Sehingga kini, tiada klasifikasi bersatu telah dibangunkan, yang disebabkan oleh kepelbagaian kaedah sedia ada. Kaedah eksperimen yang terkenal untuk mengukur kekonduksian terma bahan dibahagikan kepada dua kumpulan besar: pegun dan tidak pegun. Dalam kes pertama, kualiti formula pengiraan menggunakan penyelesaian separa persamaan pengaliran haba

dengan syarat, dalam kedua - dengan syarat, di mana T ialah suhu; f - masa; - pekali difusitiviti terma; l - pekali kekonduksian terma; DENGAN - haba tentu; g - ketumpatan bahan; - Operator Laplace, ditulis dalam sistem koordinat yang sepadan; - kuasa khusus sumber haba isipadu.

Kumpulan pertama kaedah adalah berdasarkan penggunaan rejim haba pegun; yang kedua - rejim haba tidak pegun. Kaedah pegun untuk menentukan pekali kekonduksian terma mengikut sifat pengukuran adalah langsung (iaitu, pekali kekonduksian terma ditentukan secara langsung) dan dibahagikan kepada mutlak dan relatif. Dalam kaedah mutlak, parameter yang diukur secara eksperimen memungkinkan untuk mendapatkan, menggunakan formula pengiraan, nilai yang diperlukan pekali kekonduksian terma. Dalam kaedah relatif, parameter yang diukur secara eksperimen memungkinkan untuk mendapatkan nilai pekali kekonduksian terma yang dikehendaki menggunakan formula pengiraan. Dalam kaedah relatif parameter yang diukur untuk pengiraan nilai mutlak ternyata tidak mencukupi. Terdapat dua kemungkinan kes di sini. Yang pertama ialah memantau perubahan dalam pekali kekonduksian terma berhubung dengan yang asal, diambil sebagai perpaduan. Kes kedua ialah penggunaan bahan rujukan dengan sifat terma yang diketahui. Pada masa yang sama, dalam formula pengiraan pekali kekonduksian terma piawai digunakan. Kaedah relatif mempunyai beberapa kelebihan berbanding kaedah mutlak kerana ia lebih mudah. Pembahagian selanjutnya kaedah pegun boleh dilakukan dengan sifat pemanasan (luaran, isipadu dan gabungan) dan mengikut jenis isoterma medan suhu dalam sampel (rata, silinder, sfera). Subkumpulan kaedah dengan pemanasan luaran termasuk semua kaedah yang menggunakan pemanas luaran (elektrik, isipadu, dsb.) dan pemanasan permukaan sampel oleh sinaran haba atau pengeboman elektron. Subkumpulan kaedah dengan pemanasan isipadu menggabungkan semua kaedah yang menggunakan pemanasan oleh arus yang melalui sampel, pemanasan sampel yang dikaji daripada neutron atau sinaran g, atau arus frekuensi ultra tinggi. Subkumpulan kaedah dengan pemanasan gabungan mungkin termasuk kaedah yang secara serentak menggunakan pemanasan luaran dan isipadu sampel, atau pemanasan perantaraan (contohnya, dengan arus frekuensi tinggi).

Dalam ketiga-tiga subkumpulan kaedah pegun, medan suhu

mungkin berbeza.

Isoterma rata terbentuk apabila aliran haba diarahkan sepanjang paksi simetri sampel. Kaedah menggunakan isoterma rata dalam literatur dipanggil kaedah dengan aliran haba paksi atau membujur, dan persediaan eksperimen itu sendiri dipanggil peranti rata.

Isoterma silinder sepadan dengan perambatan aliran haba sepanjang jejari sampel silinder. Dalam kes apabila aliran haba diarahkan sepanjang jejari sampel sfera, isoterma sfera timbul. Kaedah menggunakan isoterma sedemikian dipanggil sfera, dan peranti dipanggil sfera.

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 A. V. Luzina, A. V. Rudin

PENGUKURAN KEKONDUKTIFAN TERMA SAMPEL LOGAM MENGIKUT KAEDAH ALIRAN HABA PEMEGANG

Anotasi. Teknik diterangkan dan ciri reka bentuk pemasangan untuk mengukur pekali kekonduksian haba sampel logam yang dibuat dalam bentuk rod silinder homogen atau plat segi empat tepat nipis menggunakan kaedah aliran haba pegun. Sampel yang dikaji dipanaskan dengan pemanasan elektrik terus dengan denyutan pendek arus ulang alik, tetap dalam pengapit arus kuprum besar-besaran, yang pada masa yang sama berfungsi sebagai sink haba.

Kata kunci: pekali kekonduksian terma, sampel, hukum Fourier, pertukaran haba pegun, persediaan mengukur, pengubah, multimer, termokopel.

pengenalan

Pemindahan tenaga haba dari kawasan yang lebih panas pada badan pepejal kepada yang kurang panas melalui zarah yang bergerak secara huru-hara (elektron, molekul, atom, dll.) dipanggil fenomena kekonduksian terma. Kajian tentang fenomena kekonduksian terma digunakan secara meluas dalam pelbagai industri industri, seperti: minyak, aeroangkasa, automotif, metalurgi, perlombongan, dll.

Terdapat tiga jenis utama pemindahan haba: perolakan, sinaran haba dan pengaliran haba. Kekonduksian terma bergantung kepada sifat bahan dan keadaan fizikalnya. Selain itu, dalam cecair dan pepejal pemindahan tenaga (dielektrik) dilakukan oleh gelombang elastik, dalam gas - melalui perlanggaran dan resapan atom (molekul), dan dalam logam - melalui resapan elektron bebas dan dengan bantuan getaran haba kekisi. Pemindahan haba dalam badan bergantung pada keadaan ia: gas, cecair atau pepejal.

Mekanisme kekonduksian terma dalam cecair adalah berbeza daripada mekanisme kekonduksian terma dalam gas dan mempunyai banyak persamaan dengan kekonduksian terma pepejal. Di kawasan dengan suhu tinggi terdapat getaran molekul dengan amplitud yang besar. Getaran ini dihantar ke molekul bersebelahan, dan dengan itu tenaga gerakan haba dipindahkan secara beransur-ansur dari lapisan ke lapisan. Mekanisme ini memberikan nilai pekali kekonduksian terma yang agak kecil. Dengan peningkatan suhu, pekali kekonduksian terma untuk kebanyakan cecair berkurangan (pengecualian adalah air dan gliserin, yang mana pekali kekonduksian terma meningkat dengan peningkatan suhu).

Fenomena pemindahan tenaga kinetik menggunakan gerakan molekul dalam gas ideal adalah disebabkan oleh pemindahan haba melalui kekonduksian terma. Disebabkan oleh pergerakan molekul secara rawak, molekul bergerak ke semua arah. Bergerak dari tempat dengan lebih banyak lagi suhu tinggi ke tempat dengan suhu yang lebih rendah, molekul memindahkan tenaga kinetik gerakan akibat perlanggaran pasangan. Hasil daripada pergerakan molekul, penyamaan suhu secara beransur-ansur berlaku; dalam gas yang dipanaskan tidak sekata, pemindahan haba ialah pemindahan sejumlah tenaga kinetik semasa pergerakan rawak (huru-hara) molekul. Apabila suhu menurun, kekonduksian terma gas berkurangan.

Dalam logam, penghantar utama haba ialah elektron bebas, yang boleh disamakan dengan gas monatomik yang ideal. Oleh itu, dengan beberapa anggaran

Pekali kekonduksian terma bangunan dan bahan penebat haba ia meningkat dengan peningkatan suhu, dan dengan peningkatan berat isipadu ia meningkat. Pekali kekonduksian terma sangat bergantung pada keliangan dan kelembapan bahan. Kekonduksian terma pelbagai bahan berbeza dalam julat: 2-450 W/(m K).

1. Persamaan haba

Undang-undang kekonduksian terma adalah berdasarkan hipotesis Fourier tentang perkadaran aliran haba dengan perbezaan suhu per unit panjang laluan pemindahan haba per unit masa. Secara berangka, pekali kekonduksian terma adalah sama dengan jumlah haba yang mengalir per unit masa melalui permukaan unit, dengan perbezaan suhu per unit panjang normal sama dengan satu darjah.

Mengikut undang-undang Fourier, ketumpatan permukaan aliran haba h berkadar

akhir kepada kecerunan suhu -:

Di sini faktor X dipanggil pekali kekonduksian terma. Tanda tolak menunjukkan bahawa haba dipindahkan ke arah penurunan suhu. Jumlah haba yang dilalui per unit masa melalui unit permukaan isoterma dipanggil ketumpatan fluks haba:

Jumlah haba yang melalui per unit masa melalui permukaan seisoterma B dipanggil aliran haba:

O = | hjB = -1 -kdP^B. (1.3)

Jumlah haba yang dilalui melalui permukaan B ini pada masa t akan ditentukan daripada persamaan

Daripada=-DL-^t. (1.4)

2. Keadaan sempadan untuk kekonduksian terma

wujud pelbagai syarat ketidaksamaan: geometri - mencirikan bentuk dan dimensi badan di mana proses kekonduksian terma berlaku; fizikal - mencirikan sifat fizikal badan; sementara - mencirikan pengagihan suhu badan pada saat awal masa; sempadan - mencirikan interaksi badan dengan persekitaran.

Syarat sempadan jenis pertama. Dalam kes ini, taburan suhu pada permukaan badan ditentukan untuk setiap saat masa.

Syarat sempadan jenis kedua. Dalam kes ini, nilai yang dinyatakan ialah ketumpatan fluks haba untuk setiap titik pada permukaan badan pada bila-bila masa:

Yara = I (X, Y, 2,1).

Syarat sempadan jenis ketiga. Dalam kes ini, suhu medium T0 dan syarat pertukaran haba medium ini dengan permukaan badan ditentukan.

Keadaan sempadan jenis keempat dibentuk berdasarkan kesamaan aliran haba yang melalui permukaan sentuhan badan.

3. Persediaan eksperimen untuk mengukur pekali kekonduksian terma

Kaedah moden Penentuan pekali kekonduksian haba boleh dibahagikan kepada dua kumpulan: kaedah aliran haba pegun dan kaedah aliran haba tidak pegun.

Dalam kumpulan kaedah pertama, aliran haba yang melalui badan atau sistem jasad kekal malar dalam magnitud dan arah. Medan suhu adalah pegun.

Kaedah sementara menggunakan medan suhu yang berubah-ubah masa.

DALAM kerja ini Salah satu kaedah aliran haba pegun digunakan - kaedah Kohlrausch.

Gambar rajah blok pemasangan untuk mengukur kekonduksian terma sampel logam ditunjukkan dalam Rajah. 1.

nasi. 1. Gambar rajah blok persediaan mengukur

Elemen utama pemasangan ialah pengubah injak turun kuasa 7, belitan utama yang disambungkan kepada pengubah auto jenis LATR 10, dan belitan sekunder, diperbuat daripada busbar tembaga segi empat tepat dengan enam lilitan, disambungkan terus ke pengapit arus kuprum besar 2, yang pada masa yang sama berfungsi sebagai peti sejuk sink haba. Sampel ujian 1 ditetapkan dalam pengapit arus kuprum besar 2 menggunakan bolt kuprum besar (tidak ditunjukkan dalam rajah), yang pada masa yang sama berfungsi sebagai sink haba. Kawalan suhu pada pelbagai titik sampel ujian dijalankan menggunakan termokopel Chromel-Copel 3 dan 5, hujung kerjanya dilekatkan terus pada permukaan silinder sampel 1 - satu di bahagian tengah sampel, dan satu lagi di hujung sampel. Hujung bebas termokopel 3 dan 5 disambungkan kepada jenis multimer DT-838 4 dan 6, yang membolehkan pengukuran suhu dengan ketepatan 0.5 °C. Sampel dipanaskan dengan pemanasan elektrik terus dengan nadi pendek arus ulang alik dari belitan sekunder pengubah kuasa 7. Arus dalam sampel ujian diukur secara tidak langsung - dengan mengukur voltan pada belitan sekunder pengubah arus gelang 8, belitan primer yang merupakan bas kuasa belitan sekunder pengubah kuasa 7 , melalui celah bebas teras magnet anulus. Voltan belitan sekunder pengubah arus diukur dengan multimeter 9.

Perubahan dalam magnitud arus nadi dalam sampel yang dikaji dilakukan menggunakan autotransformer linear 10 (LATR), penggulungan utama yang, melalui fius utama bersambung siri 13 dan butang 12, disambungkan kepada arus ulang alik rangkaian dengan voltan 220 V. Penurunan voltan merentasi sampel ujian dalam mod pemanasan elektrik terus dijalankan dengan menggunakan multimeter 14, disambung secara selari terus ke terminal semasa 2. Tempoh denyutan arus diukur menggunakan jam randik elektrik 11 disambungkan kepada belitan utama autotransformer linear 10. Menghidupkan dan mematikan mod pemanasan sampel ujian disediakan oleh butang 12.

Apabila mengukur pekali kekonduksian terma menggunakan pemasangan yang diterangkan di atas, syarat berikut mesti dipenuhi:

Keseragaman keratan rentas sampel ujian sepanjang keseluruhan panjang;

Diameter sampel ujian mestilah dalam julat dari 0.5 mm hingga 3 mm (jika tidak, kuasa terma utama akan dikeluarkan dalam pengubah kuasa, dan bukan dalam sampel yang dikaji).

Gambar rajah suhu berbanding panjang sampel ditunjukkan dalam Rajah. 2.

nasi. 2. Kebergantungan suhu pada panjang sampel

Seperti yang dapat dilihat dalam rajah di atas, pergantungan suhu pada panjang sampel yang dikaji adalah linear dengan maksimum dinyatakan dengan jelas di bahagian tengah sampel, dan pada hujungnya ia kekal minimum (malar) dan sama dengan suhu. persekitaran semasa selang masa untuk mewujudkan mod pemindahan haba keseimbangan, yang bagi sesuatu persediaan eksperimen tidak melebihi 3 minit, i.e. 180 saat.

4. Terbitan formula kerja untuk pekali kekonduksian terma

Jumlah haba yang dibebaskan dalam konduktor semasa laluan arus elektrik boleh ditentukan mengikut undang-undang Joule-Lenz:

Qel = 12-I^ = u I I, (4.1)

di mana dan, saya ialah voltan dan arus dalam sampel yang dikaji; I ialah rintangan sampel.

Jumlah haba yang dipindahkan melalui keratan rentas sampel yang dikaji semasa selang masa t, dibuat dalam bentuk rod silinder homogen dengan panjang £ dan keratan rentas 5, boleh dikira menggunakan hukum Fourier (1.4):

Qs = R-yT- 5- t, (4.2)

di mana 5 = 2-5osn, 5osn =^4-, at = 2-DT = 2-(Gtah -Gtk1); d£ = D£ = 1-£.

Di sini pekali 2 dan 1/2 menunjukkan bahawa aliran haba diarahkan dari

pusat sampel ke hujungnya, i.e. bercabang menjadi dua aliran. Kemudian

^^b = 8-I-(Gtah -Tt|n) -B^ . (4.3)

5. Mengakaunkan kehilangan haba permukaan sisi

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

di mana Bbok = n-th-1; a ialah pekali pertukaran haba antara permukaan sampel ujian dan persekitaran, yang mempunyai dimensi

Perbezaan suhu

DGx = Tx - T0cr, (5.2)

di mana Tx ialah suhu pada titik tertentu pada permukaan sampel; Hocr - suhu ambien, boleh dikira daripada persamaan linear pergantungan suhu sampel pada panjangnya:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

di mana cerun k boleh ditentukan melalui tangen cerun kebergantungan linear suhu sampel pada panjangnya:

DT T - T T - T

k = f = MT* = T maks TTT = 2 "maks Vр. (5.4)

Menggantikan ungkapan (5.2), (5.3) dan (5.4) ke dalam persamaan (5.1), kita memperoleh:

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

di mana T0 Tszhr.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

Selepas menyepadukan ungkapan (5.5) kami memperoleh:

Q0Kp = ke-2■ dk j jdt■ x■ dx = ke-2-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5.6)

Menggantikan ungkapan yang terhasil (4.1), (4.3) dan (5.6) ke dalam persamaan imbangan haba aoln = ogr + qs, dengan Qtot = QEL, kita memperoleh:

UIt = 8 ■Х ■ S^ ^^-o ■t + -a^n ■d ■ -(Tmaks - Kepada) ■t.

Menyelesaikan persamaan yang terhasil untuk pekali kekonduksian terma, kami memperoleh:

u1 hingga £2, l

Ungkapan yang terhasil membolehkan kita menentukan pekali kekonduksian terma rod logam nipis mengikut pengiraan yang dilakukan untuk sampel ujian biasa dengan ralat relatif

AU f (AI f (L(LG) ^ (At2

tidak melebihi 1.5%.

Bibliografi

1. Sivukhin, D. V. Kursus am fizik / D. V. Sivukhin. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 hlm.

2. Rudin, A. V. Kajian proses kelonggaran struktur dalam objek membentuk kaca di bawah pelbagai mod penyejukan / A. V. Rudin // Izvestia yang tertinggi institusi pendidikan. Wilayah Volga. Sains semula jadi. - 2003. - No 6. - P. 123-137.

3. Pavlov, P.V. Fizik Keadaan Pepejal: buku teks. manual untuk pelajar yang belajar dalam kepakaran "Fizik" / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Lebih tinggi. sekolah, 1985. - 384 hlm.

4. Berman, R. Kekonduksian terma pepejal / R. Berman. - M., 1979. - 287 hlm.

5. Livshits, B. G. Ciri-ciri fizikal logam dan aloi / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metalurgi, 1980. - 320 p.

Luzina Anna Vyacheslavovna Luzina Anna Vyacheslavovna

sarjana muda, pelajar ijazah sarjana,

Universiti Negeri Penza E-mel Universiti Negeri Penza: [e-mel dilindungi]

Rudin Alexander Vasilievich

Calon Sains Fizik dan Matematik, Profesor Madya, Timbalan Ketua Jabatan Fizik, Universiti Negeri Penza E-mel: [e-mel dilindungi]

Rudin Aleksandr Vasil"evich

calon sains fizikal dan matematik, profesor madya,

timbalan ketua sub-jabatan fizik, Universiti Negeri Penza

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Luzina, A. V.

Mengukur kekonduksian terma sampel logam menggunakan kaedah aliran haba pegun /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Buletin Penza Universiti Negeri. - 2016. - No 3 (15). -DENGAN. 76-82.

Mengikut keperluan undang-undang persekutuan No. 261-FZ "Mengenai Penjimatan Tenaga", keperluan untuk kekonduksian terma bangunan dan bahan penebat haba di Rusia telah diperketatkan. Hari ini, pengukuran kekonduksian terma adalah salah satu daripada barang wajib apabila membuat keputusan sama ada untuk menggunakan bahan sebagai penebat haba.

Mengapakah perlu mengukur kekonduksian terma dalam pembinaan?

Kekonduksian haba bahan binaan dan penebat haba dipantau pada semua peringkat pensijilan dan pengeluarannya dalam keadaan makmal, apabila bahan terdedah kepada pelbagai faktor, menjejaskan sifat operasinya. Terdapat beberapa kaedah biasa untuk mengukur kekonduksian terma. Untuk ujian makmal yang tepat terhadap bahan dengan kekonduksian terma rendah (di bawah 0.04 - 0.05 W/m*K), adalah disyorkan untuk menggunakan peranti menggunakan kaedah aliran haba pegun. Penggunaannya dikawal oleh GOST 7076.

Syarikat Interpribor menawarkan meter kekonduksian terma, harga yang dibandingkan dengan yang ada di pasaran dan memenuhi semua keperluan moden. Ia bertujuan untuk kawalan kualiti makmal bangunan dan bahan penebat haba.

Kelebihan meter kekonduksian terma ITS-1

Meter kekonduksian terma ITS-1 mempunyai reka bentuk monoblok asal dan dicirikan oleh kelebihan berikut:

• kitaran pengukuran automatik;
• laluan pengukur ketepatan tinggi yang membolehkan anda menstabilkan suhu peti sejuk dan pemanas;
• kemungkinan penentukuran peranti untuk spesies individu bahan yang sedang dikaji, yang meningkatkan lagi ketepatan keputusan;
• penilaian nyata keputusan semasa proses pengukuran;
• zon keselamatan "panas" yang dioptimumkan;
• paparan grafik bermaklumat yang memudahkan kawalan dan analisis hasil pengukuran.

ITS-1 dibekalkan dalam satu pengubahsuaian asas, yang, atas permintaan pelanggan, boleh ditambah dengan sampel kawalan (plexiglass dan penoplex), kotak untuk bahan pukal dan kes pelindung untuk menyimpan dan mengangkut peranti.

Banyak kaedah telah digunakan pada masa lalu untuk mengukur kekonduksian terma. Pada masa ini, sesetengah daripada mereka sudah lapuk, tetapi teori mereka masih menarik, kerana ia berdasarkan penyelesaian kepada persamaan pengaliran haba untuk sistem mudah, yang sering ditemui dalam amalan.

Pertama sekali, perlu diperhatikan bahawa sifat terma mana-mana bahan muncul dalam pelbagai kombinasi; namun, jika dianggap sebagai ciri material, ia boleh ditentukan daripada pelbagai eksperimen. Mari kita senaraikan ciri terma utama jasad dan eksperimen dari mana ia ditentukan: a) pekali kekonduksian terma diukur dalam mod eksperimen pegun; b) kapasiti haba per unit isipadu, yang diukur dengan kaedah kalorimetrik; c) kuantiti yang diukur dalam mod eksperimen pegun berkala; d) peresapan terma x, diukur dalam keadaan eksperimen yang tidak mantap. Malah, kebanyakan eksperimen yang dijalankan dalam mod tidak pegun, pada dasarnya, membenarkan penentuan dan penentuan.

Kami akan menerangkan secara ringkas kaedah yang paling biasa di sini dan menunjukkan bahagian yang merangkuminya. Pada asasnya, kaedah ini dibahagikan kepada kaedah yang mana pengukuran dijalankan dalam mod pegun (kaedah mod mantap), dengan pemanasan berkala dan dalam mod tidak pegun (kaedah mod tidak pegun); Mereka dibahagikan lagi kepada kaedah yang digunakan dalam kajian konduktor yang lemah dan dalam kajian logam.

1. Kaedah mod pegun; pengalir buruk. Dalam kaedah ini, syarat eksperimen utama yang ditetapkan dalam § 1 bab ini mesti dipenuhi dengan ketat, dan bahan yang dikaji mesti mempunyai bentuk plat. Dalam versi kaedah lain, anda boleh mengkaji bahan dalam bentuk silinder berongga (lihat § 2, Bab VII) atau sfera berongga (lihat § 2, Bab IX). Kadang-kadang bahan yang diuji, yang melaluinya haba, mempunyai bentuk batang tebal, tetapi dalam dalam kes ini teori itu ternyata lebih kompleks (lihat §§ 1, 2 Bab VI dan § 3 Bab VIII).

2. Kaedah terma mod pegun; logam. Dalam kes ini, sampel logam dalam bentuk rod biasanya digunakan, hujungnya dikekalkan pada suhu yang berbeza. Batang separuh sempadan dianggap dalam § 3 Bab. IV, dan batang panjang terhingga- dalam § 5 ch. IV.

3. Kaedah elektrik mod pegun, logam. Dalam kes ini, sampel logam dalam bentuk wayar dipanaskan dengan mengalirkan arus elektrik melaluinya, dan hujungnya dikekalkan pada suhu tertentu (lihat § 11, Bab IV dan contoh IX, § 3, Bab VIII). Anda juga boleh menggunakan kes aliran haba jejari dalam wayar yang dipanaskan kejutan elektrik(lihat contoh V § 2 bab VII).

4. Kaedah mod pegun untuk menggerakkan bendalir. Dalam kes ini, suhu cecair yang bergerak di antara dua takungan diukur, di mana suhu berbeza dikekalkan (lihat § 9, Bab IV).

5. Kaedah pemanasan berkala. Dalam kes ini, keadaan di hujung rod atau plat berubah dengan tempoh masa selepas mencapai keadaan mantap, suhu diukur pada titik tertentu sampel. Kes rod separuh sempadan dipertimbangkan dalam § 4 Bab. IV, dan rod dengan panjang terhingga - dalam § 8 bab yang sama. Kaedah yang sama digunakan untuk menentukan keresapan terma tanah semasa turun naik suhu yang disebabkan oleh pemanasan suria(lihat, § 12 Bab II).

DALAM Kebelakangan ini kaedah ini mula memainkan peranan penting dalam pengukuran suhu rendah; mereka juga mempunyai kelebihan yang, secara teori, secara relatif sistem yang kompleks anda boleh menggunakan kaedah yang dibangunkan untuk mengkaji pandu gelombang elektrik (lihat § 6, Bab I).

6. Kaedah mod tidak pegun. Pada masa lalu, kaedah sementara telah digunakan agak kurang daripada kaedah keadaan mantap. Kelemahan mereka ialah kesukaran untuk menentukan bagaimana keadaan sempadan sebenar dalam eksperimen adalah konsisten dengan keadaan yang dipostulatkan oleh teori. Ambil kira percanggahan sedemikian (contohnya, apabila kita bercakap tentang tentang rintangan sentuhan di sempadan) adalah sangat sukar, dan ini lebih penting untuk kaedah ini daripada kaedah mod pegun (lihat § 10, Bab II). Pada masa yang sama, kaedah mod tidak pegun sendiri mempunyai kelebihan yang terkenal. Oleh itu, beberapa kaedah ini sesuai untuk membuat pengukuran yang sangat cepat dan untuk mengambil kira perubahan kecil dalam suhu; Di samping itu, beberapa kaedah boleh digunakan "in situ", tanpa mengangkut sampel ke makmal, yang sangat diingini, terutamanya apabila mengkaji bahan seperti tanah dan batu. Kebanyakan kaedah lama hanya menggunakan bahagian terakhir suhu berbanding graf masa; dalam kes ini, penyelesaian kepada persamaan yang sepadan dinyatakan dengan satu sebutan eksponen. Dalam § 7 ch. IV, § 5 bab. VI, § 5 bab. VIII dan § 5 bab. IX kes menyejukkan badan bentuk geometri ringkas dengan pemindahan haba linear dari permukaannya dipertimbangkan. Dalam § 14 ch. IV, kes suhu tidak pegun dalam wayar yang dipanaskan oleh arus elektrik dipertimbangkan. Dalam sesetengah kes, keseluruhan graf perubahan suhu pada satu titik digunakan (lihat § 10, Bab II dan § 3, Bab III).

Matlamat kerja: kajian metodologi untuk penentuan eksperimen bagi pekali

kekonduksian haba bahan pepejal dengan kaedah plat.

Senaman:1. Tentukan pekali kekonduksian terma bagi bahan yang dikaji.

2. Tentukan pergantungan pekali kekonduksian haba pada suhu

bahan yang dipelajari.

PERUNTUKAN ASAS.

Pertukaran haba ialah proses pemindahan haba yang tidak dapat dipulihkan secara spontan dalam ruang dengan adanya perbezaan suhu. Terdapat tiga kaedah utama pemindahan haba, yang berbeza dengan ketara dalam sifat fizikalnya:

kekonduksian terma;

perolakan;

sinaran haba.

Dalam amalan, haba, sebagai peraturan, dipindahkan secara serentak dalam beberapa cara, tetapi pengetahuan tentang proses ini adalah mustahil tanpa mengkaji proses asas pemindahan haba.

Kekonduksian terma ialah proses pemindahan haba yang disebabkan oleh pergerakan haba zarah mikro. Dalam gas dan cecair, pemindahan haba oleh kekonduksian terma berlaku melalui resapan atom dan molekul. Dalam pepejal, pergerakan bebas atom dan molekul di seluruh isipadu bahan adalah mustahil dan dikurangkan hanya kepada gerakan getarannya berbanding dengan kedudukan keseimbangan tertentu. Oleh itu, proses kekonduksian terma dalam pepejal disebabkan oleh peningkatan amplitud ayunan ini, yang disebarkan ke seluruh isipadu jasad akibat gangguan medan daya antara zarah berayun. Dalam logam, pemindahan haba oleh kekonduksian terma berlaku bukan sahaja disebabkan oleh getaran ion dan atom yang terletak di nod kekisi kristal, tetapi juga disebabkan oleh pergerakan elektron bebas, membentuk apa yang dipanggil "gas elektron". Disebabkan kehadiran dalam logam pembawa tenaga haba tambahan dalam bentuk elektron bebas, kekonduksian terma logam adalah jauh lebih tinggi daripada dielektrik pepejal.

Apabila mengkaji proses kekonduksian terma, konsep asas berikut digunakan:

Kuantiti haba (Q  ) – tenaga haba, melepasi semasa keseluruhan prosesmelalui permukaan kawasan sewenang-wenangnya F. Dalam sistem SI ia diukur dalam joule (J).

Aliran haba (kuasa terma) (Q) – jumlah haba yang melalui seunit masa melalui permukaan kawasan sewenang-wenangnya F.

