлечением компьютера по специальной программе. Погрешность измерений. Отвечает требованиям, которые предъявляются к лабораторным исследованиям. Степень автоматизации. Прибор оснащен специализированным контроллером, обеспечивающим автоматизированное управление опытом и электронно-вычислительную обработку информации. Предусмотрена возможность дополнительного анализа результатов с помощью персонального компьютера. Конструктивное оформление. Прибор является настольным, выполнен в виде двух блоков – тепловой ячейки и контроллера. Занимает площадь 0,3 м2.
Прибор ИТС–с–5
Назначение. Прибор предназначается для измерения теплоемкости при атмосферном давлении в области температур от минус 30 до плюс 80°С. Исследоваться могут любые твердые материалы и жидкости. Измерения проводятся в открытой среде. Образцы размещаются в специальных ампулах объемом 10 … 40 см3. Режим опыта. Опыт проводится в режиме регулярного нагрева или охлаждения ампулы с образцом. Ампула и образец предварительно нагреваются или охлаждаются, а затем помещаются в тепловую ячейку, находящуюся в среде комнатной температуры. Для предварительного нагрева выше 20°С используется малогабаритная печка, а для предварительного охлаждения ниже 20°С – типовая морозильная камера с рабочим объемом 2 литра или бытовой холодильник (в комплект прибора не входит). Длительность опыта. Подготовка ампулы к опыту не превышает 10 мин. Опыт продолжается примерно 3 … 10 мин (в зависимости от свойств образца). Погрешности измерений. Нормированная погрешность не превышает 3 … 5%. Степень автоматизации. Прибор оснащен специализированным контроллером, обеспечивающим автоматизированное управление рабочим опытом и электронно-вычислительную обработку информации. Предусмотрена возможность дополнительного анализа результатов с помощью персонального компьютера. Конструктивное оформление. Прибор является настольным, выполнен в виде двухблоков: тепловой ячейки и электронного управляющего пульта (контроллера). Прибор имеет массу ~5 кг, настольное оформление и занимает площадь ~0,3 м2.
Прибор ИТС–q–6
Назначение. Прибор предназначается для измерения внутренних тепловых источников, возникающих при химических реакциях, в процессах растворения, окисления и т. п. Исследоваться могут химически неактивные вещества. Измерения проводятся в открытой среде. Исследуемое вещество размещается в специальной ампуле объемом 20 … 40 см3. Режим опыта. Опыт проводится в изотермической среде комнатной температуры. Регистрируется тепловой поток, генерируемый или поглощаемый исследуемым веществом. Длительность опыта. Определяется особенностями процесса, сопровождающегося выделением или поглощением теплоты. Чувствительность прибора. Составляет примерно 0,1 мВт. Степень автоматизации. Прибор содержит индивидуальный полупроводниковый тепломер и оснащен специализированным контроллером, обеспечивающим автоматизированный сбор экспериментальной информации и электронно-вычислительную обработку опыта. Предусмотрена возможность дополнительного анализа результатов с помощью персонального компьютера.