Тема «Изучение явления теплопроводности. «Изучение теплопроводности различных видов текстильных материалов Исследование теплопроводности материалов

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу теплопередачи "Теплопроводность", овладение методом экспериментального определения коэффициента теплопроводности; получение навыков измерений, анализ полученных результатов.

Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплопроводности по отношению к табличному.

Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При проведении технических расчетов необходимо располагать значениями коэффициентов теплопроводности различных материалов.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность материала проводить теплоту. Численная величина l твердых материалов, особенно теплоизоляторов, как правило, определяется опытным путем.

Физический смысл коэффициента теплопроводности определяется из уравнения Фурье, записанного для удельного теплового потока

g = –l grad t . (1)

Существует несколько методов экспериментального определения величины l, основанных на теории стационарного или нестационарного теплового режима.

Дифференциальное уравнение теплового потока Q, Вт, при стационарной теплопроводимости можно записать в виде

Q = – lF grad t . (2)

Если рассматривать тонкостенный цилиндр, когда l / d > 8, температурный градиент температурного поля в цилиндрической системе координат будет записан в виде

grad t = dt / dr ,

а уравнение (2) данного случая

где d 1 , d 2 – соответственно внутренний и нижний диаметры цилиндра, м;

l - длина цилиндра, м;

(t 2 - t 1) = Dt - перепад температур между температурами на внутренней и внешней поверхности цилиндра, 0 С;

l - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр, Вт/(м 0 С);

grad t - градиент температуры по нормали к поверхности теплообмена, 0 С/м.

Если уравнение (3) решить относительно коэффициента теплопроводности l, Вт/(м 0 С), то будем иметь

l = Q ln(d 2 /d 1) / (2plDt). (4)

Уравнение (4) может быть использовано для экспериментального нахождения величины коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр.

При проведении эксперимента необходимо определить величину теплового потока Q, Вт, и значения (t 2 - t 1) = Dt 0 С, при наступлении стационарного теплового режима.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из цилиндра 1, во внутренней полости которого помещен электронагреватель 2, его мощность регулируется автотрансформатором (тумблером)3 и определяется по показаниям амперметра 4 и вольтметра 5. Температура внутренней и наружной поверхностей цилиндра измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 7, подключенных к микропроцессорному измерителю температур 6. По разности этих температур в стационарном тепловом режиме определяется коэффициент теплопроводности исследуемого материала из которого изготовлен цилиндр.

Рисунок. Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности материала цилиндра.

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА

Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

Поворотом ручки автотрансформатора (тумблера) установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

Наблюдая за показаниями измерителя температур, дождаться установления стационарного теплового режима.

Результаты измерений представить в таблицу:

Т а б л и ц а

где U, I - напряжение и сила тока в нагревателе;

t 2 , t­ 1 - температура внутренней и наружной поверхности цилиндра.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала, l, Вт/(м 0 С)

l эк = Q ln (d 2 /d 1) / (2plDt),

где Q = UI – мощность нагревателя, Вт;

d 1 = 0.041 м, d 2 = 0.0565 м – внутренний и наружный диаметры цилиндра;

l = 0.55 м – длина цилиндра.

Записать табличное значение l, Вт/(м 0 С).

3. Определить погрешность l эк по отношению к справочному значению l, %.

D = (l эк – l)100/l.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

Температурное поле, стационарное и нестационарное, стационарное поле трехмерное, двухмерное и одномерное.

Температурный градиент.

Физическая сущность процесса теплопроводности.

Уравнение Фурье, его анализ.

Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

Записать величину температурного градиента для одномерного температурного поля в декартовой и цилиндрической системах координат.

Записать формулы для определения теплового потока Q, Вт, плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

Записать формулы для определения удельных тепловых потоков g 1 , Вт/м 2 , g 2 , Вт/м для плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1977.

Баскаков А.П. и др. Теплотехника.- М.: Энергоиздат, 1991.

Нащокин В.Б. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.

Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981.

РАБОТА № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу основы теории теплообмена "Лучистый теплообмен", а также овладение методом экспериментального определение коэффициента излучения и степени черноты твердого тела.

1. Экспериментальным путем определить коэффициент излучения и степень черноты твердого тела.

2. Найти погрешность полученного значения степени черноты по отношению к справочному значению (в процентах).

3. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Все тела непрерывно излучают и поглощают тепловую энергию. Носителем лучистой тепловой энергии является электромагнитные колебания с длиной волны от 0.8 до 800 мкм. Процесс лучистого теплообмена происходит между телами, имеющими разное значение температур и разделенных газообразной средой.

Лучистый тепловой поток от тела, попав на другое тело, частично поглощается, частично отражается, а частично проходит через тело. Часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений излучаемая телом энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Для определения лучистого потока излучаемого телом, (Вт) используется формула

, (1)

где С - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м 2 К 4),

С = С о ;

Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м 2 К 4),

 - степень черноты испытуемого тела;

F - площадь поверхности испытуемой трубки, м 2 ;

Т 1 - абсолютная температура поверхности испытуемой трубки, К;

Т в - абсолютная температура воздуха в помещении, К.

Из формулы (1) определяется величина коэффициента излучения испытуемого тела, Вт/(м 2 К 4),

. (2)

При рассмотрении лучистого теплообмена часть величин, входящих в расчетные формулы, определяется опытным путем; например степень черноты тела. Для определения опытным путем численной величины степени черноты тела, можно воспользоваться экспериментальной установкой.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из испытуемого 1 и эталонного 2 тел, выполненных в виде трубок длиною l , установленных вертикально. Наружные диаметры трубок одинаковы: d = 0.025 м.

Таким образом, испытуемое (серое) и эталонное (черное) тела имеют одинаковую величину поверхностей теплообмена F. Эталонная трубка покрыта:черным лаком с известной степенью черноты ( эт = 0.97). Внутри трубок смонтированы электрические нагреватели 3, обеспечивающие равномерное выделение тепла по длине труб. Нагреватели питаются от сети переменного тока, их мощности регулируются лабораторными автотрансформаторами 4 и измеряются ваттметрами 5. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающий воздух, определяется по мощности электронагревателя. Предотвращение утечек тепла в окружающий воздух торцы трубок достигается установкой теплоизоляционных заглушек.

Температура на поверхности трубок измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 6 и микропроцессорного измерителя температур 7.

Температура воздуха в лаборатории определяется термометром, установленным вдали от установки. Предполагается, что температура тел в помещении (кроме тел 1 и 2) равна температуре воздуха в нем.

Тепловой поток с поверхности трубки к воздуху, определяемый в опыте, представляет собой сумму конвективного и лучистого тепловых потоков (Вт)

Q = Q к + Q л, (3)

Q л = Q - Q к. (4)

Значение Q к можно рассчитать по формулам конвективного теплообмена, но удобнее эту величину исключить из рассмотрения за счет использования эталонного тела с известной степенью черноты. Для данной экспериментальной установки эт 0,97.

Рисунок. Схема экспериментальной установки

Излучение эталонного тела будет определяться по формуле

. (5)

Если форма, размер и температуры испытуемого и эталонного тел одинаковы, конвективные составляющие можно приравнять, т.е.

