Определение коэффициента термического расширения

Температурным расширением называется эффект изменения размеров тела с изменением температуры при постоянном давлении. Это явление обусловлено несимметричностью потенциала взаимодействия атомов вещества, что приводит к ангармонизму колебаний атомов относительно среднего положения.

Температурным коэффициентом объемного расширения называется относительное изменение объема при нагревании тела на один градус:

,

Термическое расширение твердых тел определяется их структурным строением. Для анизотропных веществ температурное расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения (ЛКТР). Коэффициент линейного температурного расширения по длине образца вдоль заданного направления определяется соотношением:

,

где l₀ – начальная длина образца;

l – длина образца при температуре Т.

Для изотропных материалов коэффициент линейного температурного расширения связан с коэффициентом объемного расширения соотношением:

b = 3×a.

У большинства материалов коэффициент линейного термического расширения зависит от температуры. В технике обычно имеет значение средний коэффициент линейного расширения, определяемый по приращению длины Dl при изменении температуры DТ:

.

Единица измерения всех температурных коэффициентов расширения К^-1. Последнее уравнение используют при дилатометрическом определении ЛКТР, который можно определять несколькими методами. При измерениях компораторными методами на образец наносят две метки, помещают образец в печь, нагревают и с помощью микроскопа определяют величину сдвига меток. При применении рычажного метода один конец образца закрепляют, а другой конец давит на рычаг, к которому закреплено устройство для регистрации удлинения. Образец в виде стержня помещают в кварцевую трубку и нагревают в печи. Через кварцевый стержень, коэффициент термического расширения которого практически равен нулю, изменение длины образца передается тензометру, показывающему величину изменения длины (рис. 5.3).

В общем случае ЛКТР зависит от давления, температуры, химического состава, структуры тела и его фазового состояния. Монотонный характер зависимости a от Т нарушается в точках фазовых переходов, а также за счет сложения электронного, магнитного и решеточного вкладов в температурное расширение, которое в определенных температурных интервалах могут быть различными по знаку и сравнимыми по значению. Фазовые превращения сопровождаются скачкообразным изменением удельного объема и соответствующим изменением коэффициента расширения, поэтому такие измерения можно использовать для определения температур фазовых превращений.

Рис. 5.3. Схема измерения линейного коэффициента температурного расширения.

1 – образец; 2 – кварцевая трубка; 3 – кварцевый стержень;

4 – термопара; 5 – тензометр; 6 – электропечь.

6. ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

К термическим свойствам материалов относят теплопроводность, теплоемкость, огнестойкость, термостойкость, коэффициент термического расширения. Определение этих свойств используется в основном при оценке ряда показателей качества материалов и изделий и не несет прямой информации о структуре и химическом составе исследуемого материала. Для идентификации веществ наиболее успешно применяют методы термического анализа или методы термографии.

Обычно под термическим анализом подразумеваются методы, в которых исследуется какой-либо параметр системы (или ряд параметров) в зависимости от температуры, причем этот физический параметр регистрируется как динамическая функция температуры. К таким параметрам можно отнести регистрацию тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции и физические превращения (дифференциальный термический анализ); регистрацию изменения массы исследуемого объекта при протекании физико-химических превращений (термогравиметрия); регистрацию изменения электрофизических свойств исследуемого объекта (термоэлектрометрия); качественную и количественную регистрацию выделяющихся при физико-химических превращениях газовых сред (термогазоволюмометрия).

Методы термического анализа получили широкое распространение как при научных исследованиях, так и в производственной практике благодаря высокой чувствительности и объективности при оценке термических характеристик веществ. Эти методы позволяют получать информацию о строении, составе и свойствах твердых тел и жидкостей различной природы, о физических и химических процессах, протекающих в веществах при нагревании и охлаждении, а также с достаточной точностью определять некоторые физико-химические величины, такие как энтальпию химических реакций и фазовых превращений, теплоемкость, и, кроме того, определять кинетические параметры гомогенных и гетерогенных химических реакций. Кроме того, для проведения термического анализа не требуется сложного дорогостоящего оборудования, а в ряде случаев термические методы технически очень просты.

Поскольку среди перечисленных методов термического анализа в исследовательской и инженерной практике наибольшее распространение получили дифференциальный термический анализ и термогравиметрия, в данном пособии мы рассмотрим техническое исполнение, возможности и области применения именно этих методов.

Поиск по сайту: