Изобретение относится к теплофизическим измерениям в области материаловедения для определения теплопроводности твердых тел.

Известен способ определения теплопровод-ности материалов, заключающийся в создании стационарного потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца. По данным измерений плотности теплового потока, температур противоположных лицевых граней и толщины образца рассчитывают теплопроводность материала [1].

Недостатками данного способа являются функциональная ограниченность, заключающаяся в проведении измерений только при стационарном тепловом режиме.

Известен устройство и способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов [2], состоящий в том, что образец монотонно разогревается через одну из изотермических поверхностей при периодическом изменении теплового потока на другой поверхности с периодом, большим времени регуляризации температурного поля образца, включающий измерение теплового потока, температур в характерных сечениях образца, скорости изменения температуры и расчет характеристик по известным формулам, одновременно с монотонным нагревом перепад температур на образце последовательно устанавливают равным нулю и 5-50К, а тепловой поток измеряют на изотермической поверхности, подвергаемой монотонному нагреву.

Недостатком данного способа и устройства является сложность измерений, требующая необходимость поддержания постоянства температур и скорости разогрева, многостадийность эксперимента, техническая сложность устройства, к которой можно отнести использование датчика перепада температуры и регулятора.

Наиболее близкими к заявленному изобретению являются способ определения теплопроводности твердых тел. В данном способе исследуемый образец приводят в тепловой контакт по плоскости с нагревателем с одной стороны, а с другой стороны приводят в тепловой контакт по плоскости с теплоприемником. При постоянной мощности нагрева, с учетом скорости изменения температуры, перепада температуры на образце определяют теплопроводность твердого тела. Потери тепла учитывают за счет поправочного коэффициента, определяемого по измерениям на эталонных образцах, размеры исследуемого и эталонных образцов одинаковые.

Однако недостатком данного способа измерения коэффициента теплопроводности является необходимость знать теплоемкость образца.

Цель изобретения является упрощение способа и повышение точности определения теплопроводности.

Поставленная цель  достигается тем,  что эксперименты по определению теплопроводности твердых тел производятся на установки  для автоматизированного определения теплопроводности твердых тел в отношении керамического образца и осуществляется в два этапа.

На первом этапе после подготовки всех элементов устройства от источника электроэнергии  через ключ стабилизированного блока питания подают питание в нагревательный блок. Силу тока и напряжение контролируют соответственно по амперметру  и вольтметру. При этом нагревается нихромовая спираль, которая в свою очередь нагревает алюминиевую пластину  и исследуемый керамический образец. Нижний и верхний термодатчики, преобразовывая тепло в электрические сигналы, передают его двум нано-вольтамперметрам, которые соответственно направляют их двум компьютерам. При помощи специальных программ компьютеры  считывают сигналы и пошагово регистрируют их каждые секунды, начиная с комнатной температуры до 130°С.

На втором этапе после завершения первого этапа выключают установку и прекращают подачу питания. Исследуемому образцу дают охладиться до первоначальной температуры, а именно комнатной. При этом ход охлаждения образца  аналогично его нагреву по первому этапу пошагово регистрируют каждые секунды при помощи компьютеров.

По завершению обоих этапов полученные данные с компьютеров  обрабатываются и оформляются в виде таблиц и диаграмм (Фиг. 1).

Используя модель теплового баланса теплоемкость твердых тел определяют по формуле

С_p = k₁ Q/m (T₂ - T₁) , (Дж/кг^.К)          (1)

Где, С_p – удельная теплоемкость (Дж/кг^.К), k₁ – коэффициент, величина которого определяется на основе проведения контрольных измерений, Q – количество тепла (Дж), m - масса образца, (кг); T₁ - абсолютная температура спая нижней термопары (К), T₂ – абсолютная температура спая верхней термопары (К).

Используя расчет теплоемкости по формуле (1) теплопроводность твердых тел определяют по формуле

                              (2),

 , м²/с                         (3)

Где, λ - теплопроводность (Вт/м.К),  - коэффициент величина которого определяется на основе проведения контрольных измерений, С_p – удельная теплоемкость (Дж/кг^.К),  – плотность меди (кг/м³).

Количество тепла, которое расходуется при нагревании образца равна мощности нагревателя и определяется по формуле

P = Q = I² R t, Вт                       (4)

Где, Р – мощность нагревателя (Вт), I - сила тока (А); R – сопротивление (Ом); t - время нагрева, (с).

Формула для расчета темп охлаждения имеет вид:

 , 1/с          (5)

Где, m - темп охлаждения (1/с);  – температура при ;  – темпера-тура при ;  – время охлаждения при  (с);  - время охлаждения  (с).