,

Q л = Q –
+
. = (Q –
) +F[(/100) 4 – (T в /100) 4 ] . (6)

Подставив (6) в (2), получим расчетную формулу

. (7)

В статье проведены результаты исследования теплозащитных свойств неразрезной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной установки. В качестве теплоизолятора предлагается использовать конструкционный материал, обладающий необходимыми свойствами – неразрезная двухполотенная основоворсовая ткань, с использованием в утке хлопчатобумажной и капроновой нити. В результате проведенных исследований с помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, определены основные теплофизические характеристики ткани, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения. В результате анализа экспериментальных данных следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

основоворсовая ткань

теплоизолятор

тепловизор

тепловое сопротивление

1. Бойко С.Ю. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани для защиты человека от внешних воздействий: Автореф. дис. канд. техн. наук. – М., 2004. – 16 с.

2. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. – М.: «Интел универсал», 2002 – 88 с.

3. Колесников П.А. Основы проектирования теплозащитной одежды. Л.: «Легкая индустрия», 1971. – 112 с.

4. Назарова М.В., Бойко С.Ю. Разработка метода проектирования ткани для защиты человека от внешних воздействий // Международный журнал экспериментального образования. – 2010. – № 6. – С. 75-79.

5. Назарова М.В., Бойко С.Ю., Завьялов А.А. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани, обладающей высокими прочностными свойствами // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 10 (часть 2). – С. 385-390.

6. Назарова М.В., Бойко С.Ю., Романов В.Ю. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани обладающей теплозащитными свойствами // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 10 (часть 2). – С. 391-396.

Проектирование рациональной теплозащитной одежды для различных климатических и производственных условий является большой и весьма сложной научной проблемой, успешно решить которую можно только на базе комплексного использования данных физиологии, гигиены одежды, климатологии, теплофизики, текстильного материаловедения и конструирования одежды .

Теплопроводность текстильных полотен связана с переносом энергии теплового движения микрочастиц от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящим к выравниванию температуры и оценивается коэффициентом теплопроводности; коэффициентом теплопередачи; тепловым сопротивлением, удельным тепловым сопротивлением.

Анализ работ по изучению теплофизических свойств материала показал, что при оценке теплозащитных свойств материалов одежды более простой и наглядной величиной следует считать не коэффициент теплопроводности, а обратную ему величину, называемую тепловым сопротивлением. К факторам, влияющим на тепловое сопротивление материала, относятся: объемный вес, толщина, влажность, вид волокнистого материала, воздухопроницаемость .

Поэтому целью данной работы является оценка величины теплофизических характеристик основоворсовой ткани, предназначенной для пошива спецодежды, используемой в экстремальных климатических условиях.

В данной работе при исследовании теплофизических свойств неразрезной основоворсовой ткани предлагается использовать принцип тепловой диагностики, который состоит в сравнении эталонного и анализируемого полей температуры в исследуемой ткани. Аномалии температуры служат индикаторами дефектов, а величина температурных сигналов и их поведение во времени лежат в основе количественных оценок тех или иных параметров ткани.

Термин «тепловидение» относится, главным образом, к регистрации теплового излучения твердых тел, которое складывается из собственного излучения тела, обусловленного его температурой, а также отраженного и прошедшего излучения других тел. Для оптически непрозрачных объектов, тепловизионные устройства фиксируют исключительно поверхностные эффекты: температуру поверхности и величину коэффициентов излучения (поглощения) и отражения .

При исследовании объектов с помощью тепловизоров чаще применяются два наиболее распространенных диапазона длин волн: 3-5,5 мкм и 8-12 мкм; и обычно они обозначаются как коротковолновые и длинноволновые диапазоны.

Общая схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела изображена на рис. 1. Объект контроля (1) окружен средой (2) и другими объектами (3), соответственно с температурами Тср и Твнеш. Для регистрации теплового излучения используется тепловизор (4). Объект контроля характеризуется следующими оптическими параметрами: коэффициент излучения ε; коэффициент поглощения α; коэффициент отражения r; коэффициент пропускания τ.

Рис. 1. Принципиальная схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела

Основное преимущество тепловизора перед другими приборами при исследовании теплозащитных свойств материалов является:

• высокая термочувствительность;
• более точные значения температур;
• высокая скорость получения результатов эксперимента и их обработка;
• неограниченный температурный диапазон.

При определении теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, с помощью тепловизионной системы, была применена методика, разработанная на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н. Косыгина. Методика определения теплофизических характеристик основана на методах нестационарного теплового режима для экспериментальной оценки теплозащитных свойств материалов одежды методом регулярного теплового режима, основанного на явлении свободного охлаждения нагретого образца в газообразной среде (воздухе) .

Исследования теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной системы проводились в лаборатории кафедры «Промышленной теплоэнергетики» МГТУ им. А.Н. Косыгина.

При использовании тепловизионной системы были поставлены следующие задачи:

• определение температурных полей на поверхности исследуемых образцов ткани при охлаждении;
• определение теплопроводности неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Лабораторная установка для проведения эксперимента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Тепловизионная система для исследования теплопроводности основоворсовой ткани: 1 - тепловизионная камера termocamtmsc 3000; 2 - компьютер для обработки данных; 3 -теплоизолированный шкаф; 4 - защитный экран; 5 - термометр, для контроля температуры внутри шкафа; 6 - образец ткани

Как известно из исследований А.П. Колесникова , теплоизоляционная способность ткани зависит от ее толщины. Толщина имеет наибольшее значение в теплоизоляционных свойствах ткани. Для проведения эксперимента использовались образцы неразрезной основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в коренной и ворсовой основах. В утке использовалась хлопчатобумажная пряжа линейной плотностью 15,4*2 текс (I-вариант) и нить капроновая Т=15,6 текс (II-вариант). В каждом из вариантов менялась толщина ткани. Для проведения эксперимента были использованы образцы ткани различной толщины: I - вариант образец с хлопчатобумажной пряжей в утке, и II - вариант образец с капроновой нитью в утке. Толщина образцов ткани в обоих вариантах составляла b1=7.57 мм, b2=7.62 мм.

Алгоритм исследования теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани выглядит следующим образом:

Нагрев образца в теплоизолированном шкафу до фиксированной температуры t=100 °C (меньшей температуры деформации волокон);

Контроль равномерности прогрева исследуемого образца при помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000;

При достижении равномерного температурного поля на поверхности образца отключение питания электронагревателя;

При помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000 фиксирование остывания образца до исходной комнатной температуры при соблюдении условий , ;

Замена исследуемого образеца (вариант 1) на другой образец (вариант 2) и проведение всего комплекса измерений заново;

После получения термограмм процесса охлаждения образцов производится обработка экспериментальных данных при помощи ЭВМ;

По известным формулам определяем теплопроводность и тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Условия проведения эксперимента:

• излучательная способность объекта (степень черноты) - 0,95;
• температура окружающей среды - 23 °С;
• расстояние между объектом и тепловизором - 30 см;
• относительная влажность воздуха - 55 %.

С помощью тепловизионной системы производится запись термограмм процесса охлаждения образца ткани с частотой 1 кадр в секунду.

По данным измерений построен полулогарифмический график охлаждения, представленный на рис.3 и 4, прямолинейный участок кривой соответствует регулярному режиму. Уравнение этой прямой, согласно основному закону регулярного режима (первого рода) имеет следующий вид:

ln υ=-m·τ+g(x,z,z), (1)

На прямой отмечается шесть точек с соответствующими координатами, в соответствии с которыми определяется темп охлаждения.

Темп охлаждения на каждом участке определяется по формулам (2), с -1:

где υ 1 - разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ 1 ; υ 2 - разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ 2 ;

Средний темп охлаждения определяется по формуле3, с -1:

, (3)

Определяем коэффициент форм для образцов ткани по формуле (4):

Если принять, что образец ткани условно принимает форму параллелепипеда, то для прямоугольного параллелепипеда с ребрами L 1 , L 2 , L 3 , мм:

, (4)

где L 1 - ширина образца, мм; L 2 - длина образца, мм; L 3 - высота образца, равной b 1 , b 2 , мм.

Коэффициент температуропроводности определяется по формуле (5), м2/с:

Объемная плотность образцов определяется по формуле (6), кг/м3:

где М - поверхностная плотность образца, г/м2; b - толщина образца, мм.

Рис. 3. Экспериментальная кривая темпа охлаждения образца основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в утке (I-вариант)

Рис. 4. Экспериментальная кривая темпа охлаждения основоворсовой ткани с капроновой нитью в утке (II-вариант)

Удельная теплоемкость образцов берется из экспериментальных данных определенных П.А Колесниковым :

• для I - варианта (хлопок) с1=1.38 кДж/кг·град;
• для II - варианта (хлопок-капрон) с 2 =1.66 кДж/кг·град;

Теплопроводность материала определяется по формуле (7), Вт/м⋅град:

Тепловое сопротивление образцов ткани определяется по формуле (7), м2·град/Вт:

где δ - толщина слоя, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м·град.

Расчет параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани двух вариантов проведен на ЭВМ и представлен в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани

В результате проведенного анализа данных таблицы следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

Наилучшими теплозащитными свойствами обладают: - образец ткани с содержанием в утке хлопчатобумажной пряжи и толщиной bТ=7,62 мм; образец ткани с содержанием в утке капроновой нити и толщиной bТ=7,57.

Таблица 3

Теплофизические характеристики образцов основоворсовой ткани

Выводы

1. С помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, проведено исследование теплозащитных свойств ткани, определены основные ее теплофизические характеристики, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения.
2. Разработан алгоритм расчета теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, на основе которого определены основные теплофизические характеристики ткани.

Библиографическая ссылка

Министерство образования Республики Мордовия

Отдел образования администрации городского округа Саранск

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №13»

Научно-исследовательская работа

секция физика

«Изучение теплопроводности различных видов текстильных материалов»

Липасов Михаил Павлович

Научный руководитель: учитель физики

Палаева Нина Павловна

Саранск 2015

Оглавление

Введение.

Климат Мордовии умеренно континентальный, характеризуется холодной морозной зимой и умеренно жарким летом.

В основном территория республики находится под воздействием воздушных масс умеренных широт, переносимых господствующими западными воздушными потоками. Нередко погоду определяют теплые воздушные массы, поступающие с южными циклонами с Черного, Средиземного и Каспийского морей. Сравнительно часто республика попадает под воздействие сухих континентальных воздушных масс, приносимых с юго-востока. Холодные воздушные массы вторгаются со Скандинавии и Баренцева моря.

Средняя годовая температура воздуха равна +4,1…+4,4 °С. Самым холодным месяцем, является январь: средняя месячная температура воздуха находится в пределах от –11,1 до –11,6 °С. Абсолютный минимум составлял –42…–47 °С. Самый теплый месяц – июль. Средняя его температура +18,7…+19,1 °С. Абсолютный максимум достигал +37…+39 °С, в 2010 г. – +39…+41 °С, на МП МГУ – +42 °С.

Начало, конец и продолжительность сезонов носят условный характер. Они определяются исходя из дат устойчивого перехода средней суточной температуры через 0 и +15 °С.

Год делится на два периода: теплый и холодный. Теплый период года устанавливается с момента перехода средней суточной температуры через0 °С к положительным значениям. Начинается он 31 марта – 2 апреля, заканчивается 4–6 ноября, продолжительность его составляет 217–221 день. Холодный период года наступает с момента устойчивого перехода средней суточной температуры воздуха через 0 °С к отрицательным значениям. Продолжается он около 5 месяцев (144–148 дней).

Зимой преобладает пасмурная погода с небольшими морозами (–10…–15 °С), но в очень холодные зимы отмечаются периоды с сильными морозами. В отдельные годы, с теплыми и неустойчивыми зимами, наблюдаются оттепели, интенсивностью до +4…+7 °С. Число дней с оттепелью в месяц составляет от 3–4 до 7–8. К неблагоприятным явлениям зимнего периода относятся сильные ветры и метели, гололедно-изморозевые образования, туманы. Среднее число дней с туманами в холодный период года составляет от 15 до 25, средняя их продолжительность – 72–118 ч.

Весна начинается в конце марта – начале апреля. Ее предвестником является прилет грачей, в начале апреля прилетают скворцы и жаворонки. В середине мая зацветает черемуха, в конце месяца – сирень. Заканчивается весна с переходом средней суточной температуры воздуха через +15 °С (27–29 мая), продолжительность весны 57–58 дней. Неблагоприятными явлениями в весенний период являются возвраты холодов и заморозки, засухи и суховеи. Последние отмечаются ежегодно. Признаками суховея являются относительная влажность воздуха меньше 30 % при температуре воздуха выше +25 °С и ветре не менее 5 м/с.

Период со средней суточной температурой воздуха +15 °С и выше принято считать летним, продолжительность его составляет 91–96 дней, заканчивается он 28–31 августа. Неблагоприятными явлениями летом являются сильные ливни, град, гроза, шквал, засуха, суховеи. Ливневые дожди размывают верхний плодородный слой почвы, уносят ценный почвенный материал в овраги, реки, вызывают полегание растительности. Ежемесячно среднее число дней с сильными ливнями (более 10 мм) составляет 1–2, с суховеями средней интенсивности – 3–8.

Осень наступает 29 августа – 1 сентября, заканчивается в первой декаде ноября. Продолжительность ее составляет 65–69 дней. В начале сентября начинается листопад у тополя, к середине сентября – у березы, клена. Режим погоды осенью неустойчив, осадки часто имеют смешанный характер. Неблагоприятные явления осени: ранние заморозки на поверхности почвы и в воздухе, туманы, гололед.

Глава I .Обзор работы

1. Обоснование работы :

В курсе физики 8 класса, раздел «Тепловые явления» вызвал у меня особый интерес. В результате выполнения данной работы я хотел углубить и закрепить имеющиеся знания по этому разделу физики.

Данную тему я выбрал, потому что хотел более подробно разобраться в этом физическом процессе.

2. Актуальность работы :

3. Цель данной работы: в

Задачи работы:

4.Методы исследования: изучение литературы по теме «Теплопроводность», подбор тканей для исследований, система экспериментов, сравнение значений, построение таблиц и графиков.

5. Оборудование:

Измерительные цилиндры (мензурки) 3 шт;

Экспериментальный материал (образцы тканей);

Термометры 3 шт;

Часы;

Сантиметровая лента.

6.Теоретические обоснования.

Теплопроводность - это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Теплопроводность - один из видов переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. 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.

Исторически считалось, что передача связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности, нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании температуры.

Коэффициент теплопроводности – это количество теплоты, проходящее за единицу времени через 1 м3 материала при разности температур на его противоположных поверхностях равной 1 градусу.

Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем лучшими теплоизоляционными свойствами обладает материал.

Различают теплоизоляционные и теплопроводящие материалы.

7. Характеристики исследуемых видов тканей.

Различные по назначению ткани обладают различными физическими свойствами и характеристиками: прочность, устойчивость к смятию, способность противостоять к истиранию (о различные предметы, о тело человека), усадка, цепкость, воздухопроницаемость, паропроницаемость, водоупорность, теплостойкость. Весьма важными свойствами бытовых тканей являются теплопроводность, т.е. способность ткани пропускать тепло. Ткани, предназначенные для защиты от холода, должны обладать минимальной теплопроводностью. Так, например, высокая теплостойкость и водоупорность важны для технических тканей, используемых для изготовления одежды пожарников.

Основу всех материалов и тканей составляю волокна. Друг от друга волокна отличаются по химическому составу, строению и свойствам. В основу существующей классификации текстильных волокон положено два основных признака - способ их получения (происхождение) и химический состав, так как именно они определяют основные физико-механические и химические свойства не только самих волокон, но и изделий, полученных из них.

Теплозащитные свойства являются важнейшими гигиеническими свойствами изделий для зимнего периода. Эти свойства зависят от теплопроводности образующих ткань волокон, от плотности, толщины и вида отделки ткани. Самым «холодным» волокном считается лен, так как он имеет высокие показатели теплопроводности, самым «теплым» - шерсть. Наиболее высокие показатели теплозащитных свойств имеют толстые плотные шерстяные ткани с начесом. На теплозащитные свойства одежды существенное влияние оказывает число слоев материала в одежды. С увеличением числа слоев материала суммарное тепловое сопротивление возрастает. Используются различные виды утеплителей: натуральные и синтетические.

Рассмотрим четыре вида тканей, образцы которых будем исследовать.

Костюмные ткани – из натуральных волокон – шерсть.

Шерстью называют волосяной покров овец, коз, верблюдов и других животных. Основную массу шерсти (94-96%) для предприятий текстильной промышленности поставляет овцеводство.

Особенностью шерсти является ее способность к свойлачиванию, что объясняется наличием на ее поверхности чешуйчатого слоя, значительной извитостью и мягкостью волокон. Благодаря этому свойству из шерсти вырабатывают довольно плотные ткани, сукна, драпы, фетр, а также войлочные и валяные изделия. Шерсть обладает малой теплопроводностью, что делает ее незаменимой при выработке пальтовых, костюмно-плательных тканей и трикотажных изделий зимнего ассортимента.

Натуральные утеплители

Ват и н - полушерстяной утеплитель, вязаное полотно с односторонним или двусторонним начёсом. Ватин выпускается хлопчатобумажный, шерстяной, полушерстяной и заменяет вату при шитье тёплой одежды.

В середине-конце прошлого века в советской швейной промышленности использовался при пошиве спецодежды, а также в качестве утеплителя для зимних пальто

Ватин различается по составу (хлопчатобумажный, шерстяной), толщине полотна, способу скрепления волоков.

В настоящее время ватин всё менее популярен.

Недостатки: большой вес и сравнительно высокие влагоудерживающие свойства.

Синтетические утеплители

Синтепон -является одним из самых распространенных синтетических утеплителей. Лёгкий, объёмный, упругий , в котором смесь (в том числе вторичных искусственных и натуральных, отходов текстильных производств) скрепляется иглопробивным, клеевым (эмульсионным) или термическим способом.

Синтепон в последнее время чаще всего изготавливают из вторичного полиэфирного сырья (втор-ПЭТ), переплавленных пластиковых отходов (ПЭТ-бутылок, пакетов, одноразовой посуды и т. п.). Это существенно удешевляет продукт, однако критично снижает качественные и эксплуатационные характеристики.

Синтепон - нетканый материал, полученный синтетических волокон. Он гораздо легче ватина, упругий, не теряет форму и не сваливается. Синтепон не гигроскопичный, благодаря чему сильно не намокает и легко высушивается. К тому же он выпускается белого цвета и при стирке утепленных вещей не линяет и не оставляет пятен на ткани верха. Изделие после стирки сохраняет форму и не теряет объемности.

Преимущества синтепона заключаются в лёгкости, хороших теплозащитных свойствах и малом весе, а также в относительной безвредности для человека. Синтепон используют для всех видов утеплённой , в том числе детской, а также для изготовления , покрывал, и мешков и других изделий. Легкий, теплый, объемный, дешевый – одно время такой утеплитель был на пике популярности.

Однако, как показало время, синтепон имеет ряд недостатков: повышенная влагопроницаемость, воздухонепроницаемость, быстрая деформация и недолговечность материала - все это привело к тому, что синтепон используют в качестве утеплителя для производства более дешевой демисезонной и зимней одежды.

Холлофайбер Hollowfiber (полое волокно) – нетканое полотно, наполненное синтетическими волокнами в виде спиралек, шариков, пружинок и т. д. Именно такая структура делает вещь тёплой, поскольку между волокнами сохраняется много воздуха.

По праву считается утеплителем 21 века. Легкий, теплый, влаго- и формоустойчивый, гипоаллергенный - является прекрасным материалом для производства отличных утеплителей для зимней одежды.

Разновидности - полифайбер, термофайбер, файберскин, файбертек и др.

Глава II . Экспериментально-исследовательские работы

Ход выполнения работы:

В ходе выполнении данной исследовательской работы было проведено шесть экспериментов с различными видами тканей. Все образцы имеют одинаковые размеры: длину, ширину и площадь (фото 1). Площадь образцов совпадает с площадью поверхностью измерительного цилиндра(таблица №1)

фото 1

Таблица №1

Драп

Костюмнаяшерстяная ткань 1

Костюмнаяшерстяная ткань 2

Холлофайбер

Синтепон (тонкий)

Синтепон (толстый)

Ватин

Толщина

0,4 см

0,1см

0,1 см

2см

1 см

2 см

0,5 см

Ширина

12 см

12 см

12 см

12 см

12 см

12 см

12 см

Длина

13 см

13 см

13 см

13 см

13 см

13 см

13 см

Площадь

156 см 2

156 см 2

156 см 2

156 см 2

156 см 2

156 см 2

156 см 2

2.1 Сравнение теплопроводности различных текстильных материалов.

Оборудование: Мерные цилиндры с теплой водой, экспериментальные материалы, термометры ртутные – 3штуки, электронный термометр, штангельциркуль.

Для выполнения эксперимента мы оборачивали измерительные цилиндры образцами тканей, закрепляли при помощи булавок.

Выбранную для эксперимента пару обернутых цилиндров и один не обернутый наполняли теплой водой одинаковой температуры. Через равные промежутки времени (5 минут) измеряли температуру воды в каждом сосуде (фото 2), записывали показания в таблицу и для сравнения строили графики.

фото 2

2.1.1. Эксперимент №1.

Для первого эксперимента мы выбрали два вида шерстяной ткани.

Исследуемые виды тканей:

Первый образец - костюмная ткань, тонкая, который используется для пошива пиджаков, брюк, юбок.

Второй образец – шерстяная ткань (драп), более толстая, которая используется для пошива пальто и курток.

Ткани имеют различную толщину.

Температура помещения (физического кабинета 20ºС)

Результаты исследования занесем в таблицу

9:35

9:40

9:45

9:50

Для сравнения построим графики

Сравнив температуру воды трех мензурок, и построив графики, мы увидели, что первый образец плохо удерживает тепло, поэтому обладает хорошей теплопроводностью. Теплопроводность второго образца (толстой шерстяной ткани)хуже, так как она лучше удерживает тепло.

2.1.2. Эксперимент №2

Во втором эксперименте мы исследовали утеплители. В качестве утеплителя одежды в настоящее время часто используют синтепон.Толстый синтепон хорошо задерживает тепло.

Длина-13 см

Ширина-12см

Толщина-2см

Площадь: 156 см

10:05

10:10

10:15

10:20

Построимграфик

2.1.3. Эксперимент №3

Второй образец черный ватин – натуральный хлопчатобумажный материал, вязаное полотно с односторонним начесом.

Результаты занесем в таблицу

11:05

11:10

11:15

11:20

Построимграфик

В результате эксперимента выяснилось, что теплопроводность синтепона хуже, чем у ватина.

2.1.4. Эксперимент №4

Для исследования теплопроводности утеплителей мы выбрали первый образец - ватин серый (хлопчатобумажный). Второй образец – ватин чёрный (шерстяной).

Ватин серый

Ватин чёрный

Толщина

0,6 см

0,5см

Ширина

12 см

12 см

Длина

13 см

13 см

Площадь

156 см 2

156 см 2

13:50

39,5

38,5

13:55

14:00

36,5

14:05

35,3

34,5

14:10

33,1

Построимграфик

Теплопроводность ватина почти одинакова, но надо учесть, что серый ватин толще.

2.1.5. Эксперимент №5

Мы исследовали теплопроводность синтепона разной толщины.

Тонкий синтепон

Толстый синтепон

Толщина

1 см

2 см

Ширина

12 см

12 см

Длина

13 см

13 см

Площадь

156 см 2

156 см 2

14:31

31,9

31,7

14:36

30,5

14:41

29,7

29,3

14:46

29,5

28,7

Построимграфик

График показывает, что теплопроводность толстого синтепона на много меньше, чем у тонкого .

2.1.6. Эксперимент №6

Для исследования мы выбрали первый образец - толстый синтепон (синтетический материал, легкий, объёмный, упругий, нетканый материал)

Второй образец - х оллофайбер (нетканое полотно, наполненное синтетическими волокнами в виде спиралек, шариков, пружин).

Результаты занесем в таблицу

15:05

15:10

15:15

15:20

Построимграфик

В результате эксперимента выяснилось, что теплопроводность холлофайбера хуже, чем у синтепона.

Таким образом, мы убедились, что в условиях школьной физической лаборатории можно произвести сравнительный анализ текстильных тканей.

2.2Вычисление коэффициента теплоизоляции ватина, синтепона и холлафайбера.

По формуле: рассчитывается коэффициент теплопроводности, где

P - полная мощность тепловых потерь, S - площадь сечения параллелепипеда, ΔT - перепад температур граней, h - длина параллелепипеда, то есть расстояние между гранями.

Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м·K).

По аналогии с коэффициентом теплопроводности мы рассчитали коэффициента теплоизоляции. В нашем эксперименте

P=Q1 – Q2/t, мощность, которую задерживает материал. Где: Q1-количество теплоты, отданное водой в мерном цилиндре без «одёжки», за время t;

Q2-количество теплоты отданное водой в мерном цилиндре с «одёжкой», за время t;

S - площадь образца ткани;

h - расстояние между гранями.

2.2.1. Вычисление коэффициента теплоизоляциичёрного ватина.

S=88 см; h=0.5 см;ΔT=22.2°С-21.2°С=1°С

Q2=4200*0.12*(38.5-37) =756(Дж),

c = (Q1-Q2)*h/t*SΔT

c=(1008 -756)*0.005/(300*0.0088*1)=1.26/2.64=0.48(Вт/м*К)

2.2.2. Вычисление коэффициента теплоизоляции светлого ватина.

S=88 см2; h=0.6 см;ΔT=24.3°С-22.5°С=1.8°C

Q1=cmΔt=4200*0.12*(38-36) =1008(Дж)

Q2=4200*0.12*(39.5-38) =756(Дж)

c= (Q1-Q2)*h/t*SΔT

c= (1008 -756)*0.006/ (300*0.0088*1.8) =1.512/4.752=0.32 (Вт/м*К)

Вывод: коэффициент теплоизоляции ватина чёрного 0.48(Вт/м*К)

0.32(Вт/м*К)

2.2.3. Вычисление коэффициента теплоизоляции тонкого синтепона.

S=156 см2; h=0.4 см; ΔT=23.8°С-22.5°С=1.3°C

Q2=4200*0.12*(29.3-28.7) =307.2(Дж)

c=(Q1-Q2)*h/t*SΔT

c=(512-307.2)*0.004/(300*0.0273*1.3)=0.82/10.647=0.077(Вт/м*К)

2.2.4. Вычисление коэффициента теплоизоляции толстого синтепона.

S=156 см2; h=1.3 см; ΔT=23.2°С-22°С=1.2°C

Q1=cmΔt=4200*0.12*(28-27) =512(Дж)

Q2=4200*0.12*(29.7-29.5) =102.4(Дж)

c=(Q1-Q2)*h/t*SΔT

c=(512-102.4)*0.013/(300*0.0273*1.2)=5.32/9.83=0.54(Вт/м*К)

коэффициент теплоизоляции тонкого синтепона 0.077(Вт/м*К)

коэффициент теплоизоляции ватина светлого 0.54(Вт/м*К)

2.2.5. Вычисление коэффициента теплоизоляции холлафайбера.

S=156 см2; h=2 см; ΔT=23.8°С-22.5°С=1.3°C

Q1=cmΔt=4200*0.12*(55-52) =1512(Дж)

Q2=4200*0.12*(61-60) =504 (Дж)

c=(Q1-Q2)*h/t*SΔT

c=(1512-504)*0.02/(300*0.0156*1.3)=0.82/840=0.024(Вт/м*К)

Таким образом, в условиях школьной лаборатории можно произвести сравнительный анализ теплопроводности различных текстильных тканей и экспериментально определить коэффициент теплоизоляции.

Современная текстильная промышленность всё в больших масштабах использует синтетические волокна. С этой целью так же, как и во многие отрасли современного производства в текстильную промышленность приходят нанотехнологии.

Наноматериалы могут иметь в своем составе наночастицы, нановолокна и другие добавки. Например, компания Nano-Tex успешно производит ткани, улучшенные с помощью нанотехнологий. Одна из таких тканей обеспечивает абсолютную водонепроницаемость : благодаря изменению молекулярной структуры волокон, капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом «дышит». Компания AspenAerogels в марте 2004 г. начала производство из нового наноматериала утепляющих стелек для обуви. Новый изолятор сохраняет тепло лучше, чем все существующие современные материалы. По сравнению с ними его тепловые характеристики при одинаковой толщине образцов улучшились с 3 до 20 раз. Не удивительно, что при таких показателях изделия из нового теплоизолятора обладают минимальной материалоемкостью.

Нанопокрытия позволяют интеграцию в текстиль микро - и наноэлектроники, а также МЭМС существенно расширяет возможности повседневной одежды, которую можно использовать в качестве средства связи и даже персонального компьютера. А изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит производить мониторинг состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях.

Для защиты человека от переохлаждения, разработано в настоящее время термобельё . Термобелье - это специальное нижнее белье , плотно прилегающее к телу специального покроя. Одно из основных достоинств заключается в том, что оно практически не растягивается. Отсутствие боковых швов или наличие всего лишь нескольких плоских швов исключает опасность натирания тела. Теплосберегающее термобелье . Иначе говоря, согревающее термобелье, предназначается для низкого и среднего уровня физической активности при прохладной, холодной или очень холодной температуре внешней среды. Рекомендуется к использованию при любой погоде, при необходимости удержания тепла, т.е. когда надо согреться, в зависимости от индивидуальной переносимости организма человека.

Влаговыводящее (функциональное) термобелье . Это термобелье обладает способностью выводить излишнюю влагу (пот) с поверхности кожи. Как правило, термобелье данного вида производится из 100% синтетики. Использование специальных видов синтетики улучшает свойства термобелья по выводу влаги. Не имеет смысла перечислять все виды синтетики, обладающие такими свойствами. Назовем лишь самые известные из них: Coolmax, QuickDry, ThermoliteBase, Polypropylene, Viloft, и многие, многие другие.

Теплосберегающее + влаговыводящее термобелье (гибридное). Термобелье сочетающее два вышеуказанных свойства, т.е. и согревающее и влаговыводящее.

Влаговыводящее функциональное термобелье

Теплосберегающее термобелье

Гибридное термобелье

Термобельё справляется со многими видами функций - греть, отводить влагу, или и то и другое сразу. Термобелье позволяет вам заниматься вашими любимыми активными видами спорта в разных климатических условиях, не создавая ощущения дискомфорта, а так же бережет вашутеплоэнергию.

Теплопроводность текстильных тканей играет важную роль в одежде человека, а в условиях нашего климата особенно. Поэтому мы хотим дать несколько рекомендаций по подбору одежды:

1) одевайтесь всегда по погоде.

2) используйте принцип многослойности: «три тонких футболки лучше одной толстой».

3) отдавая предпочтение одежде из натуральных волокон , помните, что наука не стоит на месте и искусственные волокна не уступают, а иногда превосходят по своим теплопроводным качествам натуральные волокна.

Глава III Заключение и выводы

Мы исследовали только несколько видов тканей натуральные и синтетические. Современная промышленность чаще использует ткани, изготовленные из синтетических волокон. Эти ткани имеют как преимущества, так и недостатки. Преимущество таких тканей заключаются в их плохой теплопроводности, следовательно, они хорошо сохраняют наше тепло. Синтепон обладает средними термоизоляционными показателями. Верхняя одежда с синтепоном подходит только для очень мягкой зимы. Для сурового климата синтепон неприемлем. А вот холлофайбер обладает отличной термоизоляцией (близок к натуральному пуху) и хорошо подходит для холодов. Надежно сохраняя тепло, он позволяет коже дышать. Синтепон хуже пропускает воздух.

Вывод:

холлофайбера, холлофайбер,

Практическая значимость

Список литературы

Галахова Э. Н. КлиматМордовии и сопряженных с ней областей Нечерноземья в погодах (по материалам исследований в Мордовской АССР): Автореф. дис. ... канд... /

Большая советская энциклопедия, том 43. стр 473 .-М.: БСЭ. 1954г.

Смородинский А.Я. Температура. Библиотечка «Квант». Выпуск 12-М.: «Наука» главная редакция физико-математической литературы, 1981 г-159 с.

Энциклопедия для детей « АВАНТА». Физика.т.16.ч.2.-М.: «Аванта + », 2002г.-432с.


Тезисы

Исследование теплопроводности различных видов текстильных материалов»

МОУ «СОШ №13» г. Саранск

Секция: физика

Руководитель: Палаева Н.П., учитель физики.

Мы живём в условиях умеренно континентального климата, который характеризуется холодной морозной зимой и умеренно жарким летом.

В конце 2009 года разгорелись дебаты о на Земле. Было много приведено научных фактов о том, что климат на Земле становится теплее и виной тому наша цивилизация. Звучали также мнения о том, что теория «глобального потепления» ошибочна. Природа решила тоже сказать свое веское слово зимними морозами. Многие европейские страны были засыпаны снегом, а жители данных стран срочно пополнили свой гардероб теплыми вещами.

В условиях преобладания разной температуры возникает проблема соответствующей одежды, которая если не греет, то хорошо сохраняет тепло. Одежда должна обладать малой теплопроводностью. И поэтому мы решили исследовать некоторые виды тканей на теплопроводность.

Цель данной работы : исследовать теплопроводность текстильных материало в в условиях школьного физического кабинета.

Задачи работы: изучить теоретическую основу понятие теплопроводности; экспериментально исследовать теплопроводность текстильных материалов; экспериментально определить коэффициент теплоизоляции текстильных материалов, сравнить экспериментальные и табличные значения теплопроводности материалов, сделать вывод.

Основной показатель теплоизоляционных свойств материала - коэффициент теплопроводности.

Актуальность работы:

• Возможность получения новых теплоизоляционных материалов с лучшими свойствами.

Теплоизоляция играет одну из важнейших ролей в решении вопросов сохранения здоровья.

В условиях умеренного климата возникает проблема соответствующей одежды, которая должна хорошо сохранять тепло, для этого она должна обладать малой теплопроводностью.

Применение различных видов утеплителя, при пошиве одежды, позволяет снизить рост заболевания в случае терморегуляции организма.

Такие исследования позволяют радикально углубить понимание о теплопроводности текстильных материалов и выяснить, какой материал является наиболее эффективно выгодным.

Объект исследования: В ходе выполнении данной исследовательской работы было проведены эксперименты с различными видами тканей и утеплителями. По результатам работы сделаны основные выводы . Изучив литературу по теме исследования и сравнив экспериментально полученные результаты с табличными значениями, позволяет судить о малой погрешности измерений. Таким образом, мы убедились, что в условиях школьного физического кабинета можно провести сравнительный анализ теплопроводности тканей, которая идет на изготовление нашей одежды. В процессе проведения экспериментов я изучил теплопроводность двух видов костюмных тканей (тонкой и драпа) и, утеплителей холлофайбера, синтепона и ватина. В результате проведенных опытов убедился в том, что самой низкой теплопроводностью обладает холлофайбер, синтепон, затем ватин, драп, и самую большую теплопроводность имеет тонкая костюмная шерстяная ткань. То есть верхняя одежда, сшитая из драпа и утепленная холлафайбером и синтепоном, хорошо сохранит наше тепло, а, значит, защитит нас от зимних холодов.

Полученные в ходе исследований результаты, показывают, какими уникальными теплоизоляционными возможностями обладают современные текстильные материалы и приводят к выводу о необходимости информировать и даже пропагандировать среди населения новые текстильные материалы. Современная текстильная промышленность всё в больших масштабах использует синтетические волокна. С этой целью так же, как и во многие отрасли современного производства в текстильную промышленность приходят нанотехнологии.

Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства.

Практическая значимость

Теплопроводность тканей играет важную роль в одежде человека, а следовательно в его жизнедеятельности. Человек всегда должен одеваться по погоде, чтобы сохранить свое физическое здоровье.

Теплопроводность -- рабочая характеристика теплоизоляционных покрытий. Наряду с экономией основного металла эти покрытия дают возможность сократить теплопотери и предохраняют основной металл от воздействия теплового потока.

Широкое распространение получили стационарные методы определения теплопроводности, при которых сохраняются хотя и различные, но неизменные в процессе исследований температуры в определенных точках покрытия при направлении его слоистости перпендикулярно проходящему тепловому потоку.

Эти методы делятся на абсолютные и относительные. В методах первой группы температура любой точки покрытия зависит только от ее положения, но не от времени. Зная распределение температур в покрытии и количество перенесенной теплоты, можно рассчитать теплопроводность.

В относительных методах сравнивают температурные поля в исследуемом покрытии и эталонном заранее изученном материале, например, кварцевом стекле марки КВ.

Теплопроводность не оценивают непосредственно, а определяют путем перерасчета, сопоставляя с эталоном.

Рис. 2.6.1. Установка для определения теплопроводности покрытий абсолютным методом:

1 - нагреватели; 2 - образец; 3 - электропечь; 4 - потенциометр КСП4; 5 - блок реле БР101;6 - блок задачи БЗ-02; 7 - контробразец; 8 - термос; 9 - внутренний стакан термоса

Установка для оценки теплопроводности стационарным абсолютным методом показана на рис. 2.6.1.

Для создания теплового потока в системе основной металл-покрытие-контр-образец применяется трубчатая электропечь, в которой нагреватели (спирали) расположены так, что образец нагревается только в верхней половине печи, где находятся спиральные нагреватели, тогда как в нижней -- асбестовая теплоизоляция и термопреобразователи для измерения температуры образца по его длине.

Термос, необходимый для охлаждения контробразца и определения теплового потока, прошедшего через покрытие, представляет собой два изолированных стакана.

Во внутренний стакан подается вода.

Температура воды на входе и выходе из термоса может быть измерена медь-константановыми термопреобразователями. Для обеспечения достаточного контакта рабочих торцевых поверхностей контробразца и образца к последнему прикладывается усилие Р не менее 500 Н.

Теплопроводность определяют не менее чем на трех образцах одинаковых размеров, с идентичной структурой и одинаковой толщиной покрытия, которое наносят при одном технологическом режиме на торцевую поверхность образца (рис. 2.6.2).

Рис. 2.6.2 Образец для испытания на теплопроводность

Для каждого образца в каждой точке определяют не менее трех температур через каждые 20 мин.

Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

Обеспечив необходимый прогрев образца и стационарность теплового потока, можно снимать показания всех термопреобразователей.

Для каждого образца в каждой точке определяют не менее трех температур через каждые 20 мин. Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

Рис. 2.6.3 Распределение температур в системе основной металл-покрытие-контробразец по длине :

1 - контробразец; 2 - места установки термопреобразователей; 3 - основной металл; 4 - покрытие

По результатам исследований строится график распределения температур в системе основной металл--покрытие--контробразец (рис. 2.6.3). По графику методом экстраполяции определяют температуры на внутренней и внешней поверхностях покрытия. Теплопроводность , Вт/(м-К) вычисляется по формуле:

где Q -- тепловой поток, проходящий через покрытие, Вт; c = 4,19- -- удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); V -- массовый расход воды, проходящей через термос, кг/с; - повышение температуры воды в термосе, °С; -- температуры воды на входе и выходе из термоса, °С; S -- площадь покрытия, м2; -- температура на внутренней и внешней поверхностях покрытия, °С.

Известны и другие установки для оценки теплопроводности абсолютным методом. Так, В. М. Иванов с сотр. исследовали теплофизические свойства отделенных от основного металла плазменных покрытий из оксида алюминия и двуокиси циркония на установке, приведенной на рис. 2.6.4. Образец в виде цилиндра длиной 100 мм с толщиной стенок 1 мм устанавливали так, чтобы один его конец нагревался от верхних электрических нагревателей, а другой находился в эвтектическом расплаве. Охранное приспособление, экраны, изоляция из кремнеземистого волокна, возможность измерения теплового потока на сравнительно большой длине -- все это исключало неточность выполнения условий стационарности. Градиент температур определяли термопреобразователями.

Рис. 2.6.4 Установка для измерения теплопроводности покрытий абсолютным методом на цилиндрических образцах:

1 - исследуемый образец; 2 - охранное приспособление; 3 - экраны; 4- нагреватели; 5- эвтектический расплав; 6- теплоизоляция; 7-термопары

В работе Т. Б. Бузовкина с сотр. теплопроводность покрытий определена с помощью относительных методов измерения. При этом упрощение достигнуто за счет сравнения температурных полей в исследуемом и эталонном покрытиях. В качестве эталона выбирали заранее изученный материал. По эталонному образцу измеряли полный тепловой поток. При оценке теплопроводности покрытий эталоном служил плавленый кварц с многократно определенной теплопроводностью. Он обладает высокой стабильностью и может работать в интервале температур от 100 до 1700 К.

В экспериментальной установке (рис. 2.6.5) дисковый образец толщиной 3--4 мм и диаметром 23--25 мм устанавливали между эталонами из плавленого кварца.

Рис. 2.6.5 Установка для измерения теплопроводности относительным методом:

1 - образец; 2 - эталоны (плавленый кварц); 3 - термопреобразователи; 4 - силитовые стержни; 5- холодильник; 6- крышка; 7- груз; 8- кольца

Образец изготавливали из отделенного от основного металла покрытия, шлифуя с обеих сторон. Теплопроводность измеряли в условиях лучистого нагрева от силитовых стержней. Для уменьшения радиального отвода тепла систему из образца и кварцевых дисков окружали тремя защитными концентрическими кольцами из асбоцемента и засыпкой из кварцевого песка. Температурные перепады в установившемся режиме фиксировали четырьмя платина-платинородиевыми термопарами. Систему из образца и термопар располагали на медном холодильнике и прижимали к нему грузом для уменьшения переходного контактного сопротивления между образцом, эталонами и термопарами. Тепловая изоляция обеспечивала расхождение значений тепловых потоков через первый и второй эталонные образцы не более 4%. Для интервала 200--900 °С строили кривую зависимости теплопроводности от температуры и с помощью ЭВМ анализировали влияние микротрещин, пятен контакта между частицами, размеров частиц и других структурных параметров на теплопроводность.

роквелл твердость покрытие

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение.

Проект разработан в соответствии со стандартом среднего общего образования по физике. При написании данного проекта рассмотрено изучение тепловых явлений, применение их в быту и технике. Помимо теоретического материала большое внимание уделено исследовательской работе - это опыты, которые отвечают на вопросы «Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела», «Одинаковая ли теплопроводность различных веществ», «Почему струи теплого воздуха или жидкости поднимаются вверх», «Почему тела с темной поверхностью нагреваются сильнее»; поиск и обработка информации, фотографий.Время работы над проектом: 1 - 1,5 месяца.Цели проекта:* практическая реализация имеющихся у школьников знаний о тепловыхявлениях;* формирование навыков самостоятельной исследовательской деятельности;* развитие познавательных интересов;* развитие логического и технического мышлений;* развитие способностей к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами;

2. Основная часть.

2.1. Теоретическая часть

В жизни мы действительно ежедневно встречаемся с тепловыми явлениями. Однако не всегда мы задумываемся, что эти явления можно объяснить, если хорошо знать физику. На уроках физики мы познакомились со способами изменения внутренней энергии: теплопередачей и совершением работы над телом или самим телом. При контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока температуры тел не сравняются (не наступит тепловое равновесие). При этом механическая работа не совершается. Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплообменом или теплопередачей. При теплопередаче энергия всегда передается от более нагретого тела к менее нагретому. Обратный процесс самопроизвольно (сам по себе) никогда не происходит, т. е. теплообмен необратим. Теплообмен определяет или сопровождает многие процессы в природе: эволюцию звезд и планет, метеорологические процессы на поверхности Земли и др. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Теплопроводностью называется явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.

При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.

2.2. Практическая часть.

Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.

Опыт №1

Взяли различные предметы: одну алюминевую ложку, другую деревянную, третью - пластмассовую, четвертую - из нержавеющего сплава, а пятую - серебряную. Прикрепили к каждой ложке каплями меда скрепки для бумаг. Вложили ложки в стакан с горячей водой, чтобы ручки со скрепками торчали из него в разные стороны. Ложки нагреются, и по мере нагревания мед будет плавиться и скрепки отпадут.

Конечно, ложки должны быть одинаковые по форме и размеру. Где нагревание произойдет быстрее, тот металл лучше проводит тепло, более теплопроводен. Для этого опыта я взял стакан с кипятком и четыре вида ложек: алюминиевую, серебряную, пластмассовую и нержавеющую. Я опускал их по одной в стакан и засекал время: за сколько минут она нагреется. Вот, что у меня получилось:

Вывод: ложки, изготовленные из дерева и пластмасса, греются дольше, чем ложки из металла, значит, металлы обладают хорошей теплопроводностью.

Опыт №2

Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность

Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.

Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. На шта-ти-ве го-ри-зон-таль-но за-креп-лён стер-жень. На стержне через оди-на-ко-вые про-ме-жут-ки вер-ти-каль-но за-креп-ле-ны с по-мо-щью воска металлические гвоздики.

К краю стерж-ня под-но-сят свечу. По-сколь-ку край стерж-ня на-гре-ва-ет-ся, то по-сте-пен-но стер-жень про-гре-ва-ет-ся. Когда тепло до-хо-дит до места креп-ле-ния гвоздиков со стерж-нем, сте-а-рин пла-вит-ся, и гвоздик па-да-ет. Мы видим, что в дан-ном опыте нет пе-ре-но-са ве-ще-ства, со-от-вет-ствен-но, на-блю-да-ет-ся теп-ло-про-вод-ность.

Опыт №3

Различные металлы обладают различной теплопроводностью. В физическом кабинете есть прибор, с помощью которого мы можем убедиться в том, что различные металлы обладают разной теплопроводностью. Однако, в домашних условиях мы смогли в этом убедиться с помощью самодельного прибора.

Прибор для показа различной теплопроводности твердых веществ.

Мы изготовили прибор для показа различной теплопроводности твердых тел. Для этого использовали пустую банку из алюминиевой фольги, два резиновых кольца (самодельные), три отрезка проволоки из алюминия, меди и железа, плитку, горячую воду, 3 фигурки человечков с поднятыми вверх руками, вырезанные из бумаги.

Порядок изготовления прибора:

проволоки изогнуть в виде буквы «Г»;

укрепить их с внешней стороны банки при помощи резиновых колец;

подвесить к горизонтальным частям проволочных отрезков (посредством расплавленного парафина или пластилина) бумажных человечков.

Проверка действия прибора . Налить в банку горячей воды (при необходимости подогреть банку с водой на электрической плитке) и наблюдать, какая фигурка упадет первой, второй, третьей.

Результаты. Упадет первой фигурка, закрепленная на медной проволоке, вторая - на алюминиевой, третья - на стальной.

Вывод. Разные твердые вещества обладают различной теплопроводностью.

Теплопроводность у различных веществ различна.

Опыт №4

Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмём пробирку с водой и станем нагревать её верхнюю часть. Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется. Значит, у жидкостей теплопроводность невелика.

Опыт №5

Исследуем теплопроводность газов. Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх. Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа ещё больше, чем у жидкостей и твёрдых тел. Следовательно, теплопроводность у газов ещё меньше.

Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, снег и другие пористые тела.

Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. А воздух - плохой теплопроводник.

Так под снегом сохраняется зеленая трава, озимые сохраняются от вымерзания.

Опыт №6

Распушил небольшой комок ваты и обернул им шарик термометра.Теперь подержал некоторое время термометр на определенном расстоянии от пламени и заметил, как поднялась температура. Затем тот же комок ваты сжал и туго обмотал им шарик термометра и снова поднес к лампе. Во втором случае ртуть поднимется гораздо быстрее. Значит, сжатая вата проводит тепло намного лучше!

Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

3. Заключение.

У различных веществ различная теплопроводность.

Большой теплопроводностью обладают твердые тела (металлы), меньшей - жидкости, и плохой - газы.

Теплопроводность различных веществ мы можем использовать в быту, технике и природе.

Явление теплопроводности присуще всем веществам, независимо от того, в каком агрегатном состоянии они находятся.

Теперь без затруднения я смогу ответить и объяснить с физической точки зрения на вопросы:

1.Почему птицы в холодную погоду распушают свои перья?

(Между перьями находится воздух, а воздух плохой проводник тепла).

2. Почему шерстяная одежда лучше предохраняет от холода, чем синтетическая?

(Между шерстинками находится воздух, который плохо проводит тепло).

3. Почему зимой, когда погода холодная, кошки спят, свернувшись в клубок? (Свернувшись в клубок, они уменьшают площадь поверхности, отдающей тепло).

4. Зачем ручки паяльников, утюгов, сковородок, кастрюль делают из дерева или пластмассы? (Дерево и пластмасса обладают плохой теплопроводностью, поэтому при нагревании металлических предметов мы, держась за деревянную или пластмассовую ручку, не будем обжигать руки).

5. Зачем кусты теплолюбивых растений и кустов на зиму укрывают опилками?

(Опилки являются плохими проводниками тепла. Поэтому растения укрывают опилками, чтобы они не замёрзли).

6. Какие сапоги лучше защищают от мороза: тесные или просторные?

(Просторные, так как воздух плохо проводит тепло, он является ещё одной прослойкой в сапоге, которая сохраняет тепло).

4. Список используемой литературы.

Печатные издания:

1.А.В. Перышкин Физика 8 класс -М: Дрофа,2012г.

2.М.И.Блудов Беседы по физике часть1 -М: Просвещение 1984г.

Интернет - ресурсы:

1.http://class-fizika.narod.ru/8_3.htm

2.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C