Etude de la conductivité thermique des matériaux. Etude de la conductivité thermique d'un solide par la méthode des couches cylindriques

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1. Introduction.

Le projet est conçu conformément à la norme de moyenne enseignement général en physique. Lors de l'écriture de ce projet l'étude des phénomènes thermiques, leur application dans la vie quotidienne et la technologie est envisagée. En plus du matériel théorique, une grande attention est accordée à travail de recherche- ce sont des expériences qui répondent aux questions « De quelles manières l'énergie interne du corps peut-elle être modifiée ? », « La conductivité thermique de différentes substances est-elle la même ? recherche et traitement d'informations, photographies Temps de travail sur le projet : 1 à 1,5 mois Objectifs du projet : * mise en pratique des connaissances sur les phénomènes thermiques à la disposition des écoliers ; * formation de compétences pour des activités de recherche indépendantes ; * développement d'intérêts cognitifs ; * développement de la pensée logique et technique ; * développement des capacités d'acquisition indépendante de nouvelles connaissances en physique conformément aux besoins et intérêts vitaux ;

2. La partie principale.

2.1. Partie théorique

Dans la vie, on rencontre vraiment des phénomènes thermiques au quotidien. Cependant, nous ne pensons pas toujours que ces phénomènes puissent être expliqués si nous connaissons bien la physique. En cours de physique, nous nous sommes familiarisés avec les manières de changer l'énergie interne : transfert de chaleur et travail sur le corps ou le corps lui-même. Lorsque deux corps avec des températures différentes entrent en contact, l'énergie est transférée d'un corps avec une température plus élevée à un corps avec une température plus basse. Ce processus se poursuivra jusqu'à ce que les températures des corps s'égalisent (l'équilibre thermique se produit). Où travail mécanique n'est pas engagé. Le processus de changement d'énergie interne sans faire de travail sur le corps ou sur le corps lui-même est appelé transfert de chaleur ou transfert de chaleur. Avec le transfert de chaleur, l'énergie est toujours transférée d'un corps plus chaud à un corps moins chauffé. Processus inverse spontanément (par lui-même) ne se produit jamais, c'est-à-dire que le transfert de chaleur est irréversible. Les transferts de chaleur déterminent ou accompagnent de nombreux processus dans la nature : évolution des étoiles et des planètes, processus météorologiques à la surface de la Terre, etc. Types de transferts de chaleur : conduction thermique, convection, rayonnement.

Conductivité thermique le phénomène de transfert d'énergie des parties du corps les plus chauffées vers les moins chauffées est appelé à la suite du mouvement thermique et de l'interaction des particules qui composent le corps.

Les métaux ont la conductivité thermique la plus élevée - ils l'ont des centaines de fois plus que l'eau. Les exceptions sont le mercure et le plomb, mais même ici, la conductivité thermique est dix fois supérieure à celle de l'eau.

Lors de l'abaissement d'un rayon métallique dans un verre avec eau chaude très vite, l'extrémité du rayon est également devenue chaude. Par conséquent, l'énergie interne, comme tout type d'énergie, peut être transférée d'un corps à un autre. L'énergie interne peut être transférée d'une partie du corps à une autre. Ainsi, par exemple, si une extrémité d'un ongle est chauffée dans une flamme, alors son autre extrémité, qui est dans la main, chauffera progressivement et brûlera la main.

2.2. La partie pratique.

Étudions ce phénomène en faisant une série d'expériences avec des solides, des liquides et des gaz.

Expérience numéro 1

Ils ont pris divers objets: une cuillère en aluminium, une autre en bois, la troisième - en plastique, la quatrième - en alliage inoxydable et la cinquième - en argent. Attachez des trombones à chaque cuillère avec des gouttes de miel. Nous mettons les cuillères dans un verre d'eau chaude de manière à ce que les poignées avec des trombones en dépassent dans différentes directions. Les cuillères vont chauffer, et en se réchauffant, le miel va fondre et les agrafes vont tomber.

Bien entendu, les cuillères doivent avoir la même forme et la même taille. Lorsque le chauffage se produit plus rapidement, ce métal conduit mieux la chaleur, est plus conducteur de chaleur. Pour cette expérience, j'ai pris un verre d'eau bouillante et quatre types de cuillères : aluminium, argent, plastique et inox. Je les ai plongés un à un dans un verre et j'ai chronométré le temps : combien de minutes il faudrait pour chauffer. C'est ce que j'ai fait:

Conclusion : les cuillères en bois et en plastique mettent plus de temps à chauffer que les cuillères en métal, ce qui signifie que les métaux ont une bonne conductivité thermique.

Expérience numéro 2

Mettons le bout d'un bâton de bois dans le feu. Ça va s'enflammer. L'autre extrémité du bâton à l'extérieur sera froide. Cela signifie que le bois a une mauvaise conductivité thermique.

Nous amenons l'extrémité d'une fine tige de verre à la flamme de la lampe à alcool. Au bout d'un moment, il chauffera, mais l'autre extrémité restera froide. Par conséquent, le verre a également une mauvaise conductivité thermique.

Si nous chauffons l'extrémité d'une tige métallique dans une flamme, la tige entière sera très bientôt très chaude. Nous ne pourrons plus le tenir entre nos mains.

Cela signifie que les métaux conduisent bien la chaleur, c'est-à-dire qu'ils ont une conductivité thermique élevée. Sur le personnel-ve go-ri-zon-tal-mais-crêpe-lin ster-zhen. Sur la tige, à travers des trous individuels, ver-ti-cal-mais-fixés avec des clous métalliques en cire.

Une bougie est placée au bord de la tige. Puisque le bord de la tige est on-g-va-et-sya, alors in-ste-pen-but-ster-zhen pro-gre-va-et-sya. Lorsque la chaleur atteint l'endroit où les clous sont fixés à la tige, le ste-a-rin fondra et l'œillet tombera. Nous voyons que, dans cette expérience, il n'y a pas de question pe-re-no-sa, co-answer-vet-mais, na-blu-da-em-sya warm-lo-pro-waterness.

Expérience numéro 3

Différents métaux ont une conductivité thermique différente. Dans l'étude de physique, il existe un dispositif avec lequel nous pouvons nous assurer que différents métaux ont une conductivité thermique différente. Cependant, à la maison, nous avons pu le vérifier à l'aide d'un appareil fait maison.

Un dispositif pour afficher diverses conductivités thermiques de solides.

Nous avons fabriqué un appareil pour afficher différentes conductivités thermiques des solides. Pour ce faire, ils ont utilisé une canette vide de papier d'aluminium, deux anneaux en caoutchouc (faits maison), trois morceaux de fil d'aluminium, de cuivre et de fer, des tuiles, de l'eau chaude, 3 figurines d'hommes les mains levées, découpées dans papier.

La procédure de fabrication de l'appareil :

pliez le fil en forme de lettre "G";

les renforcer avec dehors bidons avec anneaux en caoutchouc;

accrocher des hommes en papier aux parties horizontales des segments de fil (en utilisant de la paraffine ou de la pâte à modeler fondue).

Vérification du fonctionnement de l'appareil... Verser dans un bocal eau chaude(si nécessaire, faites chauffer un pot d'eau sur une cuisinière électrique) et regardez quel chiffre tombe en premier, deuxième, troisième.

Résultats. Le premier chiffre tombera, fixé sur un fil de cuivre, le second - sur de l'aluminium, le troisième - sur de l'acier.

Conclusion. Différents solides ont une conductivité thermique différente.

La conductivité thermique de différentes substances est différente.

Expérience numéro 4

Considérons maintenant la conductivité thermique des liquides. Prenez un tube à essai avec de l'eau et commencez à chauffer sa partie supérieure. L'eau à la surface va bientôt bouillir, et au fond du tube à essai, pendant ce temps, elle ne fera que chauffer. Cela signifie que la conductivité thermique des liquides est faible.

Expérience numéro 5

Étudions la conductivité thermique des gaz. Mettez un tube à essai sec sur votre doigt et chauffez-le à l'envers dans la flamme d'une lampe à alcool. Dans ce cas, le doigt ne sera pas chaud pendant longtemps. Cela est dû au fait que la distance entre les molécules de gaz est encore plus grande que celle des liquides et des solides. Par conséquent, la conductivité thermique des gaz est encore plus faible.

La laine, les cheveux, les plumes d'oiseaux, le papier, la neige et d'autres corps poreux ont une mauvaise conductivité thermique.

Cela est dû au fait qu'il y a de l'air entre les fibres de ces substances. Et l'air est un mauvais conducteur de chaleur.

Ainsi, l'herbe verte est préservée sous la neige, les cultures d'hiver sont préservées du gel.

Expérience numéro 6

Il fit gonfler une petite boule de coton et l'enroula autour du bulbe du thermomètre.Maintenant, il tint le thermomètre à une certaine distance de la flamme et remarqua comment la température avait augmenté. Ensuite, la même boule de coton l'a pressée et enroulée étroitement autour de l'ampoule du thermomètre et l'a ramenée à la lampe. Dans le second cas, le mercure montera beaucoup plus vite. Cela signifie que le coton compressé conduit beaucoup mieux la chaleur !

La conductivité thermique la plus basse est possédée par le vide (espace libéré de l'air). Cela s'explique par le fait que la conductivité thermique est le transfert d'énergie d'une partie du corps à une autre, qui se produit lors de l'interaction de molécules ou d'autres particules. Dans un espace où il n'y a pas de particules, la conductivité thermique ne peut pas être réalisée.

3. Conclusion.

Différentes substances ont une conductivité thermique différente.

Les solides (métaux) ont une conductivité thermique élevée, moins de liquides et de mauvais gaz.

Nous pouvons utiliser la conductivité thermique de diverses substances dans la vie quotidienne, la technologie et la nature.

Le phénomène de conductivité thermique est inhérent à toutes les substances, quel que soit leur état d'agrégation.

Maintenant, sans difficulté, je peux répondre et expliquer d'un point de vue physique les questions :

1.Pourquoi les oiseaux gonflent-ils leurs plumes par temps froid ?

(Il y a de l'air entre les plumes, et l'air est un mauvais conducteur de chaleur).

2. Pourquoi les vêtements en laine protègent-ils mieux du froid que les vêtements synthétiques ?

(Il y a de l'air entre les poils, qui ne conduit pas bien la chaleur).

3. Pourquoi les chats dorment-ils en boule en hiver, quand il fait froid ? (Enroulés en boule, ils réduisent la surface qui dégage de la chaleur.)

4. Pourquoi les manches des fers à souder, fers, poêles, casseroles sont-ils en bois ou en plastique ? (Le bois et le plastique ont une mauvaise conductivité thermique, donc lorsque nous chauffons des objets métalliques, nous ne nous brûlerons pas les mains en nous tenant à un manche en bois ou en plastique).

5. Pourquoi les buissons de plantes thermophiles et les buissons sont-ils recouverts de sciure de bois pour l'hiver?

(La sciure de bois est un mauvais conducteur de chaleur. Par conséquent, les plantes sont recouvertes de sciure de bois pour qu'elles ne gèlent pas).

6. Quelles bottes protègent le mieux du gel : serrées ou lâches ?

(Spacieux, puisque l'air ne conduit pas bien la chaleur, c'est une autre couche dans la chaussure qui retient la chaleur).

4. Liste de la littérature utilisée.

Éditions imprimées :

1.A.V. Peryshkin Physics Grade 8 -M: Outarde, 2012.

2.M.I.Bludov Conversations sur la physique partie 1 -M: Lumières 1984.

Ressources Internet :

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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

L'article présente les résultats d'une étude des propriétés de protection thermique d'un tissu à sieste en chaîne continue à l'aide d'un appareil d'imagerie thermique. Il est proposé d'utiliser comme isolant thermique materiel de construction, possédant les propriétés nécessaires - un tissu en chaîne à deux pièces continu, utilisant du coton et du fil de nylon dans la trame. À la suite des études menées à l'aide d'un appareil d'imagerie thermique basé sur la caméra infrarouge TermaCamTM SC 3000, les principales caractéristiques thermophysiques du tissu ont été déterminées, des thermogrammes du processus de refroidissement des échantillons de tissus ont été obtenus et, sur la base des résultats de mesure, des graphiques semi-logarithmiques de leur refroidissement ont été construits. À la suite de l'analyse des données expérimentales, il s'ensuit que la résistance thermique des échantillons de tissu à poils de chaîne à deux tissages continus dépend de leur épaisseur. Avec une augmentation de l'épaisseur d'un tissu donné, sa résistance thermique augmente, c'est-à-dire que les propriétés de protection thermique s'améliorent, indépendamment de composition fibreuse tissus de trame.

tissu de sieste de chaîne

isolant thermique

imageur thermique

résistance thermique

1. Boyko S. Yu. Développement de paramètres technologiques optimaux pour la production de tissus afin de protéger une personne des influences extérieures : résumé de l'auteur. dis. Cand. technologie. les sciences. - M., 2004 .-- 16 p.

2. Vavilov V.P., Klimov A.G. Les imageurs thermiques et leur application. - M. : "Intel universel", 2002 - 88 p.

3. Kolesnikov P.A. Principes de base de la conception de vêtements de protection contre la chaleur. L. : "Industrie légère", 1971. - 112 p.

4. Nazarova M.V., Boyko S.Yu. Développement d'une méthode de conception de tissu pour protéger une personne des influences extérieures // International Journal of Experimental Education. - 2010. - N° 6. - S. 75-79.

5. Nazarova M.V., Boyko S.Yu., Zavyalov A.A. Développement de paramètres technologiques optimaux pour la production de tissu à haute résistance // International Journal of Experimental Education. - 2013. - N°10 (partie 2). - S. 385-390.

6. Nazarova MV, Boyko S.Yu., Romanov V.Yu. Développement de paramètres technologiques optimaux pour la production de tissu aux propriétés de protection thermique // International Journal of Experimental Education. - 2013. - N°10 (partie 2). - S. 391-396.

Concevoir des vêtements de protection thermique rationnels pour diverses conditions climatiques et les conditions de travail est un problème scientifique vaste et très complexe, qui ne peut être résolu avec succès que sur la base de l'utilisation intégrée de données issues de la physiologie, de l'hygiène des vêtements, de la climatologie, de la physique thermique, de la science des matériaux textiles et de la conception de vêtements.

La conductivité thermique des tissus textiles est associée au transfert de l'énergie de mouvement thermique des microparticules des parties du corps les plus chauffées vers les parties les moins chauffées, conduisant à une égalisation de la température et est estimée par le coefficient de conductivité thermique ; coefficient de transfert de chaleur; résistance thermique, résistance thermique spécifique.

L'analyse des travaux sur l'étude des propriétés thermophysiques du matériau a montré que lors de l'évaluation des propriétés de protection thermique des matériaux d'habillement, une valeur plus simple et plus visuelle doit être considérée non pas le coefficient de conductivité thermique, mais sa valeur inverse, appelée résistance thermique. . Les facteurs affectant la résistance thermique d'un matériau comprennent : le poids volumétrique, l'épaisseur, l'humidité, le type matière fibreuse, respirabilité.

Par conséquent, le but de ce travail est d'évaluer la valeur des caractéristiques thermophysiques du tissu à poils de chaîne destiné à la confection de vêtements de travail utilisés dans des conditions climatiques extrêmes.

Dans ce travail, dans l'étude des propriétés thermophysiques du tissu de chaîne continue, il est proposé d'utiliser le principe du diagnostic thermique, qui consiste à comparer les champs de température de référence et analysés dans le tissu à l'étude. Les anomalies de température servent d'indicateurs de défauts, et l'amplitude des signaux de température et leur comportement dans le temps sous-tendent les estimations quantitatives de certains paramètres tissulaires.

Le terme « imagerie thermique » fait principalement référence à l'enregistrement du rayonnement thermique des solides, qui se compose du propre rayonnement du corps en raison de sa température, ainsi que du rayonnement réfléchi et transmis par d'autres corps. Pour les objets optiquement opaques, les dispositifs d'imagerie thermique enregistrent exclusivement les effets de surface : la température de surface et l'amplitude de l'émissivité (absorption) et de la réflexion.

Lors de l'examen d'objets avec des caméras thermiques, les deux gammes de longueurs d'onde les plus courantes sont souvent utilisées : 3-5,5 µm et 8-12 µm ; et elles sont généralement appelées bandes à ondes courtes et à ondes longues.

Schéma général de mesure du rayonnement thermique arbitraire solide montré dans la Fig. 1. L'objet de contrôle (1) est entouré par l'environnement (2) et d'autres objets (3), respectivement, avec des températures Tav et Tvesh. Un imageur thermique est utilisé pour enregistrer le rayonnement thermique (4). L'objet de contrôle est caractérisé par les paramètres optiques suivants : émissivité ; coefficient d'absorption ; coefficient de réflexion r; transmission .

Riz. un. Diagramme schématique mesures du rayonnement thermique d'un solide arbitraire

Le principal avantage d'une caméra thermique par rapport aux autres appareils dans l'étude des propriétés de protection thermique des matériaux est :

• haute sensibilité thermique;
• des valeurs de température plus précises ;
• grande vitesse d'obtention des résultats expérimentaux et de leur traitement;
• plage de température illimitée.

Lors de la détermination des caractéristiques thermophysiques d'un tissu continu à deux fils de chaîne, à l'aide d'un système d'imagerie thermique, une technique a été appliquée, développée au Département d'ingénierie thermique et électrique de l'Université technique d'État de Moscou. UNE. Kossyguine. La méthode de détermination des caractéristiques thermophysiques est basée sur les méthodes du régime thermique non stationnaire pour l'évaluation expérimentale des propriétés de protection thermique des matériaux d'habillement par la méthode du régime thermique régulier, basée sur le phénomène de refroidissement libre d'un échantillon chauffé en milieu gazeux (air).

Des études des caractéristiques thermophysiques d'un tissu continu à deux fils de chaîne à l'aide d'un système d'imagerie thermique ont été réalisées dans le laboratoire du Département d'ingénierie thermique et électrique de l'Université technique d'État de Moscou. UNE. Kossyguine.

Lors de l'utilisation d'un système d'imagerie thermique, les tâches suivantes ont été définies :

• détermination de champs de température à la surface des échantillons de tissus étudiés lors du refroidissement ;
• détermination de la conductivité thermique d'un tissu à poils de chaîne continus en deux parties.

La configuration du laboratoire pour l'expérience est illustrée à la Fig. 2.

Riz. 2. Système d'imagerie thermique pour l'étude de la conductivité thermique du tissu à poils de chaîne : 1 - caméra thermique termocamtmsc 3000 ; 2 - ordinateur pour le traitement des données ; 3 - armoire isolée; 4 - bouclier protecteur; 5 - thermomètre pour contrôler la température à l'intérieur de l'armoire ; 6 - échantillon de tissu

Comme le montrent les études d'A.P. Kolesnikov, la capacité d'isolation thermique du tissu dépend de son épaisseur. L'épaisseur a plus grande valeur dans les propriétés d'isolation thermique du tissu. Pour l'expérience, nous avons utilisé des échantillons de tissu à poils de chaîne continue avec du fil de coton dans la chaîne de racine et de poils. Dans la trame, du fil de coton avec une densité linéaire de 15,4 * 2 tex (variante I) et du fil de nylon T = 15,6 tex (variante II) ont été utilisés. Dans chacune des options, l'épaisseur du tissu a changé. Pour l'expérimentation, nous avons utilisé des échantillons de tissu de différentes épaisseurs : I - version échantillon avec fil de coton dans la trame, et II - version échantillon avec fil de nylon dans la trame. L'épaisseur des échantillons de tissu dans les deux versions était b1 = 7,57 mm, b2 = 7,62 mm.

L'algorithme d'étude des propriétés de protection thermique d'un tissu continu à deux fils de chaîne est le suivant :

Chauffage de l'échantillon dans une armoire calorifugée à une température fixe t = 100°C (inférieure à la température de déformation des fibres) ;

Contrôle de l'uniformité de chauffage de l'échantillon à tester à l'aide d'une caméra infrarouge ThermaCAM SC 3000 ;

Lorsqu'un champ de température uniforme est atteint à la surface de l'échantillon, coupez l'alimentation électrique du radiateur électrique ;

A l'aide d'une caméra infrarouge ThermaCAM SC 3000, fixant le refroidissement de l'échantillon à la température ambiante sous réserve des conditions ;

Remplacer l'échantillon à l'étude (option 1) par un autre échantillon (option 2) et refaire l'ensemble des mesures ;

Après avoir obtenu des thermogrammes du processus de refroidissement des échantillons, les données expérimentales sont traitées à l'aide d'un ordinateur ;

À l'aide des formules bien connues, nous déterminons la conductivité thermique et la résistance thermique d'échantillons de tissu continu à double lin.

Conditions expérimentales:

• l'émissivité de l'objet (degré de noirceur) - 0,95;
• température ambiante - 23 ° C;
• la distance entre l'objet et la caméra thermique est de 30 cm ;
• humidité relative aérien - 55%.

À l'aide d'un système d'imagerie thermique, des thermogrammes du processus de refroidissement d'un échantillon de tissu sont enregistrés à une fréquence de 1 image par seconde.

Sur la base des données de mesure, un graphique de refroidissement semi-logarithmique est tracé, représenté sur les figures 3 et 4, la section droite de la courbe correspond au mode normal. L'équation de cette droite, selon la loi fondamentale du régime régulier (du premier genre), a la forme suivante :

ln υ = -m τ + g (x, z, z), (1)

Six points sont marqués sur la ligne droite avec les coordonnées correspondantes, en fonction desquelles la vitesse de refroidissement est déterminée.

La vitesse de refroidissement dans chaque section est déterminée par les formules (2), s -1 :

où 1 est la différence entre la température en un point donné et en environnement externe au temps 1 ; υ 2 - la différence entre la température en un point donné et dans le milieu extérieur à l'instant τ 2 ;

La vitesse de refroidissement moyenne est déterminée par la formule 3, s -1 :

, (3)

Déterminez le facteur de forme des échantillons de tissu à l'aide de la formule (4) :

Si nous supposons que l'échantillon de tissu prend conditionnellement la forme d'un parallélépipède, alors pour un parallélépipède rectangle avec des bords L 1, L 2, L 3, mm :

, (4)

où L 1 est la largeur de l'échantillon, mm; L 2 est la longueur de l'échantillon, mm; L 3 - hauteur d'échantillon égale à b 1, b 2, mm.

La diffusivité thermique est déterminée par la formule (5), m2/s :

La masse volumique apparente des échantillons est déterminée par la formule (6), kg/m3 :

où M est la densité surfacique de l'échantillon, g/m2 ; b - épaisseur de l'échantillon, mm.

Riz. 3. Courbe expérimentale de la vitesse de refroidissement d'un échantillon de tissu à poils de chaîne avec du fil de coton dans la trame (variante I)

Riz. 4. Courbe expérimentale de la vitesse de refroidissement du tissu duvet de chaîne avec fil de nylon dans la trame (variante II)

La capacité thermique spécifique des échantillons est tirée des données expérimentales déterminées par P.A. Kolesnikov :

• pour I - option (coton) c1 = 1,38 kJ / kg · deg;
• pour II - option (coton-nylon) avec 2 = 1,66 kJ / kg deg;

La conductivité thermique du matériau est déterminée par la formule (7), W / m2⋅grad :

La résistance thermique des échantillons de tissus est déterminée par la formule (7), m2 deg / W :

où est l'épaisseur de couche, m; λ - coefficient de conductivité thermique, W / m · deg.

Le calcul des paramètres de la résistance thermique d'échantillons de tissu continu à deux fils de chaîne à sieste de deux options a été effectué sur un ordinateur et est présenté dans le tableau. 2.

Tableau 2

Résultats du calcul des paramètres de résistance thermique d'échantillons de tissu à poils de chaîne continus en deux parties

À la suite de l'analyse des données du tableau, il s'ensuit que la résistance thermique d'échantillons de tissu à poils de chaîne continus à deux toiles dépend de leur épaisseur. Avec une augmentation de l'épaisseur d'un tissu donné, sa résistance thermique augmente, c'est-à-dire que les propriétés de protection thermique s'améliorent, quelle que soit la composition fibreuse du tissu de trame.

Les meilleures propriétés de protection thermique sont possédées par : - un échantillon de tissu contenant du fil de coton dans la trame et d'épaisseur bТ = 7,62 mm ; un échantillon de tissu avec un fil de nylon dans la trame et une épaisseur de bТ = 7,57.

Tableau 3

Caractéristiques thermophysiques d'échantillons de tissu à poils de chaîne

conclusions

1. À l'aide d'une unité d'imagerie thermique, basée sur la caméra infrarouge TermaCamTM SC 3000, une étude des propriétés de protection thermique des tissus a été réalisée, ses principales caractéristiques thermophysiques ont été déterminées, des thermogrammes du processus de refroidissement d'échantillons de tissus ont été obtenus, et sur la base des résultats des mesures, des graphiques semi-logarithmiques de leur refroidissement ont été construits.
2. Un algorithme de calcul des propriétés de protection thermique d'un tissu continu en deux parties a été développé, sur la base duquel les principales caractéristiques thermophysiques du tissu ont été déterminées.

Référence bibliographique

Le thème "Étudier phénomènes conductivité thermique "

Pertinence: De nouveaux matériaux sont développés de nos jours. La connaissance de la conductivité thermique de diverses substances permet non seulement de les utiliser largement, mais également de prévenir leurs effets nocifs dans la vie quotidienne, la technologie et la nature.

Cibler: l'étude du phénomène de conductivité thermique, après avoir fait une série d'expériences avec des solides, des liquides et des gaz.

Tâches:

Étudier le matériel théorique sur cette question ;

Explorez la conductivité thermique des solides ;

Enquêter sur la conductivité thermique des liquides ;

Enquêter sur la conductivité thermique des gaz ;

Tirer des conclusions sur les résultats obtenus.

Hypothèse: toutes les substances (solides, liquides et gazeuses) ont une conductivité thermique différente.

Équipement: lampe à alcool, trépied, bâton en bois, bâton en verre, fil de cuivre, tube à essai avec de l'eau.

Éléments du matériel didactique pour le manuel : manuel "Physique. 8e année "

L'énergie interne, comme tout type d'énergie, peut être transférée d'un corps à un autre. L'énergie interne peut être transférée d'une partie du corps à une autre. Ainsi, par exemple, si une extrémité d'un ongle est chauffée dans une flamme, alors son autre extrémité, qui est dans la main, chauffera progressivement et brûlera la main. Le phénomène de transfert d'énergie interne d'une partie du corps à une autre ou d'un corps à un autre lors de leur contact direct est appelé conductivité thermique.

Étudions ce phénomène en faisant une série d'expériences avec des solides, des liquides et des gaz.

Vidéo : https : // nuage. poster. ru / public / JCFY / CFTcCeqhE

Essai 1 . Etude de la conductivité thermique des solides par exemple Baton de bois, tige de verre et tige de cuivre.

Mettons le bout d'un bâton de bois dans le feu. Ça va s'enflammer.

Conclusion: le bois a une mauvaise conductivité thermique.

Nous amenons l'extrémité d'une fine tige de verre à la flamme de la lampe à alcool. Au bout d'un moment, il chauffera, mais l'autre extrémité restera froide.

Conclusion: le verre a une mauvaise conductivité thermique.

Si nous chauffons l'extrémité d'une tige métallique dans une flamme, la tige entière sera très bientôt très chaude. Nous ne pourrons plus le tenir entre nos mains.

Conclusion: les métaux conduisent bien la chaleur, c'est-à-dire qu'ils ont une conductivité thermique élevée. L'argent et le cuivre ont la conductivité thermique la plus élevée.

Considérez le transfert de chaleur d'une partie d'un solide à une autre dans l'expérience suivante. Fixez une extrémité avec un épais fil de cuivre dans un trépied. Nous allons attacher plusieurs goujons au fil avec de la cire (fig. 6). Lorsque l'extrémité libre du fil est chauffée dans la flamme d'une lampe à alcool, la cire fond. Les œillets commenceront à tomber progressivement. D'abord, ceux qui sont plus proches de la flamme disparaîtront, puis tous les autres à leur tour.

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Expérience 3. Etude de la conductivité thermique des gaz.

Étudions la conductivité thermique des gaz.
Mettez un tube à essai sec sur votre doigt et chauffez-le à l'envers dans la flamme d'une lampe à alcool (Fig. 8). Dans ce cas, le doigt ne sera pas chaud pendant longtemps. Cela est dû au fait que la distance entre les molécules de gaz est encore plus grande que celle des liquides et des solides.

Conclusion: La conductivité thermique des gaz est encore plus faible que celle des liquides. Ainsi, la conductivité thermique de différentes substances est différent.

Conclusion et discussion

Conclusion: Les expériences réalisées montrent que la conductivité thermique des différentes substances est différente. Les métaux ont la conductivité thermique la plus élevée, les liquides ont une conductivité thermique faible et les gaz ont la conductivité thermique la plus faible.

À l'aide du §4 du manuel de physique pour la 8e année, nous présentons les résultats sous forme de tableau :

Explication du phénomène de conductivité thermique d'un point de vue cinétique moléculaire : La conductivité thermique est le transfert d'énergie d'une partie du corps à une autre, qui se produit lorsque des molécules ou d'autres particules interagissent. Dans les métaux, les particules sont situées à proximité, elles interagissent constamment les unes avec les autres. La vitesse du mouvement vibratoire dans la partie chauffée du métal augmente et est rapidement transférée aux particules voisines. La température du prochain morceau de fil augmente. Dans les liquides et les gaz, les molécules sont situées à des distances plus grandes que dans les métaux. Dans un espace où il n'y a pas de particules, la conductivité thermique ne peut pas être réalisée.

Faits intéressants sur la conductivité thermique

Les bêtes épineuses dans les aiguilles sont-elles chaudes?

La laine sauve non seulement les animaux du froid, mais sert également de moyen de protection. Et pour que la protection soit plus impressionnante et fiable, la racine des cheveux change parfois, se transformant en une sorte d'armure. Des aiguilles, par exemple. Mais un tel vêtement conserve-t-il les propriétés inhérentes à la laine, les hérissons et les porcs-épics sont-ils frileux dans leurs manteaux de fourrure épineux ?

Scientifiques de l'Institut d'écologie et d'évolution. Le RAS a étudié en profondeur les propriétés de conduction thermique et d'isolation thermique des aiguilles prélevées sur le dos d'un porc-épic d'Amérique du Nord mâle adulte de la collection du Musée zoologique de l'Université d'État de Moscou, et s'est assuré que ces mêmes aiguilles se réchauffent très bien. Pour comprendre la structure interne des aiguilles, des coupes minces ont été réalisées sur celles-ci, sur lesquelles de l'or a été déposé pour examen au microscope électronique. La kératine - le composant principal des aiguilles - conduit la chaleur 10 fois mieux que l'air. Et grâce à cela, les aiguilles augmentent la conductivité thermique de "l'armure". Par conséquent, la perte de chaleur du corps de l'animal augmente également. Cependant, la structure poreuse interne des aiguilles crée une protection supplémentaire contre le rayonnement thermique, ce qui, très probablement, compense l'augmentation de la conductivité thermique. Ainsi, le porc-épic, comme les autres animaux épineux, ne souffre pas du tout du froid. Le protège-aiguille retient autant de chaleur que nécessaire pour un animal à sang chaud de cette taille.

Polypropylène- est toujours la meilleure base pour les matériaux (fibres, fils, fils, toiles, tissus) utilisés dans la production de sous-vêtements de sport, de sous-vêtements thermiques et de chaussettes thermiques. Parmi tous les matériaux synthétiques utilisés dans ce domaine, il a la conductivité thermique la plus faible. Par conséquent, les vêtements en polypropylène permettent la meilleure façon garder au chaud en hiver et au frais en été.

Quel matériau a la conductivité thermique la plus élevée ?

Le matériau ayant la conductivité thermique la plus élevée n'est pas du tout un métal (argent ou cuivre), comme beaucoup le pensent. La conductivité thermique la plus élevée a un matériau similaire au verre - le diamant. Sa conductivité thermique est presque 6 fois supérieure à celle de l'argent ou du cuivre. Si vous faites une cuillère à café de diamant, vous ne pourrez pas l'utiliser, car cela vous brûlera les doigts à la même seconde.

De quoi sont faits les pieux lors de la construction de bâtiments dans les régions à pergélisol ?

L'affaissement de la fondation, en particulier dans les régions à pergélisol, cause de grandes difficultés aux constructeurs de bâtiments. Les maisons sont souvent fissurées en raison du dégel du sol sous elles. La fondation transfère une certaine quantité de chaleur au sol. Par conséquent, les bâtiments ont commencé à être construits sur pilotis. Dans ce cas, la chaleur est transférée uniquement par conductivité thermique de la fondation au pieu et plus loin du pieu au sol. De quoi doivent être constitués les pieux ? Il s'avère que les piles, constituées d'un matériau solide et durable, doivent être remplies de kérosène à l'intérieur. En été, le tas conduit mal la chaleur de haut en bas, car le liquide a une faible conductivité thermique. En hiver, le tas, en raison de la convection du liquide à l'intérieur, contribuera au contraire à un refroidissement supplémentaire du sol.

« Bille réfractaire » ……………………………………….

Un ballon ordinaire gonflé à l'air s'enflamme facilement dans une flamme de bougie. Il éclate immédiatement. Si vous amenez la même boule remplie d'eau à la flamme de la bougie, elle devient « ignifuge ». La conductivité thermique de l'eau est 24 fois supérieure à celle de l'air. Cela signifie que l'eau conduit la chaleur 24 fois plus vite que l'air. Tant que l'eau ne s'évapore pas à l'intérieur du ballon, il n'éclatera pas.

but du travail

Assimilation et consolidation du matériel théorique sur la section de transfert de chaleur « Conductivité thermique », maîtrisant la méthode de détermination expérimentale du coefficient de conductivité thermique ; acquisition des compétences de mesure, analyse des résultats.

1. Déterminer expérimentalement le coefficient de conductivité thermique du matériau d'isolation thermique.

2. Notez la valeur tabulaire du coefficient de conductivité thermique du matériau à l'étude.

3. Calculer l'erreur trouvée dans l'expérience de la valeur du coefficient de conductivité thermique par rapport au tableau.

4. Faire une conclusion sur le travail.

INSTRUCTIONS

Lors de la réalisation de calculs techniques, il est nécessaire de disposer des valeurs des coefficients de conductivité thermique de divers matériaux.

Le coefficient de conductivité thermique caractérise la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Valeur numérique l matériaux solides, en particulier les isolants thermiques, en règle générale, est déterminé de manière empirique.

La signification physique du coefficient de conductivité thermique est déterminée à partir de l'équation de Fourier écrite pour le flux de chaleur spécifique

g = –l grad t. (un)

Il existe plusieurs méthodes pour la détermination expérimentale de la valeur de l, basées sur la théorie d'un régime thermique stationnaire ou non stationnaire.

L'équation différentielle du flux de chaleur Q, W, à conductivité thermique stationnaire peut être écrite sous la forme

Q = - lF grad t. (2)

Si l'on considère un cylindre à paroi mince, lorsque l / d> 8, le gradient de température du champ de température dans le système de coordonnées cylindriques s'écrira sous la forme

grade t = dt / dr,

et l'équation (2) de ce cas

où d 1, d 2 - respectivement, les diamètres intérieur et inférieur du cylindre, m;

l - longueur du cylindre, m;

(t 2 - t 1) = Dt est la différence de température entre les températures à l'intérieur et surface extérieure cylindre, 0 ;

l est le coefficient de conductivité thermique du matériau à partir duquel le cylindre est fabriqué, W / (m × 0 С);

grad t - gradient de température le long de la normale à la surface d'échange thermique, 0 / m.

Si l'équation (3) est résolue par rapport au coefficient de conductivité thermique l, W / (m × 0 С), alors nous aurons

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

L'équation (4) peut être utilisée pour trouver expérimentalement la valeur du coefficient de conductivité thermique du matériau à partir duquel le cylindre est fabriqué.

Lors de la réalisation de l'expérience, il est nécessaire de déterminer la valeur du flux de chaleur Q, W et les valeurs (t 2 - t 1) = Dt 0 С, au début d'un régime thermique stationnaire.

MONTAGE EXPÉRIMENTAL

Le montage expérimental (figure) se compose d'un cylindre 1, dans la cavité intérieure duquel est placé un radiateur électrique 2, sa puissance est régulée par un autotransformateur (interrupteur à bascule) 3 et est déterminée par les lectures d'un ampèremètre 4 et d'un voltmètre 5. La température des surfaces intérieure et extérieure du cylindre est mesurée à l'aide de thermocouples chromel-copel 7 connectés à un thermomètre à microprocesseur 6. Par la différence de ces températures dans un régime thermique le coefficient de conductivité thermique du matériau d'essai à partir duquel le cylindre est fabriqué est déterminé.

Dessin . Schéma d'un montage expérimental pour déterminer la conductivité thermique du matériau du cylindre.

PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE

1. Allumez l'équipement en tournant le bouton du panneau sur la position 1.

2. Tournez le bouton de l'autotransformateur (interrupteur à bascule) pour régler la puissance de chauffage définie par l'enseignant.

3. En observant les lectures du thermomètre, attendez l'établissement d'un régime thermique stationnaire.

4. Les résultats des mesures sont présentés dans le tableau :

Tableau

où U, I - tension et courant dans l'appareil de chauffage;

t 2, t 1 - température des surfaces intérieure et extérieure du cylindre.

TRAITEMENT EXPÉRIMENTAL DES DONNÉES

1. Calculer la conductivité thermique du matériau d'essai, l, W / (m × 0 )

l eq = Q ln (d 2 / d 1) / (2plDt),

où Q = U × I - puissance de chauffage, W;

d 1 = 0,041 m, d 2 = 0,0565 m - diamètres intérieur et extérieur du cylindre;

l = 0,55 m - longueur du cylindre.

2. Notez la valeur tabulaire de l, W / (m × 0 ).

3. Déterminer l'erreur l eq par rapport à la valeur de référence l,%.

D = (l éq - l) 100 / l.

QUESTIONS POUR L'AUTOFORMATION

1. Conditions thermiques stables et instables.

2. Champ de température, stationnaire et non stationnaire, le champ stationnaire est tridimensionnel, bidimensionnel et unidimensionnel.

3. Gradient de température.

4. La nature physique du processus de conduction thermique.

5. L'équation de Fourier, son analyse.

6. Coefficient de conductivité thermique, facteurs affectant la valeur du coefficient de conductivité thermique.

7. Donner la valeur numérique du coefficient de conductivité thermique pour certains matériaux.

8. Quels matériaux sont calorifuges ?

9. Notez la valeur du gradient de température pour un champ de température unidimensionnel dans les systèmes de coordonnées cartésiens et cylindriques.

10. Écrivez les formules pour déterminer le flux de chaleur Q, W, parois monocouches et multicouches plates et cylindriques.

11. Notez les formules permettant de déterminer les flux de chaleur spécifiques g 1, W / m 2, g 2, W / m pour les murs monocouches et multicouches plats et cylindriques.

LISTE BIBLIOGRAPHIQUE

1. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Principes fondamentaux du transfert de chaleur), Moscou : Energiya, 1977.

2. Baskakov A.P. et autres. Génie thermique. - M.: Energoizdat, 1991.

3. Nashchokin VB Thermodynamique technique et transfert de chaleur.- Moscou : Ecole supérieure, 1980.

4. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Transfert de chaleur), Moscou : Energiya, 1981.