VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование зависимости теплофизических характеристик речного песка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Булгакова Д.Д. 1

---

1МБОУ Школа № 129 г.о.Самара

Абрамова  М.В. 1

---

1МБОУ Школа № 129 г.о.Самара

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

Сыпучая среда — это сплошная среда, состоящая из отдельных твёрдых частиц. Сыпучая среда (печной песок) активно используется в технологических процессах, строительстве и во многих производствах. Я, как будущий ученик Роснефть класса, свою будущею профессию хочу связать с нашим Куйбышевским нефтеперерабатывающем заводом и заниматься расчетом прокладки нефти и газопровода. Для этого я должна изучить свойства земных пород, различных сред, в том числе и сыпучих. Вот я и решили выяснить, какими свойствами обладает сыпучая среда. Основными характеристиками сыпучих материалов являются: размер их частиц, плотность, объемная масса, влажность, угол естественного откоса, температуропроводность, коэффициент температуропроводности, слеживаемость, коэффициенты трения о твердые несущие поверхности, коэффициент внутреннего трения, подвижность и связность частиц, абразивность. Изучая этот вопрос, я познакомилась с зондовым методом, который позволим мне исследовать свойства сыпучей среды( речного песка).

Цель работы- определение теплофизических характеристик (плотности, размера частиц, объемной массы, влажности, угла естественного откоса, коэффициента температуропроводности, коэффициента теплопроводности) сыпучего материала(на примере речного песка).

Задачи:

• Вспомнить основные определения молекулярной физики и термодинамики: понятия теплообмена, количества теплоты, виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение; закон Фурье;

• Исследовать как основные теплофизические характеристики речного песка зависят от его влажности.

• Проанализировать результаты и сделать выводы.

Оборудование и материалы: ящик с исследуемым материалом, термометр -2 шт., Зонд - 2 шт., электроплитка, секундомер

2. Теоретическая часть.

2.1 Теплообмен. Количество теплоты

Внутренняя энергия тел может изменяться и без совершения механической работы. Вынув из кипящей воды металлический цилиндр, опустим его в стакан с водой. Измерив первоначальную и конечную температуру воды, мы убеждаемся, что ее внутренняя энергия увеличилась, так как температура воды в стакане стала выше. В этом опыте внутренняя энергия передается от цилиндра воде без совершения механической работы. Передача внутренней энергии от одного тела к другому без совершения механической работы называется теплообменом или теплопередачей. Пусть первоначальная внутренняя энергия воды равна U₁. В результате теплообмена внутренняя энергия увеличилась и стала равной U₂, т. е. изменилась на величину ΔU=U₂ -U₁.

Количество внутренней энергии, передаваемое от одного тела к другому в процессе теплообмена, называется количеством теплоты. Количество теплоты обозначается буквой Q. Следовательно, Q= ΔU.

Мы уже знаем, что количество механической энергии, которое передается от одного тела к другому в процессе их механического взаимодействия, измеряется работой. Количество внутренней энергии, передаваемой от одного тела к другому, измеряется количеством теплоты.

Если два тела, находящиеся при разных температурах, привести в тепловой контакт, то между ними происходит передача тепловой энергии, пока не установится тепловое равновесие и температуры не станут одинаковыми. Энергия, переносимая от одного тела к другому только за счет разницы в температурах этих систем, называется количеством теплоты.

Принятое обозначение для количества теплоты: Q, [Q] = [Дж].

Количество теплоты — это не запас внутренней энергии, а та её часть, которую передаёт или получает тело в процессе теплообмена.

2.2 Виды теплообмена

В естественных условиях передача внутренней энергии телам в результате теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах, т.е. между телами происходит теплообмен. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа теплопередачи от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.

2.2.1.Теплопроводность.

Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому. При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

П ередача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.

Рисунок 1.

Демонстрация процесса теплопроводности

2.2.2 Конвекция

Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.

Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.

Р исунок 2. Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции

2.2.3. Излучение

Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.

Излучение- это процесс испускания и распространения энергиив виде электромагнитных волн. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.

Р исунок 4. Излучение от Солнца

2.3. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, вещества. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы и вещества). Для этих явлений перенос энергии, вещества и массы всегда происходит таким образом, что система приближается к состоянию термодинамического равновесия. Термодинамическое равновесие- это такое состояние системы, когда температура внутри системы, в каждой ее точке, одинаковая.

Процесс передачи энергии в форме теплоты подчиняется закону теплопроводности Фурье. Суть этого закона заключается в том, что перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым осуществляется в результате теплового движения и взаимодействия атомов или молекул из которых состоит тело. Это приводит к выравниванию температуры тела. Количество переносимой энергии, определяемое как плотность теплового потока, пропорционально градиенту температуры, т.е скорости изменения температуры тела в заданном направлении (например вдоль оси ОХ). Коэффициентом пропорциональности (λ) в этом законе является коэффициент теплопроводности. Закон Фурье применим для описания теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел, различие будет только в коэффициентах теплопроводности.

где λ — коэффициент теплопроводности или теплопроводность. Знак минус в законе показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при единичном изменении температуры.

Доказано, что

(1)

где с_V — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 ºС при постоянном объеме), ρ — плотность газа, — средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, — средняя длина свободного пробега.

Т.е. видно от каких причин зависит количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, например, из комнаты через стенку на улицу. Очевидно, что из комнаты на улицу передается энергии тем больше, чем больше площадь стенки S, чем больше разность температур Δt в комнате и на улице, чем больше времени t происходит теплообмен между комнатой и улицей и чем меньше толщина стенки (толщина слоя вещества). Кроме того, количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, зависит от материала, из которого изготовлена стенка. Количество энергии, которое передается путем теплопроводности через каждую единицу площади слоя вещества за единицу времени при разности температур между его поверхностями в 1°С и при его толщине в 1м (единицу длины), может служить мерой способности вещества передавать энергию путем теплопроводности. Эту величину называют коэффициентом теплопроводности. Чем больше коэффициент теплопроводности λ, тем больше энергии передается слоем вещества. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, несколько меньшей – жидкости. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой воздух и шерсть. Этим и объясняются теплоизолирующие свойства одежды у человека, перьев у птицы и шерсти у животных.

2.4. Определение теплофизических характеристик сыпучих материалов (плотности, коэффициента температуропроводности, коэффициента теплопроводности)

Воспользуемся формулой из полученной после преобразований, используя закон Фурье

, (2)

которая определяет температуропроводность материала (речного песка).

Температуропроводность или коэффициент температуропроводности, физический параметр вещества, характеризующий скорость изменения его температуры в нестационарных тепловых процессах. Температуропроводность характеризует скорость изменения (выравнивания) температуры. Температуропроводность как видно из (2) численно равна отношению коэффициента теплопроводности вещества к произведению его удельной теплоёмкости(при постоянном давлении) на плотность( выражается в м²/сек). Теплопроводность характеризует способность материала повышать свою температуру с большей или меньшей скоростью под действием притекающего тепла. Величины λ, α, С_V, ρ связаны соотношением (2), поэтому, если известна плотность материалов ρ, то достаточно определить две величины λ и α, чтобы определить основные теплофизические характеристики. Для определения коэффициента теплопроводности λ существует целый ряд стационарных методов.

Таким образом, для измерения коэффициента теплопроводности стационарным методом необходимо измерять температуру в двух точках и знать поток количества теплоты, создаваемый определенным источником. Методы стационарного теплового потока позволяют определить только коэффициент теплопроводности λ. Необходимо зафиксировать и время достижения данных точек среды фиксированной температуры.

Сыпучие материалы характеризуются насыпной (объемной) плотностью и плотностью материала частиц, знание которых необходимо при проектировании различного оборудования, при расчетах сыпучести, веса хранящегося продукта и др. Насыпная плотность представляет собой массу материала в единице занимаемого им объема. Она зависит от размера и материала частиц сыпучего материала, влажности, плотности укладки частиц. Плотность материала частиц определяется как отношение массы вещества к занимаемому им объему и разделяется на объемную, кажущуюся и истинную.

Под объемной плотностью частиц сыпучих материалов понимают среднюю плотность частиц материала, объем которых включает себя закрытые и открытые поры.

Применение нестационарных методов позволяет определять такие теплофизические характеристики материалов как λ и α. Среди существующих нестационарных методов, мы выделим зондовые методы, суть которых заключается в следующем: испытываемый образец уподобляется неограниченной среде, внутрь которого вводится источник тепла (зонд).

И зменение с течением времени температуры t в фиксированной точке с координатой х приведено на рисунке :

В начальный момент времени температура t(0) = t_нач = const; затем, когда тепловой импульс проникает в среду, температура постепенно повышается, и в некоторый момент времени τ_max доходит до максимума t_max, a затем начинает спадать, стремясь к t_нач . Из теории о теплопроводности веществ, возьмём выражение, связывающее х с τ:

α = х²/2τ_max(3)

Следует отметить, что при этом методе требуется лишь определить момент времени, соответствующий максимальной температуре.

3. Практическая часть

1. Используя метод рядов определим размеры частицы сыпучей среды(речного песка). Для этого, на стеклышко от микроскопа, с помощью тоненькой иглы поместили 30 частиц песка в один ряд. Размер частицы равен отношению длины ряда к количеству частиц. Подсчет количества частиц вели с помощью микроскопа (лупы).

Размер одной частицы: d=L/N= 4,5мм / 30 =0,15мм

2. Определим плотность песка с помощью мензурки и электронных весов:

ρ = m/V:

m=230г , V= 140см³

ρ = 230г/140см³ =1,643г/ см³ =1643кг/м³

плотность песка 1643кг/м³

3. Определим объемную массу песка.Объемная масса песка - это масса песка, помещающаяся в единице объема. При измерении его в г/ см³ принято использовать термин- ПЛОТНОСТЬ. Под объемной плотностью частиц понимают среднюю плотность частиц материала, объем которых включает себя закрытые и открытые поры. Следовательно, объемная масса песка показывает, что в1 см³ песка содержится масса песка равная 1,643г.

4. Рассчитаем влажность песка.

W= [(m1-m2)/m1]·100%

m1-масса песка влажного, m2-масса песка высушенного

Влажность песка: W= [(1,42кг-1,108кг)/1,42кг]·100%= 21,97%

Это интересно!

5. Определимугол естественного откоса песка:

Угол естественного откоса, угол внутреннего трения — угол, образованный свободной поверхностью сыпучего вещества с горизонтальной плоскостью. Частицы вещества, находящиеся на свободной поверхности насыпи, испытывают состояние предельного (критического) равновесия. Угол естественного откоса связан с коэффициентом трения и зависит от шероховатости частиц, степени их увлажнения, гранулометрического состава и формы, а также от удельного веса материала. Угол естественного откоса грунта является параметром прочности почв.

Насыпав максимально возможную горку из песка, делаем фото и загружаем в программу ИЗМЕРИТЕЛЬ. Задав масштаб, определяем нужный нам угол. Итак,

угол естественного откоса, угол внутреннего трения равен 31,331º.

6. Определим температуропроводность α и коэффициент темлопроводности λ песка.

Температуропроводность α и коэффициент темлопроводности λ - это физические параметры вещества, характеризующие скорость изменения его температуры в нестационарных тепловых процессах. Температуропроводность характеризует скорость изменения (выравнивания) температуры. Эта величина численно равна повышению температуры 1 м³ испытуемого материала в течении 1с от нагревания таким количества тепла, которое, проходя в течении 1с через 1 м² площади плоскопараллельного слоя этого материала толщиной 1 м, создает на его сторонах разность температур в 1 ºС.

Температуропроводность, как видно из формулы, численно равна отношению коэффициента теплопроводности вещества λ к произведению его удельной теплоёмкости Сv (при постоянном объеме) на плотность ρ ; выражается в м²/с.

Схема установки:

Воспользуемся зондовым методом, суть которого заключается в следующем: в центр, во внутрь сыпучей среды (песка) вводится источник тепла (зонд, его начальная температура нагрева составила 420,9К). Отмечаем две фиксированные точки Х . Точка Х- это расстояние от зонда, помещенного в сыпучую среду, и датчика электронного термометра.

В начальный момент времени температура t˳= t нач= const; затем, когда тепловой импульс проникает в среду, температура постепенно повышается, и в некоторый момент времени доходит до максимума tmax, a затем начинает спадать. Следует отметить, что при этом методе требуется лишь определить момент времени, соответствующий максимальной температуре.

(1)

(1) -формула для расчета температуропроводностипеска .

Определим Тmax экспериментально. Расположим термометры на расстояниях примерно Х=5см от места введения зонда. Нагреем на электроплитке металлический цилиндр зонда(420,9К). Погрузить быстро зонд в материал (вертикально и перпендикулярно стенке ящика). Измерим температуру, отмечая моменты времени снятия показаний. Данные запишем в таблицу и определим Тmax.

Опыт1

Тmax=2451c при влажности песка 22,97%

(1)

Вычислим температуропроводность песка по формуле (1):

ɑ=(0,05м)²/(2K·2220c)=51мкм²/с

Определим коэффициент теплопроводности песка, используя приведенное значение удельной теплоемкости по формуле:

λ = αcρ =51мкм²/с·830Дж/(кг·К)·1643кг/м³=0,7 Вт/(м·К)

Сv= 830(Дж/кг·К )-удельная теплоемкость песка(при постоянном объёме),

ρ=1643кг/м³ - плотность песка.

Опыт 2

Тmax=2404c при влажности песка 24,2%

Температуропроводность песка : ɑ=(0,05м)²/(2·2404c)=51, 8мкм²/с

Определим коэффициент теплопроводности песка, используя приведенное значение удельной теплоемкости по формуле:

λ = αcVρ =51,8мкм²/с·830Дж/(кг·К)*·1649кг/м³=0,71 Вт/(м*·К)

Сv= 830(Дж/кг*·К )-удельная теплоемкость песка(при постоянном объёме),

ρ=1649кг/м³ - плотность песка.

Опыт3

Тmax=2408c при влажности песка 30,1%

Температуропроводность песка :

ɑ=(0,05м)²/(2*2408c)=51, 9мкм²/с

Определим коэффициент теплопроводности песка, используя приведенное значение удельной теплоемкости по формуле:

λ = αcVρ =51,9мкм²/с*830Дж/(кг*К)* 1650кг/м³=0,711 Вт/(м*К)

Сv= 830(Дж/кг*К )-удельная теплоемкость песка(при постоянном объёме),

ρ=1650кг/м³ - плотность песка.

Следовательно, что влажность песка незначительно влияет на его температуропроводность.

влажность песка: W= [(m1-m2)/m1]*100%

m1-масса песка влажного, m2-масса песка высушенного

-температуропроводность песка

4. Вывод:

Я определила теплофизические характеристики сыпучей среды (речного песка): размер частиц, плотность, объемную массу, влажность, угол естественного откоса, температуропроводность, коэффициент температуропроводности. Познакомились с различными методами для их расчета. И в процессе работы выяснили , что влажность песка влияет на его температуропроводность. При увеличении влажности песка, температуропроводность увеличивается, но незначительно. Возможно, при более резком возрастании влажности, это увеличение будет более значительно.

Список литературы:

1. Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. – М.: Высшая школа, 2002. - 360 с.

2. Практикум по физике: Учеб. пособие для студентов мед. вузов / Под ред. Г.М. Стюревой. - М.: ВЕДИ, 2005. - 200 с.: ил.

3. стереотип. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560 с.: ил.

4. Термодинамика и статистическая физика. Определение теплофизических характеристик сыпучих материалов. Метод. указания к лаб. работам/ Сост. В.Ю. Никифоров – Егорьевск: ЕТИ (филиал) ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2007- 16 с.

5. Физические основы измерений: Метод. указ. / Сост.: Д. М. Мордасов, М. М. Мордасов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос.техн. ун-та, 2002. 32 с.

6. https://studfiles.net/preview/6328663/

16