Способ определения коэффициента термического расширения твердых тел

 

(57) Изобретение относится к области теплофизических измерений и предназначено для определения коэффициента термического расширения твердых тел. Задача: получение истинного значения КТР материала при данной температуре и сокращение продолжительности испытаний. Сущность изобретения: образец постоянного сечения из материала с известными плотностью и удельной теплоемкостью при данной начальной температуре подвергают адиабатическому сжатию (растяжению) известным напряжением, измеряют вызванное этим изменение температуры образца и вычисляют коэффициент термического расширения по формуле. Технический результат: повышение производительности испытаний при определении КТР твердых тел, возможность создания дилатометров без измерителей удлинения образца. 1 табл.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано при экспериментальном определении коэффициента термического расширения твердых тел.

Известные способы определения коэффициента термического расширения (КТР) [1] заключаются в том, что образец нагревается (охлаждается) на заданную величину температурного приращения ΔT, после чего измеряется относительное изменение его линейного размера ΔL/L_o или объема ΔV/V_o, а КТР рассчитывается по формулам: Такой способ принимаем за прототип.

Необходимо заметить, что все разнообразие существующих способов определения КТР заключается в различии либо метода измерения удлинения исследуемого образца, либо способа его нагрева.

Так, например, известен абсолютный способ определения КТР [2] в котором для измерения удлинения образца используется интерферометр. Основным недостатком данного способа следует считать необходимость ступенчатого нагрева образца с шагом не менее 5^oC К, т.е. на столь значительную величину, что при вычислении КТР возникает проблема отнесения найденной величины к определенной температуре. Следует отметить и низкую производительность измерений по данному способу, связанную с необходимостью длительного выдерживания образца при всяком изменении его температуры с целью достижения ее однородности по объему образца. Эти недостатки являютсяпринципиально неустранимыми, поскольку попытка уменьшения величины шага температурных изменений в опытах приводит к существенному падению точности измерений (см. Мазурин О. В. и др. Тепловое расширение стекла. Л. Наука, 1969, с.7).

Существует способ определения КТР на дилатометрах, называемых дифференциальными. В приборах этого типа производится измерение разности расширения эталона и образца при одинаковом их нагреве. (см. Аматуни А. Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов. М. Из-во стандартов, 1972). Измерение разности хода образца и эталона осуществляется фотоэлектрическим устройством. Зная температурное расширение эталона, вычисляют КТР образца.

Определенные конструктивные усовершенствования данного способа, тем не менее, не позволяют избавиться от указанных выше недостатков, в полной мере присущих и дифференциальным способам определения КТР.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, получение истинного значения КТР материала при данной температуре и существенное сокращение затрат времени на проведение связанных с этим испытаний.

Решение данной задачи оказывается возможным при использовании эффекта связанной термоупругости твердых тел. Его сущность заключается в том, что при адиабатическом изменении внутренней энергии твердого тела, путем совершения внешней работы над ним, температура последнего меняется (см. Гольденблат И. И. Нелинейные проблемы теории упругости. М. Наука, 1969, с. 169-173.

В частном случае, когда тело подвергается одноосному сжатию или растяжению, изменение температуры, вызванное скачкообразным изменением напряжения, выражается формулой , где a_т коэффициент линейного термического расширения, К^-1; Т_o начальная температура образца, К; ρ плотность образца, кг/м³; C_σ удельная теплоемкость, Дж/кг·К; s₁ напряжение, H/м²; Θ=T-T_o адиабатическое приращение температуры, К.

Приведенная формула позволяет выразить коэффициент термического расширения через измеримые в опыте параметры как

Сущность изобретения заключается в том, что на образец постоянного сечения (призма, цилиндр и т.п.) с известными плотностью и удельной теплоемкостью при данной начальной температуре воздействуют путем адиабатического сжатия (растяжения) известным напряжением, измеряют вызванное этим воздействием изменение температуры образца и вычисляют коэффициент термического расширения по указанной выше формуле.

При изучении материалов, имеющих отношение к заявляемому объекту, не найдены объекты, содержащие признаки, идентичные признакам заявляемого технического решения, на основании чего делается вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень". Поскольку также не найдены решения, которые содержали бы полную совокупность признаков предлагаемого решения, делается вывод о его соответствии критерию "новизна".

Предлагаемый способ определения КТР твердых тел обладает следующими преимуществами перед прототипом. Так как определение коэффициента термического расширения по предлагаемому способу сопровождается весьма малым отклонением от начальной температуры (по крайней мере в 50^oC100 раз меньшим, чем в противосопостовляемых способах), вычисленное значение КТР является действительно истинным, отнесенным к начальной температуре опыта. В силу этогопредлагаемый способ может быть эффективно использован при излучении КТР В области его сильных изменений, например, в зоне фазовых переходов.

Помимо этого, если в противопоставляемых способах длительность единичного опыта составляет величину порядка часа, что связано с требованием однородности температуры образца, то для проведения опыта по предлагаемому способу не более 2 3 секунд, т.е. примерно в 1000 раз меньше.

Для проверки возможности определения коэффициента термического расширения твердых тел предлагаемым способом и сравнения полученных при этом результатов с имеющимися справочными данными были проведены испытания образцов из алюминия и органического стекла (сополимер ПММА марки 2-55). Образцы из алюминия с размерами 190х11,5х1,8 мм и образцы из органического стекла с размерами 190х11х3,1 мм подвергались растяжению при температуре 297 К и нормальном атмосферном давлении. Длительность опыта составляла 2 3 секунды, а за это время теплообмен образца с окружающей воздушной средой пренебрежимо мал, что позволяет считать условия проведения опыта весьма близкими к адиабатическим. В качестве датчиков температуры использовались пленочные никелевые термометры сопротивления, включенные в мостовую измерительную схему так, что на ее выходе формировался электрический сигнал, пропорциональный разности температур образца и окружающей среды.

В приведенной ниже таблице представлены результаты этих опытов, из которых следует, что найденные значения коэффициента термического расширения находятся в удовлетворительном согласии со справочными данными (см. Таблицы физических величин. Под. ред. акад. И. К. Кикоина. М. Атомиздат, 1976. - 1008 с. Гудимов М. М. Петров Б. В. Органическое стекло. М. Химия, 1981. - 216 с.)
Приведенные примеры подтверждают практическую возможность осуществления способа определения КТР твердых тел, при котором этот параметр действительно может считаться истинным значением, относящимся практически к температурной точке, а не к температурному интервалу.

Кроме того, предлагаемый способ определения КТР весьма производителен, т. к. время проведения опыта определяется исключительно механическим быстродействием нагружающей системы и инерционностью термодатчиков.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента термического расширения твердых тел, заключающийся в том, что воздействуют на образец постоянного сечения с известными плотностью и удельной теплоемкостью при данной начальной температуре, измеряют изменение температуры до и после воздействия и определяют коэффициент термического расширения, отличающийся тем, что воздействие на образец осуществляют путем адиабатического сжатия (растяжения) известным напряжением, а коэффициент термического расширения определяют по формуле

где ρ плотность кг/м³;
C_σ удельная теплоемкость, Дн/кг К;
T начальная температура образца, К;
s осевое напряжение в образце, н/м²;
q адиабатическое приращение температуры образца, К.

РИСУНКИ

Рисунок 1