RU2073231C1 - Method for coefficient of thermal expansion determining - Google Patents
Method for coefficient of thermal expansion determining Download PDFInfo
- Publication number
- RU2073231C1 RU2073231C1 RU93000707A RU93000707A RU2073231C1 RU 2073231 C1 RU2073231 C1 RU 2073231C1 RU 93000707 A RU93000707 A RU 93000707A RU 93000707 A RU93000707 A RU 93000707A RU 2073231 C1 RU2073231 C1 RU 2073231C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermal expansion
- coefficient
- sample
- temperature
- determining
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано при экспериментальном определении коэффициента термического расширения твердых тел. The invention relates to the field of thermophysical measurements and can be used in the experimental determination of the coefficient of thermal expansion of solids.
Известные способы определения коэффициента термического расширения (КТР) [1] заключаются в том, что образец нагревается (охлаждается) на заданную величину температурного приращения ΔT, после чего измеряется относительное изменение его линейного размера ΔL/Lo или объема ΔV/Vo, а КТР рассчитывается по формулам:
Такой способ принимаем за прототип.Known methods for determining the coefficient of thermal expansion (KTR) [1] are that the sample is heated (cooled) by a given value of the temperature increment ΔT, after which the relative change in its linear size ΔL / L o or volume ΔV / V o is measured, and KTR calculated by the formulas:
This method is taken as a prototype.
Необходимо заметить, что все разнообразие существующих способов определения КТР заключается в различии либо метода измерения удлинения исследуемого образца, либо способа его нагрева. It should be noted that the whole variety of existing methods for determining the CTE lies in the difference in either the method of measuring the elongation of the test sample or the method of heating it.
Так, например, известен абсолютный способ определения КТР [2] в котором для измерения удлинения образца используется интерферометр. Основным недостатком данного способа следует считать необходимость ступенчатого нагрева образца с шагом не менее 5oC К, т.е. на столь значительную величину, что при вычислении КТР возникает проблема отнесения найденной величины к определенной температуре. Следует отметить и низкую производительность измерений по данному способу, связанную с необходимостью длительного выдерживания образца при всяком изменении его температуры с целью достижения ее однородности по объему образца. Эти недостатки являютсяпринципиально неустранимыми, поскольку попытка уменьшения величины шага температурных изменений в опытах приводит к существенному падению точности измерений (см. Мазурин О. В. и др. Тепловое расширение стекла. Л. Наука, 1969, с.7).So, for example, an absolute method for determining the CTE [2] is known in which an interferometer is used to measure the elongation of a sample. The main disadvantage of this method should be considered the need for stepwise heating of the sample with a step of at least 5 o C, i.e. by such a significant amount that when calculating the KTP there is a problem of relating the found value to a certain temperature. It should be noted and low measurement performance by this method, associated with the need for long-term aging of the sample with any change in its temperature in order to achieve its uniformity in volume of the sample. These shortcomings are fundamentally irreparable, since an attempt to reduce the step size of temperature changes in experiments leads to a significant decrease in the measurement accuracy (see O. Mazurin et al. Thermal expansion of glass. L. Nauka, 1969, p.7).
Существует способ определения КТР на дилатометрах, называемых дифференциальными. В приборах этого типа производится измерение разности расширения эталона и образца при одинаковом их нагреве. (см. Аматуни А. Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов. М. Из-во стандартов, 1972). Измерение разности хода образца и эталона осуществляется фотоэлектрическим устройством. Зная температурное расширение эталона, вычисляют КТР образца. There is a way to determine KTR on dilatometers called differential. In devices of this type, the difference in the expansion of the standard and the sample is measured with the same heating. (see A. Amatuni. Methods and devices for determining the temperature coefficients of linear expansion of materials. M. Iz-in standards, 1972). Measurement of the difference in the stroke of the sample and the reference is carried out by a photoelectric device. Knowing the thermal expansion of the standard, calculate the CTE of the sample.
Определенные конструктивные усовершенствования данного способа, тем не менее, не позволяют избавиться от указанных выше недостатков, в полной мере присущих и дифференциальным способам определения КТР. Certain structural improvements of this method, however, do not allow to get rid of the above disadvantages, fully inherent in the differential methods for determining the CTE.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, получение истинного значения КТР материала при данной температуре и существенное сокращение затрат времени на проведение связанных с этим испытаний. The problem to which the invention is directed, obtaining the true value of the CTE of the material at a given temperature and a significant reduction in time spent on related tests.
Решение данной задачи оказывается возможным при использовании эффекта связанной термоупругости твердых тел. Его сущность заключается в том, что при адиабатическом изменении внутренней энергии твердого тела, путем совершения внешней работы над ним, температура последнего меняется (см. Гольденблат И. И. Нелинейные проблемы теории упругости. М. Наука, 1969, с. 169-173. The solution to this problem is possible using the effect of coupled thermoelasticity of solids. Its essence lies in the fact that with an adiabatic change in the internal energy of a solid, by doing external work on it, the temperature of the latter changes (see I. Goldenblat, Nonlinear Problems of the Theory of Elasticity. M. Nauka, 1969, pp. 169-173.
В частном случае, когда тело подвергается одноосному сжатию или растяжению, изменение температуры, вызванное скачкообразным изменением напряжения, выражается формулой
где aт коэффициент линейного термического расширения, К-1;
Тo начальная температура образца, К;
ρ плотность образца, кг/м3;
Cσ удельная теплоемкость, Дж/кг•К;
s1 напряжение, H/м2;
θ=T-To адиабатическое приращение температуры, К.In the particular case, when the body is subjected to uniaxial compression or extension, the temperature change caused by a step-like voltage change is expressed by the formula
where a t is the coefficient of linear thermal expansion, K -1 ;
T o the initial temperature of the sample, K;
ρ density of the sample, kg / m 3 ;
C σ specific heat, J / kg • K;
s 1 voltage, N / m 2 ;
θ = TT o adiabatic temperature increment, K.
Приведенная формула позволяет выразить коэффициент термического расширения через измеримые в опыте параметры как
Сущность изобретения заключается в том, что на образец постоянного сечения (призма, цилиндр и т.п.) с известными плотностью и удельной теплоемкостью при данной начальной температуре воздействуют путем адиабатического сжатия (растяжения) известным напряжением, измеряют вызванное этим воздействием изменение температуры образца и вычисляют коэффициент термического расширения по указанной выше формуле.The above formula allows us to express the coefficient of thermal expansion in terms of parameters measurable in the experiment as
The essence of the invention lies in the fact that a sample of constant cross section (prism, cylinder, etc.) with known density and specific heat at a given initial temperature is affected by adiabatic compression (tension) with a known voltage, the change in temperature of the sample caused by this effect is measured, and calculated coefficient of thermal expansion according to the above formula.
При изучении материалов, имеющих отношение к заявляемому объекту, не найдены объекты, содержащие признаки, идентичные признакам заявляемого технического решения, на основании чего делается вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень". Поскольку также не найдены решения, которые содержали бы полную совокупность признаков предлагаемого решения, делается вывод о его соответствии критерию "новизна". In the study of materials related to the claimed object, no objects were found containing features identical to those of the claimed technical solution, on the basis of which it is concluded that it meets the criterion of "inventive step". Since no solutions were found that would contain the full totality of the features of the proposed solution, it is concluded that it meets the criterion of "novelty."
Предлагаемый способ определения КТР твердых тел обладает следующими преимуществами перед прототипом. Так как определение коэффициента термического расширения по предлагаемому способу сопровождается весьма малым отклонением от начальной температуры (по крайней мере в 50oC100 раз меньшим, чем в противосопостовляемых способах), вычисленное значение КТР является действительно истинным, отнесенным к начальной температуре опыта. В силу этогопредлагаемый способ может быть эффективно использован при излучении КТР В области его сильных изменений, например, в зоне фазовых переходов.The proposed method for determining the KTR of solids has the following advantages over the prototype. Since the determination of the coefficient of thermal expansion by the proposed method is accompanied by a very small deviation from the initial temperature (at least 50 o C100 times less than in the counter-comparable methods), the calculated value of the KTP is really true, related to the initial temperature of the experiment. By virtue of this proposed method can be effectively used in the radiation of KTP In the region of its strong changes, for example, in the zone of phase transitions.
Помимо этого, если в противопоставляемых способах длительность единичного опыта составляет величину порядка часа, что связано с требованием однородности температуры образца, то для проведения опыта по предлагаемому способу не более 2 3 секунд, т.е. примерно в 1000 раз меньше. In addition, if in opposed methods the duration of a single experiment is of the order of an hour, which is associated with the requirement of uniformity of the temperature of the sample, then for the experiment according to the proposed method no more than 2 3 seconds, i.e. about 1000 times less.
Для проверки возможности определения коэффициента термического расширения твердых тел предлагаемым способом и сравнения полученных при этом результатов с имеющимися справочными данными были проведены испытания образцов из алюминия и органического стекла (сополимер ПММА марки 2-55). Образцы из алюминия с размерами 190х11,5х1,8 мм и образцы из органического стекла с размерами 190х11х3,1 мм подвергались растяжению при температуре 297 К и нормальном атмосферном давлении. Длительность опыта составляла 2 3 секунды, а за это время теплообмен образца с окружающей воздушной средой пренебрежимо мал, что позволяет считать условия проведения опыта весьма близкими к адиабатическим. В качестве датчиков температуры использовались пленочные никелевые термометры сопротивления, включенные в мостовую измерительную схему так, что на ее выходе формировался электрический сигнал, пропорциональный разности температур образца и окружающей среды. To test the possibility of determining the coefficient of thermal expansion of solids by the proposed method and comparing the results obtained with the available reference data, we tested samples of aluminum and organic glass (PMMA copolymer grade 2-55). Samples of aluminum with dimensions of 190x11.5x1.8 mm and samples of organic glass with dimensions of 190x11x3.1 mm were subjected to tension at a temperature of 297 K and normal atmospheric pressure. The duration of the experiment was 2 3 seconds, and during this time the heat transfer of the sample with the surrounding air was negligible, which allows us to consider the conditions of the experiment very close to adiabatic. As temperature sensors, nickel film resistance thermometers were used, which were included in the bridge measuring circuit so that an electrical signal was generated at its output, proportional to the difference in temperature between the sample and the environment.
В приведенной ниже таблице представлены результаты этих опытов, из которых следует, что найденные значения коэффициента термического расширения находятся в удовлетворительном согласии со справочными данными (см. Таблицы физических величин. Под. ред. акад. И. К. Кикоина. М. Атомиздат, 1976. - 1008 с. Гудимов М. М. Петров Б. В. Органическое стекло. М. Химия, 1981. - 216 с.)
Приведенные примеры подтверждают практическую возможность осуществления способа определения КТР твердых тел, при котором этот параметр действительно может считаться истинным значением, относящимся практически к температурной точке, а не к температурному интервалу.The table below presents the results of these experiments, from which it follows that the found values of the coefficient of thermal expansion are in satisfactory agreement with the reference data (see Tables of physical quantities. Edited by academician IK Kikoin. M. Atomizdat, 1976 . - 1008 pp. Gudimov M.M. Petrov B.V. Organic glass.M. Chemistry, 1981. - 216 p.)
The given examples confirm the practical feasibility of implementing the method for determining the thermal expansion coefficient of solids, in which this parameter can really be considered a true value that relates practically to the temperature point, and not to the temperature range.
Кроме того, предлагаемый способ определения КТР весьма производителен, т. к. время проведения опыта определяется исключительно механическим быстродействием нагружающей системы и инерционностью термодатчиков. In addition, the proposed method for determining the CTE is very productive, because the time of the experiment is determined exclusively by the mechanical speed of the loading system and the inertia of the temperature sensors.
Claims (1)
где ρ плотность кг/м3;
Cσ удельная теплоемкость, Дн/кг К;
T начальная температура образца, К;
s осевое напряжение в образце, н/м2;
q адиабатическое приращение температуры образца, К.The method of determining the coefficient of thermal expansion of solids, which consists in acting on a sample of constant cross section with known density and specific heat at a given initial temperature, measuring the temperature change before and after exposure and determining the coefficient of thermal expansion, characterized in that the effect on the sample is by adiabatic compression (tension) of a known stress, and the coefficient of thermal expansion is determined by the formula
where ρ is the density kg / m 3 ;
C σ specific heat, D / kg K;
T is the initial temperature of the sample, K;
s axial stress in the sample, n / m 2 ;
q adiabatic increment of sample temperature, K.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93000707A RU2073231C1 (en) | 1993-01-06 | 1993-01-06 | Method for coefficient of thermal expansion determining |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93000707A RU2073231C1 (en) | 1993-01-06 | 1993-01-06 | Method for coefficient of thermal expansion determining |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93000707A RU93000707A (en) | 1995-08-10 |
| RU2073231C1 true RU2073231C1 (en) | 1997-02-10 |
Family
ID=20135327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93000707A RU2073231C1 (en) | 1993-01-06 | 1993-01-06 | Method for coefficient of thermal expansion determining |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2073231C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112415044A (en) * | 2020-10-14 | 2021-02-26 | 武汉大学 | Method for detecting specific heat capacity of solid based on mechanical means |
-
1993
- 1993-01-06 RU RU93000707A patent/RU2073231C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Мазурин О.В. Тепловое расширение стекла.- Л.: Наука, 1969. 2. Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов.- М.: Изд-во стандартов, 1972. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112415044A (en) * | 2020-10-14 | 2021-02-26 | 武汉大学 | Method for detecting specific heat capacity of solid based on mechanical means |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Suzuki et al. | Accurate heat capacity data at phase transitions from relaxation calorimetry | |
| US5152607A (en) | Process for analyzing relaxation spectra and resonances in materials | |
| Chen et al. | Flattened Brazilian disc method for determining the dynamic tensile stress-strain curve of low strength brittle solids | |
| RU2073231C1 (en) | Method for coefficient of thermal expansion determining | |
| Brusa et al. | Positron mobility in polyethylene in the 60–400 K temperature range | |
| CN108896654B (en) | Energy dissipation factor measuring method based on piezoelectric acoustic wave resonant sensor | |
| Andrianova et al. | Calorimetric studies of poly (ethylene terephthalate) stretching over a wide temperature range | |
| EP0984273A3 (en) | Device for measuring thermophysical properties of solid materials and method therefor | |
| Park et al. | Temperature dependency of coefficient of hygroscopic swelling of molding compound | |
| Somerton et al. | Ring heat source probe for rapid determination of thermal conductivity of rocks | |
| GB2075675A (en) | Method and apparatus for the calorimetric study of composite materials | |
| Krstulović et al. | Microcalorimetry in the cement hydration process | |
| Tsuji et al. | Investigation of photothermoelasticity by means of heating | |
| Morabito et al. | Analysis of thermoelastic and dissipative effects related to the fatigue of 2024 T3 aluminium alloy | |
| RU2018117C1 (en) | Method of complex determining of thermophysical properties of materials | |
| SU737822A1 (en) | Method and device for determining the type of flaws their quantity, activation energy, relaxation time, activation volumes of flaws of crystalline lattice of dielectrics and semiconductors | |
| US5255978A (en) | Apparatus for analyzing relaxation spectra and resonances in materials by thermal stimulated recovery | |
| JP3352075B2 (en) | Heat flux thermal expansion simultaneous measurement element and heat flux thermal expansion simultaneous measurement device | |
| SU1573403A1 (en) | Method of measuring thermal diffusivity | |
| US5360267A (en) | Apparatus for analyzing relaxation spectra and resonances in materials by thermal stimulated recovery | |
| Merah et al. | Calibration of DC potential technique using an optical image processing system in LCF testing | |
| Seitl et al. | Thermographic determination methodology: Application on fatigue limit of AL 2024 for R=-1 | |
| SU1069527A1 (en) | Method of determining thermal physical characteristics of material under pressure | |
| SU1711052A1 (en) | Method of testing heat-insulating material thermophysical characteristics | |
| SU1679333A1 (en) | Method for measuring specific heat of materials |