К.ф.-м.н. Билюк А.И., ст.Витюк Г.В., ст.Сирык С. А.

Винницкий государственный педагогический университет им. М.Коцюбинского

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕПЛОЕМКОСТЬ БЕРИЛЛИВОЙ БРОНЗЫ

В данной работе измеряли характер изменения теплоемкости бериллиевой бронзы БрБ2 в зависимости от температуры.

Измерения проводили с помощью прибора ИТ- λ -400, который предназначен для массовых исследований теплофизических свойств [1]. Режим монотонного разогрева позволяет с одного опыта получить сразу температурную зависимость изучаемого параметра. Блок питания регулирует и обеспечивает нагрев ядра измерительной ячейки со средней скоростью 0,1 К/с и автоматически регулирует температуру. Для определения теплоемкости в процессе непрерывного нагрева на фиксированных уровнях температуры с помощью прибора Ф 136 измеряют перепад температуры на образце и пластине теплоизмерителя. В основу работы измерителя положен сравнительный метод динамического калориметра с теплоизмерителём и адиабатической оболочкой. Испытуемый образец помещается внутри металлической капсулы и монотонно разогревается вместе с ней за счет непрерывного поступания теплового потока к ампуле через теплоизмеритель. Тепловая связь ампулы и образца с внешней средой допускается только через теплоизмеритель, поэтому открытые участки поверхности ампулы отделены от среды адиабатической оболочкой. Тепловой поток Q_T, проходящей через средний сечение теплоизмерителя, идет на разогрев испытуемого образца и ампулы, и определяется по формуле:

,

(1)

где: Q₀ - тепловой поток, идущий на разогрев образца испытуемого в Вт; Q_a - тепловой поток, идущий на разогрев ампулы, в Вт.

Тепловой поток, идущий на разогрев испытуемого образца, определяется по формуле:

,

(2)

где: C - удельная теплоемкость образца в Дж /(кг К₀); m₀ - масса образца в кг; b - скорость разогрева в К/с. Тепловой поток, идущий на разогрев ампулы, определяется по формуле:

,

(3)

где: C_a - полная теплоемкость ампулы в Дж/К.

О величине теплового потока, проходящего через теплоизмеритель Q_T, удается судить по величине перепада температуры на теплоизмеритель V_Т и тепловой проводимости теплотеплоизмерителя К_Т, которая определяется при градуировке:

,

(4)

Параметр K_T=K_T(t) является постоянной прибора и зависит только от температуры. Расчетная формула теплоемкости имеет вид:

,

(5)

где С - удельная теплоемкость образца в Дж/(кг • К).

При незначительных перепадах температуры на теплоизмерителе можно перейти к измерению времени запаздывания температуры на теплоизмерителе, учитывая, что

,

(6)

где τ_T - время запаздывания температуры на теплоизмерителе, в секундах.

Тогда рабочая расчетная формула примет вид:

,

(7)

где - время запаздывания температуры на теплоизмерителе в экспериментах с пустой ампулой (определяется при градуировке), в с.

Градуировка заключается в экспериментальном определении тепловой проводимости теплоизмерителя K_T и параметра . Для этого проводят пять экспериментов с медным образцом и столько же с пустой ампулой. Тепловая проводимость тепломеры определяется по следующей формуле:

,

(8)

где: С_обр.м - полная теплоемкость медного образца в Дж/К.

Среднее значение времени запаздывания на теплоизмерителе с медным образцом определяется по формуле:

,

(9)

где: - измеренное время запаздывания на теплоизмерителе в эксперименте с пустой ампулой в сек.

Полная теплоемкость медного образца вычисляется по формуле:

,

(10)

где: C_м - удельная теплоемкость меди в Дж/(кг • К); m_обр. - масса медного образца в кг.

Результат исследований представлены в таблице.

Анализ таблицы показывает, что с увеличением температуры теплоемкость возрастает.

Эксперименты показали (табл.1), что теплоемкость с повышением температуры растет. Таким образом бериллиевая бронза упрочняется, то есть формируется высокодисперсная структура, содержащая доскообразные и пластинчатые частицы фазы выделения γ с размером 50÷500Å [2], а уменшение теплоемкости после 350 °С, приводит к растворению частиц выделившихся фаз («обратное растворение»[3]) и материал разупрочняется. Подтверждением этому есть уменьшение коэффициента (табл.1), который определяется из формулы [4]:

,

(11)

где: С_Р – теплоемкость при постоянном давлении; С_V – теплоемкость при постоянном объеме; R – постоянная (R=8,31 Дж/(моль·К)); β – температурный коэффициент расширения; T - температура; V – объем; γ – изотермическая сжимаемость вещества.

Таблица 1

Характер изменения теплоемкости БрБ2 от температуры

T, ^OC	25	50	75	100	125	150	175	200	225	350
Cм, Дж/(кг· K)	376	385	392	396	400	403	405	406	408	422
KT, Вт/K	0,1609	0,1609	0,1609	0,1609	0,1609	0,1609	0,1609	0,1609	0,1609	0,1553
C, Дж/(кг· K)	419	430	435	441	452	462	466	470	475	453
	3,6248	3,3242	3,1040	2,8960	2,7140	2,5537	2,4112	2,2837	2,1690	1,7339

Литература:

1. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Платунов и др...-Л.: Машиностроение, 1986. – 256с.

2. Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г. Пружинные сплавы цветных метал лов. – М.: Металургия, 1984. – 284с.

3. Тугапсоев Х.Г. Исследование «обратного растворения» в бериллиевой бронзе//МиТОМ. – 1982. - №11. – С. 54-57.

4. Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. акад. И.К.Кикоина – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с.