Исследование теплопроводности твердого тела методом цилиндрического слоя. Старт в науке Исследование теплопроводности материалов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Во внутренний стакан подается вода.

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

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

Рис. 2.6.2 Образец для испытания на теплопроводность

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

Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.6.5 Установка для измерения теплопроводности относительным методом:

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

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

роквелл твердость покрытие

Хайруллин А, Салимов И

Материал научно-практической конференции

Скачать:

Предварительный просмотр:

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ПОЖАРОСТОЙКОСТЬ

Исследовательская работа

Введение…………………………………………………………………………...3
Теоретическая часть…………………………………………………………....3-12

2.1 Физические свойства материалов……………………………………….3-5

2.2 Понятие о теплопроводности и теплоизоляции………………………..6-7

Теплопередача в строительстве…………………………………………..8-9

2.4Классификация теплоизоляционных материалов……………………10-11

2.5Теплоизоляционные свойства материалов…………………………….11-12

3.Практическая часть. Материалы и методика исследования……………..12-13

4.Пожаростойкость материалов………………………………………………....14

5.Заключение и выводы…………………………………………………………..15

6.Литература………………………………………………………………………..15

Актуальность работы: обусловлена острой необходимостью исследования свойств строительных материалов, и изучить их пожаростойкость.

Проблема:

Как сделать свой дом теплым, экологически чистым и пожаробезопасным?

Целью данной работы является исследование теплопроводности природных и искусственных строительных материалов и их пожаростойкость.

Для достижения этой цели определили следующие задачи:

Изучить литературу по теме теплопроводность и теплоизоляция.
Освоить методику исследования определения теплопроводности материалов.
Дать количественную оценку проводящих свойств образцов как отношение изменения температуры к времени, за которое это изменение произошло.
Сравнить экспериментальные и табличные значения теплопроводности материалов.

6. Изучить пожарную безопасность строительных материалов.

1.Введение

В холодную, дождливую, ветреную погоду мы всегда стремимся вернуться в теплый дом, где можно, сняв пальто, почувствовать себя в тепле и уюте. Наружные стены, окна, крыша защищают наш дом от низких температур, сильного ветра, осадков в виде дождя и снега и других атмосферных воздействий. При этом они препятствуют прониканию тепла из внутреннего помещения наружу вследствие своего сопротивления теплопередаче.

Из чего построить дом? Его стены должны обеспечить здоровый микроклимат без лишней влаги, плесени, холода. Это зависит от их физических и механических свойств.

За ХХ век в мире произведено столько материалов, сколько за всё предшествующее тысячелетие. Научные исследования позволили существенно улучшить оптические, химические, тепловые и другие свойства уже известных материалов и создать тысячи новых, которых не знала природа.

Строительный бум в России ХХI века породил спрос на теплоизолирующие материалы и конструкции. Кроме того, с началом 2000 года в силу вступили новые требования к теплозащите ограждающих конструкции. Утепление зданий современными строительными материалами позволяет значительно снизить теплопотери. Разумеется, строить лучше всего из материалов, которые обладают малой теплопроводностью.

2.Теоретическая часть.

2.1 Физические свойства материалов.

Плотность - величина, измеряемая отношением массы" вещества к занимаемому объему.

Влажность - массовая доля воды в материале, выраженная в процентах.

Для определения влажности образец взвешивают сначала во влажном, а затем в абсолютно сухом состоянии. Высушивают материал до полного удаления влаги в лабораторных условиях (в сушильном шкафу) при температуре 110°С. Материал, влажность которого равна 0, называют абсолютно сухим, при равенстве ее" влажности окружающего воздуха - воздушно-сухим.

Водопроницаемость, т. е. способность материала пропускать воду под давлением, измеряют количеством воды, прошедшей через 1 см 2 площади поверхности материала в течение 1 ч при постоянном давлении. Особо плотные материалы (битум, стекло, сталь и др.), а также достаточно плотные материалы с мелкими порами (специальный бетон) практически водонепроницаемы, остальные водопроницаемы.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное и" попеременное замораживание и оттаивание. Материал" считают морозостойким, если он после испытания не имеет выкрашиваний, трещин, расслаивания, потери массы более 5% и прочности более 25%.

Теплопроводность - способность материала передавать теплоту от одной поверхности к другой. За единицу количества теплоты принят 1 джоуль (Дж). С увеличением влажности и плотности «материала возрастает его теплопроводность.

Теплоемкость - количество теплоты, которое требуется для нагревания какого-либо тела на 1 кельвин" (К).

Механические свойства материалов.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок или других факторов. Пределом прочности называется условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца материала. Предел прочности определяют нагружением образцов материала до разрушения на прессах или разрывных машинах. Хрупкие материалы испытывают главным образом на сжатие, пластичные- на растяжение.

Многие строительные материалы характеризуются в технических условиях так называемыми марками, совпадающими по величине с пределом прочности (при сжатии). Например, тяжелый бетон бывает марок (М) 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600 кирпич-50, 75, 100, 125, 150 и т. д.

Твердость - способность материала сопротивляться прониканию в него другого, более твердого тела. Твердость материала не всегда соответствует его прочности. Материалы с разными пределами прочности могут обладать одинаковой твердостью. Существует несколько способов определения твердости материала. Например, твердость однородных каменных материалов определяют по специальной шкале, составленной из десяти минералов, которые расположены по степени возрастания твердости. Испытуемый материал царапают минералами шкалы, результаты сравнивают с эталоном. В металл, бетон и древесину вдавливают с определенной нагрузкой стальной шарик. По глубине вдавливания или диаметру отпечатка устанавливают твердость материала.

Упругость - свойство материала изменять форму под действием нагрузки и восстанавливать ее после снятия нагрузки. Восстановление первоначальной формы может быть полным и частичным. Если восстановление формы неполное, то в материале имеются так называемые остаточные деформации. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают заданной в технических условиях на данный материал величины.

Хрупкость - свойство материала разрушаться при механических воздействиях нагрузки без заметной пластической деформации. К хрупким материалам относятся чугун, бетон, кирпич. Они легко разрушаются при ударах и не выдерживают высоких местных напряжений (в них образуются трещины), поэтому их не применяют для строительных конструкций, подвергающихся растягивающим и изгибающим усилиям.

Пожароопасные свойства материалов.

Возгораемость - способность материала гореть или не гореть под воздействием огня. По возгораемости материалы делят на негорючие (несгораемые), трудногорючие (трудносгораемые) и горючие (сгораемые). К негорючим относятся материалы, которые не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются под воздействием огня или высокой температуры. Если под воздействием огня или высокой температуры материалы или конструкции воспламеняются, тлеют или обугливаются и продолжают гореть или тлеть только при наличии источника зажигания, а после его удаления процесс горения или" тления прекращается, их относят к трудногорючим. Горючие материалы под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются и продолжают гореть или тлеть после удаления источника зажигания.

Все строительные материалы неорганического происхождения относят к негорючим, а органического - к горючим.

2.2 Понятие о теплопроводности и теплоизоляции.

Передачей теплоты или теплообменом называется, переход внутренней энергии от одного тела к другому в результате теплового контакта (соприкосновения) без совершения работы

Теплопроводность - один из видов переноса теплоты (энергии теплового движения микрочастиц) от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры тела.

Посредством этого вида теплообмена происходит передача теплоты через стенку дома в зимнее время. Так как температура внутри дома выше, чем вне его, наиболее интенсивное тепловое колебательное движение совершают частицы, образующие внутреннюю поверхность стенки. Сталкиваясь с частицами соседнего более холодного слоя, они передают им часть энергии, в результате чего движение частиц этого слоя, оставаясь колебательным, становится более интенсивным. Так от слоя к слою растет интенсивность колебаний частиц, а следовательно, и их внутренняя энергия. Таким образом, при теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомом, электронов), обладающих большей энергией, к частицам с меньшей энергией.

С помощью теплопроводности теплота может передаваться в твердых, жидких и газообразных телах. Самой большой теплопроводностью обладают металлы. Это объясняется тем, что переносчиками внутренней энергии здесь, кроме молекул, являются свободные электроны. Хуже проводят тепло дерево, стекло, животные и растительные ткани; еще меньшую теплопроводность имеют жидкости

(за исключением жидких металлов, например ртути): и газы. Так, воздух в тысячи раз хуже проводит тепло, чем железо. Очень важно знание теплопроводности материалов, используемых при устройстве так называемых ограждающих конструкций зданий

(т. е. наружных стен, верхних перекрытий, полон в нижнем этаже) и в особенности теплоизоляционных материалов, предназначенных для сохранения тепла в помещениях и тепловых установках.

Регулирование теплообмена является одной из основных задач строительной техники. В холодное время года теплота теряется помещением в силу теплопроводности стен и просачивания через них воздуха, уходит вместе с нагретым воздухом через вентиляционные каналы и щели. Чтобы температура в жилых и производственных помещениях соответствовала нормальным условиям жизни и деятельности человека, необходимо уменьшить эти потери. С этой целью стены домов делают из материалов с малой теплопроводностью - естественных (дерева, камыша, различных видов торфа, пемзы, пробки) или искусственных (кирпича, бетона, пенопласта и др.). Теплоизолирующие свойства этих материалов различны.

Широкое распространение в настоящее время получили каркасные здания, на постройку которых требуется гораздо меньше материалов, чем для здании других типов. Основу каркасного здания составляет металлический или железобетонный каркас, играющий в здании ту же роль, которую выполняет скелет в организме животных: воспринимает нагрузку. На каркасе укрепляют стены из теплоизолирующих пористых материалов. Поры таких материалов заполнены воздухом, поэтому они имеют сравнительно небольшой вес и плохо проводят тепло, так как теплопроводность воздуха очень мала, а конвекция воздуха в пористых материалах невозможна.

При изготовлении теплоизоляционных материалов в заготовленную массу вводят пузырьки воздуха. Для этого ее взбивают или добавляют специальную пену либо вещества, которые, вступая в химическую реакцию с заготовленной смесью, выделяют пузырьки газа. Некоторые пористые теплоизоляционные строительные материалы изготавливает термическим способом. Например, при производстве пеностекла стеклянный порошок смешивают с небольшим количеством размельченного известняка, засыпают в металлические формы и нагревают. При температуре 550-600 °С стеклянный порошок расплавляется, образуя сплошную массу. Когда температура достигает 750-780 °С, начинается разложение известняка, из которого выделяются газы. Вспучивай расплавленную массу, они придают ей пористость. После застывания образуется материал, сохраняющий все свойства обычного стекла: негорючесть, стойкость по отношению к влаге и кислотам и т. д. В то же время этот материал обладает новыми замечательными качествами: он прочен, легко поддается обработке--пилится, строгается, не трескается, когда в него забивают гвозди. Использование теплоизоляционных материалов и примышленном и гражданском строительстве не только удешевляет, но и увеличивает полезную площадь помещений, повышает их огнестойкость и звуконепроницаемость.

2.3 Теплопередача в строительстве.

Кровля, стены и окна называются наружными ограждающими конструкциями здания из-за того, что они ограждают жилище от разного рода атмосферных воздействий пониженных температур, солнечной радиации, влаги, ветра. С образованием разности температур между внутренней и наружной поверхностями ограждения в материале ограждения зарождается тепловой поток, который направлен в сторону понижения температуры. В это время ограждение оказывает большее или меньшее сопротивление R 0 тепловому потоку. Конструкции, имеющие большее тепловое сопротивление лучшей теплозащитой. Теплозащитные свойства стены будут зависеть от ее толщины и коэффициента теплопроводности материала, из которого она построена. В случае, если стена состоит из нескольких слоев (допустим, кирпич-утеплитель-кирпич), ее термическое сопротивление будет зависеть от толщины и коэффициента теплопроводности материала каждого из слоев. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций в большой степени зависят от влажности материала. Почти все строительные материалы содержат мельчайшие поры, которые в сухом состоянии заполняются воздухом. С повышением влажности поры заполняются влагой, коэффициент теплопроводности которой по сравнению с воздухом в 20 раз больше, а это приводит к резкому снижению теплоизоляционных характеристик, как материалов, так и конструкций. В связи с этим в процессе проектирования и строительства потребуется предусмотреть мероприятия, которые препятствовали бы увлажнению конструкций атмосферными осадками, грунтовыми водами и влагой, образующейся в результате конденсации водяных паров. В процессе эксплуатации домов из-за воздействия внутренней и наружной среды на ограждающие конструкции материалы находятся не в абсолютно сухом состоянии, а отличаются несколько повышенной влажностью. Это неизбежно приводит к увеличению коэффициента теплопроводности материалов, а также к снижению их теплоизолирующей способности. Именно поэтому при оценке теплозащитных характеристик конструкций важно использовать реальное значение коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации, а не в сухом состоянии. Влагосодержание теплого внутреннего воздуха выше, чем холодного наружного, и в результате диффузия водяных паров через толщу ограждения всегда проистекает из теплого помещения в холодное. Если с наружной стороны ограждения расположить плотный материал, который плохо пропускает водяные пары, то часть влаги, не имея возможности выйти наружу, начнет скапливаться в толще конструкции. А если у наружной поверхности располагается материал, не препятствующий диффузии водяных паров, то вся влага будет удаляться из ограждения достаточно свободно.

Еще на стадии проектирования дома необходимо учитывать тот факт, что однослойные стены толщиной 400-650 мм из кирпича, мелких блоков из ячеистого бетона (или керамзитобетона) или керамических камней обеспечивают относительно невысокий уровень теплозащиты (примерно в 3 раза меньше требуемой). Повышенными теплоизоляционными характеристиками, удовлетворяющими современные требования, обладают трехслойные ограждающие конструкции. Состоят они из внутренней и наружной стенок из кирпича или блоков, между которыми находится слой теплоизоляционного материала. Наружная и внутренняя стенки, соединенные гибкими связями в виде арматурных стержней или каркасов, уложенных в горизонтальные швы кладки, придают конструкции прочность, а внутренний (утепляющий) слой обеспечивает требуемые теплозащитные параметры. Толщину утепляющего слоя выбирают в зависимости от климатических условий и вида утеплителя. В связи с неоднородностью структуры трехслойной стены и применения материалов с различными теплозащитными и пароизоляционными характеристиками в толще конструкции может образовываться конденсат. Присутствие последнего в значительной степени снижает теплоизоляционные свойства ограждения. Из-за этого при возведении трехслойных стен необходимо предусмотреть их влагозащиту. Совсем недавно приняты новые нормативные документы по теплосбережению. Как раз поэтому теплоизоляция жилых зданий становится на сегодняшний день одной из важнейших проблем строительства. Особенно остро проблема теплоизоляции стоит в коттеджном и дачном строительстве, поскольку, правильно сделанная, она позволяет уменьшить расходы на отопление в 3, а то и в 4 раза.

На рисунке приведен пример распределения теплопотерь через различные конструктивные элементы дома площадью 120 м 2

2.4 Классификация теплоизоляционных материалов.

Все теплоизоляционные материалы подразделяются на несколько крупных групп:

минераловатные;
стекловатные и стекловолокнистые;
газонаполненные полимеры - пенопласты: полиуретановые и пенополиуретановые, полистирольные и пенополистирольные, полиэтиленовые, из феноловой пены, полиэфирные;
теплоизоляция из натуральных материалов и продуктов их переработки: пробки, бумаги, торфяных блоков и т. п.;
теплоизоляция на основе синтетического каучука;
теплоизоляция из отходов кремниевого производства;
теплоизоляционные панели и конструкции;
модифицированные бетоны: полистиролбетон, ячеистый бетон (пенобетон).

Разумеется, строить лучше всего из материалов, которые обладают достаточно высокими теплоизоляционными свойствами.

И все-таки значительно чаще возникает проблема теплоизоляции кирпичного коттеджа, который только еще строится, или уже давно построенного дома. Безусловно, наибольший интерес представляют высокоэффективные теплоизоляционные материалы. К ним обычно относят материалы со средней плотностью в пределаях 200 кг/м 3 и К тепл менее 0,06 ВтДм"К). Такого рода материалы достаточно быстро, за 5-10 лет эксплуатации, окупаются, позволяя экономить на энергозатратах.

Выпускаются утеплительные материалы в виде рулонов и мягких, полужестких и жестких матов и плит, разных по плотности и размерам.

В последние несколько лет все большую популярность приобретают «каменные», а если быть более точным - базальтовые ваты. Такая вата представляет собой несгораемый экологически чистый материал, отличающийся высокими водоотталкивающими свойствами, но при этом паропроницаемый. Базальтовые материалы по своим теплоизоляционным свойствам значительно превосходят традиционные стекловаты, но, к сожалению, они дороже последних. Данные материалы относятся к группе несгораемых. Теплоизоляционные изделия из полимеров или бумаги сгорают при пожаре за 5 минут. Утеплители, выполненные из стекловаты при температуре 650 °С, которая достигается всего за 7 минут при обычном пожаре внутри помещения, расплавляются и спекаются в стеклянный шар. Что же касается минеральной ваты на базальтовой основе - она даже при температуре 1000 °С не расплавляется и не теряет первоначальной формы.

Все утеплительные материалы безопасны как для производства, так и для использования при соблюдении рекомендуемой технологии работы.

Утеплительные материалы из базальта также выпускаются самых разных размеров и типов (рулоны, жесткие и мягкие, маты и плиты) для их более рационального и эффективного применения. Коэффициент их теплопроводности, в зависимости от плотности, колеблется от 0,034 до 0,042 Вт/(м*К). Совсем недавно появившаяся на российском рынке базальтовая теплоизоляция используется для утепления кровель, пола и стен, наполнения перегородок, обустройства мансард, выпускается в виде плит, профильных изделий и, конечно же, рулонов.

Газонаполненные полимеры является одним из самых эффективных видов теплоизоляции. Самый распространенный и широко используемый из них - это пенопласт (пенополистирол). Невысокая теплостойкость и горючесть пенопластов не являются помехой при использовании их в слоистых конструкциях в сочетании с кирпичом или бетоном. Пенополистирол либо производят беспрессовым методом.

2.5 Теплоизоляционные свойства материалов.

Основной показатель теплоизоляционных свойств материала-коэффициент теплопроводности. Этот показатель в значительной степени зависит от содержания в нем влаги, каждый процент содержания которой снижает коэффициент на 4%. Помимо этого в зимнее время присутствующая в пенополистирольных плитах влага, замерзая и превращаясь в лед, со временем разделяет материал на отдельные гранулы, а это резко снижает долговечность беспрессового пенопласта. Беспрессованный пенопласт традиционно производят в России.

Этих недостатков лишен экструзионный пенополистирол. Обладая весьма низким водопоглощением (менее 0,3%) за счет замкнутой структуры ячеек и высокой механической прочностью, панели из экструзионного пенополистирола могут быть использованы для наружной теплоизоляции, для теплоизоляции подземных частей зданий, фундаментов, подвалов, стен, где использование большинства прочих утеплителей попросту невозможно из-за капиллярного подъема грунтовых вод.

Теплоизоляционные материалы с коэффициентом теплопроводности меньше

0,06 Вт/(м-К) окупаются в среднем за 5-7 лет эксплуатации за счет экономии энергии.

Ниже в таблице приведены коэффициенты теплопроводности строительных материалов.

Вид утеплителя	Коэффициент теплопроводности,
Полнотелый кирпич
Фиброцемент	0,55
Безавтоклавный пенобетон	0,45
Сухой песок
Твердые породы дерева	0,25
Теплоизоляционный ячеистый бетон	0,12
Битумный асфальт
Керамика	0,07
Пробковый утеплитель	0,047
Эковата (бумага)	0,046
«Пеноизол» (пенопласт)	0,04
Базальтовая вата.	0,039
Стекловата	0.038
Пенополиэтилен	0,035
Пенофольгированный утеплитель Low-E	0,027
Пенополистирол	0,027

Эти материалы пропитаны веществами для снижения влагопоглощения, антипиренами для придания материалу негорючести и антисептиками. Они обладают достаточно неплохими теплоизоляционными свойствами (К т гл =0,078 Вт/(м-К) и вполне могут быть использованы для утепления наружных и внутренних стен, потолков. Материалы выпускаются в виде панелей или в виде эковаты.

3. Практическая часть.

Материалы и методика исследования.

Исследования проводились при комнатной температуре

Исследования проводились с помощью электронного термометра. Оборудование: электрическая плитка. штатив, прибор комбинированный цифровой с датчиком температуры, и исследуемые материалы. Мы наблюдали за изменением температуры с течением времени и записывали в таблицу, затем построили графики.

В данной работе исследованы теплопроводящие свойства нескольких материалов древесина, кирпич, газобетон, а также исследовали на возгораемость утеплителей технониколь , пенопласт и строительной пены. Крутизна полученных кривых характеризует теплопроводность материалов как отношение изменения температуры ко времени, за которое это изменение произошло.

27,6

23,7

21,6

24,3

Анализируя полученные графики роста температуры, вычислили

теплопроводность материалов как отношение изменения температуры ко времени, за которое это изменение произошло

Материал	Теплопроводность Экспериментальная 0 С /с	Теплопроводность Табличная Вт/(м*К)
Кирпич	0,079	0,56
Газобетон	0,062	0,45
Дерево	0,055	0.25

Анализ графиков и результатов измерений показал - какими уникальными теплоизоляционными возможностями обладают современные материалы.

4.Пожаростойкость материалов

Для строительства современных домов человек использует различные материалы: кирпич, газобетон, древесину и изделия из нее – древесно-стружечные плиты (ДСП), древесно-волокнистые плиты (ДВП), фанеру и т. д.

Для отделки используются отделочные и облицовочные материалы, среди которых полистирольная плитка, ПВХ- и ДСП-панели, обои, плёнки, керамическая плитка, стеклопластики, полимерные материалы, изделия из синтетики и пластмасс и т.д. Отделочные материалы создают дополнительную угрозу жизни и здоровья людей вызывая задымление, выделяя токсичные продукты горения и способствуя быстрому распространению пламени.

Экспериментальная часть

Здесь мы исследовали на возгораемость дерева пропитанного противопожарными антисептиками, утеплителя технониколь, пенопласта и строительной пены.

Вывод: очень хорошо возгорается строительная пена и образуется при этом удушающий газ и черный дым.

Утеплитель технониколь очень плохо возгорается, можно сказать совсем не горит.

У древесины пропитанное антисептиками возгораемость намного снижается.

Пенопласт горит хорошо и выделяет большое количество сажи.

5. Заключение и выводы:

Полученные в ходе исследований результаты, показывают какими уникальными теплоизоляционными возможностями обладают современные материалы и приводят к выводу о необходимости информировать и даже пропагандировать среди населения современные строительные материалы. Тем более что на современном строительном рынке достаточно широко представлены высококачественные теплоизоляционные материалы. Эти утеплители экологически чистые и пожароустойчивые.

Такие материалы более дорогие и поэтому недостаточно широко используются в строительстве. В нашем городе эти материалы уже применяются при строительстве новых зданий, а также для утепления уже возведенных строений. Причем данные материалы применяются как на крупных строительных площадках, так и при строительстве частных домов.

После проведённого исследования мы пришли к выводу, что наш дом далеко не безопасен, потому что пожар может возникнуть быстро, так как многие вещества и предметы являются сильногорючими, сопровождаться он будет сильным задымлением и высокой концентрацией ядовитых веществ.

Не используйте в своих домах материалы со знаком "Г2", "Г3" и "Т4". Это значит, что они легко воспламеняются и высокотоксичны.

Помните! Синтетические материалы выделяют при горении очень ядовитый дым.

Соблюдайте в доме чистоту и порядок. Чистота и порядок должны стать вашим девизом.

Простые правила помогут сделать дом уютным, а главное – безопасным!

Литература

ИсаченкоВ.П., ОсиповаВ.А.,Сукомел А.С.Теплопередача. – М.:

Энергоиздат, 1981. –416с.

Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности строительных материалов. –М.: Изд-во МГУ, 2000г. –240 с.
Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. –М.: Энергия, 2001г. –318с.
Интернет ресурсы.

~ ~

Министерство образования Республики Мордовия

Отдел образования администрации городского округа Саранск

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №13»

Научно-исследовательская работа

секция физика

«Изучение теплопроводности различных видов текстильных материалов»

Липасов Михаил Павлович

Научный руководитель: учитель физики

Палаева Нина Павловна

Саранск 2015

Оглавление

Введение.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Глава I .Обзор работы

1. Обоснование работы :

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

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

2. Актуальность работы :

3. Цель данной работы: в

Задачи работы:

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

5. Оборудование:

Измерительные цилиндры (мензурки) 3 шт;

Экспериментальный материал (образцы тканей);

Термометры 3 шт;

Часы;

Сантиметровая лента.

6.Теоретические обоснования.

Теплопроводность - это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Теплопроводность - один из видов переноса теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При теплопроводности перенос энергии в теле осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передаётся из более нагретых областей тела к менее нагретым областям.

Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло.

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

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

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

Различают теплоизоляционные и теплопроводящие материалы.

7. Характеристики исследуемых видов тканей.

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

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

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

Рассмотрим четыре вида тканей, образцы которых будем исследовать.

Костюмные ткани – из натуральных волокон – шерсть.

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

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

Натуральные утеплители

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

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

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

В настоящее время ватин всё менее популярен.

Недостатки: большой вес и сравнительно высокие влагоудерживающие свойства.

Синтетические утеплители

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

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

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

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

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

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

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

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

Глава II . Экспериментально-исследовательские работы

Ход выполнения работы:

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

фото 1

Таблица №1

Драп

Костюмнаяшерстяная ткань 1

Костюмнаяшерстяная ткань 2

Холлофайбер

Синтепон (тонкий)

Синтепон (толстый)

Ватин

Толщина

0,4 см

0,1см

0,1 см

2см

1 см

2 см

0,5 см

Ширина

12 см

Длина

13 см

Площадь

156 см 2

2.1 Сравнение теплопроводности различных текстильных материалов.

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

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

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

фото 2

2.1.1. Эксперимент №1.

Для первого эксперимента мы выбрали два вида шерстяной ткани.

Исследуемые виды тканей:

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

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

Ткани имеют различную толщину.

Температура помещения (физического кабинета 20ºС)

Результаты исследования занесем в таблицу

9:35

9:40

9:45

9:50

Для сравнения построим графики

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

2.1.2. Эксперимент №2

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

Длина-13 см

Ширина-12см

Толщина-2см

Площадь: 156 см

10:05

10:10

10:15

10:20

Построимграфик

2.1.3. Эксперимент №3

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

Результаты занесем в таблицу

11:05

11:10

11:15

11:20

Построимграфик

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

2.1.4. Эксперимент №4

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

Параметры исследуемых объектов

Ватин серый

Ватин чёрный

Толщина

0,6 см

0,5см

Ширина

12 см

Длина

13 см

Площадь

156 см 2

13:50

39,5

38,5

13:55

14:00

36,5

14:05

35,3

34,5

14:10

33,1

Построимграфик

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

2.1.5. Эксперимент №5

Мы исследовали теплопроводность синтепона разной толщины.

Параметры исследуемых объектов

Тонкий синтепон

Толстый синтепон

Толщина

1 см

2 см

Ширина

12 см

Длина

13 см

Площадь

156 см 2

14:31

31,9

31,7

14:36

30,5

14:41

29,7

29,3

14:46

29,5

28,7

Построимграфик

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

2.1.6. Эксперимент №6

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

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

Результаты занесем в таблицу

15:05

15:10

15:15

15:20

Построимграфик

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

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

2.2Вычисление коэффициента теплоизоляции ватина, синтепона и холлафайбера.

По формуле: рассчитывается коэффициент теплопроводности, где

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

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

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

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

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

S - площадь образца ткани;

h - расстояние между гранями.

2.2.1. Вычисление коэффициента теплоизоляциичёрного ватина.

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

Q2=4200*0.12*(38.5-37) =756(Дж),

c = (Q1-Q2)*h/t*SΔT

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

2.2.2. Вычисление коэффициента теплоизоляции светлого ватина.

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

Q1=cmΔt=4200*0.12*(38-36) =1008(Дж)

Q2=4200*0.12*(39.5-38) =756(Дж)

c= (Q1-Q2)*h/t*SΔT

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

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

0.32(Вт/м*К)

2.2.3. Вычисление коэффициента теплоизоляции тонкого синтепона.

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

Q2=4200*0.12*(29.3-28.7) =307.2(Дж)

c=(Q1-Q2)*h/t*SΔT

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

2.2.4. Вычисление коэффициента теплоизоляции толстого синтепона.

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

Q1=cmΔt=4200*0.12*(28-27) =512(Дж)

Q2=4200*0.12*(29.7-29.5) =102.4(Дж)

c=(Q1-Q2)*h/t*SΔT

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

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

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

2.2.5. Вычисление коэффициента теплоизоляции холлафайбера.

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

Q1=cmΔt=4200*0.12*(55-52) =1512(Дж)

Q2=4200*0.12*(61-60) =504 (Дж)

c=(Q1-Q2)*h/t*SΔT

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

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

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

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

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

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

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

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

Влаговыводящее функциональное термобелье

Теплосберегающее термобелье

Гибридное термобелье

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

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

1) одевайтесь всегда по погоде.

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

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

Глава III Заключение и выводы

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

Вывод:

холлофайбера, холлофайбер,

Практическая значимость

Список литературы

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

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

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

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

Тезисы

Исследование теплопроводности различных видов текстильных материалов»

МОУ «СОШ №13» г. Саранск

Секция: физика

Руководитель: Палаева Н.П., учитель физики.

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

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

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

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

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

Основной показатель теплоизоляционных свойств материала - коэффициент теплопроводности.

Актуальность работы:

Возможность получения новых теплоизоляционных материалов с лучшими свойствами.

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

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость

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

цель работы

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

1. Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

2. Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

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

4. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

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

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

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

g = –l grad t . (1)

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

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

Q = – lF grad t . (2)

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

grad t = dt / dr ,

а уравнение (2) данного случая

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

l - длина цилиндра, м;

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

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

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

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

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

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

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

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

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

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

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА

1. Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

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

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

4. Результаты измерений представить в таблицу:

Т а б л и ц а

Номер опыта	U, В	I, А	t 1, 0 С	t 2 , 0 С

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

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

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала, l, Вт/(м× 0 С)

l эк = Q ln (d 2 /d 1) / (2plDt),

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

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

l = 0.55 м – длина цилиндра.

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

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

D = (l эк – l)100/l.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

1. Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

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

3. Температурный градиент.

4. Физическая сущность процесса теплопроводности.

5. Уравнение Фурье, его анализ.

6. Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

7. Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

8. Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

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

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

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

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

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

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

цель работы

Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

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

Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

g = –l grad t . (1)

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

Q = – lF grad t . (2)

grad t = dt / dr ,

а уравнение (2) данного случая

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

l - длина цилиндра, м;

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

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

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

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

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

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА

Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

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

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

Результаты измерений представить в таблицу:

Т а б л и ц а

Номер опыта

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

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

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

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

l эк = Q ln (d 2 /d 1) / (2plDt),

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

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

l = 0.55 м – длина цилиндра.

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

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

D = (l эк – l)100/l.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

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

Температурный градиент.

Физическая сущность процесса теплопроводности.

Уравнение Фурье, его анализ.

Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

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

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

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

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

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

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

РАБОТА № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

цель работы

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

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

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

3. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

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

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

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

, (1)

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

С = С о ;

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

 - степень черноты испытуемого тела;

F - площадь поверхности испытуемой трубки, м 2 ;

Т 1 - абсолютная температура поверхности испытуемой трубки, К;

Т в - абсолютная температура воздуха в помещении, К.

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

. (2)

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

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

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

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

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

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

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

Q = Q к + Q л, (3)

Q л = Q - Q к. (4)

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