ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ ТОВАРОВ

К термическим относятся свойства, характеризующие поведение тела (исследуемого образца) при действии на него тепловой энергии: теплоемкость, теплопроводность, термическое расширение, термическая стойкость, теплозащитная способность, огнестойкость и изменение агрегатного состояния. Показатели этих свойств используются для характеристики различных товаров, а также для определения соответствия назначению.

Теплоемкость характеризует интенсивность изменения температуры тела при его нагревании или охлаждении. Теплоемкость - это количество теплоты, необходимое для повышения температуры тела на 1°С в определенном интервале температур от °C₁ до °C₂.Вычисляют теплоемкость с, (Дж/°С) по формуле:

c = Q/(t₁-t₂)

где Q - количество теплоты, Дж.

Удельной теплоемкостью называется величина характеризующаяся количеством тепла, которое необходимо для нагревания единицы массы вещества на 1°С. Удельная теплоемкость определяется по формуле:

с_уд = Q/m(t₂ - ti) = Q/m · t в Дж/кг*°С,

На удельную теплоемкость большое влияние оказывают влажность, химический состав, структура, характер связи воды и другие факторы. Дня объектов с большой влажностью характерна высокая теплоемкость, близкая по значению к теплоемкости воды. Отношение удельной теплоемкости к единице массы вещества - с/m является массовой теплоемкостью – с_m, а к объему вещества – c/v объемной теплоемкостью – c_v. По удельной теплоемкости можно судить о запасе тепла в теле, о затратах его для нагревания тела, и т.д.

Теплопроводность характеризует способность тела проводить тепло при разности температур между отдельными участками тела. Она зависит от химического состава, пористости, температуры и влажности объекта нагревания. Наибольшую теплопроводность имеют тела с высокой влажностью. Она увеличивается и при наличии крупных, прямых, сообщающихся и сквозных пор, обеспечивающих более свободную конвекцию воздуха, а следовательно, и тепла. С повышением влажности тела, теплопроводность его возрастает, так как теплопроводность воды в 24 раза выше, чем у воздуха. Показателем ее является коэффициент теплопроводности, который показывает, какое количество тепла проходит через материал толщиной 1м, площадью 1 м² при разности температур между поверхностями в 1°С в течение 1 часа. Вычисляется коэффициент теплопроводности по формуле вида:

λ = Q*l/S*(t₂ – t₁)τ

где λ - коэффициент теплопроводности, технический в ккал/м*ч*С, физический в кал/см*с*°С;

Q - количество тепла, проводимое телом за определенное время, в Дж (ккал, кал),

1 - толщина образца, м;

S - площадь поперечного сечения образца, м²;

(t₂ - ti) - разность температур между поверхностями,°С;

τ - время, часы.

По системе СИ коэффициент теплопроводности выражается в Вт/м*°С. Технический коэффициент теплопроводности равен 360 физическим коэффициентам.

Коэффициентом теплопроводности пользуются при оценке качества материалов для изготовления одежды, обуви, при характеристике теплоизоляционных материалов, определяя их назначение. Материалы с малым коэффициентом теплопроводности (вата, мех, пенополиуретан и др.) используют в качестве утеплителей при изготовлении зимней одежды, утепленной обуви и т.п. Невысокой теплопроводностью характеризуются пищевые продукты богатые жирами, а также пористые и сыпучие, коэффициент теплопроводности которых низок.

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость выравнивания температуры в различных точках температурного поля. Он является основной тепловой характеристикой и определяется экспериментально или рассчитывается, если известны коэффициент теплопроводности λ, теплоемкость с и плотность р по уравнению вида:

d = λ/с*р.

Коэффициент температуропроводности обусловливает теплоинерционные свойства тел, т.е. скорость их прогрева или охлаждения. Чем выше коэффициент температуропроводности, тем быстрее происходит нагревание или охлаждение объектов исследования. На температуропроводность влияют влажность, температура, плотность, пористость и другие факторы.

Термическое расширение характеризует способность тела изменять размеры при изменении температуры.

Учитывается при оценке качества изделий, которые эксплуатируются при резких изменениях температуры (стеклянная, фарфоровая, керамическая посуда и т.п.). Если материал изделия имеет большое термическое расширение, то при резких колебаниях температуры изделие может разрушиться.

Показателем термического расширения тел является относительный температурный коэффициент, который зависит от химического состава, степени однородности вещества, наличия примесей. Различают линейный и объемный температурные коэффициенты в определенном интервале температур. Коэффициент линейного расширения (а*10^-6} вычисляют по формуле вида

α = (l₂ –l₁)/l₁(t₂-t₁) = Δ1/1*Δt.

где а 1 - изменение длины тела при изменении температуры на 1°С, мм.

Коэффициент объемного расширения Р рассчитывают по формуле вида:

β = (V₂ – V₁ )/V(t₂ – t₁) = ΔV/V* Δt.

где ΔV - изменение объема тела при изменении температуры на 1°С, см³. Связь коэффициентов β и α в первом приближении имеет вид β = Зα.

Коэффициенты линейного и объемного расширения отрицательно влияют на термическую стойкость многих потребительских товаров.

Термическая стойкость - способность изделий сохранять свойства при резких колебаниях температуры. Для некоторых органических материалов и изделий из них термическая стойкость отождествляется с теплостойкостью, т.е. способностью выдерживать действие высоких температур. Термостойкость имеет важное значение при оценке качества товаров, которые при эксплуатации подвергаются резкому нагреванию и охлаждению. Она влияет на режим технологической обработки, условия эксплуатации, долговечность изделия.

Термическая стойкость зависит от химического и минералогического состава, степени однородности, разрушающего напряжения, температурного коэффициента расширения, коэффициентов теплопроводности и теплоемкости, от модуля упругости, пористости, толщины, формы, а также от состояния поверхности, наличия внутренних и наружных дефектов и других факторов, т.е. имеет сложную зависимость.

Термическая стойкость - Т тем больше, чем выше теплопроводность, механическая прочность и ниже модуль упругости и температурный коэффициент расширения. В последнем случае при резких колебаниях температуры в телах возникают внутренние напряжения, приводящие к его разрушению. С повышением пористости тела, если при этом не снижается прочность, термическая стойкость возрастает. Более термически стойкими являются тонкостенные изделия с плавными переходами, одинаковые по толщине и однородные по составу.

Термическая стойкость тела характеризуется количеством теплосмен в определенном интервале температур или температурой, которую тело выдерживает без разрушения и ухудшения потребительских свойств и появления признаков разрушения. За теплосмену принимается цикл нагрева и охлаждения тела. Чем больше теплосмен выдерживает тело, тем выше его термостойкость.

Огнестойкость характеризует способность изделий воспламеняться или сгорать с большей или меньшей интенсивностью. Зависит она от природы сырья, из которого изготовлено изделие (товар). По степени огнестойкости все тела делят на несгораемые, трудносгораемые и легкосгораемые. К несгораемым относятся тела, которые не горят открытым пламенем, не тлеют и не обугливаются. (Это изделия из металла, силиката, некоторых пластмасс и т.п.). Изделия, которые при действии огня воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются, относятся к трудносгораемым (шерсть, кожа и т.п.). Изделия, которые горят открытым пламенем, относятся к легкосгораемым (древесина, бумага и т.п.).

Изменение агрегатного состояния вещества имеет значение для распознавания природы товаров, оценки их качества, определения режимов обработки. Различные пищевые и не пищевые товары имеют определенные показатели агрегатного состояния, по изменению которых при определенных условиях (t,°C и Р) можно судить об их составе и свойствах. Основные показатели изменения агрегатного состояния вещества - это температура плавления, затвердевания - для твердых тел, кипения - для жидкостей, размягчения и кристаллизации, обугливания, полимеризации.

При нагревании твердого тела подводимая к нему теплота расходуется в основном на увеличение запаса внутренней энергий кристалла (кинетической энергии тепловых колебаний и потенциальной энергии взаимодействия частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки). Сильное нагревание может привести к переходу вещества из кристаллической фазы в жидкую - плавление, или газообразную - сублимация, возгонка.

Плавление твердого тела начинается при определенной температуре Т_пл, называемой температурой плавления. Количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы твердого тела при постоянной температуре плавления для осуществления плавления, называется удельной теплотой плавления - r_пл. Процесс плавления связан с возрастанием энтропии системы, как переход из более упорядоченного, кристаллического состояния в менее упорядоченное, жидкое.

Кристаллизация. При охлаждении жидкостей до некоторой температуры, называемой температурой кристаллизации (затвердевания) жидкой фазы Т_крис, начинается переход вещества из жидкого состояния в твердое, кристаллическое состояние (кристаллизация). Кристаллизация связана с выделением количества теплоты, равного теплоте плавления, и для химически чистых жидкостей протекает при постоянной температуре, причем Т_крис совпадает с Т_пл.

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы в жидкости имелись центры кристаллизации (посторонние примеси, пылинки, пузырьки газа и т.п.). В этих местах в первую очередь возникает правильное взаимное расположение частиц и начинается образование твердой фазы. Если в жидкости отсутствуют центры кристаллизации и от нее достаточно медленно и равномерно отводится теплота, то жидкость может быть охлаждена до более низкой температуры, чем температура кристаллизации - переохлажденная жидкость. Это состояние жидкости является метастабильным и легко нарушается. Температура кристаллизации раствора зависит от его состава. Добавление одного вещества к другому вызывает понижение температуры кристаллизации раствора или температуры плавления образующегося при этом «сплава» - «смеси».

Испарение твердых тел (сублимация), происходящее при любой температуре, сопровождается поглощением теплоты испарения, затрачиваемой на преодоление сил связи между частицами твердого тела и на «отрыв» частиц с поверхности кристалла. Разность между удельными теплотами испарения твердых тел и жидкостей при температуре плавления равна удельной теплоте плавления.

Кривая равновесия «твердое тело» - «пар» в диаграмме р-Т называется кривой сублимации. На рис.17 представлены для некоторого вещества кривые равновесия: «твердое тело» - «пар», «твердое тело» - «жидкость» и «жидкость» - «пар». Они пересекаются в тройной точке М, где вещество находится одновременно в твердой, жидкой и паровой фазах, которые равновесно сосуществуют друг с другом.

Рис. 17. Кривые испарения (1), плавления (2), сублимации (3) вблизи тройной точки (М).