CC BY
0УДК 004.942.001.57
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РЕЖИМА ОХЛАЖДЕНИЯ В ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
ХОЛМУРОДОВ ФИТРАТ
Ведущий научный сотрудник Физико-технического института им. С.У. Умарова НАН
Таджикистана
САФАРОВ АМИРШО ГОИБОВИЧ
Главный научный сотрудник Физико-технического института им. С.У. Умарова НАН
Таджикистана
ГАНИЕВ И.Н.
Академик, заведующий лабораторией «Коррозионностойкие материалы» Института химии им. В .И. Никитина Национальной академии наук Таджикистана
Аннотация. Существует очень много методов измерения теплоемкости твердых тел. В последнее время измерения теплоемкости методом охлаждения, из-за простоты метода, приобретает особый интерес среди экспериментаторов, так как позволяет непосредственно определять не только температуру фазовых превращений, но и другие физические характеристики твердого тела. В данной работе представлена методика измерения удельной теплоемкости и выбор режима охлаждения.
Ключевые слова: температурное поле, режим охлаждения, удельная теплоемкость, коэффициент теплоотдачи, тепловой поток.
Скорость распространения изотермической поверхности в телах зависит от отношения поверхности тел к их объему. Исследования процессов охлаждения тел указывают на то, что чем больше отношение поверхности тела к его объему, тем больше скорость изменения температуры и это справедливо и может быть наглядно продемонстрировано на примере охлаждения тел цилиндрической формы [1].
Для таких образцов температурное поле можно записывать в следующем виде: -9 = Ъп=1Апипе-тпТ. (1)
Здесь множители Апи ип - постоянные коэффициенты; $ = t - Ър .
В зависимости от вида множителей Ап и ип подбирается геометрическая форма образца. Для образцов одинаковой формы различным значениям распределения температуры будут соответствовать разные значения множителя Ап.
Распределение температуры внутри образца и изменение скорости в течение времени в начальных стадиях изменения температуры т от т=0 до Т=Т1 в локальных точках образца связано с характером первоначального распределения температур. С учетом этого температурное поле образца можно будет найти с помощью членов уравнении (1).
Начальной стадией процесса охлаждения называется неупорядоченная стадия. Этот период характеризуется зависимостью скорости изменения температуры внутри образца от вида начального распределения температуры.
С момента времени, когда температура становится т>т1 начинается процесс охлаждения на границе образца и среды, помимо того учитываются физико-химические свойства, форма и размеры образца. В этом случае, температурное поле образца определится следующим уравнением:
д=А1и1е-т1\ (2)
Полученное уравнение показывает, что изменение температуры поля не связано с начальными условиями распределения температуры. Логарифмируя обе части уравнения получаем:
\пд = ЫАи — тт, или
\пд = — тт + С(х,у,г). (3)
Уравнение (3) указывает, что температура во всех точках поля изменяется по линейному закону, т.е. наступит стационарное состояние.
Следовательно, общий процесс охлаждения можно делит на три этапа:
Первый этап: стадия охлаждения характеризуется зависимостью от начального распределения температуры и связь между $ и т объясняется равенством (1). Второй этап: стадия охлаждения называется регулярной и связь между $ и т объясняется равенством (2). Третий этап: стадия теплового равновесия, когда температура образца и окружающая среда одинаковы.
Второй этап режима охлаждения - регулярный режим, как нам кажется более подходящий режим для наших исследований. Поэтому второму варианту выделяем особый взор.
В связи с этим дифференцируя равенство (3) по времени имеем:
13-д
—— = — m = const. (4)
■в дт v '
Данное уравнение характеризует взаимосвязь скорости изменения температуры от некоторой постоянной величины, которое называется темпом охлаждения m. Данная величина от координата и времени не зависит, его размерность 1/с. Постоянная величина m зависит только от физико-химических характеристик образца, процесса охлаждения на его поверхности, формы и размеров тела.
Таким образом, регулярный режим характеризуется изменением температурного поля во времени, описывающей простой экспонентой, относительной скоростью охлаждения m для всех точек образца и не зависящей от координата и от времени.
Согласно первой теореме Кондратьева [2] темп охлаждения m, однородного и изотропного образца пропорционально коэффициенту теплоотдачи а, поверхности образца и обратно пропорциональна его теплоемкости.
Названный Г.М. Кондратьевым в работе [2] метод регулярного теплового режима справедлив в том случае, когда температура окружающей среды постоянная.
В работе [3] А.В. Лыков указал, что процесс распространения тепла по образцу может производиться не только по температурному полю, а также может распространяться как тепловой поток. Следовательно, необходимости в разделение на различных регулярных режимах нет.
Исходя из этого, в качестве регулярного теплового режима справедливо записать следующее выражение:
= m (tcP- t), (5)
здесь t — средняя температура образца; tcp — температура среды; m постоянная величина, называемый темпом охлаждения.
Отсюда вытекает, что скорость изменения температуры образца — прямо пропорциональна разности температуры по объему образца. Следует отметить, что в данном
случае темп охлаждения помимо перечисленных физических условий, также зависит от характера изменения температуры среды [3].
Теория регулярного теплового режима используется во многих теплофизических и термодинамических исследованиях, такие как исследование теплофизических величин веществ, коэффициента теплоотдачи а, коэффициента излучения о и термических сопротивлений и др. Метод удобен для проведения эксперимента, из-за простоты техники эксперимента, точности результатов и быстротечности эксперимента.
С этой целью в своих исследованиях по измерению удельной теплоемкости твердых тел выбрали режим охлаждения.
Для определения скорости охлаждения строят кривые охлаждения (термограммы) исследуемых образцов. Кривая охлаждения представляет собой зависимость температуры образца от времени при охлаждении его в неподвижном воздухе [4-9] (см. рис.).
Рис. График зависимости температуры измеряемого образца (Т) и эталона от времени охлаждения
В процессе проведения эксперимента при высоких температурах используется метод сравнения, заключающийся в следующем: имеется эталонный образец (в нашем случае медь Си) с известной удельной теплоемкостью. Затем измеряется удельная теплоемкость неизвестного образца и сопоставляется с эталоном. При этом, при выполнении работы требуются необходимые нормативы:
1. В процессе эксперимента образцы должны нагреваться и охлаждаться при одинаковых температурных интервалах и иметь близкие по значению коэффициент теплоотдачи.
2. Образцы должны иметь одинаковую форму и площадь поверхности, чтобы измеряемое значение удельной теплоемкости было корректным.
Поставленная цель достигается тем, что в рабочую зону печи одновременно помешаются измеряемый образец и эталон и производится их нагрев, затем охлаждение при одинаковых условиях, что позволяет исключить погрешность измерений при сравнении кривых охлаждения эталона и измеряемого образца. Точность измерения температуры составляет 0.1 0С, а погрешность 0,5%.
ЛИТЕРАТУРА
1. 2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Исаченко В.П. Осипова В.А. Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1981. 417 с. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. -М.: ГИТТЛ, Гостехиздат, 1954. 408 с. Лыкова А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа,1967. 600 с. Умаров М.А. Температурная зависимость теплоемкости и изменение термодинамических функций свинца марки С2 / М.А. Умаров, И.Н. Ганиев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2018. - Т. 20. - № 1. - С. 23-29.
Ганиев, И.Н. Температурная зависимость теплоемкости и изменение термодинамических функций сплава АЖ4.5 с оловом / И.Н. Ганиев, А.Г. Сафаров, Ф.Р. Одинаев [и др.] // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. - 2019. - № 1. - С. 50-58.
Ниёзов, О.Х. Температурная зависимость теплоемкости и изменение термодинамических функций свинцового сплава ССуЗ с кальцием / О.Х. Ниёзов, И.Н. Ганиев, А.Г. Сафаров [и др.] // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия».
- 2019. - Т. 19. - № 3. - С. 33-43.
Ганиев, И.Н. Температурная зависимость теплоемкости и изменений термодинамических функций сплава АЖ4.5 с висмутом / И.Н. Ганиев, А.Г. Сафаров, Ф.Р. Одинаев [и др.] // Металлы. - 2019. - № 1. - С. 21-29.
Азимов, Х.Х. Влияние лития на теплоёмкость и изменение термодинамических функций алюминиевого сплава АЖ2,18 / Х.Х. Азимов, И.Н. Ганиев, И.Т. Амонов, Н.Ф. Иброхимов // Вестник Магнитогорского государственного тонического университета им. Г.И. Носова.
- 2018. - Т. 16. - № 1. - С. 37-44.
Ганиев, И. Н. Влияние добавки олова на теплофизические свойства и термодинамические функции алюминиевого сплава AlFe5Si10 / Ганиев И. Н., Холмуродов Ф., Сафаров А. Г., Нуров Н.Р., Якубов У.Ш., Ботуров К. // Журнал «Теплофизика высоких температур»-2023.
