VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Из практики известно, что свойством, расширятся при нагревании и сжиматься при охлаждении, обладают все тела. Твёрдые тела имеют форму, линейные размеры, которой при нагревании увеличиваются, при охлаждении уменьшаются. Это свойство твердого тела при нагреве называют линейным расширением. Для экспериментальной проверки данного свойства твердого тела собрали установку рис.1.

Рис.1.Установка для исследования линейного расширения алюминиевого стержня. 1.Алюминевый стержень. 2. Уголок с отверстием 10мм. 3.Точка нагрева. 4.Индикатор перемещения часового типа. 5.Фронт тепловой волны.

Отличие данной установки от классического варианта использование в ней жидких кристаллов [1-7]. Установка состоит:

1.Алюминиевого стержня диаметром 10мм и длиной 700мм;

2.Уголок с посадочным отверстием диаметром 10,5 мм;

3.Точка крепления стержня к нагревателю;

4.Часовой индикатор малых перемещений с точностью 0,01мм.

5. Жидкие кристаллы с мезофазой 55-60℃. Рис.1.

Стержень длиной 700 мм покрыт жидкими кристаллами холестерического типа с мезофазой 55-60℃. Чёрный фон прутка условие получения контрастного изображения теплового поля. Приведённые 1,2,3 слайды рис.1 показывает динамику тепловой волны. Так рис1.1 тепловая волна от нагревателя прошла 250мм и температура в точке 5 стержня 55℃ при этом образец изменил свои линейные размеры на 0,08 мм на рис.1.2 тепловая волна прошла 350 мм температура в точке 5 образца 55℃ при этом изменение линейных рамеров плюс 0,12мм, на рис.1.3. тепловая волна прошла 505мм температура в точке 5 стержня 55℃, увеличение прутка на 0,21мм. С помощью градиентной термограммы можно проследить тепловое поле, по всему образцу отожествив его с часовым индикатором малых перемещений. На графике рис.2 показана зависимость прохождения S фронта тепловой волны от dl удлинения стержня из алюминия. Зависимость линейная.

Рис.2.График зависимости пути S проходимым тепловым фронтом от удлинения dl алюминиевого стержня.

Полученный график можно использовать в качестве опорного для расчёта удлинения стержня по цвету жидких кристаллов. Как показано на рис.3.

Рис.3. Определение длины пути фронта тепловой волны с температурой 55℃, по удлинению стержня на 0,15 мм.

а. График зависимости пути S проходимым тепловым фронтом от удлинения dl алюминиевого стержня.

б. Определение расстояния S распространения фронта тепловой волны с температурой 55℃.

С. Градуированная шкала жидких кристаллов с мезофазой 55-60℃

На графике рис.3а находим удлинение 0,15мм, а это показания часового индикатора рис.3б, тогда путь проходимый волной с фронтом температуры 55℃ - S =400мм. Тепловое поле фронта волны с температурой 55℃ определяют по градуированной шкале рис.3с.

Таким образом, имея таблицу отношений для S и dl для конкретного случая можно по цвету жидких кристаллов количественно определить зону прогрева материала с учётом его линейного расширения.

С другой стороны, если проследить отношение S от точки распространения тепловой волны к dl удлинению стержня во всех отмеченных выше реперных точках получим:

Sdl = К, где К безразмерный коэффициент .

Тогда расчётное значение К для алюминиевого стержня и жидких кристаллов с мезофазой 55-60℃ представлены в таб.1

Таблица1

Коэффициент К для алюминиевого стержня.

п/N	S (мм)	d ( делений)	dl (мм)	измерено	K
1	200	6,4	0,064		3125
2	250	8	0,08	0,08	3125
3	300	9,6	0,096		3125
4	350	11,2	0,112	0,12	3125
5	400	12,8	0,128	0,15	3125
6	450	14,4	0,144		3125
7	500	16,0	0,160	0,21	3125
8	550	17,6	0,176		3125
9	600	19,2	0,192		3125
10	650	20,2	0,202		3125
11	700	22,4	0,224		3125

Из таблицы видно, что К есть величина постоянная.

Таким образом, зная К для исследуемого материала можно рассчитать удлинение стержня по линейным данным фронта тепловой волны.

Такая зависимость проявляется в том случае, если подогрев стержня осуществляется от его конца, а снятие информации, о его удлинении с другого. Это наглядно представлено в опытах рис.1 и рис. 3 следовательно, по длине стержня имеем перепад температур от горячего конца к холодному. При этом начальная температура стержня во всех точках одинакова.

Изменим условие задачи:

1. Возьмём стержень, что описан выше, но температура его концов одинакова т.е. Т₁=Т₂ , где Т₁- температура правого конца стержня, Т₂ – температура левого конца стержня. При этом температура в точке 1 (рис.5) Т во много раз больше Т₁=Т₂.Тогда тепловой поток распространяется по стержню к точкам 2,3 рис.5 одновременно и равномерно.

Рис.5. Термограмма стержня при условии Т>> (Т₁=Т₂).

Удлинение правого 5 и левого 4 концов стержня будет одинаково.

Отношение S от точки 1 распространения тепловой волны к dl удлинению стержня во всех отмеченных выше реперных точках 2,3 получим:

S1dl1= K1; S2dl2= K2.

Или

K₁=K₂

Удлинение стержня в целом будет:

dl = dl₁+dl₂

при равенстве К₁=К₂:

dl = 2dl₁

Это даёт возможность использовать один часовой индикатор рис.5(4,5).

2. Создадим условия при котором Т₂>T₁ , а Т >> Т₁; Т >> Т₂.

Рис.6. Термограмма теплового процесса в стержне в начальный период времени при Т₂>T₁.

В начальный интервал времени тепловая волна устремиться из точки 1 к точке 2 , а затем от точки 1 к точке 3. Выравнивая температуру по всему стержню. Термограмма рис. 7 получена с помощью детектора на основе органического стекла и плёнки жидких кристаллов.

Рис. 7.

Термограмма выравнивания температуры по всему образцу

Таким образом, с помощью жидких кристаллов можно отобразить в видимом формате процесс переноса тепла в металлическом стержне в зависимости от точки прикосновения генератора тепла, а существующая зависимость между волновым тепловым фронтом и удлинением образца позволяет обойтись без индикатора 4 рис. 1 оценивая удлинение образца по тепловому фронту жидких кристаллов.

Литература.

1.Н.П. Третьяков. Курс физики. МП РСФСР М.1952.С.891.

2. 1.Оглоблин Г.В. Опыты с жидкими кристаллами.// «Физика в школе», №5.1977,с.94.99.

3.Оглоблин Г.В. Детектор на жидких кристаллах для демонстрации электростатических полей. // «Физика в школе» №6, 1978, с.74.-75.

4.Оглоблин Г.В. Детектор для пространственного наблюдения ультразвуковых полей. //7 н.м.к. ВАКУ, Хмельницкий,1979, с.53.

5. А.Н. Козлова Н.Н. Малов, А.Н. Мансуров Оглоблин Г.В. Новые лекционные демонстрации. // МВ и ССО СССР. ФИЗИКА, Сб-к н.м.с.,вып.6,М.1978, с. 52-57.

6.Оглоблин Г.В. Термометрический детектор для регистрации картин воздушного потока при обтекании тел. // 8 н.м.к. ВАКУ ,Хмельницкий,1981, с.32.

7.Оглоблин Г.В. Объёмный ЖК-датчик для электромагнитных волн.// Материалы международной конференции по высоким технологиям. Ленинград . 2009,с.232.

Код для цитирования: Скопировать