Порядок выполнения работы. 1. Изучить схему установки и суть метода Смита для определения теплоемкости материала

1. Изучить схему установки и суть метода Смита для определения теплоемкости материала (рис. 2.1).

2. Для определения средней теплоемкости провести три опыта:

- нагреть образец в стаканчике.

- нагреть пустой стаканчик в течение времени D t_с.

- нагреть стаканчик с эталоном.

3. Построить термограмму для определения средней теплоемкости образца в следующей последовательности:

- провести линию нагрева образца в стаканчике (t_c.o.) за время Dt_о;

- провести линию нагрева пустого стаканчика (t_c) за время Dt_с;

- провести линию нагрева стаканчика с эталоном (t_c.э.) за время Dt_э;

- определить по точкам пересечения из построенной термограммы значения температуры нагрева Dt_c, Dt_о, Dt_э и время нагрева Dt_о, Dt_э, Dt_с (рис. 2.2).

t_c.о – температура стаканчика с образцом;

t_c.э – температура стаканчика с эталоном

Рисунок 2.2 – Графическое определение значений Dt_о, Dt_э и Dt_с по кривым нагрева пустого стаканчика (t_c), образца в стаканчике (t_о) и эталона в

стаканчике (t_э)

4. Измерить длину полученных отрезков на термограмме, которые соответствуют значениям температур и времени нагрева.

5. Вычислить теплоемкость образца с_о по формуле 2.5.

6. Сделать выводы из проделанной работы.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается сущность метода Смита?

2. Как работает установка определения теплоемкости материала по методу Смита?

3. Какие опыты проводят для определения средней теплоемкости материала?

4. Как графически определить среднюю теплоемкость?

Рекомендуемая литература:[1–6].

Лабораторная работа 3

Метод сайкса для определения теплоемкости углеродистых сталей

Цель работы

1. Изучить сущность метода Сайкса.

2. Изучить изменения теплоемкости конструкционных и инструментальных углеродистых сталей.

Основные положения

Метод Сайкса отличается от метода Смита тем, что нагрев образца осуществляется как внешним, так и внутренним ис­точниками теплоты. Это позволяет проводить измерения в условиях, близ­ких к адиабатическим, и, следовательно, свести к минимуму влияние бло­ка, играющего роль калориметрической среды. При отсутствии теплооб­мена образца с окружающей средой (блоком), вся мощность внутреннего нагревателя расходуется на нагрев образца и его средняя удельная теплоемкость определяется по формуле:

(3.1)

где и, і – напряжение на нагревателе и сила тока в нем,

t – время,

t_o – температура образца.

Пустотелый образец с находящимся в нем электрическим нагревате­лем размещен в массивном металлическом блоке (рис. 3.1).

Блок с образ­цом установлен в печи и медленно нагревается от нее с постоянной скоро­стью. Если внутренний нагреватель не включен, то температура образца ниже температуры блока t_б .

	1 - образец; 2 - массивный блок; 3 - термопара блока; 4 - выводы внутреннего нагревателя образца; 5 - дифференциальная термопара для измерения разности температур между образцом и блоком
Рисунок 3.1 – Упрощенная схема установки для определения теплоемкости мето­дом Сайкса

Периодически включая и выключая внутренний нагреватель, добива­ются колебания температуры образца относительно температуры блока и строят термограммы нагрева (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Термограммы нагрева блока (t_б) и образца (t_о) при определении теп­лоемкости методом Сайкса: i_н – ток внутреннего нагревателя образца

В моменты времени t₁, t₂, t₃ при включенном внутреннем нагревателе t_o = t_б, следовательно, теплообмен между образцом и блоком не проис­ходит и вся теплота, выделяемая внутренним нагревателем, затрачивается на повышение температуры образца. В эти моменты времени справедливо уравнение 3.1. Следовательно, для определения теплоемкости достаточно измерять мощность, выделяемую внутренним нагревателем, и скорость нагрева образца в моменты равенства температур образца и блока (точки 1, 2 и 3 на рис. 3.2). Точное определение последней затруднено, так как температура образца колеблется вокруг температуры блока. Скорость нагрева блока постоянна и может быть определена с меньшей погрешностью, чем скорость нагрева образца. Моменты времени t₁, t₂, t₃ (рис. 3.2), для которых вычисляется теплоемкость, точнее определяются при измерении разности температур между образцом и блоком с помощью дифференциальной термопары и высокочувствительного гальванометра, чем при изме­рении температур образца и блока.

Основная погрешность метода обусловлена тем, что адиабатические условия создаются лишь периодически, через определенные промежутки времени (рис. 3.2). Поэтому температура образца в разных его точках не одинакова в момент записи показаний приборов (при t_о - t_б = 0), что вызвано колебанием t_о - t_б вокруг нулевого значения.

На рис. 3.3 показан ход истинной атомной теплоемкости железа от абсолютного нуля до 2000 °К. Теплоемкость a- и g-железа при низких температурах резко возрастает при нагреве и уже при 300 °К ее величина больше 3R (число Дюлонга—Пти). Выше 500 °К теплоемкость также резко возрастает. Максимальное ее значение в точке А₂ составляет около 84 Дж/(К × г-атом). Дальнейшее резкое падение теплоемкости происходит в области парамагнитного состояния a-железа. В точке А₃ теплоемкость a-железа приблизительно равна теплоемкости d-железа в точке А₄.

Рисунок 3.3 – Изменение атомной теплоемкости железа при нагреве

Метод Сайкса позволяет надежно определять величину и распределе­ние по температуре небольших тепловых эффектов (рис. 3.4).

На рис. 3.5 показаны результаты определения теплоемкости в стали с содержащим 0,74 %С методом Сайкса. Приведена кривая удельной теплоемкости, полученная при нагреве закаленной стали со скоростью 8–10 °С/мин (рис. 3.5, б); эффект I обусловлен переходом мартенсита закалки в мартенсит отпуска; при этом тетрагональность решетки мартенсита уменьшается и из раствора выделяется карбид Fе₂С. Эффект II обусловлен распадом остаточного аустенита, т. е. его переходом в мартенсит отпуска и выделением Fе₃С. Эффект III объясняется резким уменьшением плотности дислокаций в стали.

С_p×10³, кал/г×°С Дж/кг×°С

Рисунок 3.4 – Температурная зависимость теплоемкости закаленных сталей, содержащих 1,23 % (1) и 0,22 % (2) углерода;

3 - отожженное состояние

Рисунок 3.5 – Изменение теплоемкости при отпуске стали с содержанием 0,74 %С после закалки (б) и после закалки с отпуском (а)

На рис. 3.5, а приведена кривая, полученная при нагреве после предварительного отпуска в течение двух часов при 250° С. При таком отпуске остаточный аустенит распадается и сталь состоит из мартенсита отпуска и Fе₃С. Эффект А на верхней кривой рис. 3.5 обусловлен дальнейшим распадом мартенсита и переходом его в смесь феррита и Fе₃С. Эффект Б соответствует эффекту III при отпуске закаленного образца.

Для исследования скрытой теплоты превращения при отпуске закаленной стали был применен метод обратной калориметрии. Закаленный образец переносился в калориметр, в котором находился жидкий расплав NaNO₃ + КNО₃, нагретый до исследуемой температуры отпуска. При внесении холодного закаленного образца нагретая калориметрическая среда охлаждалась меньше, чем при внесении незакаленного образца. Это объясняется тем, что при внесении закаленного образца охлаждение ванны частично компенсируется выделяющейся при отпуске теплотой (скрытой теплотой превращения). При переходе аустенита в перлит выделяется 76,4 Дж/г, а при переходе аустенита в мартенсит при закалке выделяется только 17,6 Дж/г. Эта разница тепловых эффектов свидетельствует о том, что закалка, задерживая процесс распада аустенита на феррит и цементит, препятствует выделению части энергии, которая сохраняется в закаленной стали. Отсюда следует, что внутренняя энергия у закаленной стали больше, чем у отожженной. Задержанная при закалке стали энергия выделяется в виде скрытой теплоты при отпуске.

На кривых с_р–t углеродистых сталей (рис. 3.6–3.8) наблюдаются наиболее ярко выраженные максимумы в температурном ин­тервале 720–750° С, которые соответствуют превращению перлита в аустенит. В этой же области температур углеродистые ста­ли, естественно, теряют также и магнитные свойства.

Рисунок 3.6 – Истинная теплоемкость стали 15 после отжига и закалки

Рисунок 3.7 – Истинная теплоемкость стали 35 и стали 45 после отжига, закалки и нормализации

Рисунок 3.8 – Истинная теплоемкость сталей У8 и У12 после

отжига и закалки

Поиск по сайту: