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.