МУ по ЛР

б) необходимые графики; в) выводы по выполненной работе.

9. Студенты, не предоставившие отчет, к следующей лабораторной работе не допускаются.

5.3 . Основные обозначения

L – длина, [м]

d – диаметр, [м]

f – площадь поперечного сечения, [м2] H – поверхность, [м2]

- время, [сек.]

t – температура, [оС]

T – абсолютная температура, [К]

tf – температура жидкости, газа, [oС] tw – температура стенки, [oС]

Q – тепловой поток, [Вт]

q – плотность теплового потока, [Вт/м2]

q1 – линейная плотность потока на единицу длины трубы, [Вт/м] k – коэффициент теплопередачи, [Вт/м2град.]

- коэффициент теплопроводности, [Вт/м град.] E – излучательная способность [Вт/м2]

с – коэффициент излучения, [Вт/м2К4]- степень черноты,- удельный объем, [м3/кг]- плотность, [кг/м3]

- коэффициент динамической вязкости, [кг/м сек.]- коэффициент кинематической вязкости, [м2/с] а – коэффициент температуропроводности, [м2/с]- коэффициент объемного расширения, [1/К]

g – ускорение силы тяжести, [м/с2] U – падение напряжения, [B]

I – сила тока, [A]

– характерный размер, [м]

Безразмерные параметры:

5.4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТРУБЫ

5.4.1.Цель работы

1.Изучение процесса теплопроводности.

2.Ознакомление с одним из экспериментальных методов.

3.Получение навыков в проведении эксперимента.

5.4.2.Задание

1.Определить коэффициент теплопроводности двух исследуемых материалов.

2.Установить зависимость коэффициентов теплопроводности от температуры.

3.Сопоставить между собой полученные данные.

4.Составить отчет по работе.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепла путем непосредственного соприкосновения беспорядочно движущихся (колеблющихся) структурных частиц вещества – молекул, атомов, электронов. Это так называемый молекулярный способ переноса тепловой энергии, который может осуществляться в любых термически неравновесных (т.е. имеющих различные температуры) телах или системах тел.

В основу теории теплопроводности положен закон Фурье – тепловой поток прямо пропорционален температурному градиенту:

где

Н – площадь поверхности, через которую проходит тепло, [м2];- коэффициент теплопроводности;

dndt - температурный градиент, [К/м], [oC/м].

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел проводить тепло:

Q

, (5.2)

H dndt

По своему физическому смыслу коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, или другими словами, это тепловой поток в единицу времени через единицу изотермической поверхности при изменении температуры на единицу толщины стенки в один градус. Коэффициент теплопроводности

зависит от природы тела, его пористости, влажности, давления, температуры и других параметров. Для всех материалов с изменением температуры изменяется по линейному закону во всем рассматриваемом интервале температур:

где

о – коэффициент теплопроводности при 0 оС;

b – постоянная, характеризующая приращение (уменьшение) материала при повышении его температуры на 1 оС.

Численное значение коэффициента теплопроводности определяется опытным путем различными методами (шара, плиты и др). Для теплоизоляционных материалов ( ≤ 0,3 [Вт/м К]) наибольшее распространение получил метод трубы (цилиндра), сущность которого заключается в следующем.

При установившемся тепловом режиме количество тепла Q, передаваемого в единицу времени от внутренней поверхности цилиндра к наружной на участке длиной L, определяется согласно закону Фурье для цилиндрической стенки:

Установившийся (стационарный) режим предполагает неизменность температур t1 и t2 на внутренней и внешней поверхностях стенки диаметром, соответственно d1 и d2 (см. рис. 1), в различные моменты времени.

Таким образом, если коэффициент теплопроводности рассматривать как постоянную в диапазоне температур t1-t2 величину, то измерив значения t1, t2, Q, его можно вычислить из уравнения

5.4.3. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 5.1, предназначена для определения коэффициентов теплопроводности двух различных материалов. Она состоит из двух элементов, которые отличаются один от другого только материалом испытуемой изоляции, поэтому в дальнейшем будет описано устройство

лишь одного элемента. Он представляет собой медную трубу (13) наружным диаметром d1=12 мм и длиной L=350 мм, на которую нанесен слой испытуемой изоляции (14) диаметром d2=24мм. Внутри трубы помещена спираль (15), по которой пропускается электрический ток, служащий источником тепла. Все выделяющееся тепло Q передается через цилиндрическую поверхность испытуемой изоляции. Величина Q определяется по показаниям вольтметра и амперметра и для каждого из двух элементов равна:

4.4.4. Порядок проведения опытов и обработка результатов эксперимента

Измерение температуры исследуемых материалов производится при помощи термопар (1-12). Горячие спаи термопар заложены на внутренней (№№ 1, 2, 3 в первом элементе и №№ 7, 8, 9 во втором элементе) и наружной (№№ 4, 5, 6 в первом элементе, и №№ 10, 11, 12 во втором элементе) поверхностях испытуемого материала. Переключение термопар производится переключателем (17). Результаты замеров вносятся в журнал наблюдений (табл. 5.1)

Убедившись, что режим работы установки стационарный (установившийся), провести после этого не менее 3-х замеров с интервалом 1-2 минуты.

Следующий опыт проводится аналогично первому при другом температурном режиме, для этого изменяют мощность тока. Замеры на 2- ом режиме начинают через 3-5 мин, после смены режима. Определение коэффициента теплопроводности производится по формуле (5.5).

Для выяснения зависимости коэффициента теплопроводности от

Рис. 5.1. Схема лабораторной установки

5.4.5. Содержание отчета

1.Задание.

2.Журналы наблюдений.

3.Обработка результатов опытов.

4.График зависимости коэффициентов теплопроводности от средней температуры исследуемых материалов.

5.Сравнение полученных результатов с литературными данными и между собой.

5.4.6.Вопросы для самостоятельной проверки

1.Физическая сущность процесса теплопроводности.

2.Содержание основного закона теплопроводности и его приложение к телам простой геометрической формы.

3.Коэффициент теплопроводности и факторы, влияющие на его величину.

4.Расчетные зависимости, положенные в основу опытного определения коэффициента теплопроводности.

5.Устройство опытной установки.

6.Обработка опытных данных.

5.4.7.Защита лабораторной работы №1

Для защиты лабораторной работы №1 следует ответить на 10 вопросов по теме «Теплопроводность» из раздела «Контрольные вопросы к лабораторным работам» (см. стр.135). При ответе можно допустить не более двух ошибок. Если для защиты используется ЭВМ, то рекомендуется вначале работать в режиме «обучение». При этом машина будет воспринимать только правильные ответы и не допустит к следующему вопросу, если не дан правильный ответ на предыдущий. В режиме «зачет» машина реагирует на любой ответ и в завершении работы выставляет оценку.

5.5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ

ЧЕРНОТЫ ТЕЛА

5.5.1.Цель работы

1.Закрепление знаний по тепловому излучению.

2.Ознакомление с методикой проведения экспериментов по определению степени черноты тела.

3.Развитие навыков проведения экспериментов.

5.5.2.Задание

1.Определить степень черноты и коэффициент излучения поверхностей 2-х различных материалов (меди и алюминия).

2.Установить зависимость изменения степени черноты от температуры поверхности.

3.Сравнить значение степени черноты меди и алюминия между собой

исо справочными данными.

5.5.3.Краткое теоретическое введение

Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии посредством электромагнитных волн. Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от свойства излучающего тела и его температуры и не зависит от температуры окружающих тел.

В общем случае тепловой поток, попадающий на тело, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис.

5.2).

Q = QА + QR + QD ,

Q

QA

QD

QR

Рис. 5.2. Схема распределения лучистой энергии

1 QQА QQR QQD A R D

где Q – тепловой поток, падающий на тело;

QА – количество тепла, поглощаемое телом,

QR – количество тепла, отражаемое телом,

QD – количество тепла, проходящего сквозь тело. Делим правую и левую части на тепловой поток:

Величины A, R, D, называются соответственно: поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела.

Если R=D=0, то A=1, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, поглощается. Такое тело называется абсолютно черным.

Тела, у которых A=D=0, R=1, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, отражается от него, называются белыми. При этом, если отражение от поверхности подчиняется законам оптики тела называют зеркальными - если отражение диффузное - абсолютно белыми.

Тела, у которых A=R=0 и D=1, т.е. весь поток, падающий на тело, проходит сквозь него, называются диатермичными или абсолютно

прозрачными.

Абсолютных тел в природе не существует, однако понятие о таких телах очень полезно, особенно об абсолютно черном теле, так как законы, управляющие его излучением, особенно просты, потому что никакое излучение не отражается от его поверхности.