Керамических материалов
Цель работы: определение теплопроводности и термического расширения керамического материала.
Теоретическая часть
Теплопроводность – свойства материала передавать тепло через толщу от одной поверхности к другой. Теплопроводность l характеризуется количеством тепла, проходящего через стену из испытуемого материала толщиной в 1 м, площадью в 1 м2 за время 1 ч (3600с) при разности температур на противоположных поверхностях стены 1оС. В системе СИ l выражается в Вт/(м·оС), а в метрической системе единиц – в ккал/(м·ч·оС) [1 ккал/(м·ч·оС) = 1,1630 Вт/(м·оС)].
Теплопроводность материала зависит от его химического состава структуры, степени и характера пористости, влажности и температуры, при которых происходит процесс передачи тепла.
l=а·с·ρср, (1)
где а ─ коэффициент температуропроводности. Коэффициент температуропроводности а, характеризующий скорость распространения температуры в строительных материалах при сменяющихся условиях нагрева.
с - теплоемкость в ккал/кг·град. Теплоемкость ─ свойство материала аккумулировать тепло при нагревании и выделять тепло при остывании, или теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании тепло. Есть и другое определение теплоемкости – это свойство материала поглощать при нагревании определенное количества тепла.
ρср - средняя плотность, кг/м3.
Кажущаяся пористость определяется по формуле (2)
Пкаж=W•ρср, (2)
где W ─ водопоглощение, %.
Относительная плотность равна:
ρот= ρср/ρист, (3)
где ρист─ истинная плотность, г/см3.
Теплопроводность с определенной пористостью равна
lпор=l•ρот(4)
Термическое расширение. Строительные материалы, так же как слагающие их кристаллы и стекло, при нагревании расширяются. Расширение это обратимо, и при охлаждении материал приобретает свой первоначальный объем. Это изменение объема с температурой обусловлено увеличением расстояний между атомами при растет амплитуды их колебаний. Величина термического расширения отдельных кристаллов и стекол различна и зависит, в общем, от их строения, от прочности химических связей. С повышением температуры это различие в расширении, как правило, уменьшается.
Термические расширения в строительных материалах в значительной степени зависят от однородности материала и коэффициента теплового расширения составляющих его веществ. Коэффициент линейного расширения характеризует удлинение 1 м материала при нагревании его на 1оС, коэффициент объемного расширения характеризует увеличение объема 1 м3 материала при нагревании его на 1оС. Чем меньше эти коэффициенты и выше однородность материала, тем выше и его термическая стойкость, т.е. больше количество циклов резких смен температуры он может выдержать. Термическое расширение строительных материалов можно характеризовать следующим показателем:
Lt=α•t•100%, (5)
где Lt ─ термическое расширение, %; α ─ коэффициент термического расширения, 10-6; t ─ температура, оС.
В таблице 1 приведены физико-механические и физико-термические показатели некоторых керамических материалов.
Таблица 1 - Физико-механические и физико-термические показатели некоторых керамических материалов
| № | Керамические изделия | ρист, кг/м3 | W, % | С, ккал/кг·град | а, 10-6 м ²/с | α |
| шамотные | 2,3 | 5,8 | 0,22 | 2,5 | 4,8•10-6 | |
| динасовые | 2,2 | 2,5 | 0,25 | 3,03 | 12,5•10-6 | |
| магнезитовые | 3,0 | 4,5 | 0,23 | 4,45 | 14,3•10-6 | |
| корундовые | 4,1 | 2,4 | 0,27 | 5,05 | 8,8•10-6 | |
| муллитовые | 3,7 | 2,1 | 0,28 | 4,42 | 5,8•10-6 | |
| кварцевые | 2,4 | 1,8 | 0,29 | 4,24 | 0,4•10-6 | |
| графитовые | 3,2 | 1,0 | 0,3 | 6,26 | 12,6•10-6 | |
| бериллиевые | 3,0 | 0,8 | 0,34 | 8,28 | 8,88•10-6 | |
| циркониевые | 5,6 | 0,9 | 0,35 | 4,24 | 11,6•10-6 | |
| фарфоровые | 2,8 | 0,5 | 0,36 | 2,02 | 6,0•10-6 | |
| карборундовые | 4,3 | 0,3 | 0,37 | 2,34 | 7,5•10-6 | |
| кирпич строительный | 2,2 | 14,5 | 0,22 | 5,05 | 5,8•10-6 | |
| плитка для полов | 2,4 | 3,5 | 0,31 | 5,87 | 6,7•10-6 | |
| керамогранит | 2,5 | 0,2 | 0,36 | 8,56 | 8,6•10-6 | |
| облицовочная плитка | 2,2 | 12,8 | 0,23 | 5,75 | 7,2•10-6 |
В таблице 2 для определения теплопроводности и термического расширения керамического материала представлены материалы, температура и физико-механические данные для различных вариантов.
Таблица 2 – Варианты для расчета теплопроводности и термического расширения керамического материала
| Ва-ри-ант | Материал | Темпе-ра-тура, оС | По-рис-тость, % | Ва-ри-ант | Материал | Темпе-ра-тура, оС | По-рис-тость, % |
| шамотные | керамогранит | ||||||
| динасовые | 2,5 | облицовочная плитка | 12,7 | ||||
| магнезитовые | 2,0 | корундовые | 0,97 | ||||
| корундовые | 0,98 | муллитовые | 0,86 | ||||
| муллитовые | 0,87 | шамотные | 2,8 | ||||
| кварцевые | 0,91 | кирпич строительный | 7,7 | ||||
| графитовые | 0,34 | плитка для полов | 1,5 | ||||
| бериллиевые | 0,41 | магнезитовые | 1,9 | ||||
| циркониевые | 0,43 | корундовые | 0,96 | ||||
| фарфоровые | 0,21 | муллитовые | 0,85 | ||||
| карборундовые | 0,12 | кварцевые | 0,9 | ||||
| кирпич строительный | 7,8 | корундовые | 0,95 | ||||
| плитка для полов | 1,6 | муллитовые | 0,81 |
Практическая часть
В качестве примера сделаем расчет для нулевого варианта.
Для определения теплопроводности материала используем формулу (1). В этой формуле нам неизвестен только один показатель ─ρср, который вычислим по формуле (2) Пкаж=W•ρср, отсюда ρср =W/Пкаж.
На первом этапе расчетов определяемρср=5,8 (из таблицы 1, согласно варианта)/3=1,93 кг/м3.
Таким образом, ρср=1,93 кг/м3. Внимание, при расчетах сокращения не допускаются.
На втором этапе определяем l=а·с·ρср, =2,5•0,22•1,93=1,06 Вт/(м·оС).
Таким образом, l=1,06 Вт/(м·оС).
На третьем этапе определяем ρот= ρср/ρист=1,93(расчетное)/2,3 (из таблицы 1, согласно варранта)=0,83 %.
Таким образом, ρот=0,83%.
На четвертом этапе определяем теплопроводность с пористостью согласно проведенных расчетов своего варианта
lпор=l•ρот=1,06•0,83=0,87 Вт/(м·оС).
Таким образом, lпор=0,87 Вт/(м·оС).
На пятом этапе определяем термическое расширение согласно своего варианта Lt=α•t•100%=4,8•1000•100•10-6=4,8•103•102•10-6=4,8•10-1=0,48.
Таким образом, Lt =0,48.
На шестом этапе все полученные расчетные данные (подчеркнутые) согласно своего варианта вносим в таблицу 3.
Таблица 3 – Расчетные данные нулевого варианта
| ρср, кг/м3. | l,Вт/(м·оС). | ρот% | lпор Вт/(м·оС). | Lt, % |
| 5,8 | 1,06 | 0,83 | 0,87 | 0,48 |
Вопросы для защиты практического занятия №3
1. Что называется теплопроводностью?
2. От чего зависит теплопроводность материала (формула №1)?
3. Что называется теплоемкостью?
4. Как определяется теплопроводность с определенной пористостью?
5. Что такое термическое расширение?
6. От чего зависит термическое расширении?
7. Как меняется термическое расширение с повышением температуры?
8. Охарактеризуйте коэффициент термического расширения?
9. Зависимость коэффициента термического расширения от однородности материала и количества циклов резких смен температуры?
10. Что определяется на первом этапе расчетов, написать формулу?
11. Что определяется на втором этапе расчетов, написать формулу?
12. Что определяется на третьем этапе расчетов, написать формулу?
13. Что определяется на четвертом этапе расчетов, написать формулу?
14. Что определяется на пятом этапе расчетов, написать формулу?
15. Что определяется на шестом этапе расчетов?
Дата добавления: 2015-01-10; просмотров: 1408;