Физические методы исследований с использованием современного оборудования (стр. 2 )

Применяются и более сложные температурные профили, использующие осциллирующую (обычно в виде синусоидальных или прямоугольных колебаний) скорость нагревания (термический анализ с модулированной температурой) или изменяющие скорость нагревания в ответ на изменение свойств системы (термический анализ, контролируемый образцом).

Для термических измерений широко применяется комплексный термоаналитический прибор – дериватограф. Дериватографы позволяют производить одновременную регистрацию следующих кривых: кривая дифференциально-термического анализа (DTA), кривая термогравиметрического анализа (TG), дифференциально-термограви-
метрическая кривая (DTG), кривая температуры (Т) (рисунок 11.3).

Рисунок 11.3 – Общий вид дериватограммы

1.2. Методы измерения тепловых и термоэлектрических
характеристик

Теплофизические характеристики веществ являются очень важными, так как материалы, изготовленные из тех или иных соединений, могут эксплуатироваться в различных температурных условиях. Это могут быть климатические условия (солнце, влага, мороз), нагревание самого материала за счет процессов, происходящих при эксплуатации, эксплуатация в качестве устройств подогрева электрооборудования в холодное время года.

К основным теплофизическим характеристикам веществ относятся:

● Температура – количественная характеристика теплового равновесия (температуры тел, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом, равны между собой). Общепринятыми в настоящее время являются две температурные шкалы: Цельсия и Кельвина.

● Теплостойкость – температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.

● Термостойкость – температура, при которой происходят химические изменения материала.

● Морозостойкость – способность работать при пониженных температурах.

● Горючесть – способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению.

● Жаростойкость – способность материала противостоять химической коррозии, развивающейся в атмосфере сухих газов при повышенной и высокой температуре.

● Жаропрочность – способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.

● Огнестойкость – способность материала сохранять необходимые эксплуатационные свойства при воздействии высоких температур, пламени и воды в условиях пожара в течение определенного времени.

● Точка плавления – температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое. В любых процессах плавления достижение определенной точки является необходимым, но недостаточным условием плавления. Для того чтобы расплавить вещество, нужно сообщить ему энергию, которая называется теплотой плавления и которая рассчитывается на один грамм (или на одну молекулу).

● Точка кипения – температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное.

● Температура возгорания – минимальная температура окружающего материал (деталь) воздуха, при которой выделяется достаточное количество горючих газов, способных воспламениться от внесенного пламени.

● Температура воспламенения – минимальная температура окружающего материал воздуха, при которой выделяется достаточное количество горючих газов и в отсутствие внешнего источника зажигания возникает самовозгорание.

● Теплоемкость – физическая величина, определяющая отношение бесконечно малого количества теплоты, полученного телом, к соответствующему приращению его температуры.

● Удельной теплоемкостью называется количество теплоты, которое необходимо для нагревания единичного количества вещества на один градус.

В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоемкость, различают массовую, объемную и молярную теплоемкость.

Массовая теплоемкость (С) – это количество теплоты, которую необходимо подвести к единице массы тела (обычно 1 кг), чтобы нагреть его на 1 K.

Объемная теплоемкость (С′) – это количество теплоты, которую необходимо подвести к 1 мі вещества, чтобы нагреть его на 1 K.

Молярная теплоемкость (См) – это количество теплоты, которую необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на 1 K.

Методы определения теплоемкости индивидуальных веществ.

Для определения теплоемкостей газов опытным путем было предложено много различных методов, которые дают возможность измерять теплоемкость (Cm, p) и отношение Cm, p : Cm, V, т. е. величину г.

Калориметрический метод. Для измерения Cm, p нагретый газ заставляют под постоянным давлением протекать по змеевику, погруженному в калориметр, которому газ отдает свою теплоту. Так как при этом можно пропустить по змеевику значительное количество газа, то измерения Cm, p можно произвести с большой точностью. Величину Cm, V можно вычислить, если известно отношение теплоемкостей (г).

Электрические методы определения удельных теплоемкостей газов основаны на непосредственном измерении при помощи термоэлементов изменения электрического сопротивления, возникающего в термоэлементах при изменении температуры. Электрические методы применяются как для определения Cm, p, так и Cm, V.

Метод адиабатического расширения (метод Клеман-Дезорма) и акустический метод применяются только для определения величины
г = Cm, p : Cm, V.

Динамический метод теплового анализа (диатермической оболочки) применяют для определения температурной зависимости удельной теплоемкости. Метод базируется на прямом измерении теплового потока, получаемого исследуемым объектом в ходе непрерывного нагрева.

Для исследования температурной зависимости удельной теплоемкости твердых тел, сыпучих, волокнистых материалов и жидкостей при-
меняют измеритель теплоемкости. В основу работы измерителя положен сравнительный метод динамического калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой. В практике применяют высокочувствительные дифференциальные сканирующие калориметры, снабжен-
ные оптимизированными сенсором и печью, позволяющими достигать высочайшей чувствительности до 0,1 мкВт.

Практическое значение исследований теплоемкости важно для рас-
четов энергетических балансов процессов в химических реакторах и других аппаратах химического производства, а также для выбора оптимальных теплоносителей.

Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал и характеризуется коэффициентом теплопроводности (λ), который численно равен потоку тепла, проходящему через площадку куба единичной площади при перепаде на его гранях температуры (T = 1 °С).

Наихудшие проводники тепла – изоляционные материалы. Идеаль-
ным изолятором является вакуум, теплопроводность которого практически равна нулю.

Наилучшими проводниками тепла являются алмаз (л = 2 000 Вт/м·К), металлы и сплавы (медь – 400 Вт/м·К, серебро – 418 Вт/м·К, алюминий – 200 Вт/м·К). Теплопроводность диэлектриков обычно значительно ниже. Например, теплопроводность бетона равна 0,6 Вт/м·К, трансформаторного масла – 0,13 Вт/м·К, воздуха – 3,67 ⋅ 10–2 Вт/м·К. Единственный диэлектрик, характеризующийся высокой теплопроводностью, – это оксид бериллия (200 Вт/м·К).

Методы определения коэффициента теплопроводности подразделяются на абсолютные и дифференциальные, стационарные и динамические. Если измерение теплового потока проводят, например, путем измерения электрической мощности, потребляемой нагревателем, то метод называют абсолютным, или прямым. Если измерение теплового потока производят путем сравнения, то метод называют дифференциальным, или косвенным.

К абсолютным методам относятся:

● метод горячей плиты (для изоляционных материалов);

● метод теплового потока (для стандартных приложений и пленок);

● метод горячей нити (для керамики и огнеупорных материалов);

● калориметрический метод (slug calorimeter).

Дифференциальные методы основаны на измерении температуры. К ним относится метод ксеноновой и лазерной вспышки для определения теплопроводности, термической диффузии и теплоемкости.

Стационарные методы предусматривают установление в системе термического равновесия. К стационарным методам относятся:

● методы осевого и радиального потока;

● метод закрытой горячей плиты;

● калориметрический метод.

Динамические методы изучают температурно-временную зависимость теплофизических свойств материала. К динамическим методам относятся:

● различные варианты метода горячей нити;

● методы лазерной и ксеноновой вспышки;

● метод зонда.

Наиболее часто используемыми группами методов являются методы осевого и радиального потока, метод защищенной горячей плиты и метод горячей нити (проволоки).

Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и излучение.

Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается и они начинают «всплывать» под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. Конвекция увеличивает теплопроводность в несколько раз.

В нагретом теле часть тепловой энергии всегда превращается в лучистую, степень превращения которой определяется тепловым состоянием тела, его температурой. Носителем лучистой энергии являются ультрафиолетовые, световые и инфракрасные лучи, свойства которых различны. Особый интерес представляют световые и инфракрасные лучи с длиной волны от 0,4 до 40 мкм. Эти лучи называются тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением, или радиацией. Особенно важно тепловое излучение при повышенных температурах.

Поскольку практически все свойства материалов зависят от температуры, введено понятие температурного коэффициента, конкретные значения которого приведены в справочниках.

Тепловым расширением называют такое явление, при котором изменяются размеры и формы тела в результате изменения его температуры. У газов оно обусловлено увеличением кинетической энергии частиц при нагревании, у жидкостей и твердых материалов связано
с несимметричностью тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются.