Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. основные характеристики исследуемых веществ
1.1. Обзор литературных данных по термодинамическим и теплофизичес-ким характеристикам азотосодержащих и кислородосодержащих раст воров и нанокристаллических переходных и непереходных металлов 33
1.2. Основные характеристики исследуемых веществ 41
1.3. Обзор методов изучения теплофизических свойств материалов 66
Глава 2. Экспериментальные установки для исследования теплофизических свойств азото- и кислородосо-держащих органических жидкостей и растворов 72
2.1. Экспериментальная установка для исследования теплопроводности раст воров в зависимости от температуры и давления 7 2
2.2. Вычисление теплопроводности по данным опыта 80
2.3. Расчет погрешности измерения теплопроводности по методу цилиндри-ческого бикалориметра регулярного теплового режима 8 1
2.4. Экспериментальная установка для определения плотности жидкостей и растворов при атмосферном давлении 8 7
2.5. Экспериментальная установка для измерения плотности жидкостей и их паров на линии насыщения
2.5.1. Измерительные устройства экспериментальной установки для исследо-вания плотности паров и жидкостей 9 3
2.5.2. Расчетное уравнение метода гидростатического взвешивания с учетом конструктивных особенностей 97
2.5.3. Определение параметров подвесной системы экспериментальной уста-новки 98
2.5.4. Порядок проведения опытов на экспериментальной установке 100
2.5.5. Определение погрешности измерения плотности
2.6. Экспериментальная установка для измерения удельной теплоемкости жидкостей в зависимости от температуры при атмосферном давлении 104
2.7. Экспериментальная установка для измерения удельной теплоемкости жидкостей и растворов при высоких параметрах состояния
2.7.1. Вычисление удельной теплоемкости из экспериментальных данных 110
2.7.2. Расчет погрешности измерения удельной теплоемкости исследуемых объектов при высоких параметрах состояния 110
2.8. Экспериментальная установка для измерения коэффициента темпера-туропроводности жидкостей при различных температурах и давлениях 111
2.9. Экспериментальная установка для исследования динамической вязкости растворов
2.9.1. Вискозиметр высокого давления с выносным капилляром 116
2.9.2. Система термостатирования и измерения температуры 122
2.9.3. Методика проведения эксперимента по измерению вязкости при высоких параметрах состояния 124
2.9.4. Расчетное уравнение вискозиметра с выносным капилляром 126
2.9.5. Поправка к расчетному уравнению вискозиметра, присущая методу ка-пилляра 127
2.9.6. Поправки, обусловленные нестационарного метода 1 2.10. Экспериментальная установка для измерения теплопроводности в зависимости от давления (Патент РТ №TJ 316) 135
2.11. Устройство для определения влияния влажности на температуропро-водность зернистых материалов (Патент РТ №TJ 228) 136
2.12. Устройство и способ комплексного определения теплофизических свойств жидкостей (Патент РТ №TJ 100) 140
2.13. Способ измерения теплофизических характеристик жидкостей и устройство для его осуществления (Патент РТ №TJ 120) 144
Глава 3. Экспериментальные и расчетные данные по тепло физическим, термодинамическим свойствам сис темы некоторых азото- и кислородосодержащих органических жидкостей+наночастицы 149
3.1. Теплофизические (теплопроводность, плотность, удельная теплоем-кость, температуропроводность) свойства наночастиц переходных и не-переходных металлов (Au,Ag,Cu,Fe,Ni,Co,Ru;dcр=40нм) в зависимости от температуры 149
3.2. Теплофизические (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) свойства диэтилового эфира с до-бавкой УНТ (углеродных нанотрубок), переходных и непереходных на-нокристаллических металлов при различных температурах и давлениях 156
3.3. Теплофизические и реологические свойства системы гидразингидрат +наночастицы переходных и непереходных металлов (Au,Ag,Ru,Cu,Co, Ni,Fe;dcр=40нм), в зависимости от температуры и давления 160
3.4. Теплофизические свойства системы гидразингидрат+наночастицы оки сей металлов в зависимости от температуры при атмосферном давлении
3.5. Теплофизические свойства системы гидразингидрат+наночастицы окиси металлов (Al2O3,Fe2O3,TiO2 dср=50нм и др.) в зависимости от давления при комнатной температуре 174
3.6. Численный метод определения теплопроводности азото - и кислородо-содержащих органических жидкостей с добавкой наночастиц переход-ных и непереходных металлов, окисей металлов и УНТ в зависимости от температуры при атмосферном давлении (метод Дульнева) 178
3.7. Термодинамические свойства исследуемых веществ при различных температурах 181
Глава 4. Анализ, обработка и обобщение эксперименталь-ных данных по теплофизическим свойствам азо-то - и кислородосодержащих органических жидкостей с добавкой наночастиц переходных и непе- 184 реходных металлов, окисей металлов и УНТ .
4.1. Обработка экспериментальных данных по теплофизическим свойствам системы жидкого диэтилового эфира +наночастицы непереходных ме-таллов (Au,Ag,Cu; dcр= 40нм) в зависимости от температуры и давления. 185
4.2. Обработка экспериментальных данных по теплофизическим свойствам системы гидразингидрат+наночастицы переходных и неперходных ме таллов (Au,Ag,Cu,Fe,Ni,Co,Ru; dcр= 40нм), в зависимости от температу ры и давления 188
4.3. Обработка и обобщение экспериментальных данных теплофизических свойств исследуемых систем (гидразингидрат+наночастицы окисей ме-таллов) при различных температурах и давлениях 210
4.4. Эмпирические уравнения для расчетов теплофизических свойств сис-темы гидразингидрат + некоторые наночастицы окисей металлов 220
4.5. Уравнение состояния исследуемых образцов 223
4.6. Применение уравнения типа Тейта для расчета плотности системы гид-разингидрат +наноачстицы переходных и непереходных металлов 225
Глава 5. Влияние наночастиц на изменение теплофизичес-ких и термодинамических свойств некоторых азо-тосодержащих и кислородосодержащих органических жидкостей. использование теплофизичес ких и термодинамических свойств для инженерных рассчетов .
5.1. Влияние температуры на изменение теплопроводности чистых нано-порошков, изготовленных из непереходных и переходных металлов (Au,Ag,Cu,Ru,Co,Ni,Fe;dcр=40нм) при атмосферном давлении 231
5.2. Влияние температуры и наночастиц (Au,Ag,Cu,Ru,Co,Ni,Fe;dcр=40нм) на изменение плотности и температуропроводности азото-, кислородосо-держащих растворов при различных давлениях 232
5.3. Влияние углеродных нанотрубок и наночастиц переходных и непере-ходных металлов на изменение теплофизических свойств жидкого диэтилового эфира 233
5.4. Влияние наночастиц переходных и непереходных металлов (Au,Ag,Cu, Ru,Co,Ni,Fe;dcр=40нм) на теплофизические свойства гидразингидрата в зависимости от температуры при атмосферном давлении 238
5.5. Влияние наночастиц окисей металлов на теплофизические свойства гид-разингидрата в зависимости от температуры при атмосферном давлении. 252
5.6. Расчет коэффициента теплоотдачи (критерий М.А.Михеева) при отсутствии кипения жидкости в тракте охлаждения в сопле Лаваля на основе теплофизических свойств 255
5.7. Расчет числа Прандтля для исследуемых веществ при различных тем-пературах и давлениях 258
Основные результаты и вывды 265
Литература .
- Основные характеристики исследуемых веществ
- Экспериментальная установка для измерения плотности жидкостей и их паров на линии насыщения
- Теплофизические (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) свойства диэтилового эфира с до-бавкой УНТ (углеродных нанотрубок), переходных и непереходных на-нокристаллических металлов при различных температурах и давлениях
- Обработка экспериментальных данных по теплофизическим свойствам системы гидразингидрат+наночастицы переходных и неперходных ме таллов (Au,Ag,Cu,Fe,Ni,Co,Ru; dcр= 40нм), в зависимости от температу ры и давления
Основные характеристики исследуемых веществ
Данные по исследованию термодинамических функций гидразина и его водных растворов до недавнего времени ограничивались монографией и трудами Одрита, Огга, Цыкало и Савенкова В.К. [15,83,88,102,247,248,280,281, 305,317,333], в которых были обобщены сведения по термодинамике гидразина и предложены расчетные уравнения термических функций гидразина в широком диапазоне температур. Для большинства функций предлагаемые уравнения учитывают различные фазовые состояния: газообразное, жидкое и твердое. В работах [17-23,25,104-106,134-138,286-288,308,309,318] приведены сведения по некоторым термодинамическим свойствам твердого и жидкого гидразина в диапазоне температур (12-275) К. А.А. Введинский и Т.Н. Масамиженова [83] представили расчеты по термодинамике метил-,1,1- и 1,2-диметил- и триметилгидразина в диапазоне Т= (298,15-1500)К. На основании молекулярных и спектроскопических данных они вычислили значения величин теплоемкости, энтропии, приведенной энтальпии и приведенного изобарно-изотермического потенциала гидразина и его метилзамещенных, а из экспериментальных значений теплоты сгорания нашли приведенные значения энтальпии образования.
Используя величины теплоемкости, приведенной энтальпии замещенных гидразина, а также значения теплоемкости для графита, водорода и азота, авторы [83] рассчитали величины энтальпии, свободной энергии образования и логарифма константы равновесия реакций образования исследованных замещенных гидразина из азота, водорода и графита.
Выведены, уравнения температурной зависимости средней ( ) и истинной (Cр) удельной теплоемкости для гидразинсульфата в интервале температур (298-403) К [33]: =0,2611+0,000292t (1.1) Cр=0,2538+0,000584t (1.2) Рассчитаны термодинамические константы гидразина в наименее изученной области сжатого газа [2,15,335,345]. Ввиду полного отсутствия Р,Т -данных для гидразина, применена теоретически обоснованная формула для вириаль-ного коэффициента, где использовано условие фазового равновесия жидкость-пар. При определении второго вириального коэффициента проведено экстраполирование в области высоких температур с использованием потенциала Штокмайера. Плотность жидкого гидразина в интервале температур от 253 до 308 К можно рассчитать по уравнению [137, 334]: =1,02492-0,000865t (1.3) Для более высоких температур уравнение (1.3) имеет такой же вид [39]. Плотность жидкого метил- и 1,1-диметилгидразина при различных температурах определяется из уравнений [342, 345]: =0,89338-0,000943t (1.4) =0,8098-0,00103t (1.5) Двойная система N2H4-H2O по своему поведению значительно отличается от идеальной [83]. Максимальные плотности соответствуют смеси, приближающейся по составу к моногидрату N2H4-H2O, у которой мольное соотношение гидразина и воды близко к единице. Растворение гидразина в воде–процесс экзотермический. Энтальпия и энергия Гиббса образования гидразина в растворе, отличается от термодинамических функций жидкого гидразина. Для N2H4(р) H298=34,31кДж/моль, G298=128,03кДж/моль. Для N2H+4(P)H0298 = -7,53 кДж /моль, G298=82,42кДж/моль. Изменения энтальпии и энергии Гиббса при растворении жидкого гидразина в воде сопровождается реакций н2о Н ж)"4 N2H4(p), и в стандартных условиях соответственно равны АН298=-16,19 кДж/моль, АО298=-21,21кДж/моль. Теплота смешения гидразина и воды в эквимольных количествах при 298 К равна 3,76 кДж/моль [83,334].
В работе [250] рассчитана интегральная мольная теплота смешения при температуре 368 К и коэффициент активности у воды в гидразине, эквимоль-ная смеси оказалась равной 4,02 кДж/моль. Теплоемкость и теплопроводность концентрированных растворов гидразина растет с повышением температуры и концентрации [2,105,126,142,307,333,342]. Аналогичная закономерность наблюдается в растворах аэрозина и воды [297, 299].
Гидразингидрат-это прозрачная жидкость, дымящаяся на воздухе. Плотность ее (в г/см3) равна: 1,048 при 0С; 1,035 при 20С; 1,032 при 25С и 1,014 при 50С. Энтальпия образования жидкого гидразингидрата -242,67 кДж/моль. Гидратация жидкого гидразина с образованием гидразингидрата идет с выделением теплота: N2H4(5K) + Н20(ж)= N2H4H2O, ДН298=-7,52 кДж/моль Разбавление гидразингидрата - процесс экзотермический: N2H4 Н20 + Н20 = N2H4 НгО , АН298=-8,67 кДж/моль В работе [159,302] приведены эмпирические уравнения для расчета плотности и теплоемкости водных растворов гидразина и фенилгидразина в интервале температур (293-573)К и давлений (0,101 -49,1)МПа. До настоящего времени разными авторами в различное время и разными методами были исследованы некоторые термодинамические и тепло физические свойства чистого гидразина и некоторых их водных растворов [15,26-29,103,105,107-120,123,134-136,138,140-144,147,308] (таблица 1.1). В работе [333] авторами А.Л.Цыкало, В.К.Савенков и др. приведены результаты исследований термодинамических свойств чистого гидразина при атмосферном давлении и комнатный температуре.
Экспериментальная установка для измерения плотности жидкостей и их паров на линии насыщения
Для экспериментального определения ТФС материалов (коэффициентов температуропроводности, теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости) применяют стационарные, нестационарные и комплексные методы. Стационарные методы основаны на законе теплопроводности Фурье для стационарного теплового потока.
При реализации стационарных методов исследуемому материалу – образцу придается форма пластины, цилиндрической полой трубы, сферической оболочки, внутри которых создается соответствующее одномерное температурное поле. Экспериментальное определение ТФС материалов сопровождается рядом побочных явлений: утечкой теплоты через торцы, конвекцией, излучением, скачоком температуры на границе твердого тела и газа (жидкости). Для устранения тепловых потерь применяются разнообразные охранные нагреватели, кольца, колпачки. При использовании стационарных методов исследования в процессе нагрева исследуемых влажных строительных и теплоизоляционных материалов происходит перераспределение влаги, что искажает опытные данные.
Нестационарные методы определения ТФС материалов основаны на теории теплопроводности при нестационарном тепловом потоке. В нестационарных методах различают методы начальной стадии (число Фурье Fo 0,55) и методы регулярного режима (Fo 0,55). Из нестационарных методов для исследования ТФС материалов при температурах, близких к комнатным, наибольшее применение находят методы регулярного режима 1 рода, а при температурах от минус 50 до плюс 80 С – методы монотонного режима. Из теории теплофизических измерений известно, что нестационарные методы, с точки зрения оперативности, полноты получаемой информации об объектах исследования и простоты реализации экспериментальных установок, являются более перспективными.
Для экспериментального определения ТФС материалов также используют комплексные методы, которые в большинстве случаев основываются на теории начальной и упорядоченной стадии нестационарной теплопроводности. Комплексные методы позволяют определять одновременно из одного эксперимента, на одной установке и на одном образце несколько теплофизических свойств в широком интервале температур. При сохранении времени на проведение эксперимента комплексные методы позволяют получить более полную информацию о ТФС веществ. Если изготовление строго одинаковых по структуре образцов затруднительно (например, структура гетерогенных, анизотропных веществ), то осуществление эксперимента на одном образце комплексным методом существенно повышает точность определения ТФС исследуемого материала.
Экспериментальные методы определения ТФС материалов могут быть абсолютными и относительными. В абсолютных методах определение параметров осуществляется непосредственным измерением. В относительных методах определяемые параметры зависят от постоянной прибора и определяются путем тарировки по эталонному веществу, материалу или образцу. Наиболее перспективными для определения ТФС материалов являются и должны быть абсолютные методы исследований.
Для экспериментального определения ТФС материалов также используют температурные волны, распространяемые в полуограниченном пространстве – массиве ограждения здания. Это связано с тем, что многие явления природы подчиняются закону простого гармонического колебания. Только периоды таких колебаний для разных условий могут быть различными. Так, период наиболее резких колебаний температуры земли равен одному году. А для ограждающих конструкций жилого помещения он составляет одни сутки. Существуют примеры, когда температурные колебания исчисляются периодом в долях секунды. Большинство из них происходят по закону косинуса, однако даже самые сложные колебания все равно могут быть описаны путем наложения косинусоид. Температурные колебания легко создаются в лабораторных условиях. Все методы и реализующие их измерительные средства разделяются на две группы: контактные и бесконтактные. Использование контактных методов превалирует в способах исследования и определения ТФС веществ и материалов. Однако в последнее время отмечается рост бесконтактных методов и измерительных средств. Отличительной особенностью контактных методов является непосредственный контакт термоприемников с участком поверхности исследуемого объекта измерения для определения температурного поля в зоне теплового воздействия. Для этого используют погружаемые или непогружаемые термоприемники -термопреобразователи.
Закономерности распространения теплоты в твердых телах всегда привлекали внимание многих исследователей. Большой вклад в разработку методов определения теплофизических свойств материалов внесли: Г.М. Кондратьев [251,252,255], А.В. Лыков [259], А.Г. Шашков [338-342] Е.С. Пла-тунов [293], Л.П. Филиппов [329-331], и многие другие, в том числе зарубежные ученые Г. Карслоу, Д. Егер [253]. Весьма широкое распространение в теплотехнических лабораториях при определении ТФС веществ получил метод регулярного теплового режима.
Теплофизические (теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость, температуропроводность и вязкость) свойства диэтилового эфира с до-бавкой УНТ (углеродных нанотрубок), переходных и непереходных на-нокристаллических металлов при различных температурах и давлениях
В процессе конструирования экспериментальной установки была решена задача применения метода гидростатического взвешивания к измерениям плотности жидкостей и их паров вдоль линии насыщения. Это было достигнуто расположением в одном сосуде двух подвесных систем, одна из которых находилась в жидкой, а другая в паровой фазе. При этом жидкость должна находиться в термодинамическом равновесии со своим паром.
Разработан универсальный сосуд сложной конструкции, в дальнейшем именуемый измерительным прибором, позволяющий измерить плотность на линии насыщения как в жидкой, так и в паровой фазе, а также исследовать Р--Т зависимость жидкостей и газов в широком интервале температур и давлений (рисунок 2.7). Сосуды, трубки высокого давления, а также другие узлы измерительного прибора изготовлены из титана марки ВТ-6.
Нижний сосуд (1) с внутренним диаметром 24 мм, внешним диаметром – 100 мм и внутренней высотой 75 мм предназначен для жидкой фазы. Этот сосуд закрепляется с помощью горизонтальных винтов и приспособлений (13,19) к трем вертикальным стойкам (13,19). К нижнему сосуду снизу подсоединена капиллярная трубка высокого давления из нержавеющей стали (15) с помощью конусного уплотнения (17) и накидной гайки (5), соединяющей измерительный прибор с системой создания и измерения давления.
Схема измерительного прибора для измерения плотности паров и жидкостей. Сосуды имеют горизонтальные и вертикальные отверстия для размещения концов дифференциальных термопар и термометра сопротивления. Трубка высокого давления (15) с конусным концом с помощью накидной гайки (18) герметично соединяется с сосудом (3). Между накидной гайкой (18) и трубкой высокого давления (14) имеется пространство, куда помещается катушка-датчик подвесной системы (20). Трубка высокого давления (14) имеет внутренний диаметр 7 мм, внешний 16 мм и высоту 163 мм. Для удобства сборки подвесной системы внутри трубки высокого давления с нижнего конца на длину 40 мм нарезана резьба, куда ввинчивается приспособление (5) с собранной подвесной системой, поддерживающей магнитный сердечник на уровне датчика подвесной системы. Все это рассчитано таким образом, что нижний конец сердечника после сборки находился на нижнем уровне датчика подвесной системы. Ферромагнитный сердечник имеет диаметр 2,6 мм, высоту 82 мм (6). Сердечник в нижней части на высоте 17мм имеет шпильку, выступающую по бокам на 2 мм для упора на поддерживающее приспособление (20).
После сборки подвесной системы трубка высокого давления (14) соединяется с сосудом высокого давления и на него надевают датчик подвесной системы (6) и соленоид (17). К верхней части трубки (14) присоединяют верхний измерительный сосуд высокого давления (7), имеющий аналогичную форму и назначение. Верхний сосуд предназначен для измерения плотности паров жидкости в состоянии насыщения, поэтому его внутренний объем примерно в три раза больше нижнего.
Внутренний диаметр верхнего сосуда 46 мм, высота внутренней полости 87 мм. Свободный объем внутренних полостей верхней измерительной части составляет 144 см3 и нижней – 38 см3.
Различие объемов верхнего и нижнего сосудов обусловлено тем, что при заполнении установки исследуемым веществом примерно на 1/3 часть общего объема измерительного прибора уровень жидкости не должен доходить до поплавка верхней подвесной системы, а нижняя подвесная система полностью должна быть погружена в жидкость во всем исследуемом температурном интервале. В верхнем сосуде, аналогично нижнему, расположены датчик подвесной системы (22), соленоид (10), подвесная система, состоящая из кварцевого поплавка (8), сердечника (11) и платиновой нити (22). Сердечник и платиновая нить в верхней и нижней части идентичны. Поплавок верхней подвесной системы полый, его эффективная плотность равна 1,0952 г/см3 и объем его намного больше нижнего, т.к. он предназначен для измерения плотности паров жидкости.
Наличие в одном измерительном приборе двух подвесных систем, электромагнитных катушек и датчиков (4,9) подвесных систем позволяет проводить одновременно измерение плотности жидкости и пара в состоянии насыщения. Нижняя подвесная система в подобных измерениях полностью погружена в жидкость, а верхняя подвесная система находится полностью в паровой фазе. При проведении эксперимента плотность пара определяется взвешиванием верхней подвесной системы, а нижняя подвесная система использовалась для определения плотности жидкости, находящейся в состоянии насыщения со своим паром.
При измерениях плотности жидкости и пара в состоянии насыщения особое внимание уделено равенству температуры обоих сосудов измерительного прибора, равномерности температурного поля во всех внутренних частях термостата, для чего использовалась интенсивная циркуляция воздуха внутри него.
Для ликвидации следов воздуха в области пара перед заполнением прибора проводили откачку воздуха (10-4мм Hg) и измеряли степень разрежения с помощью прибора ВИТ-2. Затем весь измерительный прибор (верхний и нижний сосуды) заполняли исследуемой жидкостью.
Разъединив измерительный прибор с системой заполнения, медленно нагревали его на 3-5 К выше температуры кипения исследуемой жидкости, при этом часть жидкости вытеснялась через тонкий игольчатый вентиль в нижней части. Вытесненную жидкость собирали в мензурку и таким образом определяли объем оставшейся в установке жидкости. Он обычно составлял 1/3 внутренней части измерительного прибора. Таким образом, при измерениях верхняя подвесная система находилась в паровой, а нижняя – в жидкой фазе.
Для измерения Р--Т зависимости жидкостей в измерительном приборе верхний сосуд высокого давления снимали, трубку высокого давления (14) сверху заглушали и после откачки воздуха измерительный прибор заполняли исследуемой жидкостью. Нижний сосуд высокого давления (1) и трубка (14) изготовлены с расчетом на давление 250 МПа [95].
Обработка экспериментальных данных по теплофизическим свойствам системы гидразингидрат+наночастицы переходных и неперходных ме таллов (Au,Ag,Cu,Fe,Ni,Co,Ru; dcр= 40нм), в зависимости от температу ры и давления
Устройство для комплексного определения теплофизических свойств жидкости состоит из а - калориметра с полостью для исследуемой жидкости, в которую помещена тонкостенная металлическая трубка с маломощным нихромовым телом и спаем хромель-алюмелевой термопары, сосуда Дьюара и электроизмерительного прибора [232]. Способ для комплексного определения теплофизических свойств жидкости заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в а-калориметр, создают разность температур между тонкостенной металлической трубкой и корпусом а-калориметра, рассчитывают темп охлаждения. Способ позволяет за один опыт определить теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость исследуемых жидкостей.
Для определения теплофизических свойств (теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность) используются отдельные экспериментальные установки [232]. Для измерения теплопроводности жидкостей и газов в широком интервале параметров состояния используется метод цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режима первого рода. Устройство включает в себя сосуд высокого давления, цилиндрический бикало-риметр, зеркальный гальванометр и электроизмерительные приборы. Для измерения теплофизических свойств одного и того же объекта используются различные методы (стационарные и нестационарные). Например, для определения теплопроводности и теплоемкости твердых тел в зависимости от температуры используется метод монотонного разогрева, разработанный профессором Платуновым Е.С. и его учениками. Для измерения температуропроводности этих же объектов можно создать новую установку или, зная истинные плотности, рассчитывают а с помощью формулы. где -коэффициент теплопроводности исследуемых веществ, Вт/(м К); Ср -удельная теплоемкость, Дж/(кг К); - плотность твердых тел, кг/м3. Как известно, при повышении температуры изменяется объем твердых тел, соответственно изменяется и истинная плотность объекта. Учесть эти изменения объема и плотности твердых неоднородных тел при повышении температуры очень трудно, т.к. в композиционных материалах каждый из компонентов имеет различный коэффициент линейного расширения. Значения температуропроводности исследуемых веществ (твердых тел, жидкостей и газов) могут не совпадать с их истинными значениями. Для жидкостей, особенно для растворов, необходимо иметь их температурную зависимость. Для измерения комплекса теплофизических свойств твердых тел необходимы две установки, а для жидкостей и газов - три установки. В качестве прототипа выбрана установка, разработанная профессором Голубевым И.Ф. Данная установка состоит из цилиндрического бикалориметра, включающего внутренний и внешний цилиндры, зазор между которыми заполняется исследуемой жидкостью, раствором или газом. Зазоры между цилиндрами в зависимости от агрегатного состояния исследуемых объектов соответственно равны: для жидкостей а=0,58мм; растворов а= 0,64 мм; газов и пара 0,36мм. Ядро бикалориметра состоит из измерительного (/=17cм) и компенсационного (/=5cм) цилиндров, которые изготовлены из красной меди. Измерительный и компенсационный цилиндры соединяются между собой ниппелем. Внутри ядра бикалориметра расположены маломощный нагреватель и горячий спай термопары. Для измерения теплопроводности исследуемых жидкостей, в основном, измеряется перепад температур между ядром бикалориметра и внешним цилиндром. Сборка этой установки сопряжена с определенными трудностями – необходимо использовать приборы с высокой точностью (аналитические весы ВЛГ-200Г), титановый цилиндр с внешним диаметром 100мм, электроследящую систему, грузопоршневой манометр и т.д.
Цель изобретения – расширение функциональных возможностей, включающих измерение теплопроводности, плотности, повышение точности измерения температуропроводности и теплоемкости за счет измерения ряда величин (темп охлаждения) при одном опыте. Устройство состоит из а-калориметра, изготовленного из меди (1) (наружный диаметр 100мм, высота 180мм), по центру которого высверлена полость диаметром 20мм. Свободное пространство (полость) а-калориметра заполняется исследуемой жидкостью или раствором (2), затем по центру вставляется металлическая пробка (12) и тонкостенная металлическая трубка (3). Внутрь металлической трубки (3) вставляется маломощный нагреватель (6,13) и горячий спай хромель-алюме-левой термопары (5) диаметром 0,15мм. Второй спай термопары вставляется в корпус внешнего цилиндра (4), в котором высверленный диаметр равен 6мм.
Концы основной хромель-алюмелевой термопары подсоединяются к гальванометру (7). Надо отметить, что вместо гальванометра (7) можно использовать самописец, микровольтамперметр М-95, компьютеры и т.д. Для измерения температуры опыта также используется горячий спай хромель-алюмелевой термопары (диаметр d=0,15мм), который вставляется в корпус внешнего цилиндра, а холодный спай (10) в сосуд Дьюара (8), который заполнен водоледяной смесью (9). Концы данной термопары подключаются к гальванометру (11). Маломощный нагреватель (6) с помощью разделительного трансформатора подсоединяется к сети переменного тока 220В. Для расчета теплопроводности и температуропроводности необходимо знать темп охлаждения между тонкостенной трубкой (3) и внешним цилиндром (1).Темп охлаждения рассчитывается по формуле (2.69).Для определения теплопроводности и температуропроводности исследуемых жидкостей и растворов за один опыт используются следующие уравнения: