Способ измерения количества тепла и устройство для его реализации

)4 С 01 К 17/О АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯСНОМУ СВЩТВЪСТВУ П НАВ(21) 37152 (22) 11.01 (46) 23.08 (72) А.И.О (71) Инсти и криоме (53) 536.6 (56) Вольф Приборы дл 1967, У 6,24-10 в ог СР н А., Эпилтонучных исследов38, 103-107. КОЛИЧЕСТВАЕГО РЕАЛИЗАЦИИ ния количества воде выделяющеразце тепла к иметрическому ю щ и й с я ышения точности ьный калориметрмируют в режименапряжений и ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И85. Бюл. В 31 ецкий и В.И.Трефило ут проблем криобиол дицины АН Украинской С8. 1(088.8).измерений, чувствителрический элемент дефрелаксации эффективных по изменению скорости этой релаксации судят о величине тепловых эффектов.2. Устройство для измерения количества тепла, содержащее цилиндрические ампулы с исследуемым и эталонным образцами и чувствительные элементы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что чувствительные элементы выполнены в виде металлических нитей, проходящих сквозь ампулы вдоль их оси и термостатированных в точках вне ампул, при этом в устройство введены узел деформации нитей, связанный с помощью силовых тяг с верхними и нижними их концами, датчик разности удли- ЕФ нения нитей, состоящий из корпуса с установленным внутри него. сердечником, и компенсирующие удлинение нитей нагреватели, установленные в ампулах, при этом корпус датчика раз носи удлинения нитей соединен с одной из нитей, а сердечник - с другой.117478 лФ л ло 1 1 7 Изобретение огносится к теплофизическим исследованиям и может быть использовано для измерений количестватепла в процессе исследования различных кинетических явлений, таких как 5фазовые превращения, химические ибиохимические реакции, диффузионныепроцессы в гетерогенных системах ит.д,Цель изобретения - повышение точности измерения количества тепла.На Фиг,1 представлена схема устройства для измерения количества тепла на фиг.2 - ампула с жидкостьюУстройство содержит ампулы.1 и 2 15с исследуемой 3 и эталонной 4 жидкостями, сквозь которые пропущены металлические нити 5 и 6 с площадью поперечного сечения Бо и длиной 8 овакуумную камеру 7, объем которой ограни" 20чен стаканом 8 и капкой 9 с отверстиями 10 и 11 для откачки камеры и напуска в нее газообразного гелия., идьюаром 12 с криогенной жидкостьюдля охлаждения этой камеры. В камере 7 размещены опорная колонна 13и две металлические нити 5 и 6. Ниж-ние конЦы этих нитей закреплены наопорной колонне 13, а верхние черезвакуумно-плотные плунжерные штоки 14и 15 связаны с идентичными механизмами нагружения. Эти механизмы выполнены в виде укрепленных на кронштейнах блоков 16 с перекинутыми черезних стальными тросиками 17, к одним35концам которых присоединены штоки 14и 15,. а к другим подвешены грузы 18.Дополнительно устройство снабжено догрузочными винтами 19 и 20, перемещающимися вертикально с помощьюредукторов 21 и электроприводов 22.Винты 19 и 20 вместе с укрепленнымина них держателями 23 грузов и грузами 24 служат для уменьшения илиувеличения нагрузки на нитях в определенные моменты времени с определенными скоростями.На нитях 5 и 6 в их средней части укреплены ампулы 1 и 2 с исследуемым и эталонным образцами соответственно. Ампулы имеют форму трубок,верхние и нижние концы которых закрыты фторопластовыми уплотнительными пробками 25 и укреплены так, чтометаллические нити проходят внутри 55них вдоль осей ампул (фиг.2). Навнешней поверхности ампул смонтированы нагреватели 26 для регулировки 7 гскоростей нагрева или охлаждения находящихся в них объектов, а внутри ампул смонтированы компенсирующие нагреватели 27 и 28, управляемые регулятором 29. Внутри ампул установлены также датчики 30 теьщературы. Ампулы окружены подвешенным на нитях термостатирующим экраном 31 с нагревателем 32, позволяющим в процессе работы прибора поддерживать температуру экрана равной температуре ампул. Дополнительные нагреватели 33 и 34 предназначены для стабилизации и поддерживания определенных значений температуры металлических блоков 35 и 36, с которыми контактируют нижние и верхние концы металлических нитей.Для измерения удлинения нитей 5 и 6 устройство снабжено датчиками 37 и 38 перемещения, измеряющими удлинение каждой из нитей в отдельности, а также датчиком 39, включенным дифференциально и измеряющим разность удлинений нитей. Все устройство смонтировано на плите 40 с антивибрационным фундаментом.Перед началом измерений нить 5 (фиг.1) деформируется под действием внешних растягивающих усилий ГИ) со скоростью1 . В момент времени С соответствующий деформации Ям , увеличение внешней нагрузки прекращается и нить оказывается под действием постоянной во времени нагрузки Г . Этому моменту соответствует некоторый характерный уровень эффективных напряжений Св деформируемой нити, равный где " = -- внешние напряжения,8 о- характерный уровень(. и,нвнутренних дальнодеиствующих напряжений вдеформируемом образце.В дальнейшем пластическая деформация нити происходит за счет активируемого движения дислокаций поддействием эффективных напряженийс(6) , а ее скорость описываетсявыражением(с) 6 =, ехр 1- ч 3, (2) КТ гофф где О(е"5=Но(1- у;к) - энергия акти вации,;(7)т ту.чЗависимости от температуры величин Я и Ч в описанных опытах имеют55 .оЯ =КТ 1 п. - = КТс(8) з 1174У - средняя высота потенциальныхбарьеров, препятствующихдвижению дислокаций,"- величина эффективных напряжений, необходимых для без- активационного продавливаниядислокаций,и - параметр, зависящий от типапрепятствий и лежащий в пределах 1-8; 10Ео - коэффициент, зависящий отструктуры и физическихсвойств используемой нити,Для металлов сплотно упакованными решетками параметры и и с обычно 15близки к значениям (2) и равны 10В -110 с соответственно. Согласно теолфрии пластичности величину 1;)() в выражении 2 можно представить в видеМ)=Я 1+ФЕ). (3)лфгде Я =Я( ,) - значение энергии акти 1вации в момент времени й 1 (соответствующийдеформации. образца 25ЕлЕЯ- увеличение энергии активации в процессерассматриваемой ползучести за счет эффек-. З 0тов деформационногоупрочнения,При п=2 величину ОЯКО можно записать как где Ж - коэффициент деформационного упрочнения;- активационный объемдеформация нити про 40изошедшая с моментавреме.ни С.Из выражения (4) следует, что скорость наблюдаемой деформации Я(С) непрерывно уменьшается со временем 45 по мере роста величины 1." И). При этом в любой момент времени С можно дополнительно .уменьшить скорость наблюдаемой ползучести от соответствующего значения 1. = Г И ) до значения Еэуменьшив приложенную к нити нагрузку до величины Рг=Р -6 Р. Это обусловлено тем, что резкое уменьшение внешней нагрузки на дР идентично уменьшению уровня эффективных напряжений на д" - д5 и,следовательно, увеличению средней энергии активации, контролирующей активируемое движение дислокаций.Если при этом подобрать величину дР так, что возникакщее уменьшение нагрузки Р приводит к уменьшению скорости ползучести в момент времени йна. несколько порядков, т,е. выполняется условие Е с Е то вы 2)держка разгруженной таким образом нити в течение нескольких часов при достаточно низких температурах (Т ( "-031 Т,), ) не приводит к сколь-нибудь заметному изменению структуры нити. Поэтому, если внешние параметры (давление, температура)при которых находится нить в ампуле, за время выдержки не изменяются,восстановление внешней нагрузки до значения Р 1 должно вновь приводить к восстановлению скорости ползучести до значения Ег . Этот факт хорошо подтверждается экспериментально на самых различных материалах. Однако, если за время выдержки нити под нагрузкой Р (время Ь 1=1-й ) температура нити изменяется, например увеличивается от Т до Т=т+ЬТ востановление нагрузки приводит к увеичению скорости ползучести до знае ния ГЯ = Яехр-- гК(Т 1+Ьт)%гДе Я 2=0,+Ю Ег; 2 = Е (г) - Деформация ползучести в момент времени. йг т.е. непосредственно перед разгрузкой нити.В дальнейшем скорость ползучести опять уменьшается и после увеличения деформации ползучести на некоторую величину дЕ опять становится равной Я . Эта ситуация соответствует равен- ству Я ехр -- = Е ехр +хЧ ь 6,к(т, + дт),1 Из выражения (6) легко определитьвеличину д ЯФгде с=1 п - ; Т =П /Кп/1; Чос, значение активационного объема при температуре Т и деформации Яо 2лф- Поэтому выражение (9) о Яможно с достаточной для нас точностью записать в виде(0) 10лОтношение Ос/я для большинства металлов лежит в пределах 0,01-1, т.е, в среднем составляет величину 0,1. 15Учитйвая также, что дЯ = т/о 1где Ьт - удлинение нити, соответствующее деформации Ь 1:, можно запи.- сать выражение для оценки точности определения величины Ь Т20Ь 8, Т" 0,1,Устройство, реализующее предлагае-,мый способ, работает следующим образом (фиг.2),Ампулы 1 и 2 укрепляются на нитях5 и 6, заполняются исследуемым и. эталонным веществами соответственнои герметично закрываются пробками 25, З 0Затем, камеру 7 заполняют газообразным гелием или другим инертным газом,и она погружается в охлаждающую криогенную жидкость. После того, как находящиеся в ампулах образцы охлаждаются до заданной температуры Т, книтям 5 и 6 прикладываются нагрузкиР и Р =КРи начинается их дефор 2мация в режиме неустановившейся ползучести. Скорость наблюдаемой ползу- ф 0чести непрерывно уменьшается при этомот некоторого начального значения б 1,соответствующего скорости деформациинити в момент приложения нагрузок.Нагрузки Р, и Р подбираются таким 452образом, чтобы, несмотря на возможную разность в площадях поперечногосечения нитей или некоторое различиев их структуре, как начальная скоростьдеформации 1:, так и кинетика умень шения скорости ползучести со време, нем были одинаковыми в обеих нитях,Для достижения этого и вводится корректировочный коэффициент К . Равенство скоростей деформации нитей 5 и 556 в любой момент времени проверяетсяпо сигналу от датчика 39. Этот датчиквключен дифференциально так, что его сердечник связан с нитью 5, а корпус - с нитью б. Поэтому при равенст-; ве скоростей их деформации сигнал на выходе датчика 39.равен нулю, В процессе подбора нагрузок Р и Р и подготовительного.деформирования нитей температура образцов в ампулах 1 и 12 поддерживается постоянной и равной Т. Это достигается за счет отвода тепла от ампул к .ванне с криогенной жидкостью при помощи инертного газа и их нагрева с помощью нагревателей 26 с другой. В это же время включают, - ся нагреватели 32-34 и производится тепловая стабилизация прибора в течение 40-60 мин.После описанной подготовки прибора камера 7 откачивается до вакуума -6 710 -1(Т мм рт.ст. Одновременно происходит уменьшение нагрузки на нитях на величину(12)АР=АР Я,где б Р=Р м -Р " возникающая разностьдавлений на концы плунжерных штоков14 и 15 (Р - давление в камере 7,Р ц - атмосферное давление, 8 - площадьпоперечного сечения штоков).В результате скорость ползучести. нитей уменьшается от некоторого значения с 2 , соответствующего времени2 качала откачивания камеры 7, дозначения Е сс Я 2 . С этого моментаприбор способен эффективно работатьв трех режимах,Режим 1, Выключаются нагреватели 26, и практически теплоизолированные один от другого и от внешней среды образцы выдерживаются в вакуумной камере в течение времени й 1, Промежуток времени Ьй выбирается в зависимости от особенностей измерения и интенсивности тепловыделения в исследуемом образце После выдержки к нити б, проходящей внутри эталонной ампулы, прикладывается догрузкаР , необходимая для восстановления относительной скорости ее деформации до значения б , Выполнение этой операции контролируется с помощью датчика 38. Затем с идентичной скоростью нагружения к нити 5, проходящей внутри ампулы с исследуемым веществом, прикладывается догрузка ЬР, =4 Р /К . Если за время вы держки И в исследуемом образце непроисходит никаких дополнительныхпроцессов (по сравнению с эталсопровождающихся тепловыделенискорость деформации проволокиже восстанавливается до значеЕсли же в образце по каким-либчинам происходит выделение тесредняя температура определеннучастка нити длиной 6 повышаеозавремя АС до значения Т =Т +2 1и после приложения догрузки А,Рскорость деформации нити 5 возет до знанения ЯЕ . Согласрассмотренной теории это приводиполнительному удлинению нити 5сравнению с нитью 6, на величиЬО =1(АТ)(выражение 13), В резулте на выходе датчика 39 возниксигнал, пропорциональный этой вчине. По сигналу от датчика 39 рег29 включает компенсирующий нагре28 в ампуле 2. За счет выделяемогогревателем 28 тепла эталонный озец и нить 6 также нагреваютсядо температуры Т , .что приводитЭвыравниванию удлинений нитей 5отключению компенсирующего нагртеля.Считая тепло, выделяемое замя Ай нагревателем 28, равнымлу Я, выделившемуся за время Ав исследуемом, образце, величинуможно определить какМЯ Р.Р(й)йс 1где д - сила тока в нагревателеК - его сопротивление..Режим 2. Сразу поспе откачкимеры 7 до вакуума 10 -10 мм ртскорости деформации нитей. 5 .и 6станавливаются до значения Е,нагреватели 26 отключаются. В эслучае возможный нагрев нити 5счет тепловыделения в исследуемобразце непрерывно компенсируетнагревателем 28, так что протекщие.тепловые эффекты регистрирв координатах Я-. Суммарный тевой эффект в этсм.случае вычислпо формулея=1 ж. (-810 с ). Поэтому тепловыделение онным), счет деформирования нитей 5 и 6 крайем, не незначительно и практически не 5 так- сказывается на результатах измерений. нияз. Режим 3. После откачки камеры 7 и5.о при- восстановления скоростей деформации пла, нитей 5 и 6 начинается нагрев ампул 1 ого и 2 с помощью нагревателей 26. Если тся в процессе нагрева в исследуемом об- АТ, 1 р разце происходит дополнительное тепловыделение, оно компенсируется пери- раста- одическим включением нагревателя 28.но Регистрация тепловых эффектов в дант к до- ном случае производится в координапо 15 тах Я-Т.ну Если в исследуемом образце происьта- ходит не выделение, а поглощение тепаетла, во всех случаях устройство рабоели- тает по тому же принципу, с той лишь улятор 20 разницей, что датчик 39 включает ватель вместо нагревателя 28 компенсирующий" .на- нагреватель 27. Что касается долго-"бра- вечности нитей 5 и 6 в процессе работы прибора, то следует отметить, чток 25 деформация Ь Е нитей, выполненныхи 6 и из меди, серебра, нержавеющих хромоева никелиевых сталей, при их нагреве нанесколько градусов в области темпера- . вре- тур Тс 200 К не превышает 17 В то теп же время суммарная деформация этих+Агнитей до,момента их разрушения может0 составлять 1002, т.е. такие нитиможно использовать десятки раз.Использование предлагаемого спосо(13) З ба позволяет создать достаточно надежные и простые в работе устройства, обладающие существенным преимуществом по сравнению с известными калориметрическими системами. Это преимущество заключается в том, чтовос- чувствительность устройства увеличиа вается по мере понижения температурытом измерений, достигая при температурахзал,10 К значений л8. Вт.ом 45 , Высокая точность предлагаемого меся тода связана с тем, что впервые в кааю- . честве элемента, чувствительного к уются тепловым воздействиям, используется пло- ансамбль дислокаций, находящихся в яетсясостоянии активируемого движения через спектр локальных препятствий.Использование этого принципа изменрений открывает новые возможности10 - в построении различных теплофизичесзаких приборов.