Dalam sistem SI, aliran haba diukur dalam watt (W).

Ketumpatan fluks haba (q) – jumlah haba yang melalui per unit masa melalui permukaan unit.

Dalam sistem SI ia diukur dalam W/m2.

Medan suhu– satu set nilai suhu pada masa tertentu di semua titik ruang yang diduduki oleh badan. Jika suhu di semua titik medan suhu tidak berubah dari semasa ke semasa, maka medan sedemikian dipanggil pegun, jika ia berubah, maka - tidak pegun.

Permukaan yang dibentuk oleh titik yang mempunyai suhu yang sama dipanggil isoterma.

Kecerunan suhu (gradT) – vektor yang diarahkan sepanjang normal ke permukaan isoterma ke arah peningkatan suhu dan ditakrifkan secara berangka sebagai had nisbah perubahan suhu antara dua permukaan isoterma kepada jarak antara mereka sepanjang normal apabila jarak ini cenderung kepada sifar. Atau dengan kata lain, kecerunan suhu ialah terbitan suhu ke arah ini.

Kecerunan suhu mencirikan kadar perubahan suhu dalam arah normal kepada permukaan isoterma.

Proses kekonduksian terma dicirikan oleh undang-undang asas kekonduksian terma - undang-undang Fourier(1822). Menurut undang-undang ini, ketumpatan fluks haba yang dihantar melalui kekonduksian terma adalah berkadar terus dengan kecerunan suhu:

di mana  ialah pekali kekonduksian terma bagi bahan, W/(mdeg).

Tanda (-) menunjukkan bahawa aliran haba dan kecerunan suhu adalah bertentangan arah.

Pekali kekonduksian terma menunjukkan berapa banyak haba yang dipindahkan setiap unit masa melalui permukaan unit dengan kecerunan suhu sama dengan kesatuan.

Pekali kekonduksian haba adalah ciri termofizik yang penting bagi sesuatu bahan dan pengetahuan mengenainya adalah perlu apabila melakukan pengiraan haba yang berkaitan dengan menentukan kehilangan haba melalui struktur tertutup bangunan dan struktur, dinding mesin dan radas, mengira penebat haba, serta apabila menyelesaikan banyak masalah kejuruteraan lain.

Satu lagi undang-undang penting kekonduksian terma ialah Undang-undang Fourier-Kirchhoff, yang menentukan sifat perubahan suhu dalam ruang dan masa semasa kekonduksian terma. Nama lain ialah persamaan haba pembezaan, kerana ia diperoleh dengan kaedah teori analisis matematik berdasarkan hukum Fourier. Untuk medan suhu tidak pegun 3 dimensi, persamaan pembezaan kekonduksian terma mempunyai bentuk berikut:

,

di mana
- pekali difusitiviti haba, mencirikan sifat inersia haba bahan,

,C p , - masing-masing, pekali kekonduksian terma, kapasiti haba isobarik dan ketumpatan bahan;

- Operator Laplace.

Untuk medan suhu pegun satu dimensi (
) persamaan pembezaan kekonduksian terma mengambil bentuk yang mudah

Dengan menyepadukan persamaan (1) dan (2), adalah mungkin untuk menentukan ketumpatan fluks haba melalui badan dan hukum perubahan suhu di dalam badan semasa pemindahan haba secara konduksi. Untuk mendapatkan penyelesaian, tugas diperlukan syarat yang tidak jelas.

Syarat keunikan– ini adalah data peribadi tambahan yang mencirikan masalah yang sedang dipertimbangkan. Ini termasuk:

Keadaan geometri yang mencirikan bentuk dan saiz badan;

Keadaan fizikal yang mencirikan sifat fizikal badan;

keadaan sementara (awal) yang mencirikan taburan suhu pada saat permulaan masa;

keadaan sempadan yang mencirikan ciri pertukaran haba pada sempadan badan. Terdapat syarat sempadan jenis 1, 2 dan 3.

Pada syarat sempadan jenis 1 taburan suhu pada permukaan badan ditentukan. Dalam kes ini, adalah perlu untuk menentukan ketumpatan fluks haba melalui badan.

Pada syarat sempadan jenis ke-2 ketumpatan fluks haba dan suhu salah satu permukaan badan ditentukan. Ia adalah perlu untuk menentukan suhu permukaan lain.

Di bawah keadaan sempadan jenis ke-3 keadaan pemindahan haba antara permukaan badan dan media membasuhnya dari luar mesti diketahui. Daripada data ini ketumpatan fluks haba ditentukan. Kes ini merujuk kepada gabungan proses pemindahan haba melalui pengaliran dan perolakan, dipanggil pemindahan haba.

Mari kita pertimbangkan contoh paling mudah untuk kes pengaliran haba melalui dinding rata. rata dipanggil dinding yang ketebalannya kurang ketara daripada dua dimensi lain - panjang dan lebar. Dalam kes ini, syarat keunikan boleh ditentukan seperti berikut:

geometri: ketebalan dinding diketahui. Medan suhu adalah satu dimensi, oleh itu suhu hanya berubah mengikut arah paksi X dan aliran haba diarahkan normal ke permukaan dinding;.

fizikal: bahan dinding dan pekali kekonduksian termanya diketahui, dan untuk seluruh badan=const;

Sementara: medan suhu tidak berubah mengikut masa, i.e. adalah pegun;

keadaan sempadan: Jenis pertama, suhu dinding ialah T 1 dan T 2.

Ia diperlukan untuk menentukan hukum perubahan suhu sepanjang ketebalan dinding T=f(X) dan ketumpatan fluks haba melalui dindingq.

Untuk menyelesaikan masalah kita menggunakan persamaan (1) dan (3). Dengan mengambil kira syarat sempadan yang diterima (pada x=0T=T 1; pada x=T=T 2) selepas penyepaduan dua kali persamaan (3) kita memperoleh hukum perubahan suhu sepanjang ketebalan dinding

,

Taburan suhu dalam dinding rata ditunjukkan dalam Rajah 1.

Rajah 1. Pengagihan suhu dalam dinding rata.

Ketumpatan fluks haba kemudiannya ditentukan mengikut ungkapan

,

Menentukan pekali kekonduksian terma secara teori tidak dapat memberikan ketepatan hasil yang diperlukan untuk amalan kejuruteraan moden, oleh itu satu-satunya cara yang boleh dipercayai kekal penentuan eksperimennya.

Salah satu kaedah eksperimen yang terkenal untuk menentukan is kaedah lapisan rata. Mengikut kaedah ini, pekali kekonduksian terma bagi bahan dinding rata boleh ditentukan berdasarkan persamaan (5)

;

Dalam kes ini, nilai pekali kekonduksian haba yang diperolehi merujuk kepada suhu purata T m = 0.5 (T 1 + T 2).

Walaupun kesederhanaan fizikalnya, pelaksanaan praktikal kaedah ini mempunyai kesukaran tersendiri yang dikaitkan dengan kesukaran mencipta medan suhu pegun satu dimensi dalam sampel yang dikaji dan mengambil kira kehilangan haba.

PENERANGAN DIRI MAKMAL.

Penentuan pekali kekonduksian terma dijalankan pada pemasangan makmal berdasarkan kaedah simulasi proses fizikal sebenar. Pemasangan terdiri daripada PC yang disambungkan ke susun atur kawasan kerja, yang dipaparkan pada skrin monitor. Kawasan kerja dicipta dengan analogi dengan yang sebenar dan rajahnya dibentangkan dalam Rajah. 2.

Rajah.2. Gambar rajah kawasan kerja pemasangan

Bahagian kerja terdiri daripada 2 sampel fluoroplastik 12, dibuat dalam bentuk cakera dengan ketebalan  = 5 mm dan diameter d = 140 mm. Sampel diletakkan di antara pemanas 10 dengan ketinggian h = 12 mm dan diameter d n = 146 mm dan peti sejuk 11 disejukkan dengan air. Penciptaan aliran haba dilakukan oleh elemen pemanasan dengan rintangan elektrik R = 41 Ohm dan peti sejuk 11 dengan alur lingkaran untuk peredaran terarah air penyejuk. Oleh itu, aliran haba yang melalui sampel fluoroplastik yang dikaji dibawa oleh air yang mengalir melalui peti sejuk. Sebahagian daripada haba daripada pemanas terlepas melalui permukaan hujung ke dalam persekitaran, oleh itu, untuk mengurangkan kehilangan jejarian ini, selongsong penebat haba 13 yang diperbuat daripada simen asbestos disediakan (k = 0.08 W/(mdeg)). Selongsong dengan ketinggian h k = 22 mm dibuat dalam bentuk silinder berongga dengan diameter dalam d h = 146 mm dan diameter luar d k = 190 mm. Suhu diukur menggunakan tujuh termokopel Chromel-Copel (jenis XK) pos. 1…7, dipasang di pelbagai titik di kawasan kerja. Suis penderia suhu 15 membolehkan anda mengukur termo-EMF ketujuh-tujuh penderia suhu secara berurutan. Termokopel 7 dipasang pada permukaan luar selongsong penebat haba untuk menentukan kebocoran haba melaluinya.

URUSAN KERJA.

3.1. Mod suhu operasi pemasangan dipilih dengan menetapkan suhu permukaan panas plat T g dalam julat dari 35°C hingga 120°C.

3.2. Pada konsol pemasangan, suis kuasa untuk peranti penunjuk yang merekodkan voltan pada pemanas elektrik U, termo-EMF bagi penderia suhu E dan suis pemanasan dihidupkan mengikut urutan.

3.3. Dengan memutarkan tombol rheostat dengan lancar, voltan yang dikehendaki ditetapkan pada pemanas. Rheostat dibuat dalam versi langkah, jadi voltan berubah mengikut langkah. Voltan U dan suhu T g mestilah selaras antara satu sama lain mengikut pergantungan yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah.3. Zon kerja pemanasan

3.4. Dengan menyoal penderia suhu secara berurutan menggunakan suis 15, nilai termo-EMF tujuh termokopel ditentukan, yang, bersama-sama dengan nilai U, dimasukkan ke dalam protokol eksperimen (lihat Jadual 1). Pendaftaran bacaan dijalankan menggunakan peranti penunjuk pada panel kawalan, bacaannya diduplikasi pada monitor PC.

3.5. Pada akhir percubaan, semua badan kawal selia pemasangan dipindahkan ke kedudukan asalnya.

3.6. Eksperimen berulang dijalankan (jumlah bilangan mereka mestilah sekurang-kurangnya 3) dan pada nilai lain Tg mengikut cara yang ditetapkan dalam perenggan. 3.1…3.5.

PEMPROSESAN HASIL PENGUKURAN.

4.1. Mengikut ciri penentukuran termokopel Chromel-Copel, bacaan penderia suhu ditukar kepada darjah pada skala Kelvin. .

4.2. Suhu purata permukaan dalaman panas dan sejuk luaran sampel ditentukan

di mana i ialah nombor termokopel.

4.3. Jumlah fluks haba yang dihasilkan oleh pemanas elektrik ditentukan

, W

di mana U ialah voltan arus elektrik, V;

R= 41 Ohm – rintangan pemanas elektrik.

4.4. Fluks haba yang hilang akibat pemindahan haba melalui selongsong ditentukan

di mana k ialah pekali yang mencirikan proses pemindahan haba melalui selongsong.

, W/(m 2 deg)

di mana  k = 0.08 W/(mdeg) – pekali kekonduksian terma bahan selongsong;

dn = 0.146 m – diameter luar pemanas;

dк = 0.190 m – diameter luar selongsong;

h n = 0.012 m – ketinggian pemanas;

h k = 0.022 m – ketinggian selongsong.

T t – suhu permukaan luar selongsong, ditentukan oleh termokopel ke-7

4.5. Aliran haba yang melalui sampel yang dikaji ditentukan oleh kekonduksian terma

, W

4.6. Pekali kekonduksian terma bagi bahan yang dikaji ditentukan

, W/(mdeg)

di mana Q  ialah aliran haba yang melalui sampel ujian melalui kekonduksian terma, W;

 = 0.005 m – ketebalan sampel;

- luas permukaan satu sampel, m2;

d= 0.140 m – diameter sampel;

T g, T x – suhu permukaan panas dan sejuk sampel, masing-masing, K.

4.7. Pekali kekonduksian haba bergantung pada suhu, oleh itu nilai yang diperoleh  merujuk kepada suhu purata sampel

Keputusan pemprosesan data eksperimen dimasukkan dalam Jadual 1.

Jadual 1

Keputusan pengukuran dan pemprosesan data eksperimen

4.8. Menggunakan kaedah grafik-analisis untuk memproses keputusan yang diperolehi, kami memperoleh pergantungan pekali kekonduksian terma bahan yang dikaji pada suhu purata sampel T m dalam bentuk

di mana  0 dan b- ditentukan secara grafik berdasarkan analisis graf pergantungan =f(T m).

SOALAN KAWALAN

Apakah kaedah utama pemindahan haba?

Apakah kekonduksian terma?

Apakah ciri mekanisme kekonduksian terma dalam konduktor dan dielektrik pepejal?

Apakah undang-undang yang menerangkan proses pengaliran haba?

Apakah dinding rata?

Apakah syarat sempadan?

Apakah sifat perubahan suhu dalam dinding rata?

Apakah maksud fizikal pekali kekonduksian haba?

Mengapakah perlu mengetahui pekali kekonduksian terma pelbagai bahan dan bagaimanakah nilainya ditentukan?

Apakah ciri metodologi kaedah lapisan rata?

KAJIAN PEMINDAHAN HABA SEMASA PEROLEHAN BEBAS

Matlamat kerja: mengkaji corak pemindahan haba perolakan menggunakan contoh pemindahan haba semasa perolakan bebas untuk kes aliran melintang dan membujur di sekeliling permukaan yang dipanaskan. Memperoleh kemahiran dalam memproses keputusan eksperimen dan mempersembahkannya dalam bentuk umum.

Senaman:

1. Tentukan nilai eksperimen bagi pekali pemindahan haba daripada silinder mengufuk dan silinder menegak ke medium semasa perolakan bebas.

2. Dengan memproses data eksperimen, dapatkan parameter persamaan kriteria yang mencirikan proses perolakan bebas berbanding permukaan mendatar dan menegak.

PERUNTUKAN TEORI ASAS.

Terdapat tiga kaedah utama pemindahan haba, yang berbeza dengan ketara antara satu sama lain dalam sifat fizikalnya:

kekonduksian terma;

perolakan;

sinaran haba.

Dengan kekonduksian terma, pembawa tenaga haba adalah mikrozarah jirim - atom dan molekul, dengan sinaran haba– gelombang elektromagnet.

Perolakan ialah satu cara memindahkan haba dengan memindahkan jumlah jirim makroskopik dari satu titik dalam ruang ke tempat lain.

Oleh itu, perolakan hanya mungkin dalam media yang mempunyai sifat kecairan - gas dan cecair. Dalam teori pemindahan haba mereka biasanya ditetapkan dengan istilah "cecair", tanpa membuat perbezaan, melainkan dinyatakan secara khusus, antara cecair titisan dan gas. Proses pemindahan haba secara perolakan biasanya disertai dengan kekonduksian terma. Proses ini dipanggil pertukaran haba perolakan.

Pemindahan haba perolakan ialah proses gabungan pemindahan haba secara perolakan dan pengaliran.

Dalam amalan kejuruteraan, mereka paling kerap berurusan dengan proses pertukaran haba perolakan antara permukaan badan pepejal (contohnya, permukaan dinding relau, peranti pemanasan, dll.) dan cecair yang mengelilingi permukaan ini. Proses ini dipanggil pemindahan haba.

Pelesapan haba– kes istimewa pertukaran haba perolakan antara permukaan badan pepejal (dinding) dan bendalir yang mengelilinginya.

Membezakan terpaksa dan bebas (semula jadi) perolakan.

Perolakan paksa berlaku di bawah pengaruh daya tekanan yang dicipta secara paksa, contohnya oleh pam, kipas, dsb.

Perolakan bebas atau semula jadi berlaku di bawah pengaruh daya jisim sifat yang berbeza: graviti, emparan, elektromagnet, dll.

Di Bumi, perolakan bebas berlaku di bawah pengaruh graviti, itulah sebabnya ia dipanggil perolakan graviti terma. Daya penggerak proses dalam kes ini ialah daya angkat, yang timbul dalam medium dengan kehadiran heterogeniti dalam taburan ketumpatan di dalam isipadu yang sedang dipertimbangkan. Semasa pemindahan haba, kepelbagaian itu timbul disebabkan oleh fakta bahawa unsur-unsur individu medium boleh berada pada suhu yang berbeza. Dalam kes ini, lebih panas, dan oleh itu kurang tumpat, unsur-unsur medium akan bergerak ke atas di bawah tindakan daya angkat, memindahkan haba dengan mereka, dan lebih sejuk, dan oleh itu, unsur-unsur medium yang lebih tumpat akan mengalir ke ruang kosong, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1.

nasi. 1. Sifat pergerakan aliran dalam cecair semasa perolakan bebas

Sekiranya sumber haba yang berterusan terletak di tempat ini, maka apabila dipanaskan, ketumpatan unsur-unsur medium yang dipanaskan akan berkurangan, dan mereka juga akan mula terapung ke atas. Jadi, selagi terdapat perbezaan dalam ketumpatan unsur-unsur individu persekitaran, peredarannya akan berterusan, i.e. perolakan bebas akan berterusan. Perolakan bebas yang berlaku dalam jumlah besar medium, di mana tiada apa yang menghalang perkembangan aliran perolakan, dipanggil perolakan bebas dalam ruang tanpa had. Perolakan percuma dalam ruang yang tidak terhad, sebagai contoh, berlaku dalam pemanasan ruang, pemanasan air dalam dandang air panas, dan banyak kes lain. Sekiranya perkembangan aliran perolakan dihalang oleh dinding saluran atau lapisan yang diisi dengan medium bendalir, maka proses dalam kes ini dipanggil perolakan bebas dalam ruang terhad. Proses ini berlaku, sebagai contoh, semasa pertukaran haba di dalam celah udara antara bingkai tingkap.

Undang-undang asas yang menerangkan proses pemindahan haba perolakan ialah Undang-undang Newton-Richmann. Dalam bentuk analisis untuk rejim suhu pegun pemindahan haba, ia mempunyai bentuk berikut:

,

di mana
- jumlah asas haba yang dikeluarkan dalam tempoh masa asas
daripada luas permukaan asas
;

- suhu dinding;

- suhu cecair;

- pekali pemindahan haba.

Pekali pemindahan haba menunjukkan berapa banyak haba yang dikeluarkan setiap unit masa dari permukaan unit apabila perbezaan suhu antara dinding dan cecair ialah satu darjah. Unit ukuran pekali pemindahan haba dalam sistem SI ialah W/m 2 ∙deg. Dalam proses pegun yang mantap, pekali pemindahan haba boleh ditentukan daripada ungkapan:

, W/m 2 ∙deg

di mana - aliran haba, W;

- luas permukaan pertukaran haba, m2;

- perbezaan suhu antara permukaan dan cecair, darjah.

Pekali pemindahan haba mencirikan keamatan pertukaran haba antara dinding dan cecair yang membasuhnya. Dengan sifat fizikalnya, pemindahan haba perolakan adalah proses yang sangat kompleks. Pekali pemindahan haba bergantung pada sejumlah besar parameter yang berbeza - sifat fizikal cecair, sifat aliran cecair, kelajuan aliran cecair, saiz dan bentuk saluran, serta banyak faktor lain. Dalam hal ini, adalah mustahil untuk memberikan pergantungan umum untuk mencari pekali pemindahan haba secara teori

Pekali pemindahan haba boleh ditentukan dengan paling tepat dan boleh dipercayai secara eksperimen berdasarkan persamaan (2). Walau bagaimanapun, dalam amalan kejuruteraan, apabila mengira proses pemindahan haba dalam pelbagai peranti teknikal Sebagai peraturan, adalah tidak mungkin untuk secara eksperimen menentukan nilai pekali pemindahan haba di bawah keadaan objek berskala penuh sebenar disebabkan oleh kerumitan dan kos yang tinggi untuk menyediakan eksperimen sedemikian. Dalam kes ini, untuk menyelesaikan masalah menentukan , ia datang untuk menyelamatkan teori persamaan.

Asas kepentingan praktikal Teori persamaan terletak pada fakta bahawa ia membolehkan seseorang untuk membuat generalisasi hasil eksperimen tunggal yang dijalankan ke atas model dalam keadaan makmal kepada keseluruhan kelas proses dan objek sebenar yang serupa dengan proses yang dikaji pada model. Konsep persamaan, terkenal berhubung dengan bentuk geometri, boleh diperluaskan kepada sebarang proses dan fenomena fizikal.

Kelas fenomena fizikal ialah satu set fenomena yang boleh diterangkan oleh satu sistem persamaan umum dan mempunyai sifat fizikal yang sama.

Kejadian tunggal– ini adalah sebahagian daripada kelas fenomena fizikal yang dibezakan oleh keadaan keunikan tertentu (geometrik, fizikal, awalan, sempadan).

Fenomena yang serupa– sekumpulan fenomena kelas yang sama dengan keadaan yang tidak jelas, kecuali nilai berangka kuantiti yang terkandung dalam keadaan ini.

Teori persamaan adalah berdasarkan fakta bahawa kuantiti fizik dimensi yang mencirikan fenomena boleh digabungkan menjadi kompleks tanpa dimensi, dan dengan cara yang bilangan kompleks ini akan kurang daripada bilangan kuantiti dimensi. Kompleks tanpa dimensi yang terhasil dipanggil kriteria persamaan. Kriteria persamaan mempunyai makna fizikal tertentu dan mencerminkan pengaruh bukan satu kuantiti fizikal, tetapi keseluruhan set mereka termasuk dalam kriteria, yang secara signifikan memudahkan analisis proses yang dikaji. Proses itu sendiri dalam kes ini boleh diwakili dalam bentuk hubungan analitikal
antara kriteria persamaan
, mencirikan aspek individunya. Kebergantungan sedemikian dipanggil persamaan kriteria. Kriteria persamaan dinamakan sempena nama saintis yang memberi sumbangan besar kepada pembangunan hidrodinamik dan teori pemindahan haba - Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Kirpichev dan lain-lain.

Teori persamaan adalah berdasarkan 3 teorem persamaan.

Teorem pertama:

Fenomena yang serupa antara satu sama lain mempunyai kriteria persamaan yang sama.

Teorem ini menunjukkan bahawa dalam eksperimen adalah perlu untuk mengukur hanya kuantiti fizik yang terkandung dalam kriteria persamaan.

teorem ke-2:

Persamaan matematik asal yang mencirikan fenomena fizikal yang diberikan sentiasa boleh dibentangkan dalam bentuk hubungan antara kriteria persamaan yang mencirikan fenomena ini.

Persamaan ini dipanggil kriteria. Teorem ini menunjukkan bahawa keputusan eksperimen perlu dibentangkan dalam bentuk persamaan kriteria.

teorem ke-3.

Serupa adalah fenomena yang kriteria persamaan, terdiri daripada keadaan keunikan, adalah sama..

Teorem ini mentakrifkan syarat yang diperlukan untuk mewujudkan persamaan fizikal. Kriteria persamaan yang terdiri daripada syarat yang tidak jelas dipanggil mentakrifkan. Mereka menentukan kesamarataan semua yang lain atau ditentukan kriteria persamaan, yang sebenarnya merupakan subjek teorem persamaan pertama. Oleh itu, teorem persamaan ke-3 mengembangkan dan mendalamkan teorem pertama.

Apabila mengkaji pemindahan haba perolakan, kriteria persamaan berikut paling kerap digunakan.

Kriteria Reynolds (Re) – mencirikan hubungan antara daya inersia dan daya geseran likat yang bertindak dalam bendalir. Nilai kriteria Reynolds mencirikan rejim aliran bendalir semasa perolakan paksa.

,

di mana - kelajuan pergerakan bendalir;

- pekali kelikatan kinematik cecair;

- menentukan saiz.

kriteria Grashof (Gr) – mencirikan hubungan antara daya geseran likat dan daya angkat yang bertindak dalam bendalir semasa perolakan bebas. Nilai kriteria Grashof mencirikan rejim aliran bendalir semasa perolakan bebas.

,

di mana - pecutan graviti;

- menentukan saiz;

- pekali suhu pengembangan isipadu cecair (untuk gas
, Di mana - menentukan suhu pada skala Kelvin);

- perbezaan suhu antara dinding dan cecair;

- suhu dinding dan cecair, masing-masing;

- pekali kelikatan kinematik cecair.

Kriteria Nusselt (Nu) – mencirikan hubungan antara jumlah haba yang dipindahkan melalui kekonduksian terma dan jumlah haba yang dipindahkan melalui perolakan semasa pertukaran haba perolakan antara permukaan pepejal (dinding) dan cecair, i.e. semasa pemindahan haba.

,

di mana - pekali pemindahan haba;

- menentukan saiz;

- pekali kekonduksian terma cecair pada sempadan dinding dan cecair.

Kriteria peclet (Pe) – mencirikan hubungan antara jumlah haba yang diterima (diberi) oleh aliran bendalir dan jumlah haba yang dihantar (diberi) melalui pertukaran haba perolakan.

,

di mana - kelajuan aliran bendalir;

- menentukan saiz;

- pekali difusitiviti terma;

- masing-masing, pekali kekonduksian terma, kapasiti haba isobarik, dan ketumpatan cecair.

Kriteria Prandtl (Pr) – mencirikan sifat fizikal cecair.

,

di mana - pekali kelikatan kinematik;

- pekali resapan haba cecair.

Daripada kriteria persamaan yang dipertimbangkan adalah jelas bahawa parameter yang paling penting dalam mengira proses pemindahan haba perolakan, mencirikan keamatan proses, iaitu, pekali pemindahan haba , termasuk dalam ungkapan untuk kriteria Nusselt. Ini menentukan bahawa untuk menyelesaikan masalah pemindahan haba perolakan menggunakan kaedah kejuruteraan berdasarkan penggunaan teori persamaan, kriteria ini adalah kriteria yang paling penting yang ditentukan. Nilai pekali pemindahan haba dalam kes ini ditentukan mengikut ungkapan berikut

Dalam hal ini, persamaan kriteria biasanya ditulis dalam bentuk penyelesaian berkenaan dengan kriteria Nusselt dan mempunyai bentuk fungsi kuasa.

di mana
- nilai kriteria persamaan yang mencirikan pelbagai aspek proses yang sedang dipertimbangkan;

- pemalar berangka ditentukan berdasarkan data eksperimen yang diperoleh dengan mengkaji kelas fenomena serupa menggunakan model secara eksperimen.

Bergantung pada jenis perolakan dan keadaan khusus proses, set kriteria persamaan termasuk dalam persamaan kriteria, nilai pemalar dan faktor pembetulan mungkin berbeza.

Pada permohonan praktikal persamaan kriteria, isu penting ialah pilihan yang betul untuk menentukan saiz dan suhu penentu. Suhu penentuan adalah perlu untuk penentuan yang betul bagi nilai-nilai sifat fizikal cecair yang digunakan dalam mengira nilai kriteria persamaan. Pilihan saiz penentu bergantung pada kedudukan relatif aliran bendalir dan permukaan yang dicuci, iaitu, pada sifat alirannya. Dalam kes ini, anda harus dipandu oleh pengesyoran sedia ada untuk kes biasa berikut.

Perolakan paksa apabila bendalir bergerak ke dalam paip bulat.

- diameter dalaman paip.

Perolakan paksa semasa pergerakan bendalir dalam saluran keratan rentas sewenang-wenangnya.

- diameter setara,

di mana - segi empat sama keratan rentas saluran;

- perimeter bahagian.

Aliran melintang di sekeliling paip bulat dengan perolakan bebas (paip mendatar (lihat Rajah 2) dengan perolakan graviti terma)

- diameter luar paip.

Rajah.2. Sifat aliran di sekeliling paip mendatar semasa perolakan graviti terma

Aliran membujur di sekeliling dinding rata (paip) (lihat Rajah 3) semasa perolakan graviti terma.

- ketinggian dinding (panjang paip).

nasi. 3. Sifat aliran di sekeliling dinding menegak (paip) semasa perolakan graviti terma.

Menentukan suhu diperlukan untuk penentuan betul sifat termofizik medium, nilai yang berbeza-beza bergantung pada suhu.

Apabila pemindahan haba berlaku, min aritmetik antara suhu dinding dan cecair diambil sebagai suhu penentu.

Dalam kes pertukaran haba perolakan antara unsur-unsur individu medium di dalam isipadu yang sedang dipertimbangkan, min aritmetik antara suhu unsur-unsur medium yang mengambil bahagian dalam pertukaran haba diambil sebagai suhu penentu.

Kertas kerja ini membincangkan prosedur untuk menjalankan eksperimen makmal dan metodologi untuk mendapatkan persamaan kriteria untuk 2 kes ciri aliran di sekeliling permukaan yang dipanaskan (melintang dan membujur) dengan perolakan bebas pelbagai gas berbanding silinder mendatar dan menegak.

BAHAGIAN EKSPERIMEN.