280.определение температурной зависимости удельной теплоемкости материалов
1. 1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный
университет»
Кафедра материаловедения и технологии материалов
И.Ш. Тавтилов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОЙ
ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Основы
теории трения и изнашивания»
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Оренбургский государственный
университет» в качестве методических указаний при подготовке студентов по
специальности 150205.65 Оборудование и технология повышения
износостойкости и восстановление деталей машин и аппаратов и направлению
подготовки 150700.62 Машиностроение по профилю «Оборудование и
технология повышения износостойкости и восстановление деталей машин и
аппаратов»
Оренбург
2012
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. 1 Цель работы
1.1 Получение практических навыков определения теплоемкости
материалов при различных температурах.
1.2 Изучение метода динамического калориметра.
2 Общие сведения
Теплоемкость тела – физическая величина, равная отношению
элементарного количества теплоты, поглощенного телом при бесконечно малом
изменении его состояния, к соответствующему приращению температуры тела.
Различают удельную (массовую), объемную и молярную теплоемкости. В
каждом конкретном термодинамическом процессе теплоемкость оказывается
теплофизической характеристикой вещества, однозначно зависящей от
температуры и давления, а также от способа подвода теплоты при каком-либо
неизменном параметре. Чаще всего такими параметрами являются удельный
объем и давление, определяемые при этом удельные теплоемкости называют
соответственно изохорной Pс и изобарной c , Дж/(кг·К).
В малом интервале температур теплоемкость можно считать постоянной
величиной (истинная теплоемкость), в широком интервале пользуются средней
теплоемкостью.
Для идеальных газов разность изобарной и изохорной теплоемкостей
равна удельной газовой постоянной R, Дж/(кг·К), (соотношение Майера):
RcсP . (1)
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. 4
У жидкостей и твердых веществ разность cсP незначительна, поэтому
в технических расчетах ею часто пренебрегают, пользуясь
экспериментальными значениями изобарной теплоемкости.
Теплоемкость является тепловой характеристикой равновесного
состояния вещества. В связи с этим все методы ее непосредственного
определения должны основываться на переходе системы из одного
равновесного состояния в другое посредством поглощения заданного
количества теплоты. Одним из методов измерения теплоемкости является
метод динамического калориметра, схема которого представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Тепловая схема динамического калориметра
Образец 1 и тепломер 3 монотонно разогреваются тепловым потоком Q,
Вт, поступающим от основания 5. Поверхность ампулы 2 отделена от внешней
среды адиабатной оболочкой 4.
1
2
3
4
5
Qo
Qm
Q
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. 5
Тепловой поток Q, Вт, проходящий через среднее сечение тепломера,
идет на разогрев образца и ампулы и составляет
aom QQQ , (2)
где oQ – тепловой поток, идущий на разогрев образца, Вт;
aQ - тепловой поток, идущий на разогрев ампулы, Вт.
Тепловой поток на разогрев образца определяется
bmc o oQ , (3)
где c – удельная теплоемкость образца, Дж/(кг·К);
om – масса образца, кг;
b – скорость разогрева ампулы, К/с, определяется из формулы
bCo aQ , (4)
где oC – полная теплоемкость ампулы, Дж/К.
О величине теплового потока mQ , проходящего через тепломер, можно
судить по величине перепада температур на тепломере m , К, и тепловой
проводимости тепломера mk (является характеристикой прибора), Вт/К:
mmk mQ . (5)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. 6
С учетом уравнений (3), (4) и (5) из уравнения (2) определяется удельная
теплоемкость образца
)(
1
a
mm
o
C
b
k
m
с
. (6)
При малых перепадах температуры на тепломере можно перейти к
измерению времени запаздывания температуры m , с, на тепломере при
экспериментах с образцом, учитывая, что
b
m
m
. (7)
Тогда формула (6) примет вид
)( 0
0
mm
m
k
с m
, (8)
где
0
m – время запаздывания температуры на тепломере (постоянная
прибора) при экспериментах с пустой ампулой, с.
Измеритель теплоемкости, схема которого изображена на рисунке 2,
состоит из измерительного блока, блока питания и регулирования,
гальванометра.
На передней панели измерительного блока установлены термопарный
переключатель и переключатель температурных режимов. Образец для
испытаний в ампуле устанавливается в измерительную ячейку, находящуюся в
верхней выдвижной части измерительного блока.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. 7
Рисунок 2 – Внешний вид измерителя
На передней панели блока питания и регулирования установлены:
вольтметр, кнопки сети и управления нагревом, сигнальная лампа и рукоятка
для установки начального напряжения. Плавное увеличение напряжения
обеспечивается электродвигателем через редуктор. Возвращение рукоятки в
исходное положение осуществляется вручную за счет поворота против часовой
стрелки с предварительным отжимом ее на себя.
3 Средства технического оснащения
При выполнении лабораторной работы используются:
- измерительный блок;
- блока питания гальванометра;
- блок регулирования гальванометра;
- комплект образцов;
- весы аналитические ВЛКТ-3.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. 8
4 Проведение испытаний для определения теплоемкости
материалов
4.1 Подготовка установки к работе
4.1.1 Проверьте соединения блока питания и регулирования,
гальванометра и измерительного блока.
4.1.2 Переведите переключатели «Сеть», «Нагрев» в положение «Выкл».
4.1.3 Подключите блок питания и регулирования и гальванометр к сети
220 В.
4.1.4 Установите:
- переключатель «Измерение» в положение «Уст.О»;
- переключатель «Температура» в положение «25 °С» (если комнатная
температура превышает 25 °С, то в положение «50 °С»).
4.1.5 Выключите арретир гальванометра и произведите коррекцию нуля
(нуль гальванометра сместите на 70 делений вправо с целью использования
всей шкалы).
4.1.6 Взвесьте образец с точностью до 0,001 г (для экспериментов
используется медный образец массой 15,412 г).
4.1.7 Поднимите верхнюю часть измерительной ячейки.
4.1.8 Произведите обезжиривание контактных поверхностей образца,
ампулы и крышки бензином и нанесите тонкий слой теплостойкой смазки.
4.1.9 В ампуле установите испытуемый образец и закройте ампулу
крышкой.
4.1.10 Опустите верхнюю часть блока измерительной ячейки.
4.1.11 Включите блок питания и регулирования, нажав кнопку «Сеть».
4.1.12 Установите по вольтметру начальное напряжение (40 ±2) В.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. 9
4.2 Порядок проведения эксперимента
4.2.1 Установите переключатель «Измерение» в положение «t1».
Включите кнопкой «Нагрев» основной нагреватель.
4.2.2 Включите секундомер при достижении установленной температуры
(при прохождении светового указателя гальванометра через нуль шкалы) и
переведите переключатель «Измерение» в положение «t2».
4.2.3 Выключите секундомер при прохождении светового указателя через
нуль шкалы.
4.2.4 Запишите указания секундомера в графу m таблицы 1.
4.2.5 Повторите измерения m при всех температурах (от 25 °С до 400 °С).
4.2.6 Выключите нагреватель при достижении желаемого уровня
температуры (верхнего уровня). Установите переключатель «Измерение» в
положение «Уст.О». Заарретируйте гальванометр, проведите охлаждение блока
измерительной ячейки до комнатной температуры.
4.2.7 Проведите расчет удельной теплоемкости с по формуле (8) и данные
занесите в таблицу 1.
4.2.8 Сравните полученные данные с известными справочными
значениями теплоемкости исследуемого материала (таблица 2 и таблица 3).
Сделайте выводы.
4.2.9 Нарисуйте график зависимости )( ctfс .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. 10
Таблица 1 – Результаты экспериментов
Образец для испытаний – медь.
Масса – 15, 412 г.
Размеры: диаметр – 15 мм, высота – 10 мм.
ct ,°C m , с 0
m , с mk , Вт/К С, Дж/(кг·К)
25 15.1 0.353
50 15.3 0.360
75 15.8 0.358
100 16.0 0.371
125 16.3 0.378
150 16.5 0.397
175 16.6 0.394
200 16.6 0.400
Таблица 2 – Значения удельной теплоемкости меди
t,°C с, Дж/(кг·К) t ,°C с, Дж/(кг·К)
0 376 125 403
25 385 150 405
50 392 175 405
75 396 200 408
100 400 225 410
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. 11
Таблица 3 – Теплофизические свойства материалов
Материал t, °C с, кДж/(кг·К) λ, Вт/(м·К)
Бетон 20 0,834 0,8-1,73
Кирпич 20 0,921 0,6-1,3
Дерево 20 2,51-2,93 0,1-0,16
Керамика 20 0,8 1,7-2,9
Сталь
нержавеющая
20 0,475 15
Железо 20 0,5 55
Алюминий 20 0,88 202
Медь (99,99%) 0 0,3791 390
Органическое
стекло
20 1,381 0,196
Кварцевое стекло 20 0,7382 1,350
Минеральная вата 200 0,92 0,038
Асбест 20 0837 0,106
5 Содержание отчета
5.1 Цель работы.
5.2 Основные виды теплоемкости.
5.3 Дать определение терминам теплоемкость (в зависимости от вида).
5.4 Опишите метод измерения теплоемкости – метод динамического
калориметра.
5.5 Сделать выводы:
а) о значении теплоемкости при изучении свойств материалов;
б) о видах теплоемкости;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. 12
в) о методах измерения теплоемкости.
6 Контрольные вопросы
6.1 Что такое теплоемкость материала?
6.2 Какие виды теплоемкости Вы знаете?
6.3 На чем основываются методы определения теплоемкости?
6.4 Опишите метод динамического калориметра.
Список использованных источников
1 Технологические процессы в машиностроении: учеб. для вузов / С. И.
Богодухов [и др.]; под ред. С. И. Богодухова. – М.: Машиностроение, 2009. –
640 с.
2 Свойства машиностроительных материалов: учеб. пособие для вузов / С.
И. Богодухов, А. Д. Проскурин, Е. С. Козик; Оренбургский гос. ун-т. –
Оренбург: ГОУ ОГУ, 2009. – 203 с.
3 Теплофизические измерения и приборы / Е. С. Платунов [и др.]. - Л.:
Машиностроение, 1986. – 286 с.
4 Патричный, В. А. Мировые тенденции развития методов и средств
измерений: Аналитический обзор / В. А. Патричный, А. Ш. Сире. – М.: Изд-во
стандартов, 1994. – 72 с.
5 Физические величины: справочник / А. П. Бабичев [и др.]; под ред. И. С.
Григорьева, Е. З. Мейлихова.- М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
