Методика определения термического коэффициента линейного расширения материалов (лабораторная работа)

Цель работы: Определение термического коэффициента линейного расширения стали и дюрали.

Описание установки: Для определения коэффициента линейного расширения в данной работе применяется метод, основанный на измерении удлинений цилиндрических трубок из различных металлов при их нагревании.

Используемый в работе прибор состоит из подставки, на которой укреплены две металлические стойки с отверстиями для установки трубок из испытуемых металлов (Рис. 1).

Рис. 1 Установка для измерения удлинения цилиндрических трубок при их нагревании

Сами трубки помещены в деревянный кожух для уменьшения потерь тепла. Нагрев трубок происходит при пропускании через них электрического тока, источником которого является блок питания. Измерение температуры трубок производится с помощью электрического датчика, а измерение удлинения трубки при нагревании производится с помощью индикатора стрелочного типа (Рис 2).

Индикатор состоит из корпуса 2, измерительной штанги 1, обоймы со шкалой 3, малой стрелки 5, большой стрелки 4. Система передачи изменения длины предмета осуществляется с помощью штанги и рычажного механизма, находящегося в корпусе.

Рис. 2 Индикатор стрелочного типа

Индикатор относится к точным измерительным приборам, применяемым при измерении небольших длин. Цена одного деления большой шкалы составляет 0,01мм. Полный оборот большой стрелки соответствует изменению длины на1мм. Это фиксируется отклонением малой стрелки на одно деление по малой шкале. Следовательно, цена одного деления малой шкалы соответствует 1 мм. Максимальное изменение длины, которое может зафиксировать индикатор, не должно превышать 10 мм.

Шкалы индикатора имеют черную и красную расцифровку. С помощью черных цифр измеряют величину удлинения тел, с помощью красных цифр – укорочение тел.

В данной работе правый конец трубки крепится на правой стойке установки с помощью зажимного винта. На левом конце трубки закреплена пластина из того же металла, из которого изготовлена трубка. К этой пластине передвигают индикатор так, чтобы его штанга соприкоснулась с пластиной и малая стрелка индикатора установилась на нуле. В этом положении закрепляют индикатор на отдельной стойке с помощью зажимного винта. Затем поворотом ободка корпуса индикатора устанавливают большую стрелку- указатель на нулевом значении шкалы.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте масштабной линейкой длину трубки L₁ при начальной температуре Т₁ от точки её закрепления винтом на правой стойке до штанги индикатора.

2. Тумблер блока питания установите в положение “Вкл.”

3. Переключатель диапазонов блока питания установите в положение соответствующее максимальной силе тока.

4. Тумблер цифрового вольтметра, к которому подсоединён датчик температуры, установите в положение “Вкл.”

5. Переключатель диапазонов установите в положение соответствующее измерению температуры.

6. Сразу же после включения вышеуказанных приборов запишите показание индикатора цифрового вольтметра, соответствующее начальной температуре трубки Т₁ , во все строки первого столбика таблицы.

7. Рассчитайте значения температуры Т₂=Т₁+ΔТ, при которых с помощью индикатора будут фиксироваться удлинения трубки за счёт её нагрева.

8. Запишите рассчитанные значения в третий столбик таблицы.

9. Постепенно длина трубки будет увеличиваться и стрелка- указатель индикатора будет перемещаться от нулевого деления против часовой стрелки, показывая удлинение трубки при её нагреве. Последовательно записывайте эти показания в четвёртый столбик таблицы при достижении трубкой температуры, записанной в третьем столбике. Значение температуры определяют по показаниям индикатора цифрового вольтметра.

Т1,0С	ΔТ, 0С	Т2, 0С	ΔL∙102, мм
	5
	7
	9
	11
	13
	15
	17

Данные таблицы подставьте в формулу (9): и определите коэффициент линейного расширения материала трубки для каждого значения Т₂. Затем вычислите среднее значение коэффициента линейного расширения материала для выбранного температурного интервала.

Опыт полностью повторите со второй трубкой.

Решить задачи:

1. Колба, теплоёмкостью которой можно пренебречь, содержит 600г воды при температуре 80⁰С. Какое количество льда при температуре -15⁰С нужно добавить в воду, чтобы окончательная температура смеси была равна 50⁰С? Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/кг∙К, удельная теплота плавления льда 330000 Дж/кг.

2. Коэффициенты теплопроводности дентина, композитного полимера и эвгенольного цемента равны: λ_дент=0,62 Вт/м∙К, λ_пол=23,3 Вт/м∙К, λ_цем=0,46 Вт/м∙К. Какой из двух последних материалов целесообразно использовать в качестве подкладочного? Почему?

3. Для того, чтобы подготовить к пломбированию кариозную полость в моляре делается цилиндрическое отверстие диаметром 3мм и высотой 4мм. Оно заполняется затем одним из стоматологических фотополимеров(зуб пломбируется). Рассчитайте разницу в изменениях объёма пломбировочного материала и отверстия при повышении температуры на ΔТ=50⁰С. Термические коэффициенты линейного расширения полимера и дентина равны: α_пол.=20∙10^-6 К^-1, α_дент..=10∙10^-6 К^-1. Анализируя полученный результат, укажите, приведет ли такое повышение температуры к возникновению силы, действующей со стороны пломбировочного материала на дентин. Если да, то каковы возможные последствия данной ситуации.

Литература

1. Конспект лекций.

2. Иванов А.А. Теплофизические характеристики зубных тканей и стоматологических материалов Методы их измерения. Учебное пособие МГМИ. Минск 1999.

10