Спосіб визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення твердих тіл

Реферат: UA 98777 U UA 98777 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до способу визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення твердих тіл і може бути використана у компресоробудуванні, автомобілебудуванні та загальному машинобудуванні для дослідження теплового розширення матеріалів, а також у навчальному процесі. До прикладу, при використанні ущільнюючих елементів з неметалевих матеріалів у компресорах, які працюють без змащення, необхідно детально визначати та розраховувати теплові зазори в ущільненнях. Інакше, при роботі компресора, ущільнення в результаті теплового розширення може вийти з ладу [1]. Відомий спосіб для визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення (КЛТР) твердих тіл [2], із незначним розширенням, і який використовується у коксохімічній та скляній галузях -8 -6 -1 промисловості, де діапазон вимірювання КЛТР становить 2•10 -5•10 Κ . Також відомий спосіб для визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення твердих зразків вуглецевих матеріалів у діапазоні температур 20-600 °C, який має діапазон вимірювання -6 -1 КЛТР (0,5-15) •10 К і який реалізується за допомогою установки ДКТ-40 [3]. Недолік цих способів полягає у тому, що область їх застосування обмежена діапазоном вимірювання КЛТР. Відомий спосіб визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення композиційного матеріалу [4]. Недоліком цього способу є те, що він застосовується для вимірювання КЛТР листового композиційного матеріалу у порівнянні із зразком листового металевого еталонного матеріалу, з відомим коефіцієнтом лінійного теплового розширення. Однак, виготовлення листових композиційних матеріалів однакової щільності, а особливо композиційних матеріалів на основі фторо-пласта-4 є досить складною та пов'язаною зі значними труднощами технологічною задачею [5]. Асортимент виготовлених таких матеріалів, в основному представлений у вигляді втулок або стрижнів. Більш універсальним є спосіб визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення твердих тіл, який вибрано за прототип. До складу установки за цим способом входить: 1 індикатор годинникового типу; 2 - захисний кожух; 3 - корпус; 4 - прокладка; 5 - скляна пробірка; 6 - нагрівач; 7 - досліджуваний зразок; 8 - стійка; 9 - кронштейн; 10 - гвинт; 12 - шток; 13 - рухома поворотна шкала; 14 - індикаторна лампа; 15 - кнопка вимикача [6]. Твердотільний досліджуваний зразок нагрівають у воді, що залита у скляну пробірку 5. Зміна довжини нагрітого зразка порівняно з його початковою довжиною (при кімнатній температурі) вимірюється індикатором годинникового типу 1, який має рухомий шток 12, що переміщується у вертикальній площині вгору чи вниз. Прилад складається з корпуса 3, всередині захисного кожуха 2 якого розміщений нагрівач 6. При проведенні дослідів у нагрівач, через прокладку 4 та отвір у кришці приладу 11, вводять скляну пробірку із стрижнем 7. На корпусі приладу розміщена стійка 8 з кронштейном 9, який може повертатися навколо осі на 90°. Кронштейн фіксується за допомогою гвинта 10. Спосіб визначення коефіцієнта лінійного розширення [6] має такі недоліки: а) в зв'язку з відсутністю термостатування зразка, його застосовують переважно для визначення середнього коефіцієнта лінійного розширення ізотропних речовин - металів; б) зміна довжини нагрітого зразка порівняно з його початковою довжиною (при кімнатній температурі) вимірюється індикатором годинникового типу з ціною поділки шкали 0,01 мм, що недостатньо для точного вимірювання, особливо у випадку малих значень КЛТР. Задачею корисної моделі є розширення функціональних можливостей та підвищення його точності вимірювання. Це вирішується тим, що за цим способом застосовують термостатуючий пристрій DigiCOP і рідину для охолодження "ТосолА-40" [7] (температура кипіння якого 120 °C), і яка на 4/5 заповнює скляну пробірку з досліджуваним зразком та дозволяє забезпечити його рівномірний нагрів до 100 °C, а більш точне визначення зміни довжини нагрітого зразка порівняно з його початковою довжиною (при кімнатній температурі) досягається за рахунок заміни індикатора годинникового типу з ціною поділки 0,01 мм на важільно-зубчасту головку 2МИГ з ціною поділки 0,002 мм. Визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення за цим способом виконується з достатньо високою точністю для твердих тіл - металів і неметалів. Технічна характеристика цифрового терморегулятора DigiCOP: точність вимірювання температури -0,1 °C, точність її відображення -0,1 °C, діапазон вимірювання - від -55 °C до +125 °C, робоча напруга - 140-250 В, максимальний струм навантаження - 10 А. На кресленні зображена установка для визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення твердих тіл, де: 1 - важільно-зубчаста головка; 2 - захисний кожух; 3 - корпус; 4 прокладка; 5 - пробірка; 6 - нагрівач; 7 - досліджуваний зразок; 8 - стійка; 9 - кронштейн; 10 1 UA 98777 U 5 10 15 20 25 30 35 гвинт; 11 - кришка; 12 - шток; 13 - рухома поворотна шкала; 14 - індикаторна лампа; 15 - кнопка вимикача; 16 - термостатуючий пристрій; 17 - термопара. Твердотільний досліджуваний зразок 7, що розміщений у скляній пробірці 5, нагрівають в охолоджувальній рідині "Тосол А-40" (з температурою кипіння 120 °C) до температури 100 °C. Після цього за допомогою пристрою для термостатування DigiCOP 16, з термопарою 17, зразок витримують при цій температурі протягом п'яти хвилин. Зміну довжини нагрітого зразка порівняно з його початковою довжиною (при кімнатній температурі) вимірюють за допомогою важільно-зубчастої головки 2МИГ з ціною поділки 0,002 мм і діапазоном вимірювань 0-2 мм, з рухомим штоком 12, що може переміщатися у вертикальній площині. Ступінь розширення твердого тіла визначається коефіцієнтом лінійного теплового розширення. Коефіцієнт лінійного теплового розширення α чисельно дорівнює відносній зміні лінійних розмірів тіла L , зумовлених зміною його температури на 1К: L L 1 . (1)   L  Оскільки α = f(Т), то формула (1) дозволяє визначити тільки середнє значення  для заданого інтервалу зміни температури ΔТ. Коефіцієнт лінійного теплового розширення при заданій температурі Т, визначений для безмежно малого інтервалу температури dT, називають істинним: dL 1 (2) i   . L d Розв'язок диференціального рівняння (2) має вигляд: In L = αΤ + С. Константу інтегрування С знаходимо з початкових умов, коли Т= 0, а С = lnL0. Отже, основне рівняння залежності довжини твердих тіл від температури має вигляд: αT L=L0e , (3) де L - довжина тіла за температури Т; L0 - довжина тіла за абсолютного нуля температури. Експериментально встановлено, що коефіцієнт α не є постійною величиною, а виступає як функція температури, що особливо помітно за її низьких значень. З рівняння (3) зрозуміло, що зі зміною температури довжина тіла змінюється за експоненціальним законом. Однак на практиці частіше всього використовують наближену αT формулу, яку одержують при розкладанні виразу e в ряд. αT При αТ