Теплоемкость, теплопроводность, температурные коэффициенты материалов. - раздел Науковедение, Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения ...
Теплоемкость - это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании. Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу массы материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг· К)]. Эта величина экстенсивная, т.е. можно говорить о теплоемкости отдельной молекулы или атома, затем просуммировать количество молекул до одного грамма или до одного моля и получить теплоемкость одного грамма или одного моля вещества. Значение теплоемкости зависит от природы материала.
Приведем выражение для тепловой энергии материала:
Q = c×m×(T2-T1), (4.1)
где m-масса материала, T2,T1 конечная и начальная температуры.
Это выражение можно переписать для локальных, удельных, параметров:
Q/V = c×d×(T2-T1), (4.2)
где Q/V - удельное выделение энергии (в единице объема), d- плотность материала.
Выражения (4.1 - 4.2) позволяют определить изменение температуры материала в процессе его работы, например за счет потерь энергии, протекания тока или какого-либо другого процесса. Энерговыделение Q задается конкретными процессами, протекающими в материале.
Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал.Это тоже важная характеристика, она характеризуется коэффициентом теплопроводности l. Численно он равен потоку q проходящему через площадку единичной площади, при перепаде на ее гранях температуры 1 °С. Лучше всего передают тепло металлы, так у меди l = 400 Вт/(м К), для серебра чуть больше (418), для алюминия 200 Вт/(м К),, для нержавеющей стали примерно 20 Вт/(м К), для простых сталей примерно в два раза выше.
Для газов и жидкостей обычная теплопроводность играет незначительную роль. В этом случае главную роль играют конвекция и излучение.
Конвекция возникает из-за того, что нагретые жидкость или газ расширяются, их плотность уменьшается, они начинают «всплывать» под действием выталкивающей силы Архимеда. За счет этого возникают локальные течения, которые эффективно уносят тепло из нагретой зоны. В теплотехнике развит аппарат расчета теплопроводности при учете конвекции. Грубо, можно сказать, что конвекция увеличивает теплопроводность в несколько раз.
Тепловое излучение также важно, особенно при повышенных температурах. Основное выражение, используемое в оценках имеет вид:
qизл ε= Tσ4 ,
где ε- коэффициент серости излучающего материала, σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ = 5.67 ·10-8 Вт/(м2К4). Коэффициент серости зависит от сорта материала, в особенности от его теплопроводности и состояния поверхности. Для металлов этот коэффициент невелик, он меняется от единиц до десятков процентов, в зависимости от шероховатости поверхности, причем более шероховатой поверхности соответствует больший коэффициент серости. Для красок (исключая специальные с электропроводными компонентами), ε находится в диапазоне 80 - 95%. Оценки показывают, что этот фактор становится главным при температурах порядка 100 градусов и выше.
Температурные коэффициенты.
Практически все свойства материалов зависят от температуры. Обычно это учитывается введением т.н. температурного коэффициента. Строго математически для какого-либо свойства х он вводится выражением
Tkx =
где х может быть любой характеристикой материала. Размерность любого температурного коэффициента - 1/К. Например возьмем в качестве х размер l образца материала. Тогда
Tkl =
означает температурный коэффициент расширения материала. Если взять диэлектрическую проницаемость, то это будет температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, если взять удельное сопротивление, то это будет температурный коэффициент удельного сопротивления.
В практике обычно пользуются линейным приближением, считая изменение характеристики с температурой малым, по сравнению с основным значением. Для этого случая можно выписать температурную зависимость в явном виде.
Для удельного сопротивления r(Т) = r(Т0)(1 + Ткr(Т-Т0))
Для размера тела l(Т) = l(Т0)(1 + Ткl(Т-Т0))
Для диэлектрической проницаемости e(Т) = e (Т0)(1 + Ткe(Т-Т0))
Для магнитной проницаемости m(Т) = m (Т0)(1 + Ткm(Т-Т0))
Конкретные значения температурных коэффициентов материалов можно найти в справочниках.
4.3. Механические свойства материалов. Удлинение, деформация, модуль упругости. Разрушающие напряжения при различных видах нагрузки.
В процессе эксплуатации на материал действуют механические нагрузки. Основные виды нагрузки: сжатие, растяжение, сдвиг, кручение.
Изменения размеров и формы тела под действием нагрузок называются деформациями. Их легко проиллюстрировать на примере стержня.
Если к стержню площадью s приложить силу F вдоль оси, то его продольный размер l и поперечный размер r изменятся
Dl/l = p /E, (4.4)
Dr/r = -sp /E,
где p = F/s- механическое напряжение, E - модуль Юнга или модуль всестороннего сжатия (или растяжения), s- коэффициент Пуассона. Размерности p, E - Н/м2, s - безразмерна.
Если сила сжимает стержень, то на стержень действует давление, продольное удлинение отрицательно, зато поперечное положительно. В случае растягивающей силы, т.е. действия напряжения - наоборот. Удлинение вдоль стержня, положительно, а поперек - отрицательно. При снятии нагрузки исходные размеры восстанавливаются. Такие деформации называются упругими.
Выражение (4.4) показывает линейную связь нагрузки с удлинением.
Это выражение называется законом Гука.Он характерен для упругих деформаций.
По мере увеличения нагрузки пропорциональность между изменением размера и нагрузкой перестает выполняться. Примерно при этих же нагрузках, после их снятия исходный размер полностью не восстанавливается.
Предел упругости (s0.05) - напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%.
Предел текучести (s0.2) - напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки.
Предел прочности или временное сопротивление sв-напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.
Помимо указанных видов деформации при натяжении рассматривают механическую прочность при разных видах нагрузки, например при сжатии, при изгибе. Механизм разрушения во всех случаях заключается в появлении и прорастании трещин. Различают два вида разрушения - хрупкое и вязкое. При хрупком разрушении деформации малы и скорость разрушения велика. В некоторых случаях она достигает скорости километров в секунду. При вязком разрушении перед трещиной существует значительная пластическая деформация и скорость распространения трещины мала.
Пластическая деформация - часть деформации, которая остается после снятия нагрузки.
Твердость материала.Свойство материала противостоять деформации при локальном контакте называется твердостью. Существует множество шкал твердости. Например шкала Мооса. Она применяется в основном для минералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает все нижележащие и царапается вышележащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, в зависимости от закалки и типа - пятую или шестую. Известняк - третью.
Другие шкалы: Бригнелля, Роквелла, Виккерса и т.д. основаны на вдавливании в материал шарика или алмазной призмы и измерении размеров полученной ямки. Далее по специальным таблицам определяют соответствующую твердость.
канд техн наук доцент кафедры ЭиЭ... Учебно методический комплекс по дисциплине Материаловедение составлен в соответствии с требованиями Государственного...
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Целью преподавания дисциплины является изучение свойств и характеристик электротехнических материалов, а также области их применения, в частности, в электроизоляционных констр
Диэлектрики
Основные виды поляризации диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость газов, жидких и твердых диэлектриков. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
Токи
Полупроводниковые материалы
Собственные и примесные полупроводники. Основные и неосновные носители заряда влияние внешних факторов на свойства полупроводников. Оптические и фотоэлектрические явления в полупро
Магнитные материалы
Классификация материалов по магнитным свойствам: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики. Основные характеристики, области применения.
Доменное стр
ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Основная
1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учебник для вузов — СПб.: Издательство "Лань", 2009. (e.lanbook.ru)
Характеристики композиционных материалов
Для начала введем понятие обобщенной проводимости.
Оказывается удельные теплопроводность, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диффузии являются близкими характер
Основное уравнение электропроводности.
Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j
Диэлектрическая проницаемость материалов.
Определение этой величины вы должны помнить еще из школы. Давайте вспомним. Если взять плоский конденсатор в вакууме, то заряд на каждой его пластине равен (по модулю):
Общие свойства конструкционных материалов.
Разработка конкретных узлов и устройств ставит ряд общих и специфических задач для используемых материалов. Во первых, они должны выполнять те функции, которые заложены в исходные т
Материалы для проводов. Медь, алюминий.
Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температур
Материалы для контактов.
Проводники в месте контакта отличаются от проводников в объеме проводов несколькими обстоятельствами их функционирования.
Во - первых, невозможно сделать площадь контакта т
Металлические резистивные материалы
Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия
Графит. Бетэл
Вторым по значению резистивным материалом является графит. Здесь стоит упомянуть, как изменение структуры материала ведет к принципиальным изменениям характеристик.
Наприме
Материалы с нелинейной проводимостью. ОЦК, силит, вилит.
Материалы с нелинейной проводимостью очень важны для энергетики. Дело в том, что с их помощью подавляются паразитные волны перенапряжений в линиях и на подстанциях. Представьте себе
Проводимость неоднородных диэлектриков.
Реальные электроизоляционные конструкции далеко не всегда состоят из однородных диэлектриков. Они могут содержать композицию из разных диэлектриков или просто иметь границу раздела.
Диэлектрические потери.
Термин возник из-за того, что в идеальном диэлектрике энергия может только накапливаться в виде W = e0Ee2/2, (на единицу объема, см.8.1.), но не теряться. В ре
Элементарные процессы в газе. Лавина, стример, лидер.
В отличие от слабых электрических полей, в сильных электрических полях, характерных для работы электрической изоляции возникают новые явления, связанные с ионизационными процессами.
Газообразные и жидкие диэлектрики
10.1. Газообразные диэлектрики.
10.1.1. Основные характеристики.
10.1.2. Электроотрицательные газы, применение в энергетике.
10.2. Жидкие диэлектрики. При
Основные характеристики.
Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характери
Общие свойства.
С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.
Общие характеристики твердых диэлектриков.
Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, ди
Свойства наиболее применяемых диэлектриков.
11.3.1. Полимерные материалы.
Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротив
Бумага и картон.
Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Технология приготовления состоит из варки щепы и опилок в щелочном раст
Слюдяные материалы.
Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристи
Общие характеристики магнитных материалов.
Магнитные свойства имеются у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале м
Сверхпроводящая керамика.
13.1. Принцип сверхпроводимости. Влияние магнитного поля
Протекание тока в проводниках всегда связано с потерями энергии, т.е. с переход
Низкотемпературные сверхпроводники
Выше я уже останавливался на некоторых конкретных сверхпроводящих материалах. В принципе свойство сверхпроводимости характерно практически для всех материалов. Только для самых элек
Сверхпроводящая керамика
Следующим радикальным шагом в исследовании сверхпроводимости явилась попытка найти сверхпроводимость в оксидных системах. Смутная идея разработчиков состояла в том, что в системах с
Коррозия материалов.
Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего ок
Испытания материалов
15.1. Подготовка образцов и условийиспытания.
15.2. Поддержание контроль условийиспытания.
15.3. Электрическиеиспытания.
15.3.1.Оп
Подготовка образцов и условия испытаний
Условиями окружающей среды при проведении испытаний называют сочетание температуры и относительной влажности воздуха или температуры и жидкости, в которых находится образец.
Поддержание и контроль условий испытания.
При подготовке и проведении испытаний требуется соблюдать определенные значения температуры среды, в которой находится образец. Для этой цели применяют термостаты (термокамеры) или криост
Определение общих и удельных сопротивлений образцов.
Если к диэлектрику приложить постоянное напряжение, то по нему будет протекать ток утечки. Постоянная составляющая этого тока называется сквозным током и может быть представлена в в
Тепловые испытания.
К термическим характеристикам относятся: теплопроводность, температура размягчения и воспламенения материала, нагрево- и холодостойкость, стойкость к термоударам.
Теплоп
Механические испытания.
Основные механические испытания - это определение прочностных характеристик, т.е. способности выдерживать внешние механические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных раз
Требования к оформлению контрольной работы
1. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради или на листах формата А4. На обложке указывают название дисциплины, номер контрольной работы, курс, фамилию, имя, отчество и учебный шифр студе
При проведении лабораторных работ
1. Перед выполнением лабораторных работ студенты проходят обязательный инструктаж по технике безопасности при проведении работ в электротехнической лаборатории, о чем делается запис
Для специальностей АТС и ЭНС
При изучении диэлектриков следует рассмотреть зависимость срока службы и процесса старения изоляции электрических машин, трансформаторов и конденсаторов от максимальной рабочей температуры (правило
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Теплоемкость - это способность накапливать тепловую энергию в материале при его нагревании. Численно удельная теплоемкость равна энергии, которую нужно ввести в единицу массы материала, чтобы нагреть его на один градус. Размерность удельной теплоемкости [Дж/(кг· К)]. Эта величина экстенсивная, т.е. можно говорить о теплоемкости отдельной молекулы или атома, затем просуммировать количество молекул до одного грамма или до одного моля и получить теплоемкость одного грамма или одного моля вещества. Значение теплоемкости зависит от природы материала.
Новости и инфо для студентов