Способы определения теплофизических характеристик твердых тел, страница 5

В других стационарных методах определяются все теплопотери, и коэффициент теплопроводности рассчитывается из уравнения теплового баланса по известной мощности электрических нагревателей. Наименьшая погрешность измерения составляет около 3...5%, она достигнута в измерениях, проводимых методом Кольрауша, используемым в интервале температур (0...1000^оC). Метод является абсолютным, однако применим лишь для электропроводящих полупроводниковых и металлических материалов, так как предусматривает нагрев образца пропусканием электрического тока.

Нестационарные методы позволяют, как правило, непосредственно измерять температуропроводность “a” материала, а теплопроводность определяется по формуле l = a×r×С_p, если известны теплоемкость С_p и плотность r  вещества.

Непосредственное определение величины коэффициента теплопроводности l при комнатных и низких температурах может быть произведено сравнительно простым методом Иоффе. Исследуемый образец с вмонтированными в основание термопарами размещается между двумя высокотеплопроводными медными блоками, имеющими одинаковую исходную температуру Т₀. Затем нижний медный блок помещается, например, в жидкий азот, через время t фиксируются температуры Т₁ и Т₂ нижнего и верхнего блоков, теплопроводность образца l рассчитывается по формуле

                                                           (3.10.8)

где С - теплоемкость материала верхнего блока, L и S - длина и сечение исследуемого образца, t - время между двумя последовательными измерениями. В последнюю формулу для повышения точности вводят необходимые поправки, учитывающие потери тепла в окружающую среду. В методике нужно предусмотреть меры, исключающие конвективный теплообмен,  обеспечить низкое тепловое сопротивление контактов. В результате удается снизить погрешность измерения до уровня менее 10%.

Интересен физический принцип зондового метода определения температуропроводности. Принципиальная схема установки показана на рис.3.10.5. Определяется скорость нагрева образца 3 с малой теплоемкостью, для чего используется термопара, включенная в первичную обмотку дифференцирующего трансформатора 6, электрический ток через вторичную обмотку которого фиксируется чувствительным гальванометром 7. В расчетную формулу    входят длина образца L и t_max - время, через которое температура холодного торца образца становится максимальной. Теплота вводится в нагреваемый конец импульсно, включением источника 2, температура которого контролируется термопарой 1.

Рис.3.10.5. Принципиальная схема измерения температуропроводности материалов нестационарным методом:

 1 - термопара нагревателя, 2 - медный цилиндр нагревателя, 3 - образец, 4 - тонкая эбонитовая или пластмассовая подставка с вчеканенной или вплавленной термопарой, 5 - массивные медные цилиндры-холодильники, 6 - дифференцирующий трансформатор, 7 - гальванометр

В интервале температур от 0 до 60^оС на этой установке получены удовлетворительные результаты для небольших образцов в форме цилиндров диаметром 8...14 мм, если принять меры, уменьшающие тепловые потери, а также экранировать измерительную часть от электрических наводок. Нестационарные методы измерения тепло- и температуропроводности отличаются относительной простотой и экспрессностью процесса измерения, но имеют невысокую, в сравнении с другими теплофизическими методами, точность.

Погрешность измерения, как правило, оказывается не ниже 10%, что усугубляется часто наблюдаемой неоднородностью свойств исследуемых образцов: неравномерностью пористости, колебаниями химического состава в объеме, наличием крупных включений фаз с различными теплофизическими параметрами и другими причинами, требующими специального учета или повторения измерений на нескольких идентичных образцах.