Etude de la conductivité thermique. Thème "Etude du phénomène de conductivité thermique

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Aujourd'hui, la question de l'utilisation rationnelle des ressources thermiques et énergétiques est très aiguë. Des moyens d'économiser la chaleur et l'énergie sont constamment élaborés afin d'assurer la sécurité énergétique pour le développement de l'économie, à la fois pour le pays et pour chaque famille.

La maison perd de la chaleur à travers les structures d'enceinte (murs, fenêtres, toit, fondation), la ventilation et les égouts. Les principales pertes de chaleur passent par les structures d'enceinte - 60 à 90 % de toutes les pertes de chaleur.

Le calcul de la perte de chaleur à la maison est nécessaire, au moins, afin de choisir la bonne chaudière. Vous pouvez également estimer combien d'argent sera dépensé pour le chauffage dans la maison prévue. Il est également possible, grâce aux calculs, d'analyser l'efficacité financière de l'isolation, c'est-à-dire pour comprendre si le coût d'installation de l'isolant sera rentable avec l'économie de carburant sur la durée de vie de l'isolant.

Le concept de conductivité thermique des matériaux est étudié à l'école en 8e année. La conductivité thermique est le processus de transfert d'énergie d'une partie chaude d'un matériau à une partie froide de ce matériau (c'est-à-dire des molécules).

Nous avons décidé d'étudier la conductivité thermique de diverses substances et matériaux, et également de déterminer quels matériaux d'isolation modernes sont les plus efficaces.

Ainsi, nous avons défini le thème de notre travail.

Sujet: Etude de la conductivité thermique de diverses substances.

But de l'étude:

Déterminez la diffusivité thermique de diverses substances et identifiez les meilleurs isolants thermiques parmi les matériaux d'isolation des bâtiments modernes.

Méthodes de recherche:

• Théorique (étude de la littérature, sites Internet, décrets du président de la Fédération de Russie, etc.).

  Empirique (mesure de température, temps).

  Mathématique (calcul du coefficient, détermination des prix des appareils de chauffage)

Objet d'étude : Diverses substances et matériaux d'isolation thermique du bâtiment.

Sujet d'étude: Conductivité thermique des substances.

Hypothèse:

Si la température d'une substance change de manière insignifiante sur une certaine période de temps, alors cette substance a une mauvaise conductivité thermique, c'est-à-dire retient bien la chaleur.

Les isolants thermiques efficaces ont une faible diffusivité thermique.

2. La partie principale.

Dans les conditions modernes de hausse des prix des carburants, les approches de la protection thermique des bâtiments ont également changé et les exigences en matériaux de construction ont augmenté. Toute maison a besoin d'une isolation et d'un système de chauffage. Par conséquent, lors du calcul de l'ingénierie thermique des structures enveloppantes, il est important de calculer l'indice de conductivité thermique.

Conductivité thermique est une propriété physique d'un matériau à laquelle l'énérgie thermiqueà l'intérieur du corps, il va de la partie la plus chaude à la plus froide. La valeur de l'indice de conductivité thermique indique le degré de déperdition de chaleur dans les locaux d'habitation.

Coefficient de conductivité thermique - est un paramètre physique substance et dépend généralement de la température, de la pression et du type de substance. Dans la plupart des cas, le coefficient de conductivité thermique pour divers matériaux est déterminé expérimentalement en utilisant différentes méthodes... La plupart d'entre eux sont basés sur la mesure du flux de chaleur et des changements de température dans la substance d'essai.

En milieu scolaire, il est difficile de déterminer l'énergie qui traverse la surface. Par conséquent, dans notre travail, nous avons décidé de déterminer non pas l'énergie, mais le changement de température par unité de temps. Ce coefficient est appelé coefficient de diffusivité thermique.

Diffusivité thermique(a) - sert de mesure de la vitesse à laquelle un milieu poreux transfère un changement de température d'un point à un autre par unité de temps.

Pour déterminer le coefficient, nous avons assemblé un montage simple, un trépied, un support et un thermomètre, un support pour un échantillon, une lampe à incandescence de 100 W comme source de chauffage.

2.1. Etude de la conductivité thermique des gaz.

Cibler: Détermination du coefficient de diffusivité thermique des gaz.

Comme vous le savez, les gaz sont de mauvais conducteurs de chaleur. En raison de la grande distance entre les molécules, l'énergie passe de molécule à molécule pendant longtemps, c'est-à-dire que le temps de changement de température sera long.

Conditions expérimentales: nous avons pris un tube à essai, chauffé l'air dans le tube à essai avec une lampe à incandescence par le bas et mesuré la température dans le tube à essai avec un thermomètre. La température initiale du thermomètre est de 20°C.

La température autour de la lampe est de 65°C.

Conclusion: L'air ne conduit pas bien la chaleur, cela est prouvé par le coefficient de diffusivité thermique calculé = 0,8 ° C / min.

Si nous laissons de petits espaces d'air entre matériaux de finition murs, sols, etc., nous réduisons alors les pertes d'énergie.

2. 2 Etude de la conductivité thermique d'un liquide.

Cibler: Etude de la conductivité thermique de divers liquides et détermination de leur diffusivité thermique.

Conditions expérimentales: nous avons versé de l'eau, huile de tournesol et de l'alcool dans un tube à essai, chauffé par le bas avec une lampe à incandescence, et la température dans le tube à essai a été mesurée avec un thermomètre.

Facteurs externes influençant les données expérimentales : température environnement.

La température initiale du thermomètre est de 16°C, la température autour de la lampe est de 65°C.

Conclusion: L'eau a la capacité calorifique la plus élevée de ces liquides, c'est-à-dire consomme beaucoup d'énergie lorsqu'il est chauffé. Ceci explique les résultats de l'expérience : l'eau chauffe plus lentement que l'huile et l'alcool, donc sa diffusivité thermique moyenne est la plus petite et vaut 2,6°C/min, pour l'huile 3,7°C/min, pour l'alcool 5,1°C/min.

Le meilleur conducteur de chaleur est l'alcool, qui a la plus haute diffusivité thermique.

L'eau est le meilleur isolant thermique.

1. Etude de la conductivité thermique des solides.

L'air et l'eau ne transmettent pas bien la chaleur, c'est-à-dire c'est une bonne protection thermique. On en connaît des exemples : du pain d'hiver sous la neige, un manteau de fourrure, des fenêtres à double vitrage à plusieurs chambres, etc. Mais pour l'isolation thermique des maisons, les appartements utilisent des solides.

Ce sont des substances solides - des isolants qui aident à garder au chaud dans la maison.

2.3.1. Détermination de la diffusivité thermique de divers types de verre et d'autres matériaux.

Nous avons étudié la conductivité thermique des matériaux les plus couramment utilisés dans la construction.

Conclusion: Le plus faible coefficient de diffusivité thermique des trois types de verre est, selon nos données, le verre simple. C'est du verre ordinaire qui est utilisé dans les fenêtres à double vitrage à des fins d'isolation thermique.

Matériaux de construction populaires pour la décoration des murs et des sols - les plaques de plâtre et le stratifié ont un faible coefficient de diffusivité thermique de 1,4 ° C / min et 1,2 ° C / min, ce n'est donc pas un hasard s'ils sont les leaders de l'isolation thermique parmi tous les matériaux solides étudiés .

Le fer galvanisé a un coefficient de diffusivité thermique = 1,0, ce qui signifie qu'en recouvrant les toits de ce matériau, nous pouvons réduire considérablement les pertes de chaleur de la maison.

2.3.2 Détermination de la diffusivité thermique de divers matériaux de construction.

Pour effectuer cette recherche, nous nous sommes rendus au magasin de matériaux de construction Alex-Stroy. Nous avons gracieusement reçu des échantillons de matériaux d'isolation thermique modernes : laine minérale, laine de verre, fibre de jute, Isolone, Penoplex et Jermaflex.

Nous avons décidé de déterminer le meilleur isolant thermique en combinant ces échantillons avec des cloisons sèches, qui sont utilisées pour niveler les murs des pièces. En combinant les cloisons sèches avec l'isolation, vous pouvez obtenir une protection thermique efficace de votre maison.

Initiale t thermomètre = 16°C, t près de la lampe = 65°C.

Conclusion: D'après les données du tableau, on peut voir que les appareils de chauffage de construction réduisent considérablement la diffusivité thermique. Le coefficient de diffusivité thermique le plus bas de 1,0 ° C / min a une combinaison de cloisons sèches avec laine minérale ou avec penoplex 1.1°C/min. Ainsi, la protection thermique la plus efficace des murs des locaux sera l'isolation à l'aide de laine minérale ou de mousse.

2.3.3 Détermination de l'isolant thermique le plus rentable à un prix par m².

Conclusion: Le plus avantageux en termes de prix est un isolant thermique - ..., mais compte tenu de l'efficacité de l'isolation thermique, il vaut mieux choisir ...

3. Conclusion.

Conductivité thermique de diverses substances - ce sujet, que nous étudions en 8e année, a d'importantes applications pratiques.

Avec les prix énormes du chauffage, tout le monde commence à réfléchir à la façon de se réchauffer dans la maison.

Pour évaluer le niveau d'isolation thermique des matériaux, nous avons introduit une nouvelle valeur - la diffusivité thermique, qui a été calculée en mesurant le temps et la température avec un chronomètre et un thermomètre.

Après avoir calculé le coefficient de diffusivité thermique, nous avons déterminé que les meilleurs isolants thermiques sont l'air et l'eau. Mais des matériaux solides sont utilisés pour isoler les maisons. La production moderne offre une variété de matériaux d'isolation. Nous n'avons sélectionné que des isolants thermiques courants dans le magasin de matériaux de construction Alex-Stroy. Parmi ceux-ci, nous avons déterminé que le meilleur isolant thermique est la cloison sèche et le stratifié, et encore mieux en combinaison avec de la laine minérale, Isolone ou Penoplex.

Notre hypothèse selon laquelle les meilleurs isolants thermiques ont une faible diffusivité thermique a été confirmée.

Ainsi, la pertinence du sujet du maintien au chaud dans la maison nous a conduits à des conclusions importantes que nous pouvons utiliser dans la vie. Nous avons veillé à ce que le coût de l'isolation des matériaux de construction soit amorti en peu de temps par la chaleur et le confort de nos maisons.

4. Liste de références.

https://ru.wikipedia.org/wiki/

www.rg.ru/ 2010 /12/31/deti-inform-dok.htm

1

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 - tissu continu en chaîne à deux pièces, utilisant des fils de coton et 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 d'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.

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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'estimer la valeur des caractéristiques thermophysiques du tissu à poils de chaîne destiné à la couture de vêtements de travail utilisés dans des conditions extrêmes. conditions climatiques.

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.

Le schéma général de mesure du rayonnement thermique d'un solide arbitraire est illustré à 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 est de la plus grande importance 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 initiale dans les 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 υ 1 - la différence entre la température en un point donné et dans l'environnement extérieur à l'instant τ 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

N° d'échantillon	I - option		II - option
				Résistance thermique, m2 deg / W

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

Boyko S. Yu., Nazarova M.V. RECHERCHE DE LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE DU TISSU DE BASE EN FONCTION DE SON ÉPAISSEUR ET DE LA COMPOSITION DE LA FIBRE DU FIL D'USURE // International Journal of Applied and Fundamental Research. - 2014. - N° 9-2. - Art. 11-15 ;
URL : https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5821 (date d'accès : 16.09.2019). Nous portons à votre connaissance les revues publiées par l'Académie des Sciences Naturelles

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 de la valeur du coefficient de conductivité thermique trouvée dans l'expérience 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 sur les surfaces intérieure et extérieure du 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

Numéro d'expérience	U, B	moi, un	t 1, 0	t 2, 0

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.

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




Ministère de l'Éducation de la République de Mordovie

Département de l'éducation de l'administration du district municipal de Saransk

Établissement d'enseignement municipal

"L'école secondaire numéro 13"

Travail de recherche

section de physique

"Etude de la conductivité thermique de divers types de matières textiles"

Lipasov Mikhaïl Pavlovitch

Conseiller scientifique: Professeur de physique

Palaeva Nina Pavlovna

Saransk 2015

Table des matières

Introduction.

Le climat de la Mordovie est modérément continental, caractérisé par des hivers froids et glacials et des étés modérément chauds.

Fondamentalement, le territoire de la république est sous l'influence de masses d'air de latitudes tempérées, portées par les courants d'air dominants de l'ouest. Souvent, le temps est déterminé par les masses d'air chaud arrivant avec les cyclones du sud des mers Noire, Méditerranée et Caspienne. Relativement souvent, la république tombe sous l'influence des masses d'air continentales sèches apportées du sud-est. Des masses d'air froid envahissent la Scandinavie et la mer de Barents.

La température moyenne annuelle de l'air est de + 4,1 ... + 4,4 ° . Le mois le plus froid est janvier : la température moyenne mensuelle de l'air varie de –11,1 à –11,6 ° С. Le minimum absolu était de -42 ... -47 ° . Le mois le plus chaud est juillet. Sa température moyenne est de + 18,7 ... + 19,1 ° . Le maximum absolu a atteint + 37 ... + 39 ° , en 2010 - + 39 ... + 41 ° , à l'Université d'État de Moscou - +42 ° .

Le début, la fin et la durée des saisons sont conditionnels. Ils sont déterminés en fonction des dates de transition stable de la température moyenne journalière par 0 et +15°С.

L'année est divisée en deux périodes : chaude et froide. La période chaude de l'année s'établit à partir du moment où la température moyenne journalière passe par 0°С à valeurs positives... Il commence du 31 mars au 2 avril, se termine du 4 au 6 novembre et dure de 217 à 221 jours. La période froide de l'année commence à partir du moment d'une transition stable de la température quotidienne moyenne de l'air par 0 ° à des valeurs négatives. Il dure environ 5 mois (144-148 jours).

En hiver, un temps nuageux avec de légères gelées (–10 ... –15 ° С) prévaut, mais dans les hivers très froids, il y a des périodes avec de fortes gelées. Certaines années, avec des hivers chauds et instables, des dégels sont observés avec une intensité allant jusqu'à + 4 ... + 7 ° . Le nombre de jours de dégel par mois varie de 3-4 à 7-8. Aux événements indésirables période hivernale comprennent des vents forts et des blizzards, des formations de glace et de givre, des brouillards. Nombre moyen de jours avec du brouillard période froide de l'année varie de 15 à 25, leur durée moyenne est de 72 à 118 heures.

Le printemps commence fin mars - début avril. Son signe avant-coureur est l'arrivée des freux ; début avril, les étourneaux et les alouettes arrivent. Cerisiers en fleurs à la mi-mai, lilas à la fin du mois. Le printemps se termine avec la transition de la température quotidienne moyenne de l'air à +15° (27-29 mai), la durée du printemps est de 57-58 jours. Événements indésirables dans printemps sont des retours de froid et de gel, de sécheresse et de vents secs. Ces derniers sont célébrés chaque année. Les signes de vent sec sont une humidité relative inférieure à 30 % à une température de l'air supérieure à +25 °C et un vent d'au moins 5 m/s.

La période avec une température quotidienne moyenne de l'air de +15 ° C et plus est considérée comme l'été, sa durée est de 91 à 96 jours et se termine du 28 au 31 août. Les événements indésirables en été sont les fortes pluies, la grêle, les orages, les grains, la sécheresse, les vents secs. Les fortes pluies érodent la couche supérieure du sol fertile, emportent des matériaux précieux du sol dans les ravins, les rivières et provoquent le dépôt de la végétation. Le nombre moyen mensuel de jours de fortes précipitations (plus de 10 mm) est de 1 à 2, avec des vents secs d'intensité moyenne - 3 à 8.

L'automne commence du 29 août au 1er septembre, se termine dans la première décade de novembre. Sa durée est de 65 à 69 jours. Au début de septembre, la chute des feuilles commence près du peuplier, à la mi-septembre - près du bouleau, de l'érable. Le régime climatique en automne est instable, les précipitations sont souvent mitigées. Phénomènes d'automne défavorables : gelées précoces à la surface du sol et dans l'air, brouillard, glace.

Chapitre je .Aperçu du travail

1. Justification travail :

Au cours de physique pour la 8e année, la section « Phénomènes thermiques » a suscité mon intérêt particulier. A la suite de ce travail, j'ai souhaité approfondir et consolider les connaissances existantes dans cette branche de la physique.

J'ai choisi ce sujet parce que je voulais comprendre ce processus physique plus en détail.

2. Pertinence travail :

3. Le but de ce travail : v

Tâches de travail:

4. Méthodes de recherche : étude de la littérature sur le thème "Conductivité thermique", sélection de tissus pour la recherche, système d'expérimentations, comparaison de valeurs, construction de tableaux et de graphiques.

5. Équipement :

Éprouvettes de mesure (béchers) 3 pcs;

Matériel expérimental (échantillons de tissus);

Thermomètres 3 pcs;

Horloge;

Mètre à ruban.

6. Justification théorique.

Conductivité thermique - Il s'agit du transfert de chaleur par des particules structurales de matière (molécules, atomes, électrons) au cours de leur mouvement thermique.Conductivité thermique -l'un des types de transfert de chaleur des parties les plus chaudes du corps vers les moins chauffées, conduisant à une égalisation de la température. Avec la conductivité thermique, le transfert d'énergie dans le corps s'effectue à la suite du transfert direct d'énergie de particules (molécules, atomes, électrons) d'énergie plus élevée vers des particules d'énergie plus faible.Un tel échange de chaleur peut se produire dans n'importe quel corps avec une distribution de température non uniforme, mais le mécanisme de transfert de chaleur dépendra de l'état d'agrégation de la matière. Le phénomène de conductivité thermique est que l'énergie cinétique des atomes et des molécules, qui détermine la température d'un corps, est transférée à un autre corps lors de leur interaction ou est transférée des zones plus chauffées du corps vers des zones moins chauffées.

Parfois, la conductivité thermique est également appelée évaluation quantitative de la capacité d'une substance particulière à conduire la chaleur.

Historiquement, on croyait que la transmission était associée au flux calorique d'un corps à un autre. Cependant, des expériences ultérieures, en particulier le chauffage des canons pendant le forage, ont réfuté la réalité de l'existence du calorique en tant que type de matière indépendant. En conséquence, on pense actuellement que le phénomène de conductivité thermique est dû au désir d'occuper un état plus proche de l'équilibre thermodynamique, qui s'exprime par l'égalisation de température.

Le coefficient de conductivité thermique est la quantité de chaleur traversant 1 m3 de matériau par unité de temps lorsque la différence de température sur ses surfaces opposées est égale à 1 degré.

Plus le coefficient de conductivité thermique est bas, meilleures sont les propriétés d'isolation thermique du matériau.

Distinguer les matériaux isolants et conducteurs de chaleur.

7. Caractéristiques des types de tissus étudiés.

Différents tissus pour leur usage ont différents propriétés physiques et caractéristiques : solidité, résistance à l'écrasement, capacité de résistance à l'abrasion (sur divers objets, sur le corps humain), retrait, ténacité, perméabilité à l'air, perméabilité à la vapeur, résistance à l'eau, résistance à la chaleur. Très propriétés importantes les tissus ménagers sont de conductivité thermique, c'est-à-dire la capacité du tissu à transmettre la chaleur. Les tissus destinés à la protection contre le froid doivent avoir une conductivité thermique minimale. Par exemple, une résistance élevée à la chaleur et à l'eau est importante pour les tissus techniques utilisés pour fabriquer les vêtements des pompiers.

Tous les matériaux et tissus sont à base de fibres. Les fibres diffèrent les unes des autres par leur composition chimique, leur structure et leurs propriétés. La classification actuelle des fibres textiles repose sur deux caractéristiques principales - la méthode de leur production (origine) et composition chimique, puisque ce sont eux qui déterminent les bases physiques, mécaniques et Propriétés chimiques non seulement les fibres elles-mêmes, mais aussi les produits obtenus à partir de celles-ci.

Propriétés de protection thermiquesont les propriétés hygiéniques les plus importantes des produits pour la période hivernale. Ces propriétés dépendent de la conductivité thermique des fibres constituant le tissu, de la densité, de l'épaisseur et de la finition du tissu. La fibre "la plus froide" est le lin, car elle a une conductivité thermique élevée, la "plus chaude" est la laine. Les taux les plus élevés de propriétés de protection thermique se trouvent dans les tissus de laine épais et denses avec un molleton. Les propriétés de protection thermique des vêtements sont considérablement influencées par le nombre de couches de matériau dans les vêtements. Avec une augmentation du nombre de couches de matériau, la résistance thermique totale augmente. Différents types d'isolants sont utilisés : naturels etsynthétique.

Considérons quatre types de tissus, dont nous examinerons des échantillons.

Tissus de costume - à partir de fibres naturelles- la laine.

La laine est le nom donné au poil des moutons, chèvres, chameaux et autres animaux. L'essentiel de la laine (94-96%) pour l'industrie textile est fourni par l'élevage ovin.

Une caractéristique de la laine est sa capacité au feutrage, qui s'explique par la présence d'une couche écailleuse à sa surface, un frisage important et la douceur des fibres. Grâce à cette propriété, des tissus assez denses, des draps, des draperies, du feutre, ainsi que des produits feutrés et feutrés, sont fabriqués à partir de laine. La laine a une faible conductivité thermique, ce qui la rend indispensable dans la production de tissus pour manteaux, vêtements et tricots de l'assortiment d'hiver.

Réchauffeurs naturels

Wat et m - isolation demi-laine,tissu tricoté avec molleton simple ou double face. Le molleton est produit en coton, laine, demi-laine et remplace le coton lors de la couture de vêtements chauds.

Du milieu à la fin du siècle dernier, dans l'industrie du vêtement soviétique, il était utilisé pour la couture de vêtements de travail, ainsi que comme élément chauffant pour les manteaux d'hiver.

Le molleton diffère par sa composition (coton, laine), l'épaisseur du tissu et la méthode de fixation des traînes.



De nos jours, le bâton est de moins en moins populaire.

Inconvénients : poids élevé et propriétés de rétention d'eau relativement élevées.

Isolation synthétique

Sintépon -est l'un des matériaux isolants synthétiques les plus courants. Léger, volumineux, élastique, dans lequel le mélange (y compris les déchets textiles secondaires artificiels et naturels) est maintenu par des méthodes aiguilletées, adhésives (émulsion) ou thermiques.



Depuis peu, les hivernants synthétiques sont le plus souvent fabriqués à partir de matières premières polyester recyclées (sec-PET), de déchets plastiques refondus (bouteilles PET, sacs, vaisselle jetable, etc.). Cela réduit considérablement le coût du produit, mais réduit considérablement les caractéristiques de qualité et de performance.

Sintépon- tissu non tissé obtenu à partir de fibres synthétiques. Il est beaucoup plus léger que le bâton, résistant, ne perd pas sa forme et ne tombe pas. L'hivernant synthétique n'est pas hygroscopique, grâce à quoi il ne devient pas très humide et est facile à sécher. De plus, il est produit blanc et lors du lavage de choses isolées, il ne se décolore pas et ne laisse pas de taches sur le tissu de la tige. Après lavage, le produit conserve sa forme et ne perd pas de volume.

Les avantages du rembourrage en polyester sont la légèreté, de bonnes propriétés de protection thermique et un faible poids, ainsi qu'une relative innocuité pour l'homme. Sintepon est utilisé pour tous les types d'isolant, y compris pour les enfants, ainsi que pour la fabrication , couvre-lits, sacs et autres produits.Léger, chaud, volumineux, bon marché - à une époque, une telle isolation était au sommet de sa popularité.

Cependant, comme le temps l'a montré, l'hivernage synthétique présente un certain nombre d'inconvénients: perméabilité à l'humidité accrue, étanchéité à l'air, déformation rapide et fragilité du matériau - tout cela a conduit au fait que l'hivernage synthétique est utilisé comme appareil de chauffage pour la production de vêtements de demi-saison et d'hiver moins chers.

Hollowfiber (fibre creuse) - un non-tissé rempli de fibres synthétiques sous forme de spirales, boules, ressorts, etc. C'est cette structure qui rend la chose chaude, car beaucoup d'air est retenu entre les fibres.



Il est à juste titre considéré comme l'isolant du 21e siècle. Léger, chaud, résistant à l'humidité et à la forme, hypoallergénique - c'est un excellent matériau pour la production d'une excellente isolation pour les vêtements d'hiver.

Variétés - polyfibre, thermofibre, fibreskin, firetech, etc.

Chapitre II ... Travaux de recherche expérimentale

L'avancement des travaux:

Au cours de ce travail de recherche, six expériences ont été réalisées avec différents types de tissus. Tous les échantillons ont les mêmes dimensions : longueur, largeur et surface (photo 1). La surface des échantillons coïncide avec la surface de l'éprouvette graduée (tableau n° 1)



photo 1

Tableau 1

Draper

Costume en tissu de laine 1

Costume en tissu de laine 2

Holofibre

Sintépon (mince)

Sintépon (épais)

au bâton

Épaisseur

0,4 cm

0,1 cm

0,1 cm

2cm

1cm

2 cm

0,5 cm

Largeur

12cm

12cm

12cm

12cm

12cm

12cm

12cm

Longueur

13cm

13cm

13cm

13cm

13cm

13cm

13cm

Carré

156cm 2

156cm 2

156cm 2

156cm 2

156cm 2

156cm 2

156cm 2

2.1 Comparaison de la conductivité thermique de différents matériaux textiles.

Equipement : Eprouvettes graduées avec eau chaude, matériel expérimental, thermomètres à mercure - 3 pièces, thermomètre électronique, pied à coulisse.

Pour réaliser l'expérience, nous avons enveloppé les éprouvettes de mesure avec des échantillons de tissus et les avons sécurisées avec des épingles.

Une paire de cylindres emballés sélectionnés pour l'expérience et un non emballé ont été remplis d'eau chaude de la même température. À intervalles réguliers (5 minutes), la température de l'eau dans chaque récipient a été mesurée (photo 2), les lectures ont été enregistrées dans un tableau et des graphiques ont été tracés à des fins de comparaison.







photo 2

2.1.1. Expérience n°1.

Pour la première expérience, nous avons choisi deux types de tissus en laine.

Les types de tissus étudiés :

Le premier échantillon est un tissu de tailleur, fin, qui est utilisé pour coudre des vestes, des pantalons et des jupes.

Le deuxième échantillon est un tissu de laine plus épais (drapé), qui est utilisé pour coudre des manteaux et des vestes.

Les tissus sont disponibles dans une variété d'épaisseurs.

Température ambiante (salle physique 20°C)

Nous allons inscrire les résultats de l'étude dans le tableau

75

9:35

9:40

9:45

9:50

Pour comparaison, construisons des graphiques

En comparant la température de l'eau de trois béchers et en traçant des graphiques, nous avons vu que le premier échantillon ne retient pas bien la chaleur, il a donc une bonne conductivité thermique. La conductivité thermique du deuxième échantillon (tissu de laine épais) est moins bonne, car il retient mieux la chaleur.

2.1.2. Expérience #2

Dans la deuxième expérience, nous avons étudié les matériaux d'isolation. Le sintépon est maintenant souvent utilisé comme appareil de chauffage pour les vêtements.Le sintépon épais retient bien la chaleur.

Longueur-13 cm

Largeur-12cm

Épaisseur-2cm

Superficie : 156 cm

74

10:05

10:10

10:15

10:20

Construisons un graphique

2.1.3. Expérience # 3

Le deuxième échantillon est un molleton noir - un matériau en coton naturel, un tissu tricoté avec un poil unilatéral.

Mettons les résultats dans le tableau

74

11:05

11:10

11:15

11:20

Construisons un graphique

À la suite de l'expérience, il s'est avéré que la conductivité thermique du polyester de rembourrage est pire que celle du molleton.

2.1.4. Expérience # 4

Pour étudier la conductivité thermique des radiateurs, nous avons choisi le premier échantillon -molleton gris (coton). Le deuxième échantillon est un molleton de laine noir.

Paramètres des objets étudiés

Gris au bâton

Noir au bâton

Épaisseur

0,6 cm

0,5 cm

Largeur

12cm

12cm

Longueur

13cm

13cm

Carré

156cm 2

156cm 2

41

13:50

39,5

38,5

13:55

14:00

36,5

14:05

35,3

34,5

14:10

33,1

Construisons un graphique



La conductivité thermique du molleton est presque la même, mais il faut tenir compte du fait que le molleton gris est plus épais.

2.1.5. Expérience # 5

Nous avons étudié la conductivité thermique d'un polyester de rembourrage de différentes épaisseurs.

Paramètres des objets étudiés

Rembourrage fin en polyester

Hivernage synthétique épais

Épaisseur

1cm

2 cm

Largeur

12cm

12cm

Longueur

13cm

13cm

Carré

156cm 2

156cm 2

32

14:31

31,9

31,7

14:36

30,5

14:41

29,7

29,3

14:46

29,5

28,7

Construisons un graphique



Le graphique montre que la conductivité thermique d'un polyester de rembourrage épais est bien inférieure à celle d'un fin.

2.1.6. Expérience # 6

Pour l'étude, nous avons choisi le premier échantillon - un hivernant synthétique épais (matériau synthétique, léger, volumineux, résilient, non tissé)

Deuxième échantillon- Xallofibre(tissu non tissé rempli de fibres synthétiques sous forme de spirales, boules, ressorts).

Mettons les résultats dans le tableau

74

15:05

15:10

15:15

15:20

Construisons un graphique

À la suite de l'expérience, il s'est avéré que la conductivité thermique de la holofibre est pire que celle du polyester de rembourrage.

Ainsi, nous étions convaincus que dans les conditions d'un laboratoire de physique scolaire il est possible de réaliser une analyse comparative des tissus textiles.

2.2 Calcul du coefficient d'isolation thermique du molleton, du rembourrage polyester et de la fibre de hall.

Selon la formule : le coefficient de conductivité thermique est calculé, où

P est la puissance totale des pertes de chaleur, S est la section transversale du parallélépipède, ΔT est la différence de température entre les bords, h est la longueur du parallélépipède, c'est-à-dire la distance entre les bords.

La conductivité thermique est mesurée en W / (m · K).

Par analogie avec le coefficient de conductivité thermique, nous avons calculécoefficient d'isolation thermique. Dans notre expérience

P = Q1 - Q2 / t, la puissance que conserve le matériau. Où : Q1 est la quantité de chaleur dégagée par l'eau dans l'éprouvette graduée sans « vêtements », pendant le temps t ;

Q2 est la quantité de chaleur dégagée par l'eau dans l'éprouvette graduée avec « vêtements », pendant le temps t ;

S est la surface de l'échantillon de tissu ;

h est la distance entre les bords.

2.2.1. Calcul du coefficient d'isolation thermique du molleton noir.

S = 88 cm ; h = 0,5 cm ; T = 22,2 ° -21,2 ° = 1 ° С

Q2 = 4200 * 0,12 * (38,5-37) = 756 (J),

c = (Q1-Q2) * h / t * SΔT

c = (1008 -756) * 0,005 / (300 * 0,0088 * 1) = 1,26 / 2,64 = 0,48 (W / m * K)

2.2.2. Calcul du coefficient d'isolation thermique des nappes légères.

S = 88 cm2 ; h = 0,6 cm ; T = 24,3 °C-22,5 °C = 1,8 °C

Q1 = cmΔt = 4200 * 0,12 * (38-36) = 1008 (J)

Q2 = 4200 * 0,12 * (39,5-38) = 756 (J)

c = (Q1-Q2) * h / t * SΔT

c = (1008 -756) * 0,006 / (300 * 0,0088 * 1,8) = 1,512 / 4,752 = 0,32 (W / m * K)

Conclusion:coefficient d'isolation thermique du molleton noir 0,48 (W / m * K)

0,32 (W/m * K)

2.2.3. Calcul du coefficient d'isolation thermique d'un polyester de rembourrage fin.

S = 156 cm2 ; h = 0,4 cm ; T = 23,8 °C-22,5 °C = 1,3 °C

Q2 = 4200 * 0,12 * (29,3-28,7) = 307,2 (J)

c = (Q1-Q2) * h / t * SΔT

c = (512-307,2) * 0,004 / (300 * 0,0273 * 1,3) = 0,82 / 10,647 = 0,077 (W / m * K)

2.2.4. Calcul du coefficient d'isolation thermique d'un rembourrage épais en polyester.

S = 156 cm2 ; h = 1,3 cm ; T = 23,2°C-22°C = 1,2°C

Q1 = cmΔt = 4200 * 0,12 * (28-27) = 512 (J)

Q2 = 4200 * 0,12 * (29,7-29,5) = 102,4 (J)

c = (Q1-Q2) * h / t * SΔT

c = (512-102,4) * 0,013 / (300 * 0,0273 * 1,2) = 5,32 / 9,83 = 0,54 (W / m * K)

coefficient d'isolation thermique d'un fin rembourrage polyester 0,077 (W / m * K)

coefficient d'isolation thermique du bâton léger 0,54 (W/m * K)

2.2.5. Calcul du coefficient d'isolation thermique de la fibre de hall.

S = 156 cm2 ; h = 2 cm ; T = 23,8 °C-22,5 °C = 1,3 °C

Q1 = cmΔt = 4200 * 0,12 * (55-52) = 1512 (J)

Q2 = 4200 * 0,12 * (61-60) = 504 (J)

c = (Q1-Q2) * h / t * SΔT

c = (1512-504) * 0,02 / (300 * 0,0156 * 1,3) = 0,82 / 840 = 0,024 (W / m * K)

Ainsi, dans les conditions d'un laboratoire scolaire, il est possible de réaliser une analyse comparative de la conductivité thermique de divers tissus textiles et de déterminer expérimentalement le coefficient d'isolation thermique.

L'industrie textile moderne utilise de plus en plus de fibres synthétiques. À cette fin, tout comme dans de nombreuses branches de la production moderne, la nanotechnologie vient à l'industrie textile.

Les nanomatériaux peuvent contenir des nanoparticules, des nanofibres et d'autres additifs. Par exemple, Nano-Tex produit avec succès des tissus améliorés grâce à la nanotechnologie. L'un de ces tissus offre une qualité absolueimperméabilité: en raison du changement dans la structure moléculaire des fibres, les gouttelettes d'eau sont complètement enroulées hors de la toile, qui "respire" en même temps. En mars 2004, AspenAerogels a commencé à fabriquer des semelles intérieures de chaussures isolantes à partir d'un nouveau nanomatériau. Le nouvel isolant retient mieux la chaleur que tous les matériaux modernes existants. En comparaison avec eux, ses caractéristiques thermiques avec la même épaisseur d'échantillon se sont améliorées de 3 à 20 fois. Il n'est pas surprenant qu'avec de tels indicateurs, les produits d'un nouvel isolant thermique aient une consommation de matériau minimale.

Les nanorevêtements permettentl'intégration de la micro et de la nanoélectronique dans les textiles, ainsi que les MEMS, étend considérablement les possibilités d'utilisation quotidienne, qui peuvent être utilisées comme moyen de communication et même ordinateur personnel... Et la production de textiles avec des capteurs intégrés permettra de surveiller l'état du corps humain. Cela ouvrira certainement de nouvelles opportunités dans la pratique médicale, le sport et le maintien de la vie dans des conditions extrêmes.

Pour protéger une personne de l'hypothermie, il est actuellement développésous-vêtements thermiques. Les sous-vêtements thermiques sont des sous-vêtements spéciaux, ajusté au corps dans une coupe spéciale. L'un des principaux avantages est qu'il ne s'étire pratiquement pas. Aucune couture latérale ou seulement quelques coutures plates éliminent le risque de frottement.Sous-vêtements thermiques économisant la chaleur. En d'autres termes, les sous-vêtements thermiques chauffants sont destinés aux bas et moyens activité physiqueà des températures fraîches, froides ou très froides environnement externe... Recommandé pour une utilisation dans toutes les conditions météorologiques, lorsque la rétention de chaleur est requise, c'est-à-dire quand il est nécessaire de s'échauffer, en fonction de la tolérance individuelle du corps humain.

Sous-vêtements thermiques (fonctionnels) qui évacuent l'humidité. Ce sous-vêtement thermique a la capacité d'éliminer l'excès d'humidité (sueur) de la surface de la peau. En règle générale, ce type de sous-vêtements thermiques est composé à 100 % de matières synthétiques. L'utilisation de types spéciaux de matières synthétiques améliore les propriétés des sous-vêtements thermiques en termes d'élimination de l'humidité. Cela n'a aucun sens d'énumérer tous les types de synthétiques avec de telles propriétés. Citons seulement les plus célèbres d'entre eux : Coolmax, QuickDry, ThermoliteBase, Polypropylène, Viloft, et bien d'autres.

Sous-vêtements thermiques économisant la chaleur et évacuant l'humidité (hybride).Sous-vêtements thermiques combinant les deux propriétés ci-dessus, c'est-à-dire et réchauffant et évacuant l'humidité.

Sous-vêtements thermiques fonctionnels qui évacuent l'humidité



Sous-vêtements thermiques économisant la chaleur



Sous-vêtements thermiques hybrides



Les sous-vêtements thermiques font face à de nombreux types de fonctions- pour réchauffer, évacuer l'humidité, ou les deux à la fois. Les sous-vêtements thermiques vous permettent de pratiquer vos sports actifs préférés dans différentes conditions climatiques, sans créer de sensation d'inconfort, et permettent également d'économiser votre chaleur.

La conductivité thermique des tissus textiles joue un rôle important dans l'habillement humain, et en particulier dans notre climat. Par conséquent, nous souhaitons donner plusieurs recommandations pour le choix des vêtements :

1) habillez-vous toujours en fonction de la météo.

2) utiliser le principe de la superposition : « trois tee-shirts fins valent mieux qu'un gros ».

3) privilégier les vêtements en fibres naturelles, rappelez-vous que la science ne reste pas immobile et que les fibres artificielles ne sont pas inférieures et surpassent parfois les fibres naturelles dans leurs qualités de conduction thermique.

Chapitre III Conclusion et conclusions

Nous n'avons étudié que quelques types de tissus, naturels et synthétiques. L'industrie moderne utilise souvent des tissus fabriqués à partir de fibres synthétiques. Ces tissus présentent à la fois des avantages et des inconvénients. L'avantage de tels tissus réside dans leur mauvaise conductivité thermique, par conséquent, ils retiennent bien notre chaleur.L'hivernage synthétique a des performances d'isolation thermique moyennes. Les vêtements d'extérieur avec rembourrage en polyester ne conviennent qu'aux hivers très doux. Pour un climat rigoureux, l'hivernage synthétique est inacceptable. Mais le holofibre a une excellente isolation thermique (proche du duvet naturel) et est bien adapté au froid. En gardant bien au chaud, il permet à la peau de respirer. L'hivernage synthétique laisse passer l'air moins bien.

Conclusion:

holofibre,holofibre,

Importance pratique

Lister Littérature

Galakhova E.N.Climat de la Mordovieet les zones adjacentes de la région de la Terre non noire dans le temps (basé sur des matériaux de recherche dans la République socialiste soviétique autonome de Mordovie) : Avtoref. dis. ... cand .../

Grande Encyclopédie Soviétique, tome 43. P. 473.-M. : TSB. 1954

Smorodinsky A. Ya. Température. Bibliothèque "Quant". Numéro 12-M. : "Science" édition principale de la littérature physique et mathématique, 1981 g-159 p.

Encyclopédie pour enfants "AVANTA". Physique.t.16.ch.2.-M. : "Avanta + ", 2002.-432s.


Résumés

Etude de la conductivité thermique de divers types de matières textiles "

MOU "École n°13", Saransk

Rubrique : physique

Responsable : Palaeva N.P., professeur de physique.

Nous vivons dans un climat continental tempéré caractérisé par des hivers froids et glacials et des étés légèrement chauds.

Fin 2009, un débat sur la Terre éclate. Il y avait de nombreux faits scientifiques selon lesquels le climat sur Terre se réchauffe et notre civilisation est à blâmer. Il y avait aussi des opinions selon lesquelles la théorie du « réchauffement climatique » était fausse. La nature a aussi décidé de dire son lourd mot avec les gelées hivernales. De nombreux pays européens étaient couverts de neige et les habitants de ces pays ont reconstitué d'urgence leur garde-robe avec des vêtements chauds.

Dans des conditions de prédominance de températures différentes, se pose le problème de vêtements appropriés qui, s'ils ne se réchauffent pas, retiennent alors bien la chaleur. Les vêtements doivent avoir une faible conductivité thermique. Nous avons donc décidé d'étudier certains types de tissus pour la conductivité thermique.

Le but de ce travail : étudier la conductivité thermique des matériaux textilesvdans les conditions d'une étude de physique scolaire.

Tâches de travail: examiner base théorique le concept de conductivité thermique; étudier expérimentalement la conductivité thermique des matériaux textiles; déterminer expérimentalement le coefficient d'isolation thermique des matières textiles,comparer les valeurs expérimentales et tabulaires de la conductivité thermique des matériaux, tirer une conclusion.

Le principal indicateur des propriétés d'isolation thermique d'un matériau est le coefficient de conductivité thermique.

Pertinence du travail :

• Possibilité d'obtenir de nouveaux matériaux d'isolation thermique avec de meilleures propriétés.

L'isolation thermique joue l'un des rôles les plus importants dans la résolution des problèmes de santé.

Dans les climats tempérés, se pose le problème de vêtements appropriés, qui doivent bien retenir la chaleur, pour cela ils doivent avoir une faible conductivité thermique.

L'utilisation de divers types d'isolation, lors de la couture de vêtements, peut réduire la croissance de la maladie en cas de thermorégulation du corps.

De telles recherches nous permettent d'approfondir radicalement notre compréhension de la conductivité thermique des matériaux textiles et de découvrir quel matériau est le plus efficace.

Objet d'étude : Au cours de ce travail de recherche, des expérimentations ont été menées avec différents types de tissus et d'isolants.Sur la base des résultats des travaux, le principalconclusions ... Après avoir étudié la littérature sur le sujet de recherche et comparé les résultats obtenus expérimentalement avec des valeurs tabulaires, cela nous permet de juger de la petite erreur de mesure.Ainsi, nous nous sommes assurés que dans les conditions d'une salle de physique scolaire, il est possible de réaliser une analyse comparative de la conductivité thermique des tissus, qui sert à confectionner nos vêtements.Au cours de mes expériences, j'ai étudié la conductivité thermique de deux types de tissus de combinaison (fin et drapé) et l'isolationholofibre,rembourrage polyester et molleton. À la suite des expériences, j'étais convaincu que la conductivité thermique la plus faible aholofibre,un hivernage synthétique, puis un molleton, un drapé et un tissu de costume en laine mince ont la plus grande conductivité thermique. C'est-à-dire que les vêtements d'extérieur, faits de drapé et isolés avec de la fibre Holla et un rembourrage en polyester, garderont bien notre chaleur et, par conséquent, nous protégeront du froid hivernal.

Les résultats obtenus au cours de la recherche montrent les capacités uniques d'isolation thermique des matériaux textiles modernes et conduisent à la conclusion qu'il est nécessaire d'informer et même de promouvoir de nouveaux matériaux textiles auprès de la population. L'industrie textile moderne utilise de plus en plus de fibres synthétiques. À cette fin, tout comme dans de nombreuses branches de la production moderne, la nanotechnologie vient à l'industrie textile.

Les textiles à base de nanomatériaux acquièrent une résistance à l'eau, une résistance à la saleté, une conductivité thermique, la capacité de conduire l'électricité et d'autres propriétés uniques dans leurs indicateurs.

Importance pratique

La conductivité thermique des tissus joue un rôle important dans les vêtements d'une personne, et donc dans sa vie. Une personne doit toujours s'habiller en fonction de la météo afin de maintenir sa santé physique.

Conductivité thermique - performances des revêtements d'isolation thermique. En plus d'économiser le métal de base, ces revêtements permettent de réduire les pertes de chaleur et de protéger le métal de base des effets des flux thermiques.

Les méthodes stationnaires de détermination de la conductivité thermique se sont généralisées, dans lesquelles, bien que différentes, mais inchangées dans le processus de recherche, les températures en certains points du revêtement sont maintenues avec la direction de sa stratification perpendiculaire au flux de chaleur passant.

Ces méthodes sont divisées en absolue et relative. Dans les méthodes du premier groupe, la température d'un point quelconque du revêtement ne dépend que de sa position, mais pas du temps. Connaissant la répartition de la température dans le revêtement et la quantité de chaleur transférée, il est possible de calculer la conductivité thermique.

Dans des méthodes relatives, les champs de température dans le revêtement d'essai sont comparés à un matériau de référence précédemment étudié, par exemple, le verre de quartz de la marque KB.

La conductivité thermique n'est pas évaluée directement, mais est déterminée par recalcul, en comparant avec la norme.

Riz. 2.6.1. Installation de détermination de la conductivité thermique des revêtements par la méthode absolue :

1 - appareils de chauffage; 2 - goûter; 3 - four électrique; 4 - potentiomètre KSP4; 5 - bloc relais BR101 ; 6 - bloc de tâches BZ-02 ; 7 - contre-échantillon; 8 - thermos; 9 - verre intérieur du thermos

L'installation d'évaluation de la conductivité thermique à l'aide de la méthode absolue stationnaire est illustrée à la Fig. 2.6.1.

Pour créer un flux de chaleur dans le système de contre-échantillon de revêtement de métal de base, un four électrique tubulaire est utilisé, dans lequel les éléments chauffants (spirales) sont situés de sorte que l'échantillon ne soit chauffé que dans la moitié supérieure du four, où le des réchauffeurs en spirale sont situés, tandis que dans la moitié inférieure se trouvent une isolation en amiante et des convertisseurs thermiques pour mesurer la température de l'échantillon sur toute sa longueur.

Le thermos nécessaire au refroidissement du contre-échantillon et à la détermination du flux thermique ayant traversé le revêtement est constitué de deux verres isolants.

L'eau est fournie au verre intérieur.

La température de l'eau à l'entrée et à la sortie du thermos peut être mesurée avec des thermocouples en cuivre-constantan. Pour assurer un contact suffisant des surfaces d'extrémité de travail du contre-échantillon et de l'échantillon, une force est appliquée sur ce dernier R pas moins de 500 N.

La conductivité thermique est déterminée sur au moins trois échantillons de même taille, de structure identique et de même épaisseur de revêtement, qui sont appliqués selon le même mode technologique à la surface d'extrémité de l'échantillon (Fig. 2.6.2).



Riz. 2.6.2 Éprouvette pour essai de conductivité thermique

Pour chaque échantillon, en chaque point, au moins trois températures sont déterminées toutes les 20 minutes.

Simultanément, la température de l'eau à l'entrée et à la sortie est enregistrée.

Après avoir assuré l'échauffement nécessaire de l'échantillon et la stationnarité du flux thermique, il est possible d'effectuer des relevés de tous les convertisseurs thermiques.

Pour chaque échantillon, en chaque point, au moins trois températures sont déterminées toutes les 20 minutes. Simultanément, la température de l'eau à l'entrée et à la sortie est enregistrée.



Riz. 2.6.3 Répartition de la température dans le système de contre-échantillon de revêtement de métal de base sur la longueur:

1 - échantillon de compteur; 2 - lieux d'installation des convertisseurs thermiques; 3 - métal de base; 4 - enrobage

Sur la base des résultats de la recherche, un graphique de la distribution de la température dans le système métal de base - revêtement - contre-échantillon est construit (Fig. 2.6.3). D'après le graphique, la méthode d'extrapolation détermine les températures à l'intérieur et surfaces externes couverture. Conductivité thermique, W / (m-K) est calculé par la formule :



où Q - flux de chaleur traversant le revêtement, W; c= 4,19 - - capacité thermique massique de l'eau, J / (kgK); V - débit massique d'eau traversant un thermos, kg/s ; - augmentation de la température de l'eau dans le thermos, ° С; - température de l'eau à l'entrée et à la sortie du thermos, ° С ; S - zone de couverture, m2 ; - température sur les surfaces intérieures et extérieures du revêtement, ° С.

D'autres installations sont connues pour évaluer la conductivité thermique par la méthode absolue. Donc, V.M. Ivanov avec sotr. Nous avons étudié les propriétés thermophysiques des revêtements plasma d'oxyde d'aluminium et de dioxyde de zirconium séparés du métal de base en utilisant la configuration illustrée à la Fig. 2.6.4. Un échantillon sous la forme d'un cylindre de 100 mm de long avec une épaisseur de paroi de 1 mm a été installé de manière à ce qu'une extrémité de celui-ci soit chauffée par la partie supérieure radiateurs électriques et l'autre était dans la fonte eutectique. Un dispositif de sécurité, des écrans, une isolation en fibre de silice, la possibilité de mesurer le flux thermique sur une longueur relativement longue, tout cela éliminait l'imprécision de remplir les conditions de stationnarité. Le gradient de température a été déterminé par des convertisseurs thermiques.



Riz. 2.6.4 Installation de mesure de la conductivité thermique des revêtements par la méthode absolue sur échantillons cylindriques :

1 - échantillon de test; 2 - dispositif de sécurité ; 3 - écrans; 4- appareils de chauffage; 5- fonte eutectique ; 6- isolation thermique; 7-thermocouple

Dans les travaux de T.B. Buzovkin et al. La conductivité thermique des revêtements a été déterminée en utilisant des méthodes de mesure relatives. La simplification a été obtenue en comparant les champs de température dans les revêtements étudiés et de référence. Un matériau préalablement étudié a été choisi comme standard. Le flux de chaleur total a été mesuré à partir de l'échantillon de référence. Lors de l'évaluation de la conductivité thermique des revêtements, du quartz fondu avec une conductivité thermique déterminée à plusieurs reprises a été utilisé comme référence. Il est très stable et peut fonctionner sur une plage de température de 100 à 1700 K.

Dans le montage expérimental (Fig. 2.6.5), un échantillon de disque de 3 à 4 mm d'épaisseur et de 23 à 25 mm de diamètre a été placé entre les étalons de quartz fondu.



Riz. 2.6.5 Installation de mesure de la conductivité thermique par la méthode relative :

1 - goûter; 2 - étalons (quartz fondu); 3 - convertisseurs thermiques; 4 - tiges de silite; 5- réfrigérateur; 6- couvercle; 7- cargaison; 8- anneaux

L'échantillon a été fabriqué à partir d'un revêtement séparé du métal de base par meulage des deux côtés. La conductivité thermique a été mesurée dans des conditions de chauffage radiant à partir de tiges de silite. Pour réduire la dissipation thermique radiale, le système de l'échantillon et des disques de quartz était entouré de trois anneaux concentriques protecteurs en amiante-ciment et d'un remblai en Le sable de quartz... Les chutes de température en régime permanent ont été enregistrées avec quatre thermocouples platine-platine-rhodium. Un système composé d'un échantillon et de thermocouples a été placé sur un réfrigérateur en cuivre et pressé contre lui avec un poids pour réduire la résistance de contact entre l'échantillon, les étalons et les thermocouples. Isolation thermique assuré l'écart entre les valeurs des flux de chaleur à travers les premier et deuxième échantillons de référence de pas plus de 4%. Pour l'intervalle 200--900 ° C, une courbe de la dépendance de la conductivité thermique à la température a été construite, et l'effet des microfissures, des points de contact entre les particules, de la taille des particules et d'autres paramètres structurels sur la conductivité thermique a été analysé à l'aide d'un ordinateur.

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