Способ определения теплоемкости материала Советский патент 1983 года по МПК G01N25/20 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, в частности к способу определени объемной теплоемкости материала, и может быть использовано в химической, полупроводни ковой и др. промышленностях. Известен способ определения теплоемкости материалов, основанный на измерении температуры поверхности образца исследуемого матери ала в квазистационарном режиме, причем образ цы в виде пластин укладывают один над другим в теплоизолированную камеру вместе с проложенными между ними электронагревателя ми одинаковой мощности, устанавливают межд средними образцами дифференциальную термопару и термопару с постоянной температурюй холодного спая. На основании измеренных в опыте параметров по известным соотношениям рассчитывают искомые величины 1. Недостатком известного способа является то что необходимо специальное изготовление образ цов исследуемого материала, т.е. требуется нарущать целостность объекта изучения. Наиболее близким по технический сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения те1шофизических характеристик материала, на полубесконечном в тепловом отношении образце, включающий введение на его теплоизолированной поверхности теплового импульса вдоль отрезка прямой и измерение температуры образца 2Ь Недостатками известного способа являются его методическая сложность и значительная погрешность определения теплоемкости материала Целью изобретения является упрощение спос ба и уменьшение определения теплоемкости. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплоемкости материала на полубесконечном в тепловом отношении образце, включающему введение на его теплоизолированной поверхности теплового импульса вдоль отрезка прямой и измерение температуры образца, измеряют среднюю температу ру участка поверхности, имеющего форму треугольника, вершина которого находится на отрезке введения теплового импульса, осгсование параллельно отрезку, а высота равна требуемой глубине определения теплоемкости, после чего искомую Величину рассчитывают по соответствующей формуле. На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа. На плоской поверхности 1 образца исследуемого материала 2, на отрезке OjOj прямой линии 3 осуществляют кратковремеш1ый ввод энергии в материал, например, от нагревателя в виде нихромовой проволоки, питаемого элект рическим током. Потери энергии от поверхности материала предотвращаются с помощью слоя теплоизоляции 4. Измерение температуры про02изводится известными способами, например термопарами, в ряде точек треугольного участка 5 поверхности 1 (ДАОВ). Вершина О треугольника АОВ лежит на отрезке 3, основание АВ (гараллельно отрезку 3. Среднее значение температуры Т треугольного участка ADB можно получить, например, путем злектрического суммирования сигналов термопар. Зная количество энергии на единицу дпины S / , вводимое в , можно определить объемную теплоемкость С по формуле Г . 2Q/fi v-:г I ( 1 I где Н - высота треугольно1-о участка. Jl -J,14. Способ осуществляется следующим образом. После вьщеления за короткое время нагревателем энергии Q, она оказывается сосредоточенной в полуципиндрическом объеме материала очень малого радиуса, примыкающем к нагре. вателю. После этого начинается распространение энергии внутрь материала, путем теплопроводности. Так как потери энергии с поверхности маматериала устранены теплоизоляцией, то при достаточной длине отрезка OjO2 в материале образуется осесимметричное распределение темнературы, т.е. температура различных точек образца зависит только от расстояния г каждой точки до оси 3 и времени ( г, t). Это означает, что температура в данный момент времени будет одинакова во всех точках любой полуцилиндрической поверхности, ось симметрии которой совпадает с осью 3. В элементарном полуцилиндрическом слое высотой h радиусом г толщиной dr температура будет Т(гд) В объеме этого слоя dV J hrdr увеличение запаса тепла будет dQ CT(rjtjdV CJIiT(r,t;rcJr. (21 В полуцилиндре радиуса Н увеличение запаса тепла равно Н. .: dQ CJ((nt;rc r . (V). о . 41т( r,t|rcjr Тср.об. - средняя по объему нагретой полуцилиндрической зоны температура материала. Вдоль произвольной прямой линии 6 на поверхности 1 материала, параллельной оси 3 и удаленной от нее на расстояние г вследствие осесимметричности распределения температуры, температура будет всегда такая же, как и на боковой поверхности полуцилиндра 7 соответствующего радиуса г, расположенной внутри материала. Поэтому появляется возможность не внедрять измерители температуры внутрь м териала, а располагать их на поверхности. Принимая во внимание, что измерители тем пературы расположены на поверхности 1 материала 2 в пределах участка 4 треугольной фо мы АОВ и измеряют среднюю температуру эт го участка, .т.е. (..«( Гак как для треугольника Аоегде К числовой коэффициент, зависящий от угла АОВ, то . Подставляя (6) и (7) в (5), получаем ,t)rdK 2 Г-г/ . т f ( нМ . . (8) Сравнивая (8) и (4), замечаем, что средняя температура по участку поверхности АОВ рав на средней температуре по объему полуцилиндра радиуса Н и высоты Ь .Из (8) и (3) получаем Так как дополнительный запас тепла .в материале QI образовался за счет выделенного источником тепла Q, то QI Q. Откуда и получим с- 2Д/Ь , IfPf что и требовалось доказать. Если длительность измерений выбрать такой, чтобы за пределы полуциливдра радиуса Н ущло незначительное количество тепла, то в процессе измерений Qj const и Т conct, т.е. средняя температура на участке АОВ остзг ется постоянной, хотя температуры отдельных точек полуцилиндра и треугольника изменяются во времени. Независимость Т от времени является преимуществом предлагаемого способа и упрощает методику измерений по сравнению с другими нестационарными тепловыми методами измерений (в том числе и с известным способом), в которых необходимо измерять температуру несколько раз в различные моменты времени. Точность определения теплоемкости повьпцается за счет того, что возможная нестабильность теплового контакта одного или даже нескольких датчиков из большого числа всех датчиков, установленных на треугольной площадке, проявляется в суммарном сигнале значительно слабее, чем при использовании измерения температуры в одной точке по известному способу. Суммирование сигналов большого числа датчиков, кроме того, приводит к увеличению выходного сигнала измерителя средней температуры и увеличению соотношения сигнал/ шум. ,.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ МАТЕРИАЛА на полубесконечном в темСпособ e/ fffaicm ловом отношении образце, включающий введение на его теплоизолированной поверхности теплового импульса вдоль отрезка прямой и измерение температуры образца, о тличающийс я тем, что, с целью упрощения способа и уменьшения погрешности определения теплоемкости, измеряют среднюю температуру участка поверхности, имеющего форму треугольника. вершина которого находится на отрезке введения теплового импульса, основание параллельно отрезку, а высота равна требуемой глубине определения теплоемкости, после чего искомую величину рассчитывают по соответствующей фор- муле. теплоf amepi of oSg (Л со сд 4;