Proučavanje toplinske vodljivosti materijala. Proučavanje toplinske vodljivosti čvrstog tijela metodom cilindričnog sloja

Tekst rada je objavljen bez slika i formula.
Puna verzija Rad je dostupan u kartici "Radne datoteke" u PDF formatu

1. Uvod.

Projekt je dizajniran u skladu sa standardom prosjeka opće obrazovanje u fizici. Prilikom pisanja ovog projekta Razmatra se proučavanje toplinskih fenomena i njihova primjena u svakodnevnom životu i tehnologiji. Osim teoretskog gradiva, velika se pozornost posvećuje istraživački rad- to su pokusi koji odgovaraju na pitanja “Na koji način se može mijenjati unutarnja energija tijela”, “Je li toplinska vodljivost ista razne tvari", "Zašto se mlazovi toplog zraka ili tekućine dižu prema gore", "Zašto se tijela s tamnom površinom više zagrijavaju"; pretraživanje i obrada informacija, fotografije Vrijeme rada na projektu: 1 - 1,5 mjeseci Ciljevi projekta: * praktična primjena znanja učenika o toplinskim pojavama * formiranje samostalnih istraživačkih vještina * razvoj kognitivnih interesa * razvoj logičkog i tehničko mišljenje ;* razvijanje sposobnosti za samostalno stjecanje novih znanja iz fizike u skladu sa životnim potrebama i interesima;

2. Glavni dio.

2.1. Teorijski dio

U životu se zapravo svaki dan susrećemo s toplinskim pojavama. No, ne mislimo uvijek da se ti fenomeni mogu objasniti ako dobro poznajemo fiziku. Na satovima fizike učili smo o načinima promjene unutarnje energije: prijenos topline i rad na tijelu ili samo tijelo. Kada dva tijela s različitim temperaturama dođu u dodir, energija se prenosi s tijela s višom temperaturom na tijelo s nižom temperaturom. Taj proces će se nastaviti sve dok se temperature tijela ne izjednače (nastupi toplinska ravnoteža). pri čemu mehanički rad nije učinjeno. Proces promjene unutarnje energije bez obavljanja rada na tijelu ili samom tijelu naziva se izmjena topline ili prijenos topline. Pri prijenosu topline energija se uvijek prenosi s jače zagrijanog tijela na manje zagrijano. Obrnuti proces spontano (sam po sebi) nikada ne dolazi, tj. prijenos topline je nepovratan. Izmjena topline određuje ili prati mnoge procese u prirodi: evoluciju zvijezda i planeta, meteorološke procese na Zemljinoj površini itd. Vrste prijenosa topline: toplinska vodljivost, konvekcija, zračenje.

Toplinska vodljivost je pojava prijenosa energije s jače zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane kao rezultat toplinskog kretanja i međudjelovanja čestica koje čine tijelo.

Metali imaju najveću toplinsku vodljivost - stotinama je puta veća od vode. Izuzetak su živa i olovo, ali i tu je toplinska vodljivost desetke puta veća od vode.

Prilikom spuštanja metalne igle za pletenje u čašu sa Vruća voda vrlo brzo se zagrijao i kraj pletaće igle. Posljedično, unutarnja energija, kao i svaka vrsta energije, može se prenositi s jednog tijela na drugo. Unutarnja energija može se prenositi s jednog dijela tijela na drugi. Tako, na primjer, ako se jedan kraj čavla zagrije u plamenu, tada će se njegov drugi kraj, koji se nalazi u ruci, postupno zagrijati i opeći ruku.

2.2. Praktični dio.

Proučimo ovaj fenomen izvođenjem niza pokusa s krutinama, tekućinama i plinovima.

Iskustvo br. 1

Uzeli su razne predmete: jednu aluminijsku žlicu, drugu drvenu, treću plastičnu, četvrtu od nehrđajuće legure i petu srebrnu. Na svaku žlicu s kapljicama meda pričvrstili smo spajalice. Žlice smo stavili u čašu vruće vode tako da su ručke sa spajalicama virile iz nje u različitim smjerovima. Žlice će se zagrijati i dok se zagrijavaju med će se otopiti, a spajalice će otpasti.

Naravno, žlice moraju biti iste po obliku i veličini. Gdje se zagrijava brže, taj metal bolje provodi toplinu, toplinski je vodljiviji. Za ovaj eksperiment uzeo sam čašu kipuće vode i četiri vrste žlica: aluminijske, srebrne, plastične i nehrđajuće. Spustio sam ih jednu po jednu u čašu i zabilježio vrijeme: koliko će minuta trebati da se zagrije. Evo što sam dobio:

Zaključak: drvene i plastične žlice zagrijavaju se dulje od metalnih, što znači da metali imaju dobru toplinsku vodljivost.

Iskustvo br. 2

Stavimo kraj drvenog štapa u vatru. Zapalit će se. Drugi kraj štapa, koji se nalazi izvana, bit će hladan. To znači da drvo ima lošu toplinsku vodljivost.

Približimo kraj tanke staklene šipke plamenu alkoholne lampe. Nakon nekog vremena zagrijat će se, ali će drugi kraj ostati hladan. Posljedično, staklo također ima lošu toplinsku vodljivost.

Ako kraj metalne šipke zagrijemo u plamenu, vrlo brzo će se cijela šipka jako zagrijati. Nećemo ga više moći držati u rukama.

To znači da metali dobro provode toplinu, odnosno imaju visoku toplinsku vodljivost. Na državnom-ti-ve go-ri-zon-tal-ali rod-zhen je osiguran. Na šipku, kroz razmake jedan prema jedan, voskom su pričvršćeni metalni klinovi.

Stavite svijeću blizu ruba šipke. Kako se rub šipke zagrijava, šipka se postupno zagrijava. Kada toplina dođe do mjesta gdje su čavli pričvršćeni za šipku, klin se topi i čavao pada. Vidimo da u ovom pokusu nema prijenosa tvari, pa prema tome postoji toplina kroz vodu.

Iskustvo br. 3

Različiti metali imaju različitu toplinsku vodljivost. U kabinetu fizike nalazi se uređaj s kojim možemo provjeriti da različiti metali imaju različitu toplinsku vodljivost. Međutim, kod kuće smo to uspjeli provjeriti koristeći kućni uređaj.

Uređaj za prikaz različite toplinske vodljivostičvrste tvari.

Napravili smo uređaj koji pokazuje različite toplinske vodljivosti čvrstih tijela. Za to smo koristili praznu staklenku od aluminijske folije, dva gumena prstena (domaće izrade), tri komada žice od aluminija, bakra i željeza, pločicu, toplu vodu, 3 figure muškaraca s podignutim rukama, izrezane iz papira.

Postupak izrade uređaja:

savijte žice u obliku slova "G";

ojačati ih sa vani limenke pomoću gumenih prstenova;

objesite papirnate čovječuljke na horizontalne dijelove žičanih segmenata (otopljenim parafinom ili plastelinom).

Provjera rada uređaja. Ulijte u staklenku Vruća voda(po potrebi zagrijte staklenku vode na električnom štednjaku) i promatrajte koja figura pada prva, druga, treća.

Rezultati. Figurica pričvršćena na bakrenu žicu prva će pasti, druga - na aluminijsku žicu, a treća - na čeličnu žicu.

Zaključak. Različite čvrste tvari imaju različitu toplinsku vodljivost.

Toplinska vodljivost različitih tvari je različita.

Iskustvo br. 4

Razmotrimo sada toplinsku vodljivost tekućina. Uzmimo epruvetu s vodom i počnemo zagrijavati njen gornji dio. Voda na površini ubrzo će prokuhati, a na dnu epruvete će se za to vrijeme samo zagrijati. To znači da tekućine imaju nisku toplinsku vodljivost.

Iskustvo br. 5

Proučimo toplinsku vodljivost plinova. Stavite suhu epruvetu na prst i zagrijavajte je na plamenu alkoholne lampe, odozdo prema gore. Prst dugo neće osjetiti toplinu. To je zbog činjenice da je udaljenost između molekula plina još veća nego kod tekućina i krutina. Zbog toga je toplinska vodljivost plinova još manja.

Vuna, dlaka, ptičje perje, papir, snijeg i druga porozna tijela imaju lošu toplinsku vodljivost.

To je zbog činjenice da se između vlakana tih tvari nalazi zrak. A zrak je loš vodič topline.

Tako se pod snijegom čuva zelena trava, a ozimi usjevi čuvaju od smrzavanja.

Iskustvo br. 6

Namutio sam malu lopticu vate i omotao je oko kuglice termometra.Sada sam držao termometar neko vrijeme na određenoj udaljenosti od plamena i primijetio kako temperatura raste. Zatim je stisnuo isti taj snop vate i čvrsto ga omotao oko kuglice termometra te ga ponovno prinio svjetiljci. U drugom slučaju, živa će rasti mnogo brže. To znači da komprimirana vuna puno bolje provodi toplinu!

Najnižu toplinsku vodljivost ima vakuum (prostor oslobođen od zraka). To se objašnjava činjenicom da je toplinska vodljivost prijenos energije s jednog dijela tijela na drugi, koji se javlja tijekom interakcije molekula ili drugih čestica. U prostoru u kojem nema čestica ne može doći do toplinske vodljivosti.

3. Zaključak.

Različite tvari imaju različitu toplinsku vodljivost.

Krute tvari (metali) imaju visoku toplinsku vodljivost, tekućine manju, a plinovi slabu.

Toplinsku vodljivost raznih tvari možemo koristiti u svakodnevnom životu, tehnici i prirodi.

Fenomen toplinske vodljivosti svojstven je svim tvarima, bez obzira na njihovo agregatno stanje.

Sada, bez poteškoća, mogu odgovoriti i objasniti s fizičke točke gledišta sljedeća pitanja:

1.Zašto ptice dižu perje po hladnom vremenu?

(Između pera je zrak, a zrak je loš vodič topline.)

2. Zašto vunena odjeća bolje štiti od hladnoće od sintetičke?

(Između dlačica ima zraka koji slabo provodi toplinu).

3. Zašto mačke zimi, kada je hladno, spavaju sklupčane u klupko? (Svijajući se u loptu, smanjuju površinu koja odaje toplinu.)

4. Zašto su ručke lemilica, glačala, tava i lonaca drvene ili plastične? (Drvo i plastika imaju lošu toplinsku vodljivost, pa pri zagrijavanju metalnih predmeta držanje drvene ili plastične drške neće opeći ruke).

5. Zašto su grmovi biljaka koje vole toplinu i grmlje prekriveni piljevinom za zimu?

(Piljevina je loš vodič topline. Zbog toga se biljke prekrivaju piljevinom kako ne bi smrzle).

6. Koje čizme bolje štite od mraza: uske ili prostrane?

(Prostrano, budući da zrak ne provodi dobro toplinu, to je još jedan sloj u prtljažniku koji zadržava toplinu).

4. Popis korištene literature.

Tiskane publikacije:

1.A.V. Peryshkin Fizika 8. razred -M: Droplja, 2012.

2.M.I.Bludov Razgovori o fizici 1. dio - M: Prosvjetljenje 1984.

Internet resursi:

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

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

U članku su prikazani rezultati istraživanja toplinsko-zaštitnih svojstava tkanine od neprekinutog flora osnove korištenjem termovizijske instalacije. Predlaže se koristiti kao toplinski izolator građevinski materijal, koji ima potrebna svojstva - neobrezana dvoslojna tkanina s hrpom osnove, upotrebom pamučnih i najlonskih niti u potki. Kao rezultat istraživanja provedenog pomoću termovizijske instalacije bazirane na infracrvenoj kameri TermaCamTM SC 3000, utvrđene su glavne termofizičke karakteristike tkanine, dobiveni su termogrami procesa hlađenja uzoraka tkanine i na temelju rezultata mjerenja dobiveni su termogrami procesa hlađenja uzoraka tkanine. konstruirani su polulogaritamski grafovi njihovog hlađenja. Kao rezultat analize eksperimentalnih podataka proizlazi da toplinska otpornost uzoraka neprekinute dvopanelne tkanine od flora ovisi o njihovoj debljini. Povećanjem debljine pojedine tkanine raste i njezina toplinska otpornost, odnosno poboljšavaju se svojstva toplinske zaštite, neovisno o vlaknastom sastavu tkanine u potki.

warp tkanina

toplinski izolator

termovizijska kamera

toplinski otpor

1. Boyko S.Yu. Razvoj optimalnih tehnoloških parametara za proizvodnju tkiva za zaštitu čovjeka od vanjskih utjecaja: Sažetak diplomskog rada. dis. dr.sc. tehn. Sci. – M., 2004. – 16 str.

2. Vavilov V.P., Klimov A.G. Termovizijske kamere i njihova primjena. – M.: “Intel Universal”, 2002 – 88 str.

3. Kolesnikov P.A. Osnove projektiranja termozaštitne odjeće. L.: “Laka industrija”, 1971. – 112 str.

4. Nazarova M.V., Boyko S.Yu. Razvoj metode za dizajniranje tkanine za zaštitu ljudi od vanjskih utjecaja // International Journal of Experimental Education. – 2010. – br. 6. – str. 75-79.

5. Nazarova M.V., Boyko S.Yu., Zavyalov A.A. Razvoj optimalnih tehnoloških parametara za proizvodnju tkanina s visokim svojstvima čvrstoće // International Journal of Experimental Education. – 2013. – Broj 10 (2. dio). – str 385-390.

6. Nazarova M.V., Boyko S.Yu., Romanov V.Yu. Razvoj optimalnih tehnoloških parametara za proizvodnju tkanina sa toplinski zaštitnim svojstvima // International Journal of Experimental Education. – 2013. – Broj 10 (2. dio). – str. 391-396.

Projektiranje racionalne toplinske zaštitne odjeće za različite klimatske i uvjeti proizvodnje velik je i vrlo složen znanstveni problem, koji se može uspješno riješiti samo na temelju integriranog korištenja podataka iz fiziologije, higijene odijevanja, klimatologije, termofizike, znanosti o tekstilnim materijalima i dizajna odjeće.

Toplinska vodljivost tekstilnih tkanina povezana je s prijenosom energije toplinskog kretanja mikročestica s jače zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane, što dovodi do izjednačavanja temperature i ocjenjuje se koeficijentom toplinske vodljivosti; koeficijent prijenosa topline; toplinski otpor, specifični toplinski otpor.

Analiza radova na proučavanju termofizičkih svojstava materijala pokazala je da se pri procjeni toplinsko-zaštitnih svojstava materijala odjeće, jednostavnijom i intuitivnijom vrijednošću ne treba uzeti u obzir koeficijent toplinske vodljivosti, već njegova inverzna vrijednost, nazvana toplinska otpornost. . Čimbenici koji utječu na toplinsku otpornost materijala uključuju: volumetrijsku težinu, debljinu, vlažnost, vrstu vlaknasti materijal, prozračnost.

Stoga je svrha ovog rada procijeniti vrijednost termofizičkih svojstava tkanine s florom osnove namijenjene šivanju radne odjeće koja se koristi u ekstremnim klimatskim uvjetima.

U ovom radu, pri proučavanju termofizičkih svojstava tkanine od flora kontinuirane osnove, predlaže se korištenje principa toplinske dijagnostike, koji se sastoji od usporedbe referentnih i analiziranih temperaturnih polja u tkanini koja se proučava. Temperaturne anomalije služe kao pokazatelji defekata, a veličina temperaturnih signala i njihovo ponašanje tijekom vremena temelj su kvantitativnih procjena određenih parametara tkiva.

Pojam “toplinsko snimanje” odnosi se uglavnom na registraciju toplinskog zračenja čvrstih tijela, koje se sastoji od vlastitog zračenja tijela, zbog njegove temperature, kao i reflektiranog i propuštenog zračenja od drugih tijela. Za optički neprozirne objekte termovizijski uređaji bilježe isključivo površinske učinke: površinsku temperaturu te veličinu koeficijenata emisivnosti (apsorpcije) i refleksije.

Pri proučavanju objekata pomoću termovizijskih kamera često se koriste dva najčešća raspona valnih duljina: 3-5,5 µm i 8-12 µm; a obično se označavaju kao kratkovalni i dugovalni pojasevi.

Opća shema za mjerenje toplinskog zračenja proizvoljnog čvrsta prikazano na sl. 1. Kontrolni objekt (1) okružen je okolinom (2) odnosno drugim objektima (3) s temperaturama Tav i Text. Za snimanje toplinskog zračenja koristi se termovizijska kamera (4). Ispitni objekt karakteriziraju sljedeći optički parametri: emisivnost ε; koeficijent apsorpcije α; koeficijent refleksije r; propusnost τ.

Riža. 1. Shematski dijagram mjerenja toplinskog zračenja proizvoljnog čvrstog tijela

Glavna prednost termalne slike u odnosu na druge uređaje pri proučavanju svojstava toplinske zaštite materijala je:

• visoka toplinska osjetljivost;
• točnije vrijednosti temperature;
• velika brzina dobivanja eksperimentalnih rezultata i njihove obrade;
• neograničen raspon temperature.

Pri određivanju termofizičkih karakteristika neprekinute dvoslojne tkanine od osnove i flora korištenjem termovizijskog sustava korištena je tehnika razvijena na Zavodu za industrijsku termoenergetiku Moskovskog državnog tehničkog sveučilišta. A.N. Kosygina. Metoda za određivanje termofizičkih karakteristika temelji se na metodama nestacionarnog toplinskog režima za eksperimentalnu procjenu toplinsko-zaštitnih svojstava odjevnih materijala metodom regularnog toplinskog režima, koja se temelji na fenomenu slobodnog hlađenja zagrijanog uzorka u plinovitom mediju ( zrak).

U laboratoriju Zavoda za industrijsku toplinu i energetiku MSTU-a provedena su istraživanja termofizičkih karakteristika kontinuirane dvoslojne tkanine od osnove i flora korištenjem termovizijskog sustava. A.N. Kosygina.

Pri korištenju termovizijskog sustava postavljeni su sljedeći zadaci:

• određivanje temperaturnih polja na površini uzoraka tkiva koji se proučavaju tijekom hlađenja;
• određivanje toplinske vodljivosti neprekinute dvoslojne tkanine od flora osnove.

Laboratorijska postavka za eksperiment prikazana je na sl. 2.

Riža. 2. Termovizijski sustav za proučavanje toplinske vodljivosti tkanine od flora: 1 - termovizijska kamera termocamtmsc 3000; 2 - računalo za obradu podataka; 3 - toplinski izolirani ormar; 4 - zaštitni ekran; 5 - termometar, za kontrolu temperature unutar ormarića; 6 - uzorak tkanine

Kao što je poznato iz istraživanja A.P. Kolesnikov, sposobnost toplinske izolacije tkanine ovisi o njezinoj debljini. Debljina ima najveća vrijednost u svojstvima toplinske izolacije tkanine. Za provođenje pokusa korišteni su uzorci neobrezane osnove floraste tkanine s pamučnom pređom u osnovi i floraste osnove. Za potku je korištena pamučna pređa linearne gustoće 15,4 * 2 tex (I-opcija) i najlonska nit T = 15,6 tex (II-opcija). U svakoj od opcija mijenjala se debljina tkanine. Za izvođenje pokusa korišteni su uzorci tkanina različitih debljina: I - varijanta uzorka s pamučnom pređom u potki i II - varijanta uzorka s najlonskom niti u potki. Debljina uzoraka tkanine u obje inačice bila je b1=7,57 mm, b2=7,62 mm.

Algoritam za proučavanje svojstava toplinske zaštite neprekinute dvostruke tkanine od hrpaste osnove je sljedeći:

Zagrijavanje uzorka u toplinski izoliranom ormariću na fiksnu temperaturu t=100 °C (nižu od temperature deformacije vlakana);

Kontrola ravnomjernog zagrijavanja ispitnog uzorka pomoću infracrvene kamere ThermaCAM SC 3000;

Kada se postigne ravnomjerno temperaturno polje na površini uzorka, isključite električni grijač;

Pomoću infracrvene kamere ThermaCAM SC 3000, snimanje hlađenja uzorka na početnu temperaturu sobna temperatura prema uvjetima , ;

Zamjena ispitnog uzorka (opcija 1) drugim uzorkom (opcija 2) i ponovno izvođenje cijelog niza mjerenja;

Nakon dobivanja termograma procesa hlađenja uzorka, eksperimentalni podaci se obrađuju pomoću računala;

Koristeći poznate formule, određujemo toplinsku vodljivost i toplinsku otpornost uzoraka neprekinute dvoplosne tkanine od flora.

Uvjeti eksperimenta:

• emisivnost objekta (stupanj emisivnosti) - 0,95;
• temperatura okoline - 23 °C;
• udaljenost između objekta i termovizije - 30 cm;
• relativna vlažnost zrak - 55%.

Pomoću termovizijskog sustava snimaju se termogrami procesa hlađenja uzorka tkiva frekvencijom od 1 slike u sekundi.

Na temelju mjernih podataka konstruiran je polulogaritamski grafikon hlađenja, prikazan na slikama 3 i 4, pri čemu ravni dio krivulje odgovara normalnom načinu rada. Jednadžba ovog pravca, prema osnovnom zakonu pravilnog načina (prve vrste), ima sljedeći oblik:

ln υ=-m·τ+g(x,z,z), (1)

Na pravoj liniji označeno je šest točaka s odgovarajućim koordinatama prema kojima se određuje brzina hlađenja.

Brzina hlađenja u svakom odjeljku određena je formulama (2), s -1:

gdje je υ 1 razlika između temperature u određenoj točki i pri vanjsko okruženje u trenutku τ 1; υ 2 - razlika između temperature u određenoj točki i vanjske okoline u trenutku τ 2;

Prosječna brzina hlađenja određena je formulom3, s -1:

, (3)

Određujemo faktor oblika za uzorke tkanine pomoću formule (4):

Ako pretpostavimo da uzorak tkanine konvencionalno ima oblik paralelopipeda, tada za pravokutni paralelopiped s rubovima L 1, L 2, L 3, mm:

, (4)

gdje je L 1 širina uzorka, mm; L 2 - duljina uzorka, mm; L 3 - visina uzorka jednaka b 1, b 2, mm.

Koeficijent toplinske difuzije određen je formulom (5), m2/s:

Nasipna gustoća uzoraka određena je formulom (6), kg/m3:

gdje je M površinska gustoća uzorka, g/m2; b - debljina uzorka, mm.

Riža. 3. Eksperimentalna krivulja brzine hlađenja za uzorak tkanine od flora osnove s pamučnom pređom u potki (I-varijanta)

Riža. 4. Eksperimentalna krivulja brzine hlađenja tkanine od flora osnove s najlonskom niti u potki (II-varijanta)

Specifični toplinski kapacitet uzoraka uzet je iz eksperimentalnih podataka koje je odredio P.A Kolesnikov:

• za opciju I (pamuk) c1=1,38 kJ/kg deg;
• za opciju II (pamuk-najlon) s 2 = 1,66 kJ/kg deg;

Toplinska vodljivost materijala određena je formulom (7), W/m⋅deg:

Toplinska otpornost uzoraka tkanine određena je formulom (7), m2 deg/W:

gdje je δ debljina sloja, m; λ - koeficijent toplinske vodljivosti, W/m deg.

Izračun parametara toplinske otpornosti uzoraka kontinuirane dvopločne tkanine od dviju opcija proveden je na računalu i prikazan u tablici. 2.

tablica 2

Rezultati proračuna parametara toplinske otpornosti uzoraka neprekinute dvopločne tkanine od flora osnove

Kao rezultat analize podataka iz tablice proizlazi da toplinska otpornost uzoraka neprekinute dvopločne tkanine od flora ovisi o njihovoj debljini. Povećanjem debljine pojedine tkanine raste i njezina toplinska otpornost, odnosno poboljšavaju se svojstva toplinske zaštite, neovisno o vlaknastom sastavu tkanine u potki.

Najbolja svojstva toplinske zaštite imaju: - uzorak tkanine koji sadrži pamučnu pređu u potki debljine bT=7,62 mm; uzorak tkanine koja sadrži najlonsku nit u potki i debljinu bT = 7,57.

Tablica 3

Termofizička svojstva uzoraka tkanina s florom

zaključke

1. Termovizijskom instalacijom temeljenom na infracrvenoj kameri TermaCamTM SC 3000 provedeno je istraživanje toplinsko-zaštitnih svojstava tkanine, utvrđene su njene glavne termofizičke karakteristike, dobiveni termogrami procesa hlađenja uzoraka tkanine i na temelju Rezultati mjerenja konstruirani su polulogaritamski grafikoni njihovog hlađenja.
2. Razvijen je algoritam za proračun svojstava toplinske zaštite neprekinute dvopanelne tkanine od osnove i flora, na temelju koje se određuju glavne termofizičke karakteristike tkanine.

Bibliografska poveznica

Tema: Studija pojave toplinska vodljivost"

Relevantnost: Danas se razvijaju novi materijali. Poznavanje toplinske vodljivosti raznih tvari omogućuje ne samo njihovu široku primjenu, već i sprječavanje njihovog štetnog djelovanja u svakodnevnom životu, tehnologiji i prirodi.

Cilj: proučavanje fenomena toplinske vodljivosti izvođenjem niza pokusa s krutinama, tekućinama i plinovima.

Zadaci:

Proučite teorijski materijal o ovom pitanju;

Istražiti toplinsku vodljivost čvrstih tvari;

Istražiti toplinsku vodljivost tekućina;

Istražiti toplinsku vodljivost plinova;

Izvedite zaključke o dobivenim rezultatima.

Hipoteza: Sve tvari (krute, tekuće i plinovite) imaju različitu toplinsku vodljivost.

Oprema: alkoholna lampa, tronožac, drveni štapić, stakleni štapić, bakrena žica, epruveta s vodom.

Elementi nastavnog materijala za udžbenik: udžbenik “Fizika. 8. razred"

Unutarnja energija, kao i svaka vrsta energije, može se prenositi s jednog tijela na drugo. Unutarnja energija može se prenositi s jednog dijela tijela na drugi. Tako, na primjer, ako se jedan kraj čavla zagrije u plamenu, tada će se njegov drugi kraj, koji se nalazi u ruci, postupno zagrijati i opeći ruku. Pojava prijenosa unutarnje energije s jednog dijela tijela na drugi ili s jednog tijela na drugo tijekom njihovog neposrednog dodira naziva se toplinska vodljivost.

Proučimo ovaj fenomen izvođenjem niza pokusa s krutinama, tekućinama i plinovima.

Video: https://cloud. pošta. ru/public/JCFY/CFTcCeqhE

Iskustvo 1 . Proučavanje toplinske vodljivosti čvrstih tvari na primjeru drveni štap, staklena šipka i bakrena šipka.

Stavimo kraj drvenog štapa u vatru. Zapalit će se.

Zaključak: drvo ima lošu toplinsku vodljivost.

Približimo kraj tanke staklene šipke plamenu alkoholne lampe. Nakon nekog vremena zagrijat će se, ali će drugi kraj ostati hladan.

Zaključak: staklo ima lošu toplinsku vodljivost.

Ako kraj metalne šipke zagrijemo u plamenu, vrlo brzo će se cijela šipka jako zagrijati. Nećemo ga više moći držati u rukama.

Zaključak: metali dobro provode toplinu, odnosno imaju visoku toplinsku vodljivost. Srebro i bakar imaju najveću toplinsku vodljivost.

Razmotrimo prijenos topline s jednog dijela krutine na drugi u sljedećem pokusu. Osigurajmo jedan kraj debljine bakrene žice na tronošcu. Na žicu voskom pričvrstimo nekoliko čavala (slika 6). Kad se slobodni kraj žice zagrije u plamenu alkoholne lampe, vosak će se otopiti. Karanfili će postupno početi otpadati. Prvo će otpasti oni koji se nalaze bliže plamenu, a zatim svi ostali redom.

https://pandia.ru/text/80/351/images/image003_62.jpg" alt="img8_7" align="left" width="216" height="176 src=">!}

Iskustvo 3. Proučavanje toplinske vodljivosti plinova.

Proučimo toplinsku vodljivost plinova.
Suhu epruvetu stavite na prst i zagrijte je naopako na plamenu alkoholne lampe (slika 8). Prst dugo neće osjetiti toplinu. To je zbog činjenice da je udaljenost između molekula plina još veća nego kod tekućina i krutina.

Zaključak: Toplinska vodljivost plinova je čak manja od one tekućina. Dakle, toplinska vodljivost je različite tvari su različite.

Zaključci i rasprava

Zaključak: Pokusi su pokazali da je toplinska vodljivost različitih tvari različita. Metali imaju najveću toplinsku vodljivost, tekućine imaju nisku toplinsku vodljivost, a plinovi imaju najmanju toplinsku vodljivost.

Koristeći §4 udžbenika fizike za 8. razred rezultate prikazujemo u obliku tablice:

Objašnjenje fenomena toplinske vodljivosti s molekularno kinetičkog gledišta: toplinska vodljivost je prijenos energije s jednog dijela tijela na drugi, koji se događa tijekom međudjelovanja molekula ili drugih čestica. U metalima su čestice smještene blizu jedna drugoj i neprestano međusobno djeluju. Brzina oscilatornog gibanja u zagrijanom dijelu metala raste i brzo se prenosi na susjedne čestice. Temperatura sljedećeg dijela žice raste. U tekućinama i plinovima molekule se nalaze na većim udaljenostima nego u metalima. U prostoru u kojem nema čestica ne može doći do toplinske vodljivosti.

Zanimljive činjenice o toplinskoj vodljivosti

Jesu li trnovite životinje tople u iglama?

Vuna ne samo da spašava životinje od hladnoće, već služi i kao sredstvo zaštite. A kako bi zaštita bila impresivnija i pouzdanija, linija kose se ponekad modificira, pretvarajući se u neku vrstu oklopa. Igle, na primjer. Ali zadržava li takva odjeća inherentna svojstva vune i zar se ježevi i dikobrazi ne hlade u svojim bodljikavim kaputima?

Znanstvenici s Instituta za ekologiju i evoluciju nazvani. Ruska akademija znanosti temeljito je proučila svojstva toplinske vodljivosti i toplinske izolacije perla uzetih s leđa odraslog mužjaka sjevernoameričkog dikobraza iz zbirke Zoološkog muzeja Moskovskog državnog sveučilišta i bila je uvjerena da ta ista perca jako griju dobro. Kako bi se razumjela unutarnja struktura igala, izrezane su na tanke dijelove i obložene zlatom za ispitivanje pod elektronskim mikroskopom. Keratin, glavni sastojak igala, provodi toplinu 10 puta bolje od zraka. I zahvaljujući tome, igle povećavaju toplinsku vodljivost "oklopa". Posljedično se povećava i gubitak topline iz tijela životinje. Međutim, unutarnja porozna struktura igala stvara dodatnu zaštitu od toplinskog zračenja, što najvjerojatnije kompenzira povećanje toplinske vodljivosti. Dakle, dikobraz, poput ostalih bodljikavih životinja, uopće ne pati od hladnoće. Trnasti pokrov zadržava točno onu količinu topline koja je potrebna toplokrvnoj životinji ove veličine.

Polipropilen– i dalje je najbolja osnova za materijale (vlakna, niti, pređu, lan, tkanine) koji se koriste u proizvodnji donjeg rublja sportske odjeće, termo rublja i termo čarapa. Među svim sintetičkim materijalima koji se koriste u ovom području, ima najnižu toplinsku vodljivost. Stoga, odjeća izrađena od polipropilena dopušta najbolji način grijati zimi i hladiti ljeti.

Koji materijal ima najveću toplinsku vodljivost?

Materijal s najvećom toplinskom vodljivošću nije bilo koji metal (srebro ili bakar), kako mnogi misle. Najveću toplinsku vodljivost ima materijal koji je sličan staklu - dijamant. Njegova toplinska vodljivost je gotovo 6 puta veća od one srebra ili bakra. Ako napravite žličicu od dijamanta, nećete je moći koristiti jer će vam odmah opeći prste.

Od čega se izrađuju piloti kada se grade zgrade u područjima s permafrostom?

Slijeganje temelja stvara velike poteškoće građevinarima, posebno u područjima s permafrostom. Kuće često pucaju zbog odmrzavanja tla ispod njih. Temelj prenosi nešto topline na tlo. Stoga su se zgrade počele graditi na stupovima. U tom slučaju toplina se prenosi samo toplinskom vodljivošću od temelja do pilota i dalje od pilota do tla. Od čega bi trebale biti napravljene gomile? Ispada da se hrpe, izrađene od izdržljivog čvrstog materijala, moraju iznutra napuniti kerozinom. Ljeti hrpa slabo provodi toplinu od vrha do dna, jer tekućina ima nisku toplinsku vodljivost. Zimi će hrpa, zbog konvekcije tekućine unutar nje, naprotiv, pridonijeti dodatnom hlađenju tla.

“Vatrootporna lopta”……………………………………….

Običan balon, napuhan zrakom, lako se zapali u plamenu svijeće. Odmah pukne. Ako tu istu kuglu napunjenu vodom prinesete plamenu svijeće, ona postaje "vatrootporna". Toplinska vodljivost vode je 24 puta veća od toplinske vodljivosti zraka. To znači da voda provodi toplinu 24 puta brže od zraka. Sve dok voda ne ispari unutar lopte, ona neće prsnuti.

Cilj

Svladavanje i učvršćivanje teorijskog gradiva u dijelu Prijenos topline Toplinska vodljivost, svladavanje metode eksperimentalnog određivanja koeficijenta toplinske vodljivosti; stjecanje vještina mjerenja, analiza dobivenih rezultata.

1. Eksperimentalno odrediti koeficijent toplinske vodljivosti izolacijskog materijala.

2. Zapišite tabličnu vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti materijala koji se proučava.

3. Izračunajte pogrešku vrijednosti koeficijenta toplinske vodljivosti dobivene u pokusu u odnosu na tabelarnu.

4. Izvedite zaključak o djelu.

METODIČKE UPUTE

Prilikom izvođenja tehničkih proračuna potrebno je imati vrijednosti koeficijenata toplinske vodljivosti različitih materijala.

Koeficijent toplinske vodljivosti karakterizira sposobnost materijala da provodi toplinu. Brojčana vrijednost l tvrdih materijala, posebno izolatori topline, u pravilu se određuje empirijski.

Fizikalno značenje koeficijenta toplinske vodljivosti određuje se iz Fourierove jednadžbe napisane za specifični toplinski tok

g = –l grad t . (1)

Postoji nekoliko metoda za eksperimentalno određivanje vrijednosti l, temeljenih na teoriji stacionarnih ili nestacionarnih toplinskih uvjeta.

Diferencijalna jednadžba toplinskog toka Q, W, sa stacionarnom toplinskom vodljivošću može se napisati u obliku

Q = – lF grad t . (2)

Ako uzmemo u obzir cilindar tankih stijenki, kada je l/d > 8, temperaturni gradijent temperaturnog polja u cilindričnom koordinatnom sustavu bit će zapisan kao

grad t = dt/dr,

i jednadžba (2) ovog slučaja

gdje su d 1, d 2 unutarnji i donji promjer cilindra, redom, m;

l je duljina cilindra, m;

(t 2 - t 1) = Dt - temperaturna razlika između temperatura na unutarnjoj i vanjskoj površini cilindra, 0 C;

l je koeficijent toplinske vodljivosti materijala od kojeg je izrađen cilindar, W/(m×0 C);

grad t - temperaturni gradijent normalno na površinu izmjene topline, 0 C/m.

Ako se jednadžba (3) riješi s obzirom na koeficijent toplinske vodljivosti l, W/(m× 0 C), tada ćemo imati

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

Jednadžba (4) može poslužiti za eksperimentalno određivanje vrijednosti koeficijenta toplinske vodljivosti materijala od kojeg je izrađen cilindar.

Prilikom provođenja eksperimenta potrebno je odrediti veličinu protoka topline Q, W i vrijednosti (t 2 - t 1) = Dt 0 C, nakon početka stacionarnog toplinskog režima.

EKSPERIMENTALNA POSTAVKA

Eksperimentalna postavka (slika) sastoji se od cilindra 1, u čijoj se unutarnjoj šupljini nalazi električni grijač 2, čija se snaga regulira autotransformatorom (prekidačem) 3 i određuje se očitanjima ampermetra 4 i voltmetra. 5. Temperatura unutarnje i vanjske površine cilindra mjeri se pomoću Chromel-Copel termoparova 7, spojenih na mikroprocesorski mjerač temperature 6. Na temelju razlike između ovih temperatura u stacionarnom toplinski način rada Određuje se koeficijent toplinske vodljivosti materijala koji se proučava iz kojeg je izrađen cilindar.

Crtanje . Shema eksperimentalnog uređaja za određivanje koeficijenta toplinske vodljivosti materijala cilindra.

EKSPERIMENTALNA PROCEDURA

1. Uključite opremu okretanjem gumba na centrali u položaj 1.

2. Okrenite gumb autotransformatora (prekidač) kako biste postavili snagu grijača koju je odredio učitelj.

3. Promatrajući očitanja mjerača temperature, pričekajte dok se ne uspostavi stacionarni toplinski režim.

4. Rezultate mjerenja prikazati u tablici:

Stol

gdje U, I - napon i struja u grijaču;

t 2, t 1 - temperatura unutarnje i vanjske površine cilindra.

OBRADA EKSPERIMENTALNIH PODATAKA

1. Izračunajte koeficijent toplinske vodljivosti materijala koji se proučava, l, W/(m× 0 C)

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

gdje je Q = U×I – snaga grijača, W;

d 1 = 0,041 m, d 2 = 0,0565 m – unutarnji i vanjski promjer cilindra;

l = 0,55 m – duljina cilindra.

2. Zapišite tabličnu vrijednost l, W/(m× 0 C).

3. Odredite pogrešku l eq u odnosu na referentnu vrijednost l, %.

D = (l eq – l)100/l.

PITANJA ZA SAMOSTALNU PRIPREMU

1. Stacionarni i nestacionarni toplinski režimi.

2. Temperaturno polje, stacionarno i nestacionarno, stacionarno polje trodimenzionalno, dvodimenzionalno i jednodimenzionalno.

3. Gradijent temperature.

4. Fizička bit procesa provođenja topline.

5. Fourierova jednadžba, njena analiza.

6. Koeficijent toplinske vodljivosti, faktori koji utječu na vrijednost koeficijenta toplinske vodljivosti.

7. Navedite brojčane vrijednosti koeficijenta toplinske vodljivosti za neke materijale.

8. Koji se materijali svrstavaju u toplinsku izolaciju?

9. Zapišite vrijednost temperaturnog gradijenta za jednodimenzionalno temperaturno polje u kartezijskom i cilindričnom koordinatnom sustavu.

10. Napišite formule za određivanje toplinskog toka Q, W ravnih i cilindričnih jednoslojnih i višeslojnih stijenki.

11.Napišite formule za određivanje specifičnih toplinskih tokova g 1, W/m 2, g 2, W/m za ravne i cilindrične jednoslojne i višeslojne stijenke.

BIBLIOGRAFSKI POPIS

1. Mikheev M.A., Mikheeva I.M. Osnove prijenosa topline - M.: Energija, 1977.

2. Baskakov A.P. i dr. Inženjerstvo topline - M.: Energoizdat, 1991.

3. Nashchokin V.B. Tehnička termodinamika i prijenos topline - M.: Viša škola, 1980.

4. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Prijenos topline - M.: Energija, 1